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通用的新能源电动轿车因为在国内出售的比较少,咱们在道路上也很难寻觅它的身影,咱们就来剖析一下通用别克的新能源电动轿车的电控体系。

关于混动车,现在干流的有:以丰田普锐斯为代表的丰田的弱混系列,也是全球销量最高的混动车,车型包含普锐斯和卡罗拉等,插电混动的以比亚迪为代表,车型首要包含秦、唐、宋和榜首代F3DM,最近国家方针的出台又把增程式混合动力轿车推到了消费群众的面前,咱们比较了解的车型是宝马的i3,还有不太了解的通用别克沃兰达,以及最近轿车之家李想造的声称续航高达1000公里的“抱负制作ONE”。咱们首要来了解一下通用别克沃兰达的电控。

通用的新能源电动轿车在国内基本上看不到,但通用对电动轿车的研制能够说血流史,通用也是新能源轿车骨灰级的玩家,通用为全球奉献了,世界上榜首款量产的纯电动轿车,通用EV1,上个图,也是很帅的一辆车吧,放在现在外形也不落伍吧,尽管咱们对他不了解,但研制EV1的团队为电动轿车的开展做出了很大的奉献,包含特斯拉都离不开这个团队的影子。

2007年通用底特律车展上发布沃兰达,并在2010年量产,现在这套智能电驱体系装在在沃兰达、Bolt、君越H30和VELITE5等车型上。



图1 通用EV1



图2 沃兰达


图3 君越H30


图4 VELITE5

这套智能电驱体系被称为“别克蓝”智能电驱体系,现在现已开展两代,榜首代体系的具体介绍能够拜见通用宣布的论文:The Voltec 4ET50 Electric Drive System;第二代体系的具体介绍能够拜见通用宣布的论文:Power Dense and Robust Traction Power Inverter for theSecond-Generation Chevrolet Volt Extended-Range EV。

“别克蓝”智能电驱体系是一套集成度适当高的双电机驱动体系,在这套仅重125Kg的体系中,却集成了TPIM(TractionPower Inverter Module)电驱操控器、两台电动机、油泵、电磁阀操控单元、以及两组行星齿轮和差速器等部件。

智能电驱体系双电机加双行星齿轮的规划,比较其他技能具有更高的自由度,两个电机可一起参加驱动或独自发电,在TPIM电驱操控器的操控下,发动机和电机可一起100%参加驱动,变速规模愈加广泛,动力输出更充分,而且奇妙的绕过了丰田的专利。



图5 榜首代“别克蓝”智能电驱体系


图6 第二代“别克蓝”智能电驱体系

通过上面几张图,榜首代咱们还能够轻松找到电控部分,第二代或许就没有找到他的电控部分,来一张爆破图看一下他的实在面貌。



图7 第二代“别克蓝”智能电驱体系爆破图


图8 第二代“别克蓝”智能电驱体系真面貌


图9 电驱动操控器单体图


图10 榜首代和第二代电驱动操控器参数比照




图1 “别克蓝”全家福

TPIM电驱操控器是德尔福(Delphi)为通用(GM)开发的一款的高功率密度和高可靠性的电机操控器,现已晋级为第二代。

在第二代,TPIM电驱模块集成进变速箱体内,第二代产品(右)比较榜首代产品(左)不只体积大幅削减,而且分量也得以减轻。整套驱动单元及操控器分量仅为125kg,而且省掉了电机驱动的高压沟通线束。鄙人降本钱的一起,进步了可靠性。



图2 榜首代和第二代体系

TPIM电驱操控器由三个独立的逆变模块(逆变器-A、逆变器-B、电子泵逆变器)、变速箱操控器、混合动力体系操控器等组成。其间三组逆变器担任操控电机,变速箱操控器担任换挡及扭矩恳求,混合动力操控器担任扭矩分配和能量办理。

值得一提的是,跟着TPIM电控操控器的集成,电池直流电(DirectCurrent)转换为电机运用沟通电(AlternateCurrent)的作业得以在箱体内完结,直接防止在发动机舱安置内高压电线,大幅度进步耐久功用和安全功用。

TPIM电驱操控器不只进行电机驱动操控,而且司职混合动力操控器。担任扭矩分配和能量办理。通过通用专利的多形式智能切换技能,TPIM电控模块能够依据不同的车速、发动机转速挑选最优的作业形式。而且在各作业形式切换过程中,其操控算法做到了同步及无缝的切换。确保了驾驭的舒适性和优秀的燃油经济性。



图3 榜首代和第二代具体参数比照

TPIM电驱操控器各部分剖析



图4 TPIM电驱操控器爆破图和剖面图

依据TPIM电控操控器爆破图和剖面图进行剖析它的各部件模块装置方法与功用,其首要由功率板power board, 直流母线电容DC buscapacitor,电磁兼容滤波器EMI filters,操控和栅极驱动板 control and gate drive boards, 传感器sensors 和输出母线busbar组成。

从上到下各部件模块别离为:1.上盖板,2.直流母线盖板,3.操控板,4.高压直流母线接头,5.柔性衔接器,6.上壳体,7.栅极驱动板,8.支撑件,9.上散热器总成,10.功率板,11.密封圈,12.下散热器总成,13.绝缘导热片,14.下壳体,15.电流传感器板,16.逆变器输出总成,17.母线电容。

一切的12个功率开关power switches (驱动电机A和电机B的硅基IGBT和二极管) 装置在一个特别规划的双面焊接印刷电路板PCB上,而且正反两面都与散热器总成相连(图示组件9、10、 12) 。

接下来将从上到下分隔进行剖析。



图5 接下来介绍的板块

一、接口剖析

两个高压直流端子是箱体上仅有的高压电缆衔接端口。别离衔接高压直流母线的正负极。因为电驱模块TPIM操控器一起操控两个驱动动力电机和高压电子油泵电机,因而右侧六个大电流端子别离衔接两个动力电机的三相沟通接线端。而且留有衔接油泵电机的三相高压线束衔接器。

赤色框中蓝色多PIN衔接器是衔接各种传感器线束,操控动力电机的转速和扭矩以及操控油泵的流量及油压。



图1 接口剖析

二、上盖板与操控板

因为整个TPIM电控操控器集成在变速箱内,所以不需求做防水防尘,因而整个TPIM电控操控器不考虑IP等级,上盖板也相对来说做的很简略。上盖板螺丝孔内都内嵌弹垫,增强盖板的受力才能。

上盖板扣在操控板上,拿掉上盖板,就能看到操控板的真容,操控板装置在上壳体上。



图2 上盖板与操控板

三、操控板、柔性衔接器和上壳体

操控板上一些芯片进行散热处理,通过在不和底层PCB上涂改相变资料,在芯片焊盘周围再打上过孔,装置时,相变资料与上壳体预留的凸台严密贴合,到达散热效果。

拿掉操控板,看到的是上壳体,在上壳体上还包含一块高压直流母线盖板。首要效果是支撑操控板及给操控板上的器材散热,赤色部分上面涂有相变资料,给操控板上的器材进行导热。上壳体顶面和底面都做有加强筋,添加壳体强度。

留意上壳体的凸台并没有直接触摸操控板,凸台和操控板之间有0.几个毫米的间隔。

柔性衔接器用于传输操控板与驱动板及功率板的信号,选用的是华印电路板的三层软硬结合板,端子品牌选用的是台湾实盈(SUYIN)。



图3 操控板、柔性衔接器和上壳体

四、高压直流盖板与高压直流母线接口

高压母线盖板的效果:1、固定高压直流母线接口。2、阻隔高低压。

高压母线接口:其间母线选用叠层母排的规划,叠层母排具有:电感阻抗低、抗搅扰才能强以及可靠性高级特色。而且母线负铜柱做了绝缘处理,加大正负极的绝缘间隔,高压直流母线接口做成一个模块,更有利于拼装并减小体积。接口处首要分为五部分:1:负极,2:正极,3:EMI磁环(按捺共模及高频搅扰)4:绝缘垫,5:绝缘塑壳。

高压直流母线电气衔接方法:高压电通过右侧的1、2两个镶进铜条的铜柱传到下面功率板的正负极,并通过顶层螺丝将其锁在底层的直流电容模块的正负极上,完结高压母线的电气衔接。



图4 高压部分组件装置方法

五、上散热器总成、支撑架和栅极驱动板

上壳体移除之后便是栅极驱动板,栅极驱动板上机械规划部分包含:6个支撑绷簧,支撑上壳体;2个支撑爪,由IGBT正负极铜排处伸出,固定和支撑驱动板;11个固定螺丝,散布在板子四周进行固定。绷簧、支撑爪和螺丝软硬结合进行上壳体和驱动板的衔接和固定,确保了板子能够接受满意的抗震动才能。

驱动板不和能够看到柔性衔接器与操控板对插端子;白色端子为驱动信号衔接端子,与功率板对插衔接,白色端子规划有防呆功用。

移除栅极驱动板是支撑架,支撑架包含上壳体支撑架和栅极驱动板支撑架,功率板与栅极驱动板之间有多个支撑架进行支撑。塑料支撑架资料为PBT GF30玻纤增强30%,具有尺度稳定性,高刚性,高强度,抗碰击,抗蠕变性,耐热老化等功用。注:图5中两个黑色部分为栅极驱动板支撑架独立图。

拿掉支撑架便是上散热器总成,TPIM电控操控器的IGBT水冷体系选用其首创的三明治双面水冷计划,其散热器总成包含上散热器总成和下散热器总成两部分,上下散热器水道并行,上散热器总成独自为12个IGBT散热,下散热器总成统筹油泵IGBT和安规薄膜电容。

上散热器总成原料由黄铜和紫铜构成,即为TPIM电控体系的IGBT水冷体系的水道部分,左右两个水道通过圆弧形铜管衔接,图中画红圈部分是通过FSW( 冲突拌和焊接Friction StirWelding )工艺将铜管与水道焊接在一起。

水道进出水口,与底层的下散热片道进行衔接,此焊接也是用冲突拌和焊接工艺,将铜管与水道焊接在一起。

12个IGBT与上散热器严密贴合,IGBT上涂有导热硅脂,增强散热效果。



图5 各部分从左到右顺次排开

六、功率板

功率板上有柔性衔接器、电机A三相桥输出、电机B三相桥输出和驱动板对插端子。柔性衔接器,将顶层操控板与功率板衔接在一起;1.2.3为桥臂的三相输出,通过底部的逆变器输出总成铜排衔接电机A;4.5.6为桥臂的三相输出,通过底部的逆变器输出总成铜排衔接电机B;白色端子为功率板与驱动板对插端子,用于与驱动板上的驱动信号端子对插,此针座与一般针座不同,它的针类似于回型针,在上面起到滤涉及传输匹配的效果,回形针式规划也使得匹配针座衔接时,减小由公役引起的应力,别的针座具有防呆功用。



图6 功率板正面与不和

功率板不和:黄色框内为高压电子油泵电机驱动电路IGBT和薄膜电容外表涂有相变资料,将热量传导至下壳体,通过水冷体系将热量带走;3PIN黑色衔接器与高压电子油泵衔接;赤色框内为12个IGBT的不和,严密贴合下散热器, IGBT上涂有导热硅脂,增强散热效果;两个紫色框内为电流传感器板排针的对插母排。

七、下散热器总成、密封圈和绝缘导热片

移除功率板,能够看到下散热器与下壳体水道构成下散热器总成。蓝色框内的紫铜部分和部分下壳体水道为下散热器总成,右边的两个孔为衔接上散热片总成的进出水口,赤色框内部件为部分下壳体水道。

下散热器总成拆解后的单个水道的正面、不和及侧面图,依据正不和不同资料的色彩和硬度能够判别,与IGBT贴合的面为正面,原料为紫铜,与下壳体贴合的面为不和,原料为黄铜(紫铜也称为纯铜,导热系数高于黄铜,导热功用更好),黄铜与紫铜贴合面的焊接工艺也是选用冲突拌和焊接。从顶层榜首个图看,涂有导热硅脂的部分紫铜面(正面)上印有规矩的网状,便于刷导热硅脂的一起也利于IGBT功率器材的散热。

在水道上下散热器总成的结合处和铜水道与下壳体贴合的进出水口处用到两种不同的密封圈,别离为图中1和2;1为与上散热器总成衔接的水道密封圈,2为下散热器总成与水道进出口衔接的密封圈。进一步进步防水效果。

在铜水道与下壳体贴合处规划有绝缘导热片,固定螺丝处规划有绝缘垫片。绝缘导热片为美国ITW系列的Formex防火聚丙烯(PP)绝缘资料,给操控器做进一步绝缘。绝缘垫片上规划有三个定位孔,其间一个起到防呆的效果。



图7 下散热器总成、密封圈和绝缘导热片组合方法

八、下壳体和逆变器输出总成

在电子油泵的IGBT模块和安规薄膜电容的散热区域。外表涂层为相变资料。下壳体不只起到支撑的效果还起到散热效果,箭头方向为水流方向(单边)赤色箭头表明水流通过下壳体底层,蓝色为通过上散热器总成。紫色框内为电机A和电机B驱动电路的母线薄膜电容散热区域,外表涂层为相变资料。

移除输出总线模块,看到下壳体底面的全貌和电流传感器板,赤色框内是进出水口,与变速箱的水冷体系衔接,变速箱水冷体系如右图所示赤色框图所示。两个对称的PCB板为电机A与电机B的电流传感器板。

移除下壳体,是逆变器输出总成,逆变器输出总成装置方法如图,6根铜排别离是电机A和B的三相输出,通过铜排上的定位孔与黑色塑料绝缘支架的定位销组成一个模块总成,下降装置难度,黑色塑料绝缘支架依据铜排的形状与走线方法规划铜排走道,并升起阻隔墙来满意铜排之间的高压绝缘与爬线间隔的要求。

在逆变器输出总成不和,6个铜柱衔接至功率板的电机A和B的三相输出,一起穿过电流传感器板;黑色塑料绝缘支架原料为:PA66-GF15;框内灰色为相变资料,铜排热量通过其传到下壳体的水道上,一起起到绝缘的效果。



图8 下壳体与逆变器输出总成

九、电流传感器与母线电容

赤色框内为电流传感器板,运用4个螺丝固定鄙人壳体上;每个电流传感器板上各放有3个LEM电流传感器型号为:HC5F600-S,别离检测电机A和电机B的三相电流。电流传感器板正面,蓝框内为衔接至功率板上的针座(针座运用的是台湾实盈(SUYIN)的产品)通过功率板的针座将电流采样信号送到操控板的DSP。

操控器最底层是母线电容模块,制作商为:AVX,型号为:FHC06-0012-D ,参数为:790uF±5%,410V,140Arms,通过铜排衔接到功率板的三个正负极铜排上,再用螺丝锁紧固定,铜排中心放有高温绝缘纸作为绝缘介质。



图9 电流传感器与母线电容

技能优势

结合通用GM与德尔福Delphi联合宣布的SAE论文《第二代雪佛兰沃兰达增程式电动车的高功率密度高可靠性电驱动操控器》(2015-01-1201:power dense androbust traction power inverter for the second generation Chevrolet voltextended range ev)进行剖析。

TPIM电控操控器的首要优势:高功率密度和高可靠性。

外形尺度为:370mm*180mm*125mm(包含伸出的衔接器的长度)。

继续输出功率:180KVA(电机A和电机B,不包含油泵功率)。

TPIM电控操控器榜首代与第二代比照,第二代TPIM电控操控器优化削减了其峰值同步沟通输出功率。具体来说电机A峰值电流添加了48%,可是电机B峰值电流下降了24%,总功率下降,但因为驾驭形式的优化,却得到了更好的功用。其全体的纯电续航路程添加了30%,CS标(Charge Sustaining电量坚持)燃油经济性添加超越10%。

依据产品具体参数表进行TPIM电控操控器榜首代和第二代间的功用比照。体积由13.1L减小到10.4L,分量由14.6kg减小到8.3kg,峰值功率从221kW优化减小到180kW。相应的功率密度进步了43%,功率体积比进步了2%。在功率方面,根据FTP城市测验工况功率进步6%,纯电续航路程进步30%,CS标燃油经济性进步11%。

体系剖析

TPIM智能电驱体系的变速器答应在两个电机之间有效地同享牵引负载,这种负载同享使电机B的峰值扭矩要求从榜首代TPIM所需的水平上下降了,这样的削减能够使TPIM的峰值电流相应削减。下降每个逆变器的峰值电流,优化结构工艺,进步功率密度,减小操控器的体积。

TPIM变速器的内部方位简化了电力驱动体系的机械集成,使其对大批量出产的难度大大下降。

电机A和电机B三相线的输出规划,将铜排代替榜首代的铜线衔接,节省了本钱和空间,而且装置更简略。

第二代TPIM智能电驱体系功率驱动的规划首要是为了满意功率、功用和经用性要求。硅技能在开关损耗和传导损耗参数之间的权衡,硅的尺度和厚度,热阻抗,理性负载和PWM开关技能都是通过精心规划的,以到达一个最优化的功率模块规划。

如爆破视图(a)和(b)所示,左边的橙色高压衔接器对应的两个高压直流端子成为了箱体上仅有的高压电缆衔接端口。别离衔接高压直流母线的正负极。从电驱操控器到罩盖的固定全都选用规范螺栓,便利其装置。

从图示(c)可发现本来电驱模块TPIM操控器的液冷冷却管路奇妙的安置在了整个模块的正下方。像家中厨卫空间相同做到了干湿别离。整个电驱模块TPIM操控器地点的空间为干区。而液冷管路通过密封垫圈将操控器与整车的冷却体系相连。

因为电驱模块TPIM操控器一起操控两个驱动动力电机和高压电子油泵电机,因而如图示(d)所示,右侧六个大电流端子别离衔接两个动力电机的三相沟通接线端。该沟通端子通过密封接口进入变速箱主体所浸泡变速箱油的湿区,并于动力电机衔接。



图1 爆破图

规划剖析

1、功率器材剖析

IGBT和二极管裸片(Die IGBT and Die Diode)别离被装置在电气阻隔可是热耦合的两层陶瓷铝基板之间。基层为根底衬底铝基板(Base Substrate DBC AIN),上层为上盖衬底铝基板(Cap Substrate DBC AIN)。

运用顶部焊接内部互连技能(topside solderable interconnects technology)完全代替了传统的键合(wirebond)技能,突破了本来的功率约束。

功率开关的集电极(Collector)和发射级及栅极(Emitter andGate)别离由两边引出衔接PCB。上基层陶瓷基板别离与正反两面集成水冷管的上下散热器总成相连,构成三明治双面水冷结构。

如图2,图中b所示,立异的功率器材装置工艺,使得硅基IGBT和二极管以紧凑的面积和超薄的高度集成于陶瓷铝基板并焊接于双面PCB上。



图2 功率器材与散热器

2、散热器规划

德尔福运用了立异的三明治双面水冷结构,然后进步了功率器材的集成度和功率等级。为了能够将冷却液准确的送到功率器材的正反两面,散热器通过了精心的规划。立异的运用了MIM(金属粉末打针成型(Metal InjectedMolding))技能。使得金属散热片能够做成中空,活动冷却液。如下图为冷却体系示意图和热仿真效果图。(a)为选用MIM技能的散热片细节,(b)为散热片热仿真效果图。(c)为冷却体系全体示意图,(d)冷却体系全体热仿真效果图。



图3 冷却体系示意图及热仿真效果图

3、FSW加工工艺

为了完结如上说到的双面水冷冷却体系,其间基层的两个冷却管需求通过下盖板铝铸件内部的散热水道相连。该散热水道便是在铝铸件上通过最新的FSW( 冲突拌和焊接Friction StirWelding )工艺加工的。

如图为下壳体内部冷却水道FSW加工工艺。类似于3D打印,通过下图的4个过程,下壳体下部的水道缺口被加工成半关闭水道。而且还统筹到了基层直流电容和沟通输出母线接口的冷却。



图4 机壳加工工艺

4、功率输出接口冷却规划

因为电机三相线输出电流大又远离水冷散热区,一直是散热规划难点之一。德尔福立异的运用下壳体内部散热水道构成的热传递接口统筹到了基层直流电容和功率输出接口的冷却。

图为功率输出接口冷却示意图和热仿真效果图。图中左半部赤色部分即为热传递接口,下部为FSW工艺加工的集成内部水道的下壳体,上部为直流电容和功率输出接口。如图右半部所示,功率输出接口中心部分和热传递接口相连温度最低,右侧衔接电机部分温度最高。



图5 功率输出接口冷却示意图和热仿真效果图

操控板

通用别克“别克蓝”智能电驱体系运用了三片飞思卡尔的SPC5674FMVR3ON31E作为主操控芯片,旋变解码芯片选用的是ADI的AD2S1205,在正面元器材从1-24别离为:

1、变压器(28277230) ,TDK;

2、DRA125 22uH 35PH16C,EATON;

3、DRA125 1.5uH 23CH16C,EATON;

4、DRA125 100uH 46CH16C,EATON;

5、B82793S513N 6434,EPCOS;

6、NCV4276B , ON;

7、H33 7256 , ON;

8、FDD6LAO , FAIRCHILD;

9、LM2902KAQ ,ST;

10、AD2S1205 , ADI;

11、P6BARTETG4 , TI;

12、MBRB1045G , ON;

13、H33 2976 , ON;

14、IPG20N06S2L-35A ,Infineon;

15、2901,ON;

16、74HC54 , NXP;

17、28452585 / 6AZYV14;

18、LM2903 , ST;

19、74HC132 , NXP;

20、LM2904 , ST;

21、74HC08D;

22、LM6134BM;

23、NFADH16G , ON;

24、SPC5674FMVR3ON31E。



图1 操控板正面

不和元器材:1-13:

1、DALE WSR-2 0.01R 1% ,VISHAY;

2、74HC4050D , NXP;

3、74HC11D , NXP;

4、74HC541, NXP;

5、74HC10D ,NXP;

6、74HC08D , NXP;

7、BG2AD / 27315;

8、LM2903V , ST;

9、15P04;

10、74HC240 ,NXP;

11、74HC541, NXP;

12、74HCT125 ,NXP;

13、针座 26466 ,SUYIN。



图2 操控板不和

驱动板

驱动板正面元器材1-8:

1、变压器(28395752) ,TDK,顶层加屏蔽;

2、74HC4050D,NXP;

3、2903,ST;

4、FAN7080B(600V,Io+/-=300/600mA),FAIRCHILD;

5、BSP318S(60V,2.6A) , SIEMENS;

6、NSS60600(60V,6A) ,ON;

7、NSS60601(60V,6A) ,ON;

8、1ED020I12FTA(1200V,2A) , Infineon。



图3 驱动板正面

驱动板不和原件1-5:

1、ADuM1401WTRWZ,ADI ,数字式阻隔器 10M数据速率;

2、FGD3N60LSD,FAIRCHILD, IGBT 600V 3A;

3、AUIRS2332J,IR, 3合1桥臂驱动芯片 ;

4、DALE WSR-2 0.01R 1%,VISHAY,高精度电阻;

5、BUK9217-75B,NXP, MOSFET 75V 64A。



图4 驱动板不和

功率板

1、FS50R07W1E3_B11A (650V,50A),Infineon;

2、ACS758LCB-050B (50A),Allegro;

3、R75 MKP (0.33uF,250V) ,Arcotronics;

4、SUYIN针座;

5、IGBT内部集成的陶瓷铝基板外表。

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