车载充电器和直流/直流转换器集成的四种常见方法

动力总成，英文名称Powertrain，或者Powerplant，指的是车辆上产生动力，并将动力传递到路面的一系列零部件组件。广义上包括发动机，变速箱，驱动轴，差速器，离合器等等，但通常情况下，动力总成，一般仅指发动机，变速器，以及集成到变速器上面的其余零件，如离合器/前差速器等。

‌集成动力总成‌是指将车辆中的多个动力系统组件集成到一个统一的系统中，以实现更高的功率密度、可靠性和成本效益。集成动力总成通常包括车载充电器(OBC)、高压直流/直流转换器(HV DCDC)、逆变器和配电单元(PDU)等终端设备。这些组件通过共享电源开关和磁性元件，减少电源电路中的元件数量，从而降低成本，但需要更复杂的控制算法来实现高效管理‌1。

集成动力总成的优势

‌提高功率密度‌：通过集成多个组件，可以在有限的空间内实现更高的功率输出。

‌提高可靠性‌：减少组件数量和连接点，降低了故障风险。

‌优化成本‌：通过共享组件和简化设计，降低了制造成本。

‌简化设计和组装‌：集成设计使得组装过程更加标准化和模块化，提高了生产效率‌1。

集成动力总成的市场应用现状和技术趋势

在电动汽车和混合动力汽车中，集成动力总成已经成为一种重要的技术趋势。市场上有多种实现集成动力总成的方法，包括形成独立的系统、共享机械外壳和冷却系统、控制级集成等。最新的趋势是向超集成的智能e驱动系统(如11合1系统)进化，这进一步精简了控制架构，提升了系统效能‌12。

用更少的器件实现更多的汽车应用，既能减轻车重、降低成本，又能提高可靠性。这是集成电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)设计背后的理念。

什么是集成动力总成?

集成动力总成旨在将车载充电器(OBC)、高压直流/直流(HV DCDC)转换器、逆变器和配电单元(PDU)等终端设备结合到一起。机械、控制或动力总成级别均可进行集成，如图1所示。

图1：电动汽车典型架构概述

为什么动力总成集成有利于混合动力汽车/电动汽车?

集成动力总成终端设备组件能够实现以下优势：

· 提高功率密度。

· 提高可靠性。

· 优化成本。

· 简化设计和组装，并支持标准化和模块化。

市场应用现状

实现集成动力总成的方法有很多。图2以车载充电器和高压直流/直流转换器集成为例，简要介绍了用于在结合动力总成、控制电路和机械组件时实现高功率密度的四种常见方法。它们分别是：

· 方法1：形成独立的系统。这种方法已不如几年前流行。

· 方法2：可分为两个步骤：

· 直流/直流转换器和车载充电器共享机械外壳，但拥有各自独立的冷却系统。

· 同时共享外壳和冷却系统(最常选用的方法)。

· 方法3：进行控制级集成。这种方法正在演变为第4种方法。

· 方法4：相比于其他三种方法，此方法由于减少了电源电路中的电源开关和磁性元件，所以成本优势更大，但它的控制算法也更复杂。

图2：车载充电器和直流/直流转换器集成的四种常见方法

表1概括了目前市场上的集成架构：

可降低电磁干扰(EMI)的高压三合一集成：车载充电器、高压直流/直流转换器和配电单元的集成(方法3)集成架构：车载充电器和高压直流/直流转换器的集成(方法4)43kW充电器设计：车载充电器、牵引逆变器和牵引电机的集成(方法4)

· 6.6kW车载充电器

· 2.2kW直流/直流转换器

· 配电单元

*第三方数据报告显示，这类设计能够使体积和重量减少大概40%，并且使功率密度提高大概40%· 6.6kW车载充电器

· 1.4kW直流/直流转换器

· 磁集成

· 共享电源开关

· 共享控制单元

(一个微控制器[MCU]控制的功率因数校正级，一个微控制器控制的直流/直流级，以及一个高压直流/直流转换器)·交流充电功率高达43kW

·共享电源开关

·共享电机绕组

表1：集成动力总成的三种成功实现

动力总成集成方框图

图3为一个动力总成的方框图，该动力总成实现了电源开关共享和磁集成的架构。

图3：集成架构中的电源开关和磁性组件共享

如图3所示，车载充电器和高压直流/直流转换器都连接至高压电池，因此车载充电器和高压直流/直流转换器的全桥额定电压相同。这样，便可以通过全桥使得车载充电器和高压直流/直流转换器实现电源开关共享。

此外，将图3所示的两个变压器集成在一起还可以实现磁集成。这是因为它们在高压侧的额定电压相同，能够最终形成三端变压器。

性能提升

图4展示了如何通过内置降压转换器来帮助提升低压输出的性能。

图4：提升低压输出的性能

当这个集成拓扑在高压电池充电条件下工作时，高压输出可得到精确控制。但是，由于变压器的两个端子耦合在一起，所以低压输出的性能会受到限制。有一个简单的方法可以提升低压输出性能，那就是添加一个内置降压转换器。但这样做的代价就是会导致成本增加。

共享组件

像车载充电器和高压直流/直流转换器集成一样，车载充电器中的功率因数校正级和三个半桥的额定电压非常接近。这样，便可以通过由两个终端设备组件共享的三个半桥来实现电源开关共享，如图5所示。这可以降低成本并提高功率密度。

图5：动力总成集成设计中的组件共享

由于一个电机一般有三个绕组，因此也可以将这些绕组用作车载充电器中的功率因数校正电感器，借此实现磁集成。这也有助于降低设计成本和提高功率密度。

从低级别的机械集成到高级别的电子集成，集成的发展仍在继续。随着集成级别的提高，系统的复杂性也将增加。但是，每种架构变体都会带来不同的设计挑战，包括：

· 为进一步优化性能，必须精心设计磁集成。

· 采用集成系统时，控制算法会更加复杂。

· 设计高效的冷却系统，以适应更小型系统的散热需求。

灵活性是动力总成集成的关键。众多方法任您选择，您可以任意地探索各种级别的集成设计。

动力总成是汽车中负责产生并传递动力至路面的关键组件集合。从广泛意义上来讲，动力总成涵盖了诸如发动机、变速箱、驱动轴、差速器以及离合器等多个部分。其中，发动机作为将其他形式能量转化为机械能的核心，包含了曲柄连杆机构、正时系统、配气机构、润滑系统等复杂部件，并辅以进气、排气、冷却及供油系统，同时还包括发动机悬置、线束控制单元以及增压机械等辅助设备。

变速箱则分为手动和自动两大类，其主要功能在于调节传动比以适应不同的行驶条件，同时利用空挡来实现动力的中断，从而协助发动机的启动、变速以及动力输出。变速箱的构成包括变速器本体、换挡控制机构，对于自动变速器而言，还包含了液压系统或控制驱动电机以及变速器控制单元。

驱动轴在装载机的推进过程中起着至关重要的作用，它能够确保驱动轮以不同的角速度进行转动，同时承受着多种交变应力的考验，并会产生扭转和弯曲振动，其轴颈与轴承之间还存在着滑动摩擦。

在四轮驱动的车辆中，差速器则扮演着分配动力给前后驱动轮的重要角色。

一般而言，动力总成常常特指发动机、变速器以及与之集成的其他零部件，如离合器和前差速器等。发动机被喻为汽车的“心脏”，而变速箱则是动力传输与变换的“中枢神经系统”。动力总成的性能直接决定了汽车的动力表现、经济效益以及环保标准。由于其结构错综复杂、零部件数量众多、对机械精度要求极高且成本不菲，因此动力总成技术一直是汽车制造业的核心竞争力所在，同时也是市场和消费者密切关注的焦点之一。