豐田緊湊型HV動(dòng)力控制單元介紹(上)

◆文/江蘇 高惠民

一、概述

流動(dòng)性是人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的基礎(chǔ)，汽車(chē)是我們流動(dòng)性的關(guān)鍵因素。然而，在今天汽車(chē)尾氣的二氧化碳和污染物排放使全球氣候變暖、空氣污染也是不容忽視的問(wèn)題。防止或減輕這些問(wèn)題的發(fā)生，當(dāng)務(wù)之急是加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)。為解決高燃料效率，低排放這個(gè)任務(wù)，豐田一直都致力于開(kāi)發(fā)和推廣混合動(dòng)力汽車(chē)(HVHybrid Vehicle)。1997年全球首批量產(chǎn)的第一代HV首次亮相。它的燃油效率是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)輛的兩倍。在2003年，第二代HV引入了使用升壓轉(zhuǎn)換器的高壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高功率和高燃料效率。2009年，第三代緊湊型HV亮相，增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量和電機(jī)功率，兩者兼之，使高速巡航時(shí)的動(dòng)力和燃油效率得到改善。從混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)看，豐田通過(guò)進(jìn)一步減小每個(gè)部件的尺寸和重量，來(lái)提高單位產(chǎn)出效率?，F(xiàn)在是第四代HV，第一款采用TNGA(Toyota New Global Architecture豐田汽車(chē)新的全球架構(gòu))生產(chǎn)的車(chē)型亮相。通過(guò)減少車(chē)輛部件的尺寸和重量，降低車(chē)輛重心，第四代HV實(shí)現(xiàn)了高燃油效率(40.8km/L，JC08)，以及愉快的駕駛體驗(yàn)。為了這款混合動(dòng)力系統(tǒng)，第四代HV動(dòng)力控制單元(PCU-Power Control Unit)重新開(kāi)發(fā)，如圖1所示。PCU與前一代相比，進(jìn)一步減小了尺寸，減少了重量和電子能量損耗。本文闡述了第四代混合動(dòng)力系統(tǒng)PCU的具體技術(shù)生成和改進(jìn)。

圖1 第四代混合動(dòng)力PCU外形

二、PCU規(guī)格和結(jié)構(gòu)

1.高壓系統(tǒng)規(guī)格

新混合動(dòng)力系統(tǒng)組成與配置如圖2所示。該基本配置與之前的型號(hào)相同。但是，一個(gè)主要的改變是將輔助電池的安裝位置移至了發(fā)動(dòng)機(jī)室，這樣能夠改善行李箱面積和更低汽車(chē)的重心。混合動(dòng)力系統(tǒng)電池安裝位置如圖3所示，HV系統(tǒng)規(guī)格如表1所示。

表1 HV系統(tǒng)規(guī)格

燃料通過(guò)以下項(xiàng)目提高效率約18.2%(JC08)：

· 提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率；

· 減少高壓系統(tǒng)組件的電子損耗；

· 通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行速度減小電機(jī)工作電流。

圖2 第4代HV系統(tǒng)的組成框圖

2.PCU安裝

遵循TNGA概念，PCU安裝空間并非針對(duì)每種車(chē)型獨(dú)立開(kāi)發(fā)，而是考慮到許多型號(hào)的應(yīng)用。因此，PCU直接安裝在變速驅(qū)動(dòng)橋(T/A-Transaxle)上，如圖4所示。

圖3 第四代HV蓄電池安裝位置

圖4 第四代PCU安裝

除了上述之外，這種安裝的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)減少高壓電纜的長(zhǎng)度(輕量)；

(2)簡(jiǎn)化支架(縮小尺寸和輕量化)；

(3)堅(jiān)固了前碰撞損壞導(dǎo)致的PCU絕緣劣化問(wèn)題。

將PCU直接安裝在T/A上的主要技術(shù)問(wèn)題是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞到PCU，為解決此問(wèn)題，采用以下結(jié)構(gòu)：

(1)為減少傳遞的振動(dòng)，在支架上添加橡膠襯套；

(2)為了承受振動(dòng)，信號(hào)連接端子采用了耐振型吸收結(jié)構(gòu)；

(3)采用高抗電振動(dòng)的電子部件；

(4)為了最大限度地減少共振，電路板使用彈性墊圈以窄間距安裝，以減少高剛度外殼的應(yīng)力。

3.PCU規(guī)格

盡管PCU尺寸減小導(dǎo)致總功率輸出降低，但最大輸出功率密度比上一代提高了大約50%，如圖5所示。

圖5 PCU功率密度比較

通過(guò)減少部件重量和體積來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率密度輸出。根據(jù)PCU結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，體積減少了33%，質(zhì)量減少了12%，如表2所示。

表2 PCU規(guī)格

主要改進(jìn)項(xiàng)目如下：

(1)采用雙面冷卻電源模塊；

(2)通過(guò)改進(jìn)的升壓轉(zhuǎn)換器可控性降低電容器的電容；

(3)由于低電感結(jié)構(gòu)降低了電壓浪涌，去除了緩沖電路。

4.PCU結(jié)構(gòu)

PCU結(jié)構(gòu)如圖6所示。PCU由發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)電源模塊，升壓轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器組成。新的PCU結(jié)構(gòu)改善了車(chē)型之間的適用性，并且比前幾代產(chǎn)品縮小了尺寸。

圖6 PCU結(jié)構(gòu)

由于采用了新的電源模塊，PCU比以前的型號(hào)具有更好的適用性。電源模塊的雙面冷卻結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 第4代PCU電源模塊冷卻結(jié)構(gòu)

與上一代使用的單面冷卻結(jié)構(gòu)不同。雙面結(jié)構(gòu)改善了車(chē)輛平臺(tái)之間的冷卻結(jié)構(gòu)的適用性。雙面結(jié)構(gòu)堆疊量的可調(diào)節(jié)性以適應(yīng)各種車(chē)輛尺寸。所以我們稱(chēng)這個(gè)組件為Power Stack(P/S)。P/S由卡片式電源，冷卻器，導(dǎo)熱硅脂涂層，絕緣板，壓縮彈簧和墊片組成。卡片式電源(P/C-Power Card)是樹(shù)脂封裝，包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極晶體管)，F(xiàn)WD(Free Whee ling Diode續(xù)流二極管)，散熱片和端子。P/S有一個(gè)問(wèn)題是，將功率器件集成到電源卡片中，單位面積的熱量通常會(huì)增加。然而，通過(guò)改善P/S的雙面冷卻結(jié)構(gòu)的傳熱效率來(lái)減輕該問(wèn)題。

新PCU與前幾代相比，通過(guò)功能集成以縮小部件尺寸。例如，線(xiàn)束(W/H-Wiring Harness)與每個(gè)部件集成在一起。緊固結(jié)構(gòu)從螺栓緊固變?yōu)楹附樱o固結(jié)構(gòu)的零件的數(shù)量減少了67%。需要螺栓固定，用的螺栓直徑尺寸也有所減小。并且，這些改變改善了可制造性使PCU的尺寸減小。通過(guò)上述改進(jìn)，PCU的體積減少了33%，如圖8所示。

圖8 新舊型PCU的比較

三、組件輕量化和小型化的新技術(shù)

在本章中，我們將討論P(yáng)CU結(jié)構(gòu)和組件的輕量化及小型化的新技術(shù)。

1.電源模塊

如圖9所示是采用單面冷卻方法的第三代功率模塊的結(jié)構(gòu)。模塊由IGBT、FWD、絕緣板和冷卻板組成。通過(guò)不中斷冷卻介質(zhì)來(lái)改善冷卻性能。但是該模塊的開(kāi)發(fā)并不適用于各種車(chē)型，而僅適用于緊湊型車(chē)輛。因?yàn)镮GBT和FWD在單面冷卻方法中采用平面安裝。因此，如果我們采用這種方法用于高輸出車(chē)輛，則體積會(huì)變得太大。因此，在第四代，我們決定采用帶有雙面冷卻模塊的堆疊結(jié)構(gòu)，使得功率半導(dǎo)體的小型化，實(shí)現(xiàn)了冷卻性能的提高和各種車(chē)型的應(yīng)用。

圖9 第3代PCU電源模塊單面冷卻示意圖

2.第四代PCU2合1雙面冷卻模塊功率器件

第四代PCU2合1雙面冷卻模塊功率器件的連接如圖10所示，傳統(tǒng)的雙面冷卻結(jié)構(gòu)是1in1結(jié)構(gòu)，是帶有IGBT和FWD密封封裝。作為第四代結(jié)構(gòu)，新開(kāi)發(fā)了2in1結(jié)構(gòu)，由上下臂的2對(duì)IGBT和FWD組成(譯者注：每個(gè)功率卡片包含兩個(gè)IGBT芯片和兩個(gè)續(xù)流二極管組成一個(gè)半橋。7個(gè)功率卡片式IGBT模組分別對(duì)應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換電路所需的一個(gè)半橋，以及電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)所需的共六個(gè)半橋)。并且模塊化設(shè)計(jì)允許安裝的P/C模塊的數(shù)量根據(jù)車(chē)輛應(yīng)用而變化。對(duì)于低輸出車(chē)輛應(yīng)用，可以安裝更少的P/C，從而減少電感并減少部件數(shù)量。對(duì)于高輸出車(chē)輛，我們可以增加P/C的數(shù)量，以允許高輸出電流。P/C的2in1結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)提供了將PCU應(yīng)用于各種車(chē)型的靈活性。作為2in1結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程實(shí)現(xiàn)方法，我們考慮了如圖11所示橫截面所示的U結(jié)構(gòu)和N結(jié)構(gòu)。

圖10 功率器件的連接示意圖

圖11 實(shí)現(xiàn)2in1電源卡片的結(jié)構(gòu)方法

U結(jié)構(gòu)在物理尺寸，電感和部件數(shù)量方面具有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樯媳鄣陌l(fā)射極和下臂的集電極集成在一個(gè)共同的散熱器(O)上。然而，銅墊片上焊料熔化所累積公差的控制是一個(gè)問(wèn)題。在U結(jié)構(gòu)中，上臂和下臂的IGBT安裝方向相反。關(guān)注的是制造過(guò)程中IGBT周?chē)暮噶弦绯鲑|(zhì)量很難控制。而N結(jié)構(gòu)存在連接在上臂和下臂之間以及下臂和N端子之間的焊點(diǎn)可靠性的問(wèn)題。然而，采用N結(jié)構(gòu)是因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)重復(fù)的熱應(yīng)力試驗(yàn)和控制高電流密度的電遷移限度以及其他因素充分證實(shí)了焊點(diǎn)的可靠性。圖12和圖13顯示了第四代2in1 P/C和P/S的結(jié)構(gòu)。與輸出性能相同的1in1結(jié)構(gòu)相比，我們通過(guò)消除上下臂之間的連線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)減小物理尺寸22%和P和N端子之間電感減少55%。

圖12 第4代2in1電源卡外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.控制電路板

控制電路由“MG-ECU”(電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元Motor/Generator Electronic ControlUnit和“智能功率模塊(IPMIntelligent Power Module)的控制電路”組成。MG-ECU使用傳感器信號(hào)和HV主ECU的請(qǐng)求計(jì)算IGBT的控制信號(hào)。IPM的控制電路包含IGBT驅(qū)動(dòng)電路和IGBT保護(hù)電路，以防止短路或過(guò)熱。在第四代設(shè)計(jì)中，我們將控制電路整合到一塊電路板中。此外，采用混合工藝制造高密度電路板。通過(guò)控制電路板設(shè)計(jì)的改進(jìn)，減少了電子器件和總電路板面積。另外微控制器和電抗器電流檢測(cè)也在控制電路中得到改善。一種新型的微型計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速處理電機(jī)控制，從而減少能量損失。電抗器電流傳感器還提高了可控性并減小了電容器模塊的尺寸。

圖13 第4代PCU電源模塊總成結(jié)構(gòu)

4.電抗器

在第四代設(shè)計(jì)中，電抗器所需的特性是在整個(gè)正常工作區(qū)域內(nèi)電感的穩(wěn)定性和質(zhì)量的減少。以下項(xiàng)目有助于質(zhì)量減少和縮小尺寸，如圖14所示。

圖14 電抗器的結(jié)構(gòu)

(1)提高升壓變換器的控制速度，減少鐵心間隙量。

(2)為提高抗振動(dòng)耐久性，電抗器支撐采用一體化的模鑄結(jié)構(gòu)。此外，電抗器使用傳熱片代替硅樹(shù)脂封裝來(lái)限制過(guò)熱。