用更少的器件實現更多的汽車應用，既能減輕車重、降低成本，又能提高可靠性。這是集成電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)設計背后的理念。

總成集成有利于混合動力汽車/電動汽車?，主要體現在以下幾個方面：

?提高功率密度?：通過集成動力總成系統，可以減少器件數量，提高系統的功率密度，從而提升電動汽車的整體性能?12。

?優(yōu)化成本?：集成化設計可以減少器件數量和組裝步驟，降低制造成本，提高經濟效益?12。

?提高可靠性?：集成化設計減少了組件間的接口和連接，降低了故障率，提高了系統的整體可靠性?12。

?簡化設計和組裝?：集成化設計支持標準化和模塊化，簡化了設計和組裝過程，提高了生產效率?12。

?輕量化?：集成化設計減少了系統的重量，有助于實現汽車的輕量化，從而提高燃油經濟性和行駛里程?34。

具體應用案例和未來發(fā)展趨勢

?比亞迪的三合一動力總成?：比亞迪的電機、電控、變速器三合一驅動總成系統通過集成化設計，實現了體積小、重量輕、功率密度高的優(yōu)勢，顯著提升了電驅總成的效率和成本效益?4。

?寬帶隙半導體器件?：碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等新材料的應用，進一步提高了電動汽車的效率和功率密度，推動了動力總成集成技術的發(fā)展?5。

什么是集成動力總成?

集成動力總成旨在將車載充電器(OBC)、高壓直流/直流(HV DCDC)轉換器、逆變器和配電單元(PDU)等終端設備結合到一起。機械、控制或動力總成級別均可進行集成，如圖1所示。

圖1：電動汽車典型架構概述

為什么動力總成集成有利于混合動力汽車/電動汽車?

集成動力總成終端設備組件能夠實現以下優(yōu)勢：

· 提高功率密度。

· 提高可靠性。

· 優(yōu)化成本。

· 簡化設計和組裝，并支持標準化和模塊化。

市場應用現狀

實現集成動力總成的方法有很多。圖2以車載充電器和高壓直流/直流轉換器集成為例，簡要介紹了用于在結合動力總成、控制電路和機械組件時實現高功率密度的四種常見方法。它們分別是：

· 方法1：形成獨立的系統。這種方法已不如幾年前流行。

· 方法2：可分為兩個步驟：

· 直流/直流轉換器和車載充電器共享機械外殼，但擁有各自獨立的冷卻系統。

· 同時共享外殼和冷卻系統(最常選用的方法)。

· 方法3：進行控制級集成。這種方法正在演變?yōu)榈?種方法。

· 方法4：相比于其他三種方法，此方法由于減少了電源電路中的電源開關和磁性元件，所以成本優(yōu)勢更大，但它的控制算法也更復雜。

圖2：車載充電器和直流/直流轉換器集成的四種常見方法

表1概括了目前市場上的集成架構：

可降低電磁干擾(EMI)的高壓三合一集成：車載充電器、高壓直流/直流轉換器和配電單元的集成(方法3)集成架構：車載充電器和高壓直流/直流轉換器的集成(方法4)43kW充電器設計：車載充電器、牽引逆變器和牽引電機的集成(方法4)

· 6.6kW車載充電器

· 2.2kW直流/直流轉換器

· 配電單元

*第三方數據報告顯示，這類設計能夠使體積和重量減少大概40%，并且使功率密度提高大概40%· 6.6kW車載充電器

· 1.4kW直流/直流轉換器

· 磁集成

· 共享電源開關

· 共享控制單元

(一個微控制器[MCU]控制的功率因數校正級，一個微控制器控制的直流/直流級，以及一個高壓直流/直流轉換器)·交流充電功率高達43kW

·共享電源開關

·共享電機繞組

表1：集成動力總成的三種成功實現

動力總成集成方框圖

圖3為一個動力總成的方框圖，該動力總成實現了電源開關共享和磁集成的架構。

圖3：集成架構中的電源開關和磁性組件共享

如圖3所示，車載充電器和高壓直流/直流轉換器都連接至高壓電池，因此車載充電器和高壓直流/直流轉換器的全橋額定電壓相同。這樣，便可以通過全橋使得車載充電器和高壓直流/直流轉換器實現電源開關共享。

此外，將圖3所示的兩個變壓器集成在一起還可以實現磁集成。這是因為它們在高壓側的額定電壓相同，能夠最終形成三端變壓器。

性能提升

圖4展示了如何通過內置降壓轉換器來幫助提升低壓輸出的性能。

圖4：提升低壓輸出的性能

當這個集成拓撲在高壓電池充電條件下工作時，高壓輸出可得到精確控制。但是，由于變壓器的兩個端子耦合在一起，所以低壓輸出的性能會受到限制。有一個簡單的方法可以提升低壓輸出性能，那就是添加一個內置降壓轉換器。但這樣做的代價就是會導致成本增加。

共享組件

像車載充電器和高壓直流/直流轉換器集成一樣，車載充電器中的功率因數校正級和三個半橋的額定電壓非常接近。這樣，便可以通過由兩個終端設備組件共享的三個半橋來實現電源開關共享，如圖5所示。這可以降低成本并提高功率密度。

圖5：動力總成集成設計中的組件共享

由于一個電機一般有三個繞組，因此也可以將這些繞組用作車載充電器中的功率因數校正電感器，借此實現磁集成。這也有助于降低設計成本和提高功率密度。

結束語

從低級別的機械集成到高級別的電子集成，集成的發(fā)展仍在繼續(xù)。隨著集成級別的提高，系統的復雜性也將增加。但是，每種架構變體都會帶來不同的設計挑戰(zhàn)，包括：

· 為進一步優(yōu)化性能，必須精心設計磁集成。

· 采用集成系統時，控制算法會更加復雜。

· 設計高效的冷卻系統，以適應更小型系統的散熱需求。

靈活性是動力總成集成的關鍵。眾多方法任您選擇，您可以任意地探索各種級別的集成設計。

隨著越來越多的混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 首次亮相，汽車制造商正在提高車輛動力系統的電氣化程度。受全球限制二氧化碳排放法規(guī)的推動，銷量每年以 20% 至 25% 的速度增長 [1]，預計到 2030 年將占汽車總銷量的 20% 至 25%[2]。此外，隨著消費者對混合動力汽車的接受程度的提高，也帶來了對性能更好、行駛里程更長的節(jié)能、堅固和緊湊型系統的更大需求。

該領域的主要顧慮之一是如何使混合動力汽車/電動汽車更實惠，促進大眾市場的采用并解決汽車制造商當前盈利能力不足的問題。如今，小到中型電動汽車的平均價格比同等級別的內燃機汽車高出約 12,000 美元 [3]。

起初，人們認為電池成本是造成價格差異的唯一原因。的確，電池成本在未來可能會大幅下降。然而，詳細的商業(yè)模式最近表明，其他選項也可以降低成本 [3] 并縮短原始設備制造商(OEM) 使混合動力汽車/電動汽車銷售實現盈利的時間。一種選擇是按成本設計 (DTC)，它專注于動力總成集成，即電力電子組件放置得更緊密，減少組件數量，并將它們集成到更少的盒子中。

在本白皮書中，我會介紹將 DTC 應用于電力電子產品如何使OEM 能夠實現大眾市場的采用。首先，我將解釋為什么電力電子技術的進步能夠在努力降低動力總成系統的 DTC 的同時減輕消費者的“里程焦慮”，然后介紹旨在采用 DTC 的系統級集成式動力總成解決方案，并特別著重介紹優(yōu)化半導體 (IC) 和功率器件的內容。

解決里程焦慮

在購買混合動力汽車和電動汽車時，里程焦慮一直是消費者最關心的問題。2020 年，市場上預計將發(fā)布幾款里程超過 200英里 [4] 的電動汽車。即使在不同的 OEM 廠商中，這些電動汽車的共同之處在于，它們都采用了全新的動力總成平臺設計，優(yōu)化了電池堆疊和封裝以實現高續(xù)航里程。更高的電池組堆疊轉化為更高的電壓和更大的馬力。

現代電動汽車的電池電壓通常約為 400V，但要獲得更大的馬力，則需要將電池電壓提高至 800V，尤其是在高端電動汽車中。更高的電壓可將相同的電流轉換為更大的馬力。電池堆疊和封裝的優(yōu)化可實現緊湊的空間和更低的 DTC。

此外，在同樣的功率下，更高的電壓可提高效率，因為不用使用大電流，從而可降低熱耗散。更小的電纜直徑和更低的重量反過來又降低了 DTC。