电驱系统功率级“多合一”解决方案

摘要：

电驱系统从低级机械整合向高级的电子整合所带来的好处已经不言而喻。各个新能源企业将籍此提升动力总成功率密度和轻量化水平，并使整个系统更加完善和成熟。

如何提升电驱动系统的产品性能、减小能耗和进一步轻量化，以加强整车市场竞争力，是摆在国内外新能源车企面前的共同课题。为此，具有多年动力总成电子系统开发经验的美国著名半导体及电子解决方案专家——德州仪器（Texas Instrument）提出了多种功率级别“多合一”整合方案和设计思路，助力新能源车企提升技术优势。

传统意义上的机械层面“多合一”——将电机+电控+齿轮传动系统等集于一体早已不是什么新闻了，Mode 3甚至早已实现大批量生产。

然而，在功率电子层面的“多合一”——将OBC车载充电器+高电压DC/DC转换器+逆变器+PDU配电单元进行深度整合，比如共享功率开关器件和磁性元件，并最终实现进一步降本增效，成为当下热门的研究方向。第三方数据报告表明：此类设计可减少约40%的重量和体积并提升40%的功率密度。下图以高电压DC/DC和OBC车载充电器为例，描述了两大部件的4种最常见的整合选项及思路。以便在组合动力系统、控制电路和机械时实现高功率密度。

• 选项1：OBC在线充电器和DC/DC转换器独立外壳，独立冷却。该方案已被逐渐淘汰。
• 选项2：二者共享外壳和冷却系统，独立控制。该方案比较常见。
• 选项3：不仅共享外壳和冷却系统，还共享控制电路。该方案为市面上的主流方案。
• 选项4：在上述基础上，进一步共享功率开关器件，磁性元件等。该方案是功率级“多合一”系统的发展方向。

下面将以选项4为导向，从电子器件的层面，以两个实际案例，分析以下如何实现共享功率开关器件和以及磁性元件。案例一：OBC 与DC/DC整合该实际案例为6.6 kW车载充电器+1.4 kW直流/直流+配电单元整合，涉及的器件主要有一个微控制器MCU控制的功率因素校正级，一个MCU控制的DC/DC级和一个高电压DC/DCOBC车载充电器主要由AC电网接口，PFC功率因素校正级，DC/DC原边，变压器，DC/DC副边及与高压电池接口组成。高压DC/DC转换器一般由高压电池接口，DC/DC原边，变压器，DC/DC副边，以及低压电池接口组成。

组合方案之共享功率开关器件：由于OBC和高电压DC/DC转换器都连接到高电压电池，因此车载充电器和高电压DC/DC的全桥额定电压相同，从而可以实现车载充电器和高压DC/DC的全桥功率开关器件共享。组合方案之共享变压器：由于OBC和DC/DC在高电压侧具有相同的额定电压，因此可将两个变压器整合在一起变成三端变压器，最终实现磁性整合。如上图所示。

当此组合结构在高压电池充电条件下工作时，高电压输出将得到精确控制。但由于变压器的两个端子耦合在一起，因此低电压输出的性能将受限。因此，可添加一个内置BUCK降压转换器改善低电压输出性能，请见上图。但该方法需要权衡额外成本。案例二：电机+逆变器+OBC+DC/DC该实际案例整合了43kW车载充电器+牵引电机+牵引逆变器，其特点是共享三相桥功率开关器件以及电机绕组复用为OBC PFC电感。涉及的器件主要有一个微控制器MCU控制牵引电机驱动和车载充电器OBC（PFC+LLC）。

组合方案之共享功率开关器件：如同OBC和高电压DC/DC整合一样，OBC车载充电器的PFC三相桥和牵引电机的三相桥中的额定电压非常接近。即能实现车载充电器和牵引电机驱动器的三相桥共享功率开关器件，可以降低成本并提高功率密度。组合方案之共享电机绕组：另外，由于电机中通常有三个绕组，因此也可通过在OBC中共享绕组作为功率因数校正电感器来实现磁性整合，原理是：电机绕组在进入OBC模式时，三相绕组互相不连接，仅做电感使用。进入电机模式，电机的中心点连在一起。

如此一来，助于降低设计成本并提高功率密度。但电机需要重新设计，且实际使用时，需要额外的控制电路来切换绕组的连接状态。

结语

从上文的案例来看，电驱系统从低级机械整合向高级的电子整合所带来的好处已经不言而喻。各个新能源企业将籍此提升动力总成功率密度和轻量化水平，并使整个系统更加完善和成熟。然而，由于整个系统的复杂度将随着整合级别的提高而增加，且每种多合一动力总成系统变型都会有不同的设计挑战，电驱动系统制造商还需要与专业的电子解决方案服务商诸如德州仪器等公司一起攻克以下课题：

• 仔细设计磁性整合以达到最佳性能
• 研发针对于整合后系统的更加复杂的控制算法
• 开发高效的冷却系统，以散发较小系统中的所有热量