原标题:通用别克“别克蓝”智能电驱系统关键技术和元器件分析

来源 | 智享新动力

结合通用GM与德尔福Delphi联合发表的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控制器》(2015-01-1201power dense androbust traction power inverter for the second generation Chevrolet voltextended range ev)进行分析。

图3 新一代的TPIM控制器

TPIM电控控制器的主要优势:高功率密度和高可靠性。

外形尺寸为:370mm*180mm*125mm(包括伸出的连接器的长度)。

持续输出功率:180KVA(电机A和电机B,不包括油泵功率)。

图4度集成的智能电驱系统(左)与传统变速箱(右)体积相似

TPIM电控控制器第一代与第二代对比,第二代TPIM电控控制器优化减少了其峰值同步交流输出功率。具体来说电机A峰值电流增加了48%,但是电机B峰值电流降低了24%,总功率降低,但由于驾驶模式的优化,却得到了更好的性能。其总体的纯电续航里程增加了30%CS标(Charge Sustaining电量保持)燃油经济性增加超过10%根据产品详细参数表进行TPIM电控控制器第一代和第二代间的性能对比。体积由13.1L减小到10.4L,重量由14.6kg减小到8.3kg,峰值功率从221kW优化减小到180kW相应的功率密度提升了43%,功率体积比提升了2%在效率方面,基于FTP城市测试工况效率提升6%,纯电续航里程提升30%CS标燃油经济性提升11%

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系统分析

TPIM智能电驱系统的变速器允许在两个电机之间有效地共享牵引负载,这种负载共享使电机B的峰值扭矩要求从第一代TPIM所需的水平上降低了,这样的减少可以使TPIM的峰值电流相应减少。降低每个逆变器的峰值电流,优化结构工艺,提高功率密度,减小控制器的体积。

TPIM变速器的内部位置简化了电力驱动系统的机械集成,使其对大批量生产的难度大大降低。

电机A和电机B三相线的输出设计,将铜排替代第一代的铜线连接,节省了成本和空间,并且装配更简单。

第二代TPIM智能电驱系统功率驱动的设计主要是为了满足效率、性能和耐用性要求。硅技术在开关损耗和传导损耗参数之间的权衡,硅的尺寸和厚度,热阻抗,感性负载和PWM开关技术都是经过精心设计的,以达到一个最优化的功率模块设计。

如爆炸视图(a)(b)所示,左侧的橙色高压连接器对应的两个高压直流端子成为了箱体上唯一的高压电缆连接端口。分别连接高压直流母线的正负极。从电驱控制器到罩盖的固定全都采用标准螺栓,方便其装配。

从图示(c)可发现原来电驱模块TPIM控制器的液冷冷却管路巧妙的布置在了整个模块的正下方。像家中厨卫空间一样做到了干湿分离。整个电驱模块TPIM控制器所在的空间为干区。而液冷管路通过密封垫圈将控制器与整车的冷却系统相连。

由于电驱模块TPIM控制器同时控制两个驱动动力电机和高压电子油泵电机,因此如图示(d)所示,右侧六个大电流端子分别连接两个动力电机的三相交流接线端。该交流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,并于动力电机连接。

5 爆炸图

图6 “别克蓝”智能电驱系统全家福

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设计分析

  • 功率器件分析

IGBT和二极管裸片(Die IGBT and Die Diode)分别被安装在电气隔离但是热耦合的两层陶瓷铝基板之间。下层为基础衬底铝基板(Base Substrate DBC AIN),上层为上盖衬底铝基板(Cap Substrate DBC AIN)使用顶部焊接内部互连技术(topside solderable interconnects technology)彻底替代了传统的键合(wirebond)技术,突破了原来的功率限制。功率开关的集电极(Collector)和发射级及栅极(Emitter andGate)分别由两侧引出连接PCB上下层陶瓷基板分别与正反两面集成水冷管的上下散热器总成相连,形成三明治双面水冷结构。

如图7,图中b所示,创新的功率器件安装工艺,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。

7 功率器件与散热器

  • 散热器设计

德尔福使用了创新的三明治双面水冷结构,从而提高了功率器件的集成度和功率等级。为了能够将冷却液精确的送到功率器件的正反两面,散热器经过了精心的设计。创新的使用了MIM(金属粉末注射成型(Metal InjectedMolding))技术。使得金属散热片可以做成中空,流动冷却液。如下图为冷却系统示意图和热仿真效果图。(a)为采用MIM技术的散热片细节,(b)为散热片热仿真效果图。(c)为冷却系统整体示意图,(d)冷却系统整体热仿真效果图。

8 冷却系统示意图及热仿真效果图

  • FSW加工工艺

FSW加工工艺

为了完成如上提到的双面水冷冷却系统,其中下层的两个冷却管需要通过下盖板铝铸件内部的散热水道相连。该散热水道就是在铝铸件上通过最新的FSW( 摩擦搅拌焊接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,经过下图的4个步骤,下壳体下部的水道缺口被加工成半封闭水道。并且还兼顾到了下层直流电容和交流输出母线接口的冷却。

9 机壳加工工艺

  • 功率输出接口冷却设计

功率输出接口冷却设计

由于电机三相线输出电流大又远离水冷散热区,一直是散热设计难点之一。德尔福创新的使用下壳体内部散热水道形成的热传递接口兼顾到了下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。图中左半部红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,功率输出接口中间部分和热传递接口相连温度最低,右侧连接电机部分温度最高。

10 功率输出接口冷却示意图和热仿真效果图

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关键元器件

  • 控制板

通用别克“别克蓝”智能电驱系统使用了三片飞思卡尔的SPC5674FMVR3ON31E作为主控制芯片,旋变解码芯片采用的是ADIAD2S1205,在正面元器件从1-24分别为:

1、变压器(28277230) TDK

2DRA125 22uH 35PH16CEATON

3DRA125 1.5uH 23CH16CEATON

4DRA125 100uH 46CH16CEATON

5B82793S513N 6434EPCOS

6NCV4276B , ON

7H33 7256 , ON

8FDD6LAO , FAIRCHILD

9LM2902KAQ ST

10AD2S1205 , ADI

11P6BARTETG4 , TI

12MBRB1045G , ON

13H33 2976 , ON

14IPG20N06S2L-35A ,Infineon

152901ON

1674HC54 , NXP

1728452585 / 6AZYV14

18LM2903 , ST

1974HC132 , NXP

20LM2904 , ST

2174HC08D

22LM6134BM

23NFADH16G , ON

24SPC5674FMVR3ON31E

11 控制板正面

背面元器件:1-13

1DALE WSR-2 0.01R 1% VISHAY

274HC4050D , NXP

374HC11D NXP

474HC541NXP

574HC10D ,NXP

674HC08D , NXP

7BG2AD / 27315

8LM2903V , ST

915P04

1074HC240 ,NXP

1174HC541NXP

1274HCT125 ,NXP

13、针座26466 SUYIN

图12控制板背面

  • 驱动板

驱动板

驱动板正面元器件1-8

1、变压器(28395752) TDK,顶层加屏蔽;

274HC4050DNXP

32903ST

4FAN7080B600V,Io+/-=300/600mA),FAIRCHILD

5BSP318S(60V,2.6A) , SIEMENS

6NSS60600(60V,6A) ON

7NSS60601(60V,6A) ON

81ED020I12FTA1200V2A, Infineon

3 驱动板正面

驱动板背面原件1-5

1ADuM1401WTRWZADI ,数字式隔离器10M数据速率;

2FGD3N60LSD,FAIRCHILD, IGBT 600V 3A

3AUIRS2332J,IR, 31桥臂驱动芯片

4DALE WSR-2 0.01R 1%,VISHAY,高精度电阻;

5BUK9217-75BNXP, MOSFET 75V 64A

4 驱动板背面

  • 功率板

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

2、ACS758LCB-050B (50A)Allegro;

3、R75 MKP (0.33uF,250V) Arcotronics;

4、SUYIN针座;

5、IGBT内部集成的陶瓷铝基板表面。

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