通用别克增程式电动汽车电驱动控制器技术解析
通用的新能源电动汽车因为在国内销售的比较少，我们在道路上也很难寻找它的身影，我们就来分析一下通用别克的新能源电动汽车的电控系统。
关于混动车，现在主流的有：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，车型包括普锐斯和卡罗拉等，插电混动的以比亚迪为代表，车型主要包括秦、唐、宋和第一代F3DM，最近国家政策的出台又把增程式混合动力汽车推到了消费大众的面前，我们比较熟悉的车型是宝马的i3，还有不太熟悉的通用别克沃兰达，以及最近汽车之家李想造的号称续航高达1000公里的“理想制造ONE”。我们主要来了解一下通用别克沃兰达的电控。
通用的新能源电动汽车在国内基本上看不到，但通用对电动汽车的研发可以说血流史，通用也是新能源汽车骨灰级的玩家，通用为全球贡献了，世界上第一款量产的纯电动汽车，通用EV1，上个图，也是很酷的一辆车吧，放在现在外形也不落伍吧，虽然我们对他不了解，但研发EV1的团队为电动汽车的发展做出了很大的贡献，包括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，如今这套智能电驱系统装在在沃兰达、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
这套智能电驱系统被称为“别克蓝”智能电驱系统，现在已经发展两代，第一代系统的详细介绍可以参见通用发表的论文：The Voltec 4ET50 Electric Drive System；第二代系统的详细介绍可以参见通用发表的论文：Power Dense and Robust Traction Power Inverter for theSecond-Generation Chevrolet Volt Extended-Range EV。
“别克蓝”智能电驱系统是一套集成度相当高的双电机驱动系统，在这套仅重125Kg的系统中，却集成了TPIM(TractionPower Inverter Module)电驱控制器、两台电动机、油泵、电磁阀控制单元、以及两组行星齿轮和差速器等部件。
智能电驱系统双电机加双行星齿轮的设计，相比其他技术具有更高的自由度，两个电机可同时参与驱动或单独发电，在TPIM电驱控制器的控制下，发动机和电机可同时100%参与驱动，变速范围更加宽泛，动力输出更充沛，并且巧妙的绕过了丰田的专利。
图5 第一代“别克蓝”智能电驱系统
图6 第二代“别克蓝”智能电驱系统
通过上面几张图，第一代我们还可以轻松找到电控部分，第二代可能就没有找到他的电控部分，来一张爆炸图看一下他的真实面目。
图7 第二代“别克蓝”智能电驱系统爆炸图
图8 第二代“别克蓝”智能电驱系统真面目
图9 电驱动控制器单体图
图10 第一代和第二代电驱动控制器参数对比
图 1 “别克蓝”全家福
TPIM电驱控制器是德尔福（Delphi）为通用（GM）开发的一款的高功率密度和高可靠性的电机控制器，现已升级为第二代。
在第二代，TPIM电驱模块集成进变速箱体内，第二代产品（右）相比第一代产品（左）不仅体积大幅减少，而且重量也得以减轻。整套驱动单元及控制器重量仅为125kg，而且省掉了电机驱动的高压交流线束。在降低成本的同时，提高了可靠性。
图2 第一代和第二代系统
TPIM电驱控制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）、变速箱控制器、混合动力系统控制器等组成。其中三组逆变器负责控制电机，变速箱控制器负责换挡及扭矩请求，混合动力控制器负责扭矩分配和能量管理。
值得一提的是，随着TPIM电控控制器的集成，电池直流电（DirectCurrent）转换为电机使用交流电（AlternateCurrent）的工作得以在箱体内完成，直接避免在发动机舱布置内高压电线，大幅度提高耐久性能和安全性能。
TPIM电驱控制器不仅进行电机驱动控制，并且司职混合动力控制器。负责扭矩分配和能量管理。通过通用专利的多模式智能切换技术，TPIM电控模块可以根据不同的车速、发动机转速选择最优的工作模式。并且在各工作模式切换过程中，其控制算法做到了同步及无缝的切换。保证了驾驶的舒适性和优良的燃油经济性。
图3 第一代和第二代详细参数对比
TPIM电驱控制器各部分分析
图4 TPIM电驱控制器爆炸图和剖面图
根据TPIM电控控制器爆炸图和剖面图进行分析它的各部件模块安装方式与功能，其主要由功率板power board, 直流母线电容DC buscapacitor,电磁兼容滤波器EMI filters,控制和栅极驱动板 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分别为：1.上盖板，2.直流母线盖板，3.控制板，4.高压直流母线接头，5.柔性连接器，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。
所有的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) 安装在一个特殊设计的双面焊接印刷电路板PCB上，并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开进行分析。
图5 接下来介绍的板块
一、接口分析
两个高压直流端子是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。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。并且留有连接油泵电机的三相高压线束连接器。
红色框中蓝色多PIN连接器是连接各种传感器线束，控制动力电机的转速和扭矩以及控制油泵的流量及油压。
图1 接口分析
二、上盖板与控制板
由于整个TPIM电控控制器集成在变速箱内，所以不需要做防水防尘，因此整个TPIM电控控制器不考虑IP等级，上盖板也相对来说做的很简单。上盖板螺丝孔内都内嵌弹垫，增强盖板的受力能力。
上盖板扣在控制板上，拿掉上盖板，就能看到控制板的真容，控制板安装在上壳体上。
图2 上盖板与控制板
三、控制板、柔性连接器和上壳体
控制板上一些芯片进行散热处理，通过在反面底层PCB上涂抹相变材料，在芯片焊盘周围再打上过孔，安装时，相变材料与上壳体预留的凸台紧密贴合，达到散热效果。
拿掉控制板，看到的是上壳体，在上壳体上还包括一块高压直流母线盖板。主要作用是支撑控制板及给控制板上的器件散热，红色部分上面涂有相变材料，给控制板上的器件进行导热。上壳体顶面和底面都做有加强筋，增加壳体强度。
注意上壳体的凸台并没有直接接触控制板，凸台和控制板之间有0.几个毫米的距离。
柔性连接器用于传输控制板与驱动板及功率板的信号，采用的是华印电路板的三层软硬结合板，端子品牌采用的是台湾实盈（SUYIN）。
图3 控制板、柔性连接器和上壳体
四、高压直流盖板与高压直流母线接口
高压母线盖板的作用：1、固定高压直流母线接口。2、隔离高低压。
高压母线接口：其中母线采用叠层母排的设计，叠层母排具有：电感阻抗低、抗干扰能力强以及可靠性高等特点。并且母线负铜柱做了绝缘处理，加大正负极的绝缘间距，高压直流母线接口做成一个模块，更有利于组装并减小体积。接口处主要分为五部分：1：负极，2：正极，3：EMI磁环（抑制共模及高频干扰）4：绝缘垫，5：绝缘塑壳。
高压直流母线电气连接方式：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，实现高压母线的电气连接。
图4 高压部分组件安装方式
五、上散热器总成、支撑架和栅极驱动板
上壳体移除之后就是栅极驱动板，栅极驱动板上机械设计部分包括：6个支撑弹簧，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，分布在板子四周进行固定。弹簧、支撑爪和螺丝软硬结合进行上壳体和驱动板的连接和固定，保证了板子能够承受足够的抗震动能力。
驱动板背面可以看到柔性连接器与控制板对插端子；白色端子为驱动信号连接端子，与功率板对插连接，白色端子设计有防呆功能。
移除栅极驱动板是支撑架，支撑架包括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。塑料支撑架材料为PBT GF30玻纤增强30%，具有尺寸稳定性，高刚性，高强度，抗撞击，抗蠕变性，耐热老化等性能。注：图5中两个黑色部分为栅极驱动板支撑架独立图。
拿掉支撑架就是上散热器总成，TPIM电控控制器的IGBT水冷系统采用其独创的三明治双面水冷方案，其散热器总成包括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，上散热器总成单独为12个IGBT散热，下散热器总成兼顾油泵IGBT和安规薄膜电容。
上散热器总成材质由黄铜和紫铜构成，即为TPIM电控系统的IGBT水冷系统的水道部分，左右两个水道通过圆弧形铜管连接，图中画红圈部分是通过FSW( 摩擦搅拌焊接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连接，此焊接也是用摩擦搅拌焊接工艺，将铜管与水道焊接在一起。
12个IGBT与上散热器紧密贴合，IGBT上涂有导热硅脂，增强散热效果。
图5 各部分从左到右依次排开
六、功率板
功率板上有柔性连接器、电机A三相桥输出、电机B三相桥输出和驱动板对插端子。柔性连接器，将顶层控制板与功率板连接在一起；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连接电机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连接电机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，此针座与普通针座不同，它的针类似于回型针，在上面起到滤波及传输匹配的作用，回形针式设计也使得匹配针座连接时，减小由公差引起的应力，另外针座具有防呆功能。
图6 功率板正面与背面
功率板背面：黄色框内为高压电子油泵电机驱动电路IGBT和薄膜电容表面涂有相变材料，将热量传导至下壳体，通过水冷系统将热量带走；3PIN黑色连接器与高压电子油泵连接；红色框内为12个IGBT的背面，紧密贴合下散热器， 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，可以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，右边的两个孔为连接上散热片总成的进出水口，红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、反面及侧面图，根据正反面不同材料的颜色和硬度可以判断，与IGBT贴合的面为正面，材质为紫铜，与下壳体贴合的面为反面，材质为黄铜（紫铜也称为纯铜，导热系数高于黄铜，导热性能更好），黄铜与紫铜贴合面的焊接工艺也是采用摩擦搅拌焊接。从顶层第一个图看，涂有导热硅脂的部分紫铜面（正面）上印有规则的网状，便于刷导热硅脂的同时也利于IGBT功率器件的散热。
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，分别为图中1和2；1为与上散热器总成连接的水道密封圈，2为下散热器总成与水道进出口连接的密封圈。进一步提升防水效果。
在铜水道与下壳体贴合处设计有绝缘导热片，固定螺丝处设计有绝缘垫片。绝缘导热片为美国ITW系列的Formex防火聚丙烯（PP）绝缘材料，给控制器做进一步绝缘。绝缘垫片上设计有三个定位孔，其中一个起到防呆的作用。
图7 下散热器总成、密封圈和绝缘导热片组合方式
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。表面涂层为相变材料。下壳体不仅起到支撑的作用还起到散热作用，箭头方向为水流方向（单边）红色箭头表示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，表面涂层为相变材料。
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,红色框内是进出水口，与变速箱的水冷系统连接，变速箱水冷系统如右图所示红色框图所示。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，逆变器输出总成安装方式如图，6根铜排分别是电机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，降低装配难度，黑色塑料绝缘支架根据铜排的形状与走线方式设计铜排走道，并升起隔离墙来满足铜排之间的高压绝缘与爬线距离的要求。
在逆变器输出总成背面，6个铜柱连接至功率板的电机A和B的三相输出，同时穿过电流传感器板；黑色塑料绝缘支架材质为：PA66-GF15；框内灰色为相变材料，铜排热量通过其传到下壳体的水道上，同时起到绝缘的作用。
图8 下壳体与逆变器输出总成
九、电流传感器与母线电容
红色框内为电流传感器板，使用4个螺丝固定在下壳体上；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，分别检测电机A和电机B的三相电流。电流传感器板正面，蓝框内为连接至功率板上的针座（针座使用的是台湾实盈（SUYIN）的产品）通过功率板的针座将电流采样信号送到控制板的DSP。
控制器最底层是母线电容模块，制造商为：AVX，型号为：FHC06-0012-D ，参数为：790uF±5%,410V，140Arms，通过铜排连接到功率板的三个正负极铜排上，再用螺丝锁紧固定，铜排中间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
技术优势
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》（2015-01-1201：power dense androbust traction power inverter for the second generation Chevrolet voltextended range ev）进行分析。
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）。
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%。
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)和(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。
图1 爆炸图
设计分析
1、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2，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。
图2 功率器件与散热器
2、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。
图3 冷却系统示意图及热仿真效果图
3、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。
图4 机壳加工工艺
4、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。
图5 功率输出接口冷却示意图和热仿真效果图
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ADI的AD2S1205，在正面元器件从1-24分别为：
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 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、针座 26466 ，SUYIN。
图2 控制板背面
驱动板
驱动板正面元器件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
驱动板背面原件1-5：
1、ADuM1401WTRWZ，ADI ，数字式隔离器 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。