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电动汽车集成化中不同阶段

2020-06-22
来源:与非网

着世界上主要的国家和地区在碳排放和尾气排放两个方向上不断收紧对汽车的要求,全球各个主流车企已开始建立电动汽车平台化战略,推出了一系列电动汽车开发平台。电动汽车平台从电动汽车自身产品特点,在工程设计上是围绕纯电动汽车的特性出发,改造了电动汽车设计方法,在生产上采用模块化的方式,实现制造设备,生产工艺以及电池,电机,电汽车平台可以尝试使用相同的生产线,降低生产制造成本,可以提高新模型开发的销量,改变研发周期。在这方面一个突出的特点是,在电动汽车动力总成中,集成化和模块化两个方向上进行平衡和设计。

 

01
动力总成方向上的组合?

目前电动汽车包含的电气化的动力架构主要包括车载充电器(OBC)、高电压 DC/DC(HV DCDC)、逆变器(DCAC)和配电单元(PDU)等动力系统终端器件。由于这些部件比较多,在平台开发的考虑中,可以在机械、控制或动力系统级别应用整合。主要有两种集成的路径: 集成路径 1:这个以特斯拉 Model 3 为代表,把 OBC 和 DCDC 集成到电池系统里面 集成路径 2:围绕驱动系统进行集成,在电机、逆变器和减速器三合一的基础上进一步集成 PDU、OBC 和 DCDC 进行 6 合一 备注:热管理系统方向上面的集成化设计考虑也是一个趋势 

 

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图 1 集成的方式

 

这里,车企为什么在设计平台过程中,要考虑把这些部件进行集成化,形成一个大的动力总成系统总成呢?主要的原因是: 

 

1) 优化整个架构,可以通过减少需要总装的零件数量,提高总装的可制造性;

2) 通过结构的整合,可以减少高压连接的线束,合并结构并减少支架,达到整体减重的目的 

3) 面向未来考虑,把每个部件进行标准化和模块化,这样在集成过程中,尽可能复用

4) 优化成本,整合的过程,使得成本上有很大的降低空间 第二部分 集成化过程的不同层级 从不同电气、结构和控制的层级来看,集成化有不同的阶段,我们以车载充电机和 DCDC 这个集成为例,这两个部件是完全独立的。我们最终的目的,是要通过功能合并,尽可能让两个高度集成的部件在元器件层面上能实现一定程度的复用,通过细节设计改变电路的一定结构实现简化成本的目的。 

 

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图 2 DCDC 的系统框图 

 

备注:这个原理框图出自 TI 的设计网站,上面有关于这些器件的选型列表

 

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图 3 OBC 的设计框图 

 

第一阶段:OBC 和 DCDC,只是物理上放在一起,两个都是独立的,也就是如下图所示,整体的两个部件 

第二阶段:两个部件使用一个结构壳体,共享冷却流道 

第三阶段:控制级整合,把两个部件的控制逻辑部分的电路整合在一起 

第四阶段:在功率拓扑层面,复用部分的电路器件(开关器件和磁性器件) 

 

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图 4 OBC 和高电压 DC/DC 转换器不同层级的整合 

 

02
深度整合阶段

功率器件整合来看,考虑到车载充电器和高电压 DC/DC 的全桥额定电压相同,可以考虑结合使用,两个部件复用全桥共享电源开关成为可能。将两个变压器整合在一起即可实现磁性整合,在高电压侧具有相同的额定电压,因此最终可能成为三端变压器。在这种设计下,DCDC 低电压输出的性能将受限,可以考虑是增加一个内置降压转换器。 

 

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图 5 OBC 和 DCDC 的功率层面复用

 

当然还有一个很大的方向,是可以考虑在设计大功率充电机的时候,考虑车载充电机和逆变器中半桥电路的整合,如下图所示,车载充电器的功率因数校正级和逆变器三个半桥中开关管的额定电压非常接近。如图 6 所示,即能实现与两个终端器件组件共享的三个半桥开关,可以降低成本并提高功率密度。并且可通过在 OBC 中共享电机绕组作为其功率因数校正电感器来实现磁性整合,这也有助于降低设计成本并提高功率密度。 

 

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图 6 OBC 和逆变器的复合使用

 

小结:电动汽车在零部件数量和系统简易度方面,是有很大的优势, 而且从开始的结构整合到电子电气方面的集成化,一直在不断发展,这个领域是值得我们一直关注的。


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