丰田紧凑型HV动力控制单元介绍(上)

2019-11-21江苏高惠民

汽车维修与保养 2019年8期

◆文/江苏高惠民

一、概述

流动性是人类社会经济生活的基础，汽车是我们流动性的关键因素。然而，在今天汽车尾气的二氧化碳和污染物排放使全球气候变暖、空气污染也是不容忽视的问题。防止或减轻这些问题的发生，当务之急是加强环保意识。为解决高燃料效率，低排放这个任务，丰田一直都致力于开发和推广混合动力汽车(HVHybrid Vehicle)。1997年全球首批量产的第一代HV首次亮相。它的燃油效率是汽油发动机车辆的两倍。在2003年，第二代HV引入了使用升压转换器的高压系统，实现了高功率和高燃料效率。2009年，第三代紧凑型HV亮相，增加发动机排量和电机功率，两者兼之，使高速巡航时的动力和燃油效率得到改善。从混合动力传动系统来看，丰田通过进一步减小每个部件的尺寸和重量，来提高单位产出效率。现在是第四代HV，第一款采用TNGA(Toyota New Global Architecture丰田汽车新的全球架构)生产的车型亮相。通过减少车辆部件的尺寸和重量，降低车辆重心，第四代HV实现了高燃油效率(40.8km/L，JC08)，以及愉快的驾驶体验。为了这款混合动力系统，第四代HV动力控制单元(PCU-Power Control Unit)重新开发，如图1所示。PCU与前一代相比，进一步减小了尺寸，减少了重量和电子能量损耗。本文阐述了第四代混合动力系统PCU的具体技术生成和改进。

图1 第四代混合动力PCU外形

二、PCU规格和结构

1.高压系统规格

新混合动力系统组成与配置如图2所示。该基本配置与之前的型号相同。但是，一个主要的改变是将辅助电池的安装位置移至了发动机室，这样能够改善行李箱面积和更低汽车的重心。混合动力系统电池安装位置如图3所示，HV系统规格如表1所示。

表1 HV系统规格

燃料通过以下项目提高效率约18.2%(JC08)：

· 提高汽油发动机的热效率；

· 减少高压系统组件的电子损耗；

· 通过提高驱动电机的运行速度减小电机工作电流。

图2 第4代HV系统的组成框图

2.PCU安装

遵循TNGA概念，PCU安装空间并非针对每种车型独立开发，而是考虑到许多型号的应用。因此，PCU直接安装在变速驱动桥(T/A-Transaxle)上，如图4所示。

图3 第四代HV蓄电池安装位置

图4 第四代PCU安装

除了上述之外，这种安装的优点如下：

(1)减少高压电缆的长度(轻量)；

(2)简化支架(缩小尺寸和轻量化)；

(3)坚固了前碰撞损坏导致的PCU绝缘劣化问题。

将PCU直接安装在T/A上的主要技术问题是发动机振动传递到PCU，为解决此问题，采用以下结构：

(1)为减少传递的振动，在支架上添加橡胶衬套；

(2)为了承受振动，信号连接端子采用了耐振型吸收结构；

(3)采用高抗电振动的电子部件；

(4)为了最大限度地减少共振，电路板使用弹性垫圈以窄间距安装，以减少高刚度外壳的应力。

3.PCU规格

尽管PCU尺寸减小导致总功率输出降低，但最大输出功率密度比上一代提高了大约50%，如图5所示。

图5 PCU功率密度比较

通过减少部件重量和体积来实现高功率密度输出。根据PCU结构的优化，体积减少了33%，质量减少了12%，如表2所示。

表2 PCU规格

主要改进项目如下：

(1)采用双面冷却电源模块；

(2)通过改进的升压转换器可控性降低电容器的电容；

(3)由于低电感结构降低了电压浪涌，去除了缓冲电路。

4.PCU结构

PCU结构如图6所示。PCU由发电机/电动机电源模块，升压转换器和DC/DC转换器组成。新的PCU结构改善了车型之间的适用性，并且比前几代产品缩小了尺寸。

图6 PCU结构

由于采用了新的电源模块，PCU比以前的型号具有更好的适用性。电源模块的双面冷却结构如图7所示。

图7 第4代PCU电源模块冷却结构

与上一代使用的单面冷却结构不同。双面结构改善了车辆平台之间的冷却结构的适用性。双面结构堆叠量的可调节性以适应各种车辆尺寸。所以我们称这个组件为Power Stack(P/S)。P/S由卡片式电源，冷却器，导热硅脂涂层，绝缘板，压缩弹簧和垫片组成。卡片式电源(P/C-Power Card)是树脂封装，包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极晶体管)，FWD(Free Whee ling Diode续流二极管)，散热片和端子。P/S有一个问题是，将功率器件集成到电源卡片中，单位面积的热量通常会增加。然而，通过改善P/S的双面冷却结构的传热效率来减轻该问题。

新PCU与前几代相比，通过功能集成以缩小部件尺寸。例如，线束(W/H-Wiring Harness)与每个部件集成在一起。紧固结构从螺栓紧固变为焊接，紧固结构的零件的数量减少了67%。需要螺栓固定，用的螺栓直径尺寸也有所减小。并且，这些改变改善了可制造性使PCU的尺寸减小。通过上述改进，PCU的体积减少了33%，如图8所示。

图8 新旧型PCU的比较

三、组件轻量化和小型化的新技术

在本章中，我们将讨论PCU结构和组件的轻量化及小型化的新技术。

1.电源模块

如图9所示是采用单面冷却方法的第三代功率模块的结构。模块由IGBT、FWD、绝缘板和冷却板组成。通过不中断冷却介质来改善冷却性能。但是该模块的开发并不适用于各种车型，而仅适用于紧凑型车辆。因为IGBT和FWD在单面冷却方法中采用平面安装。因此，如果我们采用这种方法用于高输出车辆，则体积会变得太大。因此，在第四代，我们决定采用带有双面冷却模块的堆叠结构，使得功率半导体的小型化，实现了冷却性能的提高和各种车型的应用。

图9 第3代PCU电源模块单面冷却示意图

2.第四代PCU2合1双面冷却模块功率器件

第四代PCU2合1双面冷却模块功率器件的连接如图10所示，传统的双面冷却结构是1in1结构，是带有IGBT和FWD密封封装。作为第四代结构，新开发了2in1结构，由上下臂的2对IGBT和FWD组成(译者注：每个功率卡片包含两个IGBT芯片和两个续流二极管组成一个半桥。7个功率卡片式IGBT模组分别对应升压转换电路所需的一个半桥，以及电动机和发电机所需的共六个半桥)。并且模块化设计允许安装的P/C模块的数量根据车辆应用而变化。对于低输出车辆应用，可以安装更少的P/C，从而减少电感并减少部件数量。对于高输出车辆，我们可以增加P/C的数量，以允许高输出电流。P/C的2in1结构模块设计提供了将PCU应用于各种车型的灵活性。作为2in1结构在制造过程实现方法，我们考虑了如图11所示横截面所示的U结构和N结构。

图10 功率器件的连接示意图

图11 实现2in1电源卡片的结构方法

U结构在物理尺寸，电感和部件数量方面具有优势。因为上臂的发射极和下臂的集电极集成在一个共同的散热器(O)上。然而，铜垫片上焊料熔化所累积公差的控制是一个问题。在U结构中，上臂和下臂的IGBT安装方向相反。关注的是制造过程中IGBT周围的焊料溢出质量很难控制。而N结构存在连接在上臂和下臂之间以及下臂和N端子之间的焊点可靠性的问题。然而，采用N结构是因为我们通过重复的热应力试验和控制高电流密度的电迁移限度以及其他因素充分证实了焊点的可靠性。图12和图13显示了第四代2in1 P/C和P/S的结构。与输出性能相同的1in1结构相比，我们通过消除上下臂之间的连线，实现减小物理尺寸22%和P和N端子之间电感减少55%。

图12 第4代2in1电源卡外形和内部结构

3.控制电路板

控制电路由“MG-ECU”(电动机/发动机电控单元Motor/Generator Electronic ControlUnit和“智能功率模块(IPMIntelligent Power Module)的控制电路”组成。MG-ECU使用传感器信号和HV主ECU的请求计算IGBT的控制信号。IPM的控制电路包含IGBT驱动电路和IGBT保护电路，以防止短路或过热。在第四代设计中，我们将控制电路整合到一块电路板中。此外，采用混合工艺制造高密度电路板。通过控制电路板设计的改进，减少了电子器件和总电路板面积。另外微控制器和电抗器电流检测也在控制电路中得到改善。一种新型的微型计算机可实现高速处理电机控制，从而减少能量损失。电抗器电流传感器还提高了可控性并减小了电容器模块的尺寸。