键盘侠论文拆解别克蓝电驱控制器

之前小星在“深度拆解，揭秘别克蓝电驱系统”中就有提过，官方拆解只进行到组件级，未能一睹电驱控制器TPIM控制器的内部结构。今天就让小星当一回键盘侠，跟随通用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 and robust traction power inverter for the second generation Chevrolet volt extended range ev ），和大家一起来深度了解其产品细节和优势。

首先一句话概括别克蓝电驱控制器的主要优势，就如论文题目提到的，在于其高功率密度和高可靠性。

如何实现的？那我们就多图慢慢聊。

首先如下图所示，随着TPIM电控控制器集成进变速箱体内，第二代Voltec（右）相比第一代产品（左）不仅体积大幅减少，并且重量也得以减轻。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。

↑Voltec电驱系统第一代（左，4ET50）与第二代（右，5ET50）对比图

基于对第一代产品大量应用数据的统计，最新一代的别克蓝电驱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%。功率小了，但由于驾驶模式的优化，却有了更好的性能。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%。如下图电驱控制器第一代VOLT-1和第二代VOLT-2间的性能对比。体积上从13.1L减小至10.4L，重量14.6kg减小到8.3kg，峰值功率从221kW优化减小为180kW。相应的功率密度提升了43%，功率体积比提升了2%。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%。

↑Voltec电驱系统第一代（左）与第二代（右）性能对比表

由于如上提到的功率密度提升，最新一代的别克蓝电驱控制器拥有了更小的体积，从而可以将控制器集成进变速箱之中。另一方面接口与线束也得到了很大程度的优化，保证高度的生产线可装配性。

如下图爆炸视图(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。

↑别克蓝电驱控制器爆炸视图

其中最亮点的设计就是德尔福工程师对于功率开关高压IGBT所做的散热设计。由于动力电机的驱动需要非常大的功率，因此散热一直是重中之重。如果熟悉电驱设计，你想到的设计方案可能是如下丰田普锐斯初代使用的IGBT裸片 + 邦接线Bonding Wire + 加陶瓷基板底部水冷散热的方案。又或者是如今比较流行的IGBT模块集成Pin Fin散热鳍 + 双面水冷方案，比如凯迪拉克CT6插电式混动PHEV车型使用的方案。而为了提高集成度，德尔福的工程师们借助全新的电子与机械技术，以一种前所未有的方式，在紧凑的空间内将功率开关的散热效果提升至极致。

↑丰田普锐斯初代的IGBT裸片加陶瓷基板底部水冷散热方案

↑凯迪拉克CT6 PHEV使用的IGBT模块Pin Fin双面水冷方案

那我们通过如下的别克蓝电驱控制器爆炸视图和实物剖面照片来介绍一下相关设计的巧妙之处。如下图a所示，其主要由功率板power board, 直流母线电容DC bus capacitor,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。电机控制算法在控制板control boards中运行。（1.上盖板，2.直流母线盖板，3.控制板，4.直流母线接头，5.柔性连接器，6.上壳体，7.栅极驱动板，8.支持件，9.上散热片总成，10.功率板，11.密封圈，12.下散热片总成，13.绝缘导热片，14.下壳体，15.传感器板，16.逆变器输出母线总成，17.直流电容）

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) 。

↑别克蓝电驱控制器爆炸视图

↑别克蓝电驱控制器实物剖面照片

其优化设计包括四大方面：

1.功率电子优化

2.散热片设计

3.FSW加工工艺

4.交流输出母线接口冷却设计

1.功率电子优化

如之前提到的下图b为功率板power board。是电子设计优化的重点。创新的功率开关安装工艺，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焊接PCB上。

由如下功率开关爆炸视图所示，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)。有顶部焊接内部互连技术topside solderable interconnects technology彻底替代了传统的邦接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 and Gate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散热器相连，形成三明治双面水冷结构。

↑功率板power board

↑功率开关爆炸视图

2.散热片设计

如上提到的，德尔福使用了创新的三明治双面水冷结构，从而提高了功率开关的集成度和功率等级。为了能够将冷却水精确的送到功率开关的正反两面，散热片经过了精心的设计。创新的使用了MIM（金属注入模塑metal injection molding）工艺。使得金属散热片可以做成中空，流动冷却水。如下图为冷却系统示意图和热仿真效果图。(a)为采用MIM工艺的散热片细节，(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。

↑冷却系统示意图和热仿真效果图

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 Stir Welding )工艺加工的。如下图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。并且还照顾到了下层直流电容和交流输出母线接口的冷却。

↑下壳体内部冷却水道FSW加工工艺

4.交流输出母线接口冷却设计

交流输出母线由于其输出电流大又远离水冷散热区，一直是散热设计难点之一。如上文提到的，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照顾到了下层直流电容和交流输出母线接口的冷却。如下图为交流输出母线接口冷却示意图及热仿真效果图。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。上部为直流电容和交流输出母线接口。如图右半部所示，交流输出母线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。

↑交流输出母线接口冷却示意图及热仿真效果图

综上所述，根据通用和德尔福联合发表的论文，我们更详细的了解了别克蓝电驱系统的内部结构。德尔福创新的使用了四大电子和机械技术，减小了体积重量的同时提高了性能。实现了相当高的功率密度和可靠性。从而让电驱控制器可以直接集成在变速箱中。其中特别是IGBT的紧凑三明治双面水冷方案更是把功率开关的散热技术推向了一个新的高度。