豐田緊湊型HV動力控制單元介紹(上)

◆文/江蘇 高惠民

一、概述

流動性是人類社會經濟生活的基礎，汽車是我們流動性的關鍵因素。然而，在今天汽車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題。防止或減輕這些問題的發生，當務之急是加強環保意識。為解決高燃料效率，低排放這個任務，豐田一直都致力于開發和推廣混合動力汽車(HVHybrid Vehicle)。1997年全球首批量產的第一代HV首次亮相。它的燃油效率是汽油發動機車輛的兩倍。在2003年，第二代HV引入了使用升壓轉換器的高壓系統，實現了高功率和高燃料效率。2009年，第三代緊湊型HV亮相，增加發動機排量和電機功率，兩者兼之，使高速巡航時的動力和燃油效率得到改善。從混合動力傳動系統來看，豐田通過進一步減小每個部件的尺寸和重量，來提高單位產出效率。現在是第四代HV，第一款采用TNGA(Toyota New Global Architecture豐田汽車新的全球架構)生產的車型亮相。通過減少車輛部件的尺寸和重量，降低車輛重心，第四代HV實現了高燃油效率(40.8km/L，JC08)，以及愉快的駕駛體驗。為了這款混合動力系統，第四代HV動力控制單元(PCU-Power Control Unit)重新開發，如圖1所示。PCU與前一代相比，進一步減小了尺寸，減少了重量和電子能量損耗。本文闡述了第四代混合動力系統PCU的具體技術生成和改進。

圖1 第四代混合動力PCU外形

二、PCU規格和結構

1.高壓系統規格

新混合動力系統組成與配置如圖2所示。該基本配置與之前的型號相同。但是，一個主要的改變是將輔助電池的安裝位置移至了發動機室，這樣能夠改善行李箱面積和更低汽車的重心。混合動力系統電池安裝位置如圖3所示，HV系統規格如表1所示。

表1 HV系統規格

燃料通過以下項目提高效率約18.2%(JC08)：

· 提高汽油發動機的熱效率；

· 減少高壓系統組件的電子損耗；

· 通過提高驅動電機的運行速度減小電機工作電流。

圖2 第4代HV系統的組成框圖

2.PCU安裝

遵循TNGA概念，PCU安裝空間并非針對每種車型獨立開發，而是考慮到許多型號的應用。因此，PCU直接安裝在變速驅動橋(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，這種安裝的優點如下：

(1)減少高壓電纜的長度(輕量)；

(2)簡化支架(縮小尺寸和輕量化)；

(3)堅固了前碰撞損壞導致的PCU絕緣劣化問題。

將PCU直接安裝在T/A上的主要技術問題是發動機振動傳遞到PCU，為解決此問題，采用以下結構：

(1)為減少傳遞的振動，在支架上添加橡膠襯套；

(2)為了承受振動，信號連接端子采用了耐振型吸收結構；

(3)采用高抗電振動的電子部件；

(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力。

3.PCU規格

盡管PCU尺寸減小導致總功率輸出降低，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

通過減少部件重量和體積來實現高功率密度輸出。根據PCU結構的優化，體積減少了33%，質量減少了12%，如表2所示。

表2 PCU規格

主要改進項目如下：

(1)采用雙面冷卻電源模塊；

(2)通過改進的升壓轉換器可控性降低電容器的電容；

(3)由于低電感結構降低了電壓浪涌，去除了緩沖電路。

4.PCU結構

PCU結構如圖6所示。PCU由發電機/電動機電源模塊，升壓轉換器和DC/DC轉換器組成。新的PCU結構改善了車型之間的適用性，并且比前幾代產品縮小了尺寸。

圖6 PCU結構

由于采用了新的電源模塊，PCU比以前的型號具有更好的適用性。電源模塊的雙面冷卻結構如圖7所示。

圖7 第4代PCU電源模塊冷卻結構

與上一代使用的單面冷卻結構不同。雙面結構改善了車輛平臺之間的冷卻結構的適用性。雙面結構堆疊量的可調節性以適應各種車輛尺寸。所以我們稱這個組件為Power Stack(P/S)。P/S由卡片式電源，冷卻器，導熱硅脂涂層，絕緣板，壓縮彈簧和墊片組成。卡片式電源(P/C-Power Card)是樹脂封裝，包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極晶體管)，FWD(Free Whee ling Diode續流二極管)，散熱片和端子。P/S有一個問題是，將功率器件集成到電源卡片中，單位面積的熱量通常會增加。然而，通過改善P/S的雙面冷卻結構的傳熱效率來減輕該問題。

新PCU與前幾代相比，通過功能集成以縮小部件尺寸。例如，線束(W/H-Wiring Harness)與每個部件集成在一起。緊固結構從螺栓緊固變為焊接，緊固結構的零件的數量減少了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。通過上述改進，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

在本章中，我們將討論PCU結構和組件的輕量化及小型化的新技術。

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構。模塊由IGBT、FWD、絕緣板和冷卻板組成。通過不中斷冷卻介質來改善冷卻性能。但是該模塊的開發并不適用于各種車型，而僅適用于緊湊型車輛。因為IGBT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輛，則體積會變得太大。因此，在第四代，我們決定采用帶有雙面冷卻模塊的堆疊結構，使得功率半導體的小型化，實現了冷卻性能的提高和各種車型的應用。

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，傳統的雙面冷卻結構是1in1結構，是帶有IGBT和FWD密封封裝。作為第四代結構，新開發了2in1結構，由上下臂的2對IGBT和FWD組成(譯者注：每個功率卡片包含兩個IGBT芯片和兩個續流二極管組成一個半橋。7個功率卡片式IGBT模組分別對應升壓轉換電路所需的一個半橋，以及電動機和發電機所需的共六個半橋)。并且模塊化設計允許安裝的P/C模塊的數量根據車輛應用而變化。對于低輸出車輛應用，可以安裝更少的P/C，從而減少電感并減少部件數量。對于高輸出車輛，我們可以增加P/C的數量，以允許高輸出電流。P/C的2in1結構模塊設計提供了將PCU應用于各種車型的靈活性。作為2in1結構在制造過程實現方法，我們考慮了如圖11所示橫截面所示的U結構和N結構。

圖10 功率器件的連接示意圖

圖11 實現2in1電源卡片的結構方法

U結構在物理尺寸，電感和部件數量方面具有優勢。因為上臂的發射極和下臂的集電極集成在一個共同的散熱器(O)上。然而，銅墊片上焊料熔化所累積公差的控制是一個問題。在U結構中，上臂和下臂的IGBT安裝方向相反。關注的是制造過程中IGBT周圍的焊料溢出質量很難控制。而N結構存在連接在上臂和下臂之間以及下臂和N端子之間的焊點可靠性的問題。然而，采用N結構是因為我們通過重復的熱應力試驗和控制高電流密度的電遷移限度以及其他因素充分證實了焊點的可靠性。圖12和圖13顯示了第四代2in1 P/C和P/S的結構。與輸出性能相同的1in1結構相比，我們通過消除上下臂之間的連線，實現減小物理尺寸22%和P和N端子之間電感減少55%。

圖12 第4代2in1電源卡外形和內部結構

3.控制電路板

控制電路由“MG-ECU”(電動機/發動機電控單元Motor/Generator Electronic ControlUnit和“智能功率模塊(IPMIntelligent Power Module)的控制電路”組成。MG-ECU使用傳感器信號和HV主ECU的請求計算IGBT的控制信號。IPM的控制電路包含IGBT驅動電路和IGBT保護電路，以防止短路或過熱。在第四代設計中，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。通過控制電路板設計的改進，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也在控制電路中得到改善。一種新型的微型計算機可實現高速處理電機控制，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電源模塊總成結構

4.電抗器

在第四代設計中，電抗器所需的特性是在整個正常工作區域內電感的穩定性和質量的減少。以下項目有助于質量減少和縮小尺寸，如圖14所示。

圖14 電抗器的結構

(1)提高升壓變換器的控制速度，減少鐵心間隙量。

(2)為提高抗振動耐久性，電抗器支撐采用一體化的模鑄結構。此外，電抗器使用傳熱片代替硅樹脂封裝來限制過熱。