作者：李松，吉林大学硕士研究生

研究方向：电动汽车电池热管理，动力系统控制

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一、引言

丰田第四代动力控制单元

第一辆采用TNGA的丰田汽车已经首次亮相。

第四代HV主要减少车辆部件的尺寸和重量，降低重心，且应用了新开发的动力控制单元（PCU）。

第四代PCU比第三代PCU进一步减少重量和电能损失。

▲HV的分类

▲第四代PCU

二、动力控制单元的结构与安装

PCU结构

新混合动力系统的配置如图所示。

第四代PCU的基本配置与第三代基本相同。

在第四代PCU中一个主要的改变是电池和辅助电池的安装位置能够增大行李箱面积，从而降低汽车重心。

▲第4代HV系统的组成

▲第4代HV系统的布局

系统参数对比

第四代HV系统通过以下三点将燃料燃烧的效率提高了约18.2％：

提高汽油发动机的热效率

减少高压系统组件的电子损耗

通过高速运转电机减少电流

PCU安装

按照TNGA的规定，PCU安装空间不是为每种车型独立开发，但考虑到适用于众多型号的应用。在变速驱动桥（T/A）直接安装了PCU。

这种安装的优点如下：

减少高压电缆的长度（轻量）

支架的简化（小型化和轻量化）

前部碰撞损坏的坚固性导致绝缘PCU恶化

直接在T/A上安装PCU的主要技术问题是发动机振动传递到PCU

要解决此问题，采用以下结构：

为减少传递的振动，在橡胶衬套上添加橡胶衬套托架

为了承受振动，已经有了吸收结构采用信号连接端子

采用高抗电振动的电子部件

为了最大限度地减少共振，电路板安装弹性垫圈来减小高压应力刚性外壳

PCU规格

尽管由缩小尺寸导致总功率输出减少，但最大值输出密度比以前提高了约50％。

通过减少来实现高输出密度部件重量和体积。

根据PCU布局的优化，体积减少了33％，质量减少了12％。

主要改进项目如下：

采用双面冷却模块

通过改善电容器的电容减少提升转换器可控性

由于降低电压波动而去除缓冲电路低电感结构

PCU结构

PCU结构如图所示。

▲PCU结构

PCU由逆变器、发电机/电动机、升压转换器和DC/DC转换器组成。

第四代PCU改善了车型之间的适用性并且比前几代PCU在尺寸上有缩小的设计。由于新的PCU采用新的电源模块，故其比以前的型号具有更好的适用性。双面冷却电源模块的结构与单面不同上一代使用的冷却结构。

▲冷却系统

双面的结构改善了冷却结构之间的适用性。双面结构的堆叠数量是可调节的，以适应各种车辆尺寸。

我们称之为组装功率堆栈（P/S)。P/S由电源卡，冷却器，绝缘板，导热油脂，压缩板簧和垫片组成。

电源卡（P/C）是树脂模塑的封装模块，它包括IGBT（绝缘栅双极晶体管），FWD（自由轮式二极管），散热片和端子。

PCU的体积减少

我们可以通过提高传热效率来减轻P/S的双面冷却结构的问题。通过P/S功能，第四代PCU比从前几代PCU缩小了尺寸。紧固结构从螺栓紧紧固为焊接;紧固结构的数量减少了67％。

为了进一步节省空间，螺栓的直径尺寸减小。该信号线线束（W/H）与每个线束集成在一起零件。这些变化提高了可制造性并实现了缩小PCU的规模。

随着上述改进，PCU的体积减少了33％。

三、轻量化技术下HV系统各零部件改变

动力模块

第三代动力模块的结构采用单面冷却方式。

电源模块包括IGBT，FWD，绝缘板和冷却板。

冷却通过不中断导热来改善性能润滑脂。但是这个模块的开发并不适合适用于各种车型但适用于紧凑型车型。因为IGBT和FWD平面安装在单面冷却方法。所以如果我们将这种方法高功率输出的车辆，车辆运行的噪声变得太大。

因此，在第4代中我们决定采用堆叠结构采用双面冷却模块的改进冷却性能，并实现缩小功率半导体的尺寸。

第四代2合1双面冷却模块

传统的双面冷却结构是1in1结构，是一对IGBT和IGBT的密封封装FWD。

作为第4代PCU结构中，我们新开发由2对IGBT和FWD组成上臂和下臂的2in1结构，2合1结构使P/C模块安装安全可靠且允许模块化设计P/C模块的数量。

对于低功率输出车辆，可以安装更少的P/C模块以减少电感并减少零件数量。

对于高功率输出车辆，我们可以增加P/C模块数量以允许高输出电流。2in1结构模块设计提供了应用PCU的灵活性。

作为2in1结构的实现方法，丰田第四代PCU开发者考虑了U结构和N结构的设计的不同。

U结构在物理尺寸，电感和电感方面具有优势。因为上臂和收集器的发射器下臂的一部分集成在一个共同的散热器（O）上。然而间隔物Cu上焊料的熔化影响了其寿。

在U结构中，IGBT上臂和下臂的安装方向相反，这样的设计机构是为了解决制造过程中IGBT周围的焊料溢流问题。

我们设计的Cu焊料首先熔化在Cu垫片上，使用低熔点焊料和更高的焊料在其他地方的熔点焊料。但开发者最终发现难以控制生产过程中的质量问题。

另一方面，N结构存在连接在上臂和下臂之间的焊点的可靠性的问题然而，之所以采用N结构是因为我们确定了焊点的可靠性重复热应力，电迁移容差和高电流密度等因素。

假设输出性能相同，第4代2in1P/C的结构和P/S.与1in1结构相比，实现了减少22％的物理尺寸。并且通过上臂和下臂之间布线来实现P和N端子之间的55％电感下降。

▲第4代2in1电源卡的结构

▲第4代电源模块结构

反应器

第四代设计中反应堆是通过提升整个通常工作区域内电感的稳定性来减少反应器的质量：

反应堆减少了铁芯间隙的数量提高升压转换器控制的速度

采用统一的模制结构进行改进振动耐久性

因此，第4代反应器可以使用传热片代替硅树脂灌封来限制过热。

电容器

电容器模块由平滑电容器和滤波电容器组成。这些电容器的功能是平滑输出到电机的电压，输入电压来自电池。而且，低等效串联电感（ESL）减小半导体的尺寸。

▲电容模块的组成

▲第4代电容器的功能集成

在第4代电容器模块中集成了3相母线使用平滑电容器，平滑电容器和滤波电容器分成单独的模块，滤波电容器模块也与信号线集成连接在一起，这样线束明显减少。

由于半导体开关控制的改进，我们实现电容的减少。另外，采用了很多更薄的聚丙烯薄膜，我们进一步实现电容器质量的下降。

总的来说，电容器模块的改进是不仅减少了质量和体积，还将电容减少34％，ESL减少58%。

▲电容器的结构

▲性能比较

传感器

在第四代PCU中，电流传感器的功能增加了升压转换器控制的速度。第四代PCU可以检测升压转换器的输入电流和电机的输出电流，这使PCU能够减少系统高压变化。随着高压的可变性降低，可以减小逆变电容器的电容。

目前第4代传感器能够检测电机电流，发电机，升压转换器的传感器为一个整体的单元，这种改进导致了减少体积和质量。

这些改进是通过以下方式实现：

电流传感器和输出端子的统一减少了安装空间和零件

对于霍尔效应传感器，我们采用了集成的IC霍尔元件和检测电路。我们可以减少电子设备和电路板的尺寸

▲电流传感器和输出端子的统一

DC/DC转换器

在混合动力系统中，代替汽油发动机的交流发电机车辆使用辅助设备的DC/DC转换器使得PCU直接安装在T/A上，这就要求每个PCU的组件必须减小尺寸和质量。

如果我们采用传统的母线电路连接方法，尺寸和重量会变得太大。所以我们新开发了厚铜箔电路板并拆下母线连接。将电子设备直接安装到电路板上,这使得尺寸和质量减小的要求得以实现。

下图为采用压力工艺代替蚀刻工艺，精确在厚铜上可以制作电路图案的过程：

▲厚铜箔电路板外观

四、低电能损耗下各组件的改变

性能对比

由对比我们可以看到，第四代PCU的电能损耗减少了22％。主要是由于IGBT，FWD和低电感的结构减少PCU的电能损失。

低损耗IGBT

在第四代PCU设计中，将新的IGBT技术应用于驱动电动机和发电机的开发设计中。

第四代IGBT是基于第三代IGBT，但新开发的低损失结构称为超级体层（SBL）。SBL是采用沟槽栅极和薄板技术开发,通过减小导通电阻而增加电导率调制效应，这是因为电子密度从发射极侧注入的空穴时在发射极侧减小。

结果电子孔密度增加，开关损失提高16％且不会降低损耗。

五、分析与总结

丰田第四代HV中使用了新开发的PCU，第四代PCU通过以下几种方法减少了它的尺寸和重量：

将PCU直接安装在P/A上，减少电缆和支架上尺寸

采用双面模块化2合1P/C冷却结构

引入轻量化技术，缩小控制电路板，电抗器，电容器模块，电流传感器和DC/DC转换器的尺寸

改进的传感器和改善电容器的高压可控性（允许电容器缩小尺寸）

功能集成以减少布线线束

PCU通过使用的推出新型低损耗IGBT来改善对电能的损耗。

相对于前几代PCU，PCU的尺寸，重量和电子尺寸都有所减少。努力改善PCU有助于丰田的第四代HV高燃油效率，同时改善愉快的驾驶体验。

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