第四代HV動力控制單元(PCU-Power Control Unit)重新開發(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(fā)動機(jī)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(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

燃料通過以下項目提高效率約18.2%(JC08)：

· 提高汽油發(fā)動機(jī)的熱效率；

· 減少高壓系統(tǒng)組件的電子損耗；

· 通過提高驅(qū)動電機(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安裝空間并非針對每種車型獨(dú)立開發(fā)，而是考慮到許多型號的應(yīng)用。因此，PCU直接安裝在變速驅(qū)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(yōu)點(diǎn)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(dǎo)致的PCU絕緣劣化問題。

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

(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(jié)構(gòu)；

(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(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

通過減少部件重量和體積來實現(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)項目如下：

(1)采用雙面冷卻電源模塊；

(2)通過改進(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)改善了車輛平臺之間的冷卻結(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(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(jié)構(gòu)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(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。通過不中斷冷卻介質(zhì)來改善冷卻性能。但是該模塊的開發(fā)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(jié)構(gòu)，使得功率半導(dǎo)體的小型化，實現(xiàn)了冷卻性能的提高和各種車型的應(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)，新開發(fā)了2in1結(jié)構(gòu)，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(xù)流二極管組成一個半橋。7個功率卡片式IGBT模組分別對應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換電路所需的一個半橋，以及電動機(jī)和發(fā)電機(jī)所需的共六個半橋)。并且模塊化設(shè)計允許安裝的P/C模塊的數(shù)量根據(jù)車輛應(yīng)用而變化。對于低輸出車輛應(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。對于高輸出車輛，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)計提供了將PCU應(yīng)用于各種車型的靈活性。作為2in1結(jié)構(gòu)在制造過程實現(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。因為上臂的發(fā)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(jié)構(gòu)中，上臂和下臂的IGBT安裝方向相反。關(guān)注的是制造過程中IGBT周圍的焊料溢出質(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)可靠性的問題。然而，采用N結(jié)構(gòu)是因為我們通過重復(fù)的熱應(yīng)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(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，我們通過消除上下臂之間的連線，實現(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”(電動機(jī)/發(fā)動機(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(qū)動電路和IGBT保護(hù)電路，以防止短路或過熱。在第四代設(shè)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(shè)計的改進(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也在控制電路中得到改善。一種新型的微型計算機(jī)可實現(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)計中，電抗器所需的特性是在整個正常工作區(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脂封裝來限制過熱。

5.電容器

電容器模塊由平滑電容器和濾波電容器組成，如圖15所示。這些電容器的每個功能是平滑電機(jī)的輸出電壓和電池的輸入電壓。此外，為了減小功率半導(dǎo)體的尺寸，需要串聯(lián)低等效電感(ESL-Equivalent series inductance)。在第四代電容器模塊中，通過減少組成部件和功能集成來實現(xiàn)小型化和低ESL。首先，3相母線與平滑電容器集成在一起，如圖16和圖17所示。接下來，平滑電容器和濾波電容器分成單獨(dú)的模塊，如圖18所示。濾波電容器模塊也與信號線連接器集成在一起，使線束顯著減少。由于半導(dǎo)體開關(guān)控制的改進(jìn)，實現(xiàn)了電容的減小。此外，采用新開發(fā)的更薄的聚丙烯薄膜，為電容器進(jìn)一步縮小尺寸。總的來說，電容器模塊的改進(jìn)不僅減少了質(zhì)量和體積，還減少了34%的電容和ESL減少了58%，如圖19所示。

圖15 電容器模塊電路組成

圖16 第四代PCU電容器的功能集成

圖17 電容器結(jié)構(gòu)比較

圖18 平滑電容器和濾波電容器獨(dú)立結(jié)構(gòu)圖

圖19 新舊型電容器性能比較

圖20 電流傳感器的檢測點(diǎn)

圖21 電流傳感器的集成結(jié)構(gòu)

6.電流傳感器

在第四代PCU中，增加了電流傳感器的功能，以加速升壓轉(zhuǎn)換器的控制。PCU可以檢測升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流和電動機(jī)/發(fā)電機(jī)逆變器的輸出電流，如圖20所示。

這使PCU能夠減少系統(tǒng)高壓的變化。隨著高壓變化率的減小，逆變器電容器的電容也隨之減小。第4代電流傳感器能夠逐個單元檢測電動機(jī)，發(fā)電機(jī)，升壓轉(zhuǎn)換器的電流。這種改進(jìn)導(dǎo)致體積和質(zhì)量的減少。這些改進(jìn)是通過以下方式實現(xiàn)。

(1)電流傳感器和輸出端子的合成在一起，減少了部件安裝空間，如圖21所示；

(2)對于霍爾效應(yīng)傳感器，集成了霍爾元件和IC檢測電路，因此，可以減少電子設(shè)備和電路板的尺寸。

7.DC/DC轉(zhuǎn)換器

在混合動力系統(tǒng)中，用直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC轉(zhuǎn)換器)代替汽油發(fā)動機(jī)車輛的交流發(fā)電機(jī)作為輔助電源裝置。下面描述新DC/DC轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)。為了使PCU直接安裝在T/A上，PCU的每個部件都必須減小尺寸和質(zhì)量。如果我們采用傳統(tǒng)的母線的電路連接方法，尺寸和重量將變得太大。因此，拆除了母線連接，采用新開發(fā)了厚銅箔電路板。將DC/DC轉(zhuǎn)換器電子器件直接安裝到電路板上，以達(dá)到尺寸和質(zhì)量要求。如圖22所示。采用沖壓工藝代替蝕刻工藝，在厚銅箔上實現(xiàn)精確的電路圖形。

四、降低元件電子損耗的新技術(shù)

在本段中，我們介紹能夠降低PCU中電損耗的新技術(shù)。圖23所示為PCU的電子損耗的比較。

第四代PCU電子損耗減少了22%。有助于減少電子損耗的主要項目如下。IGBT，F(xiàn)WD和低電感結(jié)構(gòu)。

圖22 厚銅箔電路板外觀圖

圖23 新舊型PCU電子損耗的比較

圖24 SBL低損耗IGBT結(jié)構(gòu)

在第四代PCU設(shè)計中，開發(fā)了新的IGBT技術(shù)來驅(qū)動電動機(jī)和發(fā)電機(jī)。第四代PCU的IGBT基于第三代IGBT，但新開發(fā)的低損耗結(jié)構(gòu)，稱為超體層(SBL-Super Body Layer)。采用溝槽柵極和薄板技術(shù)研制了SBL。如圖24所示，與第三代PCU的IGBT相比，通過改善電導(dǎo)率調(diào)制效應(yīng)來減小導(dǎo)通電阻(穩(wěn)態(tài)損耗)，因為，在P型半導(dǎo)體中引入N型勢壘層(SBL)，從P集電極層注入的載流子很難穿過發(fā)射極側(cè)，因而聚集在P基區(qū)層下，結(jié)果，發(fā)射極側(cè)空穴密度增加。將穩(wěn)態(tài)損耗降低的性能提升了16%，而沒有開關(guān)損耗的惡化，如圖25所示。

圖25 IGBT損耗改善數(shù)據(jù)

五、結(jié)論

? 第四代HV是第一款采用TNGA的車型，擁有新開發(fā)的PCU。PCU減少了它的尺寸和重量。

? 將PCU安裝在T/A上，減少電纜和支架尺寸。

? 采用模塊化2合1P/C結(jié)構(gòu)，具有雙面冷卻和堆疊能力。

? 引入輕量化技術(shù)并縮小控制電路板，電抗器，電容器模塊，電流傳感器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的尺寸。

? 改進(jìn)的傳感器和微型計算機(jī)更快的處理，能夠改善高壓的可控性(允許電容器縮小尺寸)。

? 功能集成組件以減少線束。

? PCU通過引入新的低損耗IGBT，實現(xiàn)了電能損耗的改善。綜上所述，與前幾代PCU相比，第四代PCU的尺寸，重量和電子能量損耗都有所減少。改善PCU的努力有助于豐田第四代HV高燃油效率，同時改善令人愉悅的駕駛體驗。