電動汽車電機驅動系統(tǒng)多功能控制總成的開發(fā)與應用

馬 箭，楊洪波，王 堅，沈澤華

(1.中車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412000； 2.長沙中車智馭新能源科技有限公司，長沙 410000)

TP5平臺是我司面向電動商用車領域研發(fā)出的新一代(第5代)電機驅動系統(tǒng)多功能控制總成，其在體積、重量以及可靠性和兼容性方面都有明顯的優(yōu)勢。

1 電氣電路集成設計

1.1 主電路設計

為了實現(xiàn)DC/AC逆變(將電池直流高壓轉化為三相交流高壓)、高壓配電(將電池高壓電配送給后端高壓負載使用)、DC/24VDC(將電池高電壓轉化為低壓24 V)功能集成，達到降低成本、減小體積的目的，TP5控制總成及其關聯(lián)架構設計如圖1所示?？刂瓶偝奢斎腚妷河蓜恿﹄姵靥峁?，其DC/AC逆變功能為驅動電機、發(fā)電機、助力轉向電機(ESP)、空壓機電機(ACM)提供三相交流高壓電，驅動每臺電機的三相交流電由3個IGBT模塊控制(每個IGBT模塊包括上下兩個橋臂)；其高壓配電功能為電空調、電除霜、電加熱等高壓直流電器配電，高壓配電電路上均配有保險，對高壓回路進行保護；DC/24VDC的功能是將電池高電壓轉換為低壓24 V，供整車低壓蓄電池充電和其他低壓負載用電。

圖1 TP5控制總成及其關聯(lián)架構設計圖

TP5控制總成直流總線上沒有安裝熔斷器，這是因為動力電池包里已經設置了一個熔斷器。上述的DC/AC逆變、高壓配電和DC/24VDC三個功能模塊共用同一個主接觸器和預充電電路，便于上、下電的統(tǒng)一控制，也降低成本。所有功能模塊都從同一個直流母排上取電，結構簡單，可以節(jié)省銅的用量。4組DC/AC逆變模塊電路共用同一個支撐電容，這種方式的電容的值和體積相比于各個DC/AC逆變模塊單獨使用一個電容(共需4個電容)的總和要小，可大幅降低電容成本。采用集成設計后，主電路占用的體積減小了，使得箱體和散熱器的材料減少，也降低了成本。

1.2 控制電路設計

1) 總體設計。集成控制器通常需要多塊印制電路板來實現(xiàn)整個控制電路功能，各功能電路的劃分和集成是一個設計難點。設計過程中需要對結構布置、信號連接、功能實現(xiàn)、成本優(yōu)化等因素進行綜合考慮。而該控制總成采用一塊印制電路板來實現(xiàn)對所有功能單元的控制，即該電路板集成了整車控制電路、驅動電機變流控制電路、發(fā)電機變流控制電路、油泵電機變流控制電路和氣泵電機變流控制電路。節(jié)省了控制總成內部空間、降低了相應部件的成本，實現(xiàn)了電源、MCU等公共資源共享，消除了電路板間的信號連接線束，提高了控制電路的可靠性。減少了電路板的數(shù)量，有利于簡化批量制造管理?？刂齐娐房傮w設計框圖如圖2所示。

圖2 控制電路總體設計框圖

2) 控制電源設計。前幾代控制總成控制板電源采用非隔離方式，即電路板電子芯片供電電源的地(低壓負)與DC/24VDC模塊的地(低壓負)未做隔離處理，是直接導通的，這導致箱體上的干擾信號直接竄入供電電源。TP5對此進行了改進，即將DC/24VDC模塊供電管腳與其他電路控制電源供電管腳分開，單獨為DC/24VDC模塊配置一路控制電源地，從而使DC/24VDC模塊取電點與其他控制電路盡量遠離，避免控制總成箱體上的干擾信號通過DC/24VDC模塊地直接傳到控制電路上[1-3]；另外，控制電源電路上還安裝了共模電感、差模電感和差模電容，進一步增加了吸收和抑制電源上的干擾能力。圖3為控制板電源原理框圖。

圖3 控制總成控制板電源原理框圖

3) CAN網絡集成設計。為了實現(xiàn)TP5內部各功能模塊的通訊和控制功能，通過可編程邏輯器件靈活構建其CAN網絡收發(fā)器，不僅實現(xiàn)了其內部網絡的高速可靠傳輸[4-6]，而且也降低了多個CAN網絡對外的硬件設計成本。圖4為其CAN網絡框圖，其中CAN2的整車控制數(shù)據包含了空調、電池滅火器、胎壓、水泵等與整車相關的零部件數(shù)據。

圖4 CAN網絡集成框圖

4) 溫度采樣設計。TP5溫度采樣集成電路能兼容PT100和NTC等不同類型的溫度傳感器，提高了溫度采樣功能的靈活性。通過MAX31865AAP芯片進行差分采樣，識別不同類型的溫度傳感器。圖5為溫度采樣原理框圖。

圖5 溫度采樣原理框圖

5) 保護邏輯設計。在保護邏輯上，TP5的驅動板設置了模塊故障停機保護，控制板設置了硬件過流停機保護。用于驅動電機和發(fā)電機的三塊驅動板共用一個模塊故障上傳通道，但由于驅動板輸出的模塊故障信號為集電極開路型式，且低電平表示故障，高電平表示正常，當一塊驅動板報出模塊故障后，盡管其他兩塊驅動板正常，信號仍然被拉低，因此，任意一塊驅動板模塊的故障信號都能觸發(fā)TP5模塊的故障停機保護模式。

2 總成結構集成設計改進

控制總成的結構設計不僅決定了產品的外觀品質，而且對產品的可制造性和產品的電、磁、熱性能也有著重要影響。結構集成設計可以減小產品體積、改善部件與整車的接口。TP5結構設計基本沿用了我司前幾代電控產品結構設計方案，但器件雙面布置、箱體與散熱器一體化鑄造是其兩大改進之處。

2.1 總成器件雙面布置

前幾代電控產品均采用器件單面布置方案，這導致部分器件距離散熱器較遠，不能達到良好的散熱效果，另外也增加了控制器內部拆裝的困難。TP5控制總成集成了2個驅動電機控制逆變器和2個輔助電機控制逆變器，這4個逆變器共用同一個支撐電容。TP5將這4個逆變器的IGBT模塊布置在散熱器正面，將其支撐電容布置到散熱器的背面，支撐電容電極穿過散熱器，形成以支撐電容電極端子為中心、IGBT模塊背靠背對稱分布的結構布置方式，所有IGBT模塊直流側端子和支撐電容端子通過低感復合母排連接為一體[7-9]。該結構布置方式使得同一逆變器每相之間的電流路徑、逆變器電路與支撐電容之間的電流路徑以及各個逆變器之間的電流路徑都達到最短，有效地縮短了能量交換通路，減小了發(fā)熱損耗，降低了內部電磁輻射干擾。

由于復合母排、IGBT端子、電容電極以及它們之間的連接螺栓都集中在一個較小的區(qū)域內，通過局部填充導熱膠，可以使這些部件通過水冷散熱器進行快速地傳導散熱，從而提升了直流側電路的載流能力，減小了直流側電路部件向四周的熱量輻射。

2.2 箱體與散熱器一體化鑄造

相比于前幾代電控產品箱體與散熱器的分體鑄造，TP5控制總成采用了箱體外殼與散熱器一體化鑄造結構設計，上下雙層布置，散熱器位于中間，并將起防護作用的外殼與散熱器底板使用鋁合金鑄造技術一體化成型，起主要散熱作用的散熱器基板單獨成型，再將兩者通過攪拌摩擦焊集成為一個整體[10-12]。

這種結構設計具有以下優(yōu)點：① 將傳統(tǒng)的平攤式布置方式改為立體空間式布置方式，空間利用率高。② 散熱能力強。傳統(tǒng)散熱器只利用了一個散熱面，另一散熱面無散熱元器件布置，TP5控制總成則將發(fā)熱功率小的DC/24VDC模塊、電力電容等元器件布置在散熱器背面，將發(fā)熱功率大的IGBT模塊布置在基板側正面，充分利用了散熱器的散熱能力。③ 散熱器結構型式、加工方式選擇靈活。可根據實際散熱要求選擇成本很低的高溫鋁合金鑄造成型、半固態(tài)鑄造成型、擠壓成型方式，或采用散熱能力強的CNC成型方式，后續(xù)優(yōu)化潛力大。

3 結束語

TP5控制總成實現(xiàn)了多功能集成的同時，極大地減小了箱體和散熱器的重量和成本，實現(xiàn)了產品的高功率密度指標。該控制總成能夠快速匹配于各種動力系統(tǒng)及車型，目前已全面應用于時代電動的8～12 m純電動、插電式電動客車和其他車企的電動客車。