通用別克增程式電動汽車電驅動控制器技術解析
通用的新能源電動汽車因為在國內銷售的比較少，我們在道路上也很難尋找它的身影，我們就來分析一下通用別克的新能源電動汽車的電控系統。
關於混動車，現在主流的有：以豐田普銳斯為代表的豐田的弱混系列，也是全球銷量最高的混動車，車型包括普銳斯和卡羅拉等，插電混動的以比亞迪為代表，車型主要包括秦、唐、宋和第一代F3DM，最近國家政策的出臺又把增程式混合動力汽車推到了消費大眾的面前，我們比較熟悉的車型是寶馬的i3，還有不太熟悉的通用別克沃蘭達，以及最近汽車之家李想造的號稱續航高達1000公里的“理想製造ONE”。我們主要來了解一下通用別克沃蘭達的電控。
通用的新能源電動汽車在國內基本上看不到，但通用對電動汽車的研發可以說血流史，通用也是新能源汽車骨灰級的玩家，通用為全球貢獻了，世界上第一款量產的純電動汽車，通用EV1，上個圖，也是很酷的一輛車吧，放在現在外形也不落伍吧，雖然我們對他不瞭解，但研發EV1的團隊為電動汽車的發展做出了很大的貢獻，包括特斯拉都離不開這個團隊的影子。
2007年通用底特律車展上發佈沃蘭達，並在2010年量產，如今這套智能電驅系統裝在在沃蘭達、Bolt、君越H30和VELITE5等車型上。
圖1 通用EV1
圖2 沃蘭達
圖3 君越H30
圖4 VELITE5
這套智能電驅系統被稱為“別克藍”智能電驅系統，現在已經發展兩代，第一代系統的詳細介紹可以參見通用發表的論文：The Voltec 4ET50 Electric Drive System；第二代系統的詳細介紹可以參見通用發表的論文：Power Dense and Robust Traction Power Inverter for theSecond-Generation Chevrolet Volt Extended-Range EV。
“別克藍”智能電驅系統是一套集成度相當高的雙電機驅動系統，在這套僅重125Kg的系統中，卻集成了TPIM(TractionPower Inverter Module)電驅控制器、兩臺電動機、油泵、電磁閥控制單元、以及兩組行星齒輪和差速器等部件。
智能電驅系統雙電機加雙行星齒輪的設計，相比其他技術具有更高的自由度，兩個電機可同時參與驅動或單獨發電，在TPIM電驅控制器的控制下，發動機和電機可同時100%參與驅動，變速範圍更加寬泛，動力輸出更充沛，並且巧妙的繞過了豐田的專利。
圖5 第一代“別克藍”智能電驅系統
圖6 第二代“別克藍”智能電驅系統
通過上面幾張圖，第一代我們還可以輕鬆找到電控部分，第二代可能就沒有找到他的電控部分，來一張爆炸圖看一下他的真實面目。
圖7 第二代“別克藍”智能電驅系統爆炸圖
圖8 第二代“別克藍”智能電驅系統真面目
圖9 電驅動控制器單體圖
圖10 第一代和第二代電驅動控制器參數對比
圖1 “別克藍”全家福
TPIM電驅控制器是德爾福（Delphi）為通用（GM）開發的一款的高功率密度和高可靠性的電機控制器，現已升級為第二代。
在第二代，TPIM電驅模塊集成進變速箱體內，第二代產品（右）相比第一代產品（左）不僅體積大幅減少，而且重量也得以減輕。整套驅動單元及控制器重量僅為125kg，而且省掉了電機驅動的高壓交流線束。在降低成本的同時，提高了可靠性。
圖2 第一代和第二代系統
TPIM電驅控制器由三個獨立的逆變模塊（逆變器-A、逆變器-B、電子泵逆變器）、變速箱控制器、混合動力系統控制器等組成。其中三組逆變器負責控制電機，變速箱控制器負責換擋及扭矩請求，混合動力控制器負責扭矩分配和能量管理。
值得一提的是，隨著TPIM電控控制器的集成，電池直流電（DirectCurrent）轉換為電機使用交流電（AlternateCurrent）的工作得以在箱體內完成，直接避免在發動機艙佈置內高壓電線，大幅度提高耐久性能和安全性能。
TPIM電驅控制器不僅進行電機驅動控制，並且司職混合動力控制器。負責扭矩分配和能量管理。通過通用專利的多模式智能切換技術，TPIM電控模塊可以根據不同的車速、發動機轉速選擇最優的工作模式。並且在各工作模式切換過程中，其控制算法做到了同步及無縫的切換。保證了駕駛的舒適性和優良的燃油經濟性。
圖3 第一代和第二代詳細參數對比
TPIM電驅控制器各部分分析
圖4 TPIM電驅控制器爆炸圖和剖面圖
根據TPIM電控控制器爆炸圖和剖面圖進行分析它的各部件模塊安裝方式與功能，其主要由功率板power board, 直流母線電容DC buscapacitor,電磁兼容濾波器EMI filters,控制和柵極驅動板 control and gate drive boards, 傳感器sensors 和輸出母線busbar組成。
從上到下各部件模塊分別為：1.上蓋板，2.直流母線蓋板，3.控制板，4.高壓直流母線接頭，5.柔性連接器，6.上殼體，7.柵極驅動板，8.支撐件，9.上散熱器總成，10.功率板，11.密封圈，12.下散熱器總成，13.絕緣導熱片，14.下殼體，15.電流傳感器板，16.逆變器輸出總成，17.母線電容。
所有的12個功率開關power switches (驅動電機A和電機B的硅基IGBT和二極管) 安裝在一個特殊設計的雙面焊接印刷電路板PCB上，並且正反兩面都與散熱器總成相連(圖示組件9、10、 12) 。
接下來將從上到下分開進行分析。
圖5 接下來介紹的板塊
一、接口分析
兩個高壓直流端子是箱體上唯一的高壓電纜連接端口。分別連接高壓直流母線的正負極。由於電驅模塊TPIM控制器同時控制兩個驅動動力電機和高壓電子油泵電機，因此右側六個大電流端子分別連接兩個動力電機的三相交流接線端。並且留有連接油泵電機的三相高壓線束連接器。
紅色框中藍色多PIN連接器是連接各種傳感器線束，控制動力電機的轉速和扭矩以及控制油泵的流量及油壓。
圖1 接口分析
二、上蓋板與控制板
由於整個TPIM電控控制器集成在變速箱內，所以不需要做防水防塵，因此整個TPIM電控控制器不考慮IP等級，上蓋板也相對來說做的很簡單。上蓋板螺絲孔內都內嵌彈墊，增強蓋板的受力能力。
上蓋板扣在控制板上，拿掉上蓋板，就能看到控制板的真容，控制板安裝在上殼體上。
圖2 上蓋板與控制板
三、控制板、柔性連接器和上殼體
控制板上一些芯片進行散熱處理，通過在反面底層PCB上塗抹相變材料，在芯片焊盤周圍再打上過孔，安裝時，相變材料與上殼體預留的凸臺緊密貼合，達到散熱效果。
拿掉控制板，看到的是上殼體，在上殼體上還包括一塊高壓直流母線蓋板。主要作用是支撐控制板及給控制板上的器件散熱，紅色部分上面塗有相變材料，給控制板上的器件進行導熱。上殼體頂面和底面都做有加強筋，增加殼體強度。
注意上殼體的凸臺並沒有直接接觸控制板，凸臺和控制板之間有0.幾個毫米的距離。
柔性連接器用於傳輸控制板與驅動板及功率板的信號，採用的是華印電路板的三層軟硬結合板，端子品牌採用的是臺灣實盈（SUYIN）。
圖3 控制板、柔性連接器和上殼體
四、高壓直流蓋板與高壓直流母線接口
高壓母線蓋板的作用：1、固定高壓直流母線接口。2、隔離高低壓。
高壓母線接口：其中母線採用疊層母排的設計，疊層母排具有：電感阻抗低、抗干擾能力強以及可靠性高等特點。並且母線負銅柱做了絕緣處理，加大正負極的絕緣間距，高壓直流母線接口做成一個模塊，更有利於組裝並減小體積。接口處主要分為五部分：1：負極，2：正極，3：EMI磁環（抑制共模及高頻干擾）4：絕緣墊，5：絕緣塑殼。
高壓直流母線電氣連接方式：高壓電通過右側的1、2兩個鑲進銅條的銅柱傳到下面功率板的正負極，並通過頂層螺絲將其鎖在底層的直流電容模塊的正負極上，實現高壓母線的電氣連接。
圖4 高壓部分組件安裝方式
五、上散熱器總成、支撐架和柵極驅動板
上殼體移除之後就是柵極驅動板，柵極驅動板上機械設計部分包括：6個支撐彈簧，支撐上殼體；2個支撐爪，由IGBT正負極銅排處伸出，固定和支撐驅動板；11個固定螺絲，分佈在板子四周進行固定。彈簧、支撐爪和螺絲軟硬結合進行上殼體和驅動板的連接和固定，保證了板子能夠承受足夠的抗震動能力。
驅動板背面可以看到柔性連接器與控制板對插端子；白色端子為驅動信號連接端子，與功率板對插連接，白色端子設計有防呆功能。
移除柵極驅動板是支撐架，支撐架包括上殼體支撐架和柵極驅動板支撐架，功率板與柵極驅動板之間有多個支撐架進行支撐。塑料支撐架材料為PBT GF30玻纖增強30%，具有尺寸穩定性，高剛性，高強度，抗撞擊，抗蠕變性，耐熱老化等性能。注：圖5中兩個黑色部分為柵極驅動板支撐架獨立圖。
拿掉支撐架就是上散熱器總成，TPIM電控控制器的IGBT水冷系統採用其獨創的三明治雙面水冷方案，其散熱器總成包括上散熱器總成和下散熱器總成兩部分，上下散熱器水道並行，上散熱器總成單獨為12個IGBT散熱，下散熱器總成兼顧油泵IGBT和安規薄膜電容。
上散熱器總成材質由黃銅和紫銅構成，即為TPIM電控系統的IGBT水冷系統的水道部分，左右兩個水道通過圓弧形銅管連接，圖中畫紅圈部分是通過FSW( 摩擦攪拌焊接Friction StirWelding ）工藝將銅管與水道焊接在一起。
水道進出水口，與底層的下散熱片道進行連接，此焊接也是用摩擦攪拌焊接工藝，將銅管與水道焊接在一起。
12個IGBT與上散熱器緊密貼合，IGBT上塗有導熱硅脂，增強散熱效果。
圖5 各部分從左到右依次排開
六、功率板
功率板上有柔性連接器、電機A三相橋輸出、電機B三相橋輸出和驅動板對插端子。柔性連接器，將頂層控制板與功率板連接在一起；1.2.3為橋臂的三相輸出，通過底部的逆變器輸出總成銅排連接電機A；4.5.6為橋臂的三相輸出，通過底部的逆變器輸出總成銅排連接電機B；白色端子為功率板與驅動板對插端子，用於與驅動板上的驅動信號端子對插，此針座與普通針座不同，它的針類似於回型針，在上面起到濾波及傳輸匹配的作用，回形針式設計也使得匹配針座連接時，減小由公差引起的應力，另外針座具有防呆功能。
圖6 功率板正面與背面
功率板背面：黃色框內為高壓電子油泵電機驅動電路IGBT和薄膜電容表面塗有相變材料，將熱量傳導至下殼體，通過水冷系統將熱量帶走；3PIN黑色連接器與高壓電子油泵連接；紅色框內為12個IGBT的背面，緊密貼合下散熱器， IGBT上塗有導熱硅脂，增強散熱效果；兩個紫色框內為電流傳感器板排針的對插母排。
七、下散熱器總成、密封圈和絕緣導熱片
移除功率板，可以看到下散熱器與下殼體水道構成下散熱器總成。藍色框內的紫銅部分和部分下殼體水道為下散熱器總成，右邊的兩個孔為連接上散熱片總成的進出水口，紅色框內部件為部分下殼體水道。
下散熱器總成拆解後的單個水道的正面、反面及側面圖，根據正反面不同材料的顏色和硬度可以判斷，與IGBT貼合的面為正面，材質為紫銅，與下殼體貼合的面為反面，材質為黃銅（紫銅也稱為純銅，導熱係數高於黃銅，導熱性能更好），黃銅與紫銅貼合面的焊接工藝也是採用摩擦攪拌焊接。從頂層第一個圖看，塗有導熱硅脂的部分紫銅面（正面）上印有規則的網狀，便於刷導熱硅脂的同時也利於IGBT功率器件的散熱。
在水道上下散熱器總成的結合處和銅水道與下殼體貼合的進出水口處用到兩種不同的密封圈，分別為圖中1和2；1為與上散熱器總成連接的水道密封圈，2為下散熱器總成與水道進出口連接的密封圈。進一步提升防水效果。
在銅水道與下殼體貼合處設計有絕緣導熱片，固定螺絲處設計有絕緣墊片。絕緣導熱片為美國ITW系列的Formex防火聚丙烯（PP）絕緣材料，給控制器做進一步絕緣。絕緣墊片上設計有三個定位孔，其中一個起到防呆的作用。
圖7 下散熱器總成、密封圈和絕緣導熱片組合方式
八、下殼體和逆變器輸出總成
在電子油泵的IGBT模塊和安規薄膜電容的散熱區域。表面塗層為相變材料。下殼體不僅起到支撐的作用還起到散熱作用，箭頭方向為水流方向（單邊）紅色箭頭表示水流通過下殼體底層，藍色為通過上散熱器總成。紫色框內為電機A和電機B驅動電路的母線薄膜電容散熱區域，表面塗層為相變材料。
移除輸出總線模塊，看到下殼體底面的全貌和電流傳感器板,紅色框內是進出水口，與變速箱的水冷系統連接，變速箱水冷系統如右圖所示紅色框圖所示。兩個對稱的PCB板為電機A與電機B的電流傳感器板。
移除下殼體，是逆變器輸出總成，逆變器輸出總成安裝方式如圖，6根銅排分別是電機A和B的三相輸出，通過銅排上的定位孔與黑色塑料絕緣支架的定位銷組成一個模塊總成，降低裝配難度，黑色塑料絕緣支架根據銅排的形狀與走線方式設計銅排走道，並升起隔離牆來滿足銅排之間的高壓絕緣與爬線距離的要求。
在逆變器輸出總成背面，6個銅柱連接至功率板的電機A和B的三相輸出，同時穿過電流傳感器板；黑色塑料絕緣支架材質為：PA66-GF15；框內灰色為相變材料，銅排熱量通過其傳到下殼體的水道上，同時起到絕緣的作用。
圖8 下殼體與逆變器輸出總成
九、電流傳感器與母線電容
紅色框內為電流傳感器板，使用4個螺絲固定在下殼體上；每個電流傳感器板上各放有3個LEM電流傳感器型號為：HC5F600-S，分別檢測電機A和電機B的三相電流。電流傳感器板正面，藍框內為連接至功率板上的針座（針座使用的是臺灣實盈（SUYIN）的產品）通過功率板的針座將電流採樣信號送到控制板的DSP。
控制器最底層是母線電容模塊，製造商為：AVX，型號為：FHC06-0012-D ，參數為：790uF±5%,410V，140Arms，通過銅排連接到功率板的三個正負極銅排上，再用螺絲鎖緊固定，銅排中間放有高溫絕緣紙作為絕緣介質。
圖9 電流傳感器與母線電容
技術優勢
結合通用GM與德爾福Delphi聯合發表的SAE論文《第二代雪佛蘭沃蘭達增程式電動車的高功率密度高可靠性電驅動控制器》（2015-01-1201：power dense androbust traction power inverter for the second generation Chevrolet voltextended range ev）進行分析。
TPIM電控控制器的主要優勢：高功率密度和高可靠性。
外形尺寸為：370mm*180mm*125mm（包括伸出的連接器的長度）。
持續輸出功率：180KVA（電機A和電機B，不包括油泵功率）。
TPIM電控控制器第一代與第二代對比，第二代TPIM電控控制器優化減少了其峰值同步交流輸出功率。具體來說電機A峰值電流增加了48%，但是電機B峰值電流降低了24%，總功率降低，但由於駕駛模式的優化，卻得到了更好的性能。其總體的純電續航里程增加了30%，CS標（Charge Sustaining電量保持）燃油經濟性增加超過10%。
根據產品詳細參數表進行TPIM電控控制器第一代和第二代間的性能對比。體積由13.1L減小到10.4L，重量由14.6kg減小到8.3kg，峰值功率從221kW優化減小到180kW。相應的功率密度提升了43%，功率體積比提升了2%。在效率方面，基於FTP城市測試工況效率提升6%，純電續航里程提升30%，CS標燃油經濟性提升11%。
系統分析
TPIM智能電驅系統的變速器允許在兩個電機之間有效地共享牽引負載，這種負載共享使電機B的峰值扭矩要求從第一代TPIM所需的水平上降低了，這樣的減少可以使TPIM的峰值電流相應減少。降低每個逆變器的峰值電流，優化結構工藝，提高功率密度，減小控制器的體積。
TPIM變速器的內部位置簡化了電力驅動系統的機械集成，使其對大批量生產的難度大大降低。
電機A和電機B三相線的輸出設計，將銅排替代第一代的銅線連接，節省了成本和空間，並且裝配更簡單。
第二代TPIM智能電驅系統功率驅動的設計主要是為了滿足效率、性能和耐用性要求。硅技術在開關損耗和傳導損耗參數之間的權衡，硅的尺寸和厚度，熱阻抗，感性負載和PWM開關技術都是經過精心設計的，以達到一個最優化的功率模塊設計。
如爆炸視圖(a)和(b)所示，左側的橙色高壓連接器對應的兩個高壓直流端子成為了箱體上唯一的高壓電纜連接端口。分別連接高壓直流母線的正負極。從電驅控制器到罩蓋的固定全都採用標準螺栓，方便其裝配。
從圖示(c)可發現原來電驅模塊TPIM控制器的液冷冷卻管路巧妙的佈置在了整個模塊的正下方。像家中廚衛空間一樣做到了乾溼分離。整個電驅模塊TPIM控制器所在的空間為幹區。而液冷管路通過密封墊圈將控制器與整車的冷卻系統相連。
由於電驅模塊TPIM控制器同時控制兩個驅動動力電機和高壓電子油泵電機，因此如圖示(d)所示，右側六個大電流端子分別連接兩個動力電機的三相交流接線端。該交流端子通過密封接口進入變速箱主體所浸泡變速箱油的溼區，並於動力電機連接。
圖1 爆炸圖
設計分析
1、功率器件分析
IGBT和二極管裸片（Die IGBT and Die Diode）分別被安裝在電氣隔離但是熱耦合的兩層陶瓷鋁基板之間。下層為基礎襯底鋁基板(Base Substrate DBC AIN)，上層為上蓋襯底鋁基板(Cap Substrate DBC AIN)。
使用頂部焊接內部互連技術（topside solderable interconnects technology）徹底替代了傳統的鍵合（wirebond）技術，突破了原來的功率限制。
功率開關的集電極（Collector）和發射級及柵極（Emitter andGate）分別由兩側引出連接PCB。上下層陶瓷基板分別與正反兩面集成水冷管的上下散熱器總成相連，形成三明治雙面水冷結構。
如圖2，圖中b所示，創新的功率器件安裝工藝，使得硅基IGBT和二極管以緊湊的面積和超薄的高度集成於陶瓷鋁基板並焊接於雙面PCB上。
圖2 功率器件與散熱器
2、散熱器設計
德爾福使用了創新的三明治雙面水冷結構，從而提高了功率器件的集成度和功率等級。為了能夠將冷卻液精確的送到功率器件的正反兩面，散熱器經過了精心的設計。創新的使用了MIM（金屬粉末注射成型(Metal InjectedMolding））技術。使得金屬散熱片可以做成中空，流動冷卻液。如下圖為冷卻系統示意圖和熱仿真效果圖。(a)為採用MIM技術的散熱片細節，(b)為散熱片熱仿真效果圖。(c)為冷卻系統整體示意圖，(d)冷卻系統整體熱仿真效果圖。
圖3 冷卻系統示意圖及熱仿真效果圖
3、FSW加工工藝
為了完成如上提到的雙面水冷冷卻系統，其中下層的兩個冷卻管需要通過下蓋板鋁鑄件內部的散熱水道相連。該散熱水道就是在鋁鑄件上通過最新的FSW( 摩擦攪拌焊接Friction StirWelding )工藝加工的。
如圖為下殼體內部冷卻水道FSW加工工藝。類似於3D打印，經過下圖的4個步驟，下殼體下部的水道缺口被加工成半封閉水道。並且還兼顧到了下層直流電容和交流輸出母線接口的冷卻。
圖4 機殼加工工藝
4、功率輸出接口冷卻設計
由於電機三相線輸出電流大又遠離水冷散熱區，一直是散熱設計難點之一。德爾福創新的使用下殼體內部散熱水道形成的熱傳遞接口兼顧到了下層直流電容和功率輸出接口的冷卻。
圖為功率輸出接口冷卻示意圖和熱仿真效果圖。圖中左半部紅色部分即為熱傳遞接口，下部為FSW工藝加工的集成內部水道的下殼體，上部為直流電容和功率輸出接口。如圖右半部所示，功率輸出接口中間部分和熱傳遞接口相連溫度最低，右側連接電機部分溫度最高。
圖5 功率輸出接口冷卻示意圖和熱仿真效果圖
控制板
通用別克“別克藍”智能電驅系統使用了三片飛思卡爾的SPC5674FMVR3ON31E作為主控制芯片，旋變解碼芯片採用的是ADI的AD2S1205，在正面元器件從1-24分別為：
1、變壓器(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。
圖1 控制板正面
背面元器件：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、針座 26466 ，SUYIN。
圖2 控制板背面
驅動板
驅動板正面元器件1-8：
1、變壓器(28395752) ，TDK，頂層加屏蔽；
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。
圖3 驅動板正面
驅動板背面原件1-5：
1、ADuM1401WTRWZ，ADI ，數字式隔離器 10M數據速率；
2、FGD3N60LSD,FAIRCHILD, IGBT 600V 3A；
3、AUIRS2332J,IR, 3合1橋臂驅動芯片 ；
4、DALE WSR-2 0.01R 1%,VISHAY，高精度電阻；
5、BUK9217-75B，NXP, MOSFET 75V 64A。
圖4 驅動板背面
功率板
1、FS50R07W1E3_B11A (650V,50A),Infineon；
2、ACS758LCB-050B (50A)，Allegro；
3、R75 MKP (0.33uF,250V) ，Arcotronics；
4、SUYIN針座；
5、IGBT內部集成的陶瓷鋁基板表面。