詳細(xì)的豐田bZ4x電機(jī)逆變器設(shè)計(jì)解讀

逆變器的規(guī)格和結(jié)構(gòu) ? ? ? ?

豐田新電池系統(tǒng)的配置如下圖所示。新的電力供應(yīng)單元（ESU）集成了一個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器、車載充電器、直流繼電器和一個(gè)配電器。

1、四輪驅(qū)動(dòng)的逆變器冷卻系統(tǒng)的配置

四輪驅(qū)動(dòng)的逆變器冷卻系統(tǒng)的配置如下圖所示。采用了串聯(lián)冷卻系統(tǒng)，以確保前后逆變器有足夠的冷卻流量。

由于后置逆變器的進(jìn)水溫度受到前置逆變器的影響，因此不能保證所需的冷卻流量與冷卻液溫度相匹配。通過(guò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)輸出的前逆變器熱損失，來(lái)解決了這一問(wèn)題。水泵驅(qū)動(dòng)負(fù)荷根據(jù)系統(tǒng)輸出的預(yù)測(cè)排氣熱損失而變化，使水泵驅(qū)動(dòng)功率損失減少了29%。

2、逆變器安裝

逆變器安裝采用框架結(jié)構(gòu)，其中組件固定在框架上，并集成到電驅(qū)中。為此進(jìn)行系列優(yōu)化：提高殼體剛度；三相銅排采用油冷；緊固位置進(jìn)行優(yōu)化。

3、逆變器規(guī)格

下表顯示了逆變器的規(guī)格，與之前模型相比，體積減少了31%，重量減少了40%，最大輸出密度提高了45.6%。這主要?dú)w功于：采用新的功率半導(dǎo)體；通過(guò)改進(jìn)逆變器控制，降低了電容器的電容；采用了無(wú)芯電流傳感器。

4、逆變器結(jié)構(gòu)

逆變器的結(jié)構(gòu)如圖如下所示。

新開發(fā)的功率半導(dǎo)體降低了能量損失，提高了冷卻性能，并修改了逆變器控制。這顯著地抑制了功率半導(dǎo)體的溫升，并允許在前逆變器中放置兩個(gè)并聯(lián)功率半導(dǎo)體，而不是在之前的方案中放置三個(gè)并聯(lián)功率半導(dǎo)體。

其他組件，如電流傳感器和電容器模塊也被縮小了尺寸。因此，新的逆變器比之前的150 kW小31%。附加的Y型電容器還有助于改善車輛的電磁兼容性（EMC）。

動(dòng)力模塊采用了與前一型號(hào)相同的雙面冷卻結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)增加或減少功率堆棧中的層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)輸出變化。

通過(guò)改變層數(shù)，實(shí)現(xiàn)了150 kW和80 kW規(guī)格的不同功率輸出，如下圖所示。

這意味著150 kW和80 kW規(guī)格只需要改變連接到電源棧的電流傳感器和電容器模塊的母線形狀。

各部件技術(shù) ? ? ? ?

1、電源模塊（Si）

新型號(hào)的電源卡的特點(diǎn)是一個(gè)新開發(fā)的功率半導(dǎo)體，集成了一個(gè)IGBT和一個(gè)FWD（稱之為“RC-IGBT”）。

通過(guò)優(yōu)化RC-IGBT的規(guī)格，實(shí)現(xiàn)了縮小和更高的功率輸出，如下圖所示。

通過(guò)監(jiān)測(cè)所有設(shè)備的溫度和提高溫度上限，提高了單個(gè)電源卡可以處理的輸出。與之前的六個(gè)設(shè)備中只有一個(gè)配備了溫度監(jiān)測(cè)器的型號(hào)相比，新的型號(hào)通過(guò)為所有六個(gè)設(shè)備配備了溫度監(jiān)測(cè)器，減少了需要考慮的設(shè)備溫度保護(hù)的溫度變化。

熱保護(hù)閾值與前一模型的比較如圖所示。

作為提高溫度上限的措施，采用表面粗糙化技術(shù)，在散熱器的安裝表面上形成微觀凸起，并提高樹脂與散熱器的附著力。此外，還采用了一種高耐熱性樹脂材料。這些新技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)貢獻(xiàn)了增加了47.3%的功率輸出，可以由一個(gè)電源卡處理，并縮小了功率模塊。

2、電源模塊（SiC）

除了硅功率半導(dǎo)體外，后置逆變器也采用了碳化硅器件。通過(guò)提高柵極電壓以降低接通電阻，使開關(guān)速度比Si器件快3倍左右，功率損耗降低了50%以上，每個(gè)芯片的輸出提高了2.8倍。

3、電機(jī)控制（SiC）

四輪驅(qū)動(dòng)車輛中高壓系統(tǒng)的等效電路如圖所示。

電路板圖如下圖所示。

通過(guò)安裝前后逆變器，在逆變器之間以及逆變器和高壓電池之間發(fā)生LC諧振。LC諧振頻率與逆變器載波頻率及其邊帶的重疊放大了高電壓和電流紋波，這對(duì)ESU等高壓設(shè)備有負(fù)面影響。

雖然這一問(wèn)題可以通過(guò)增加逆變器電容的電容來(lái)解決，但它可以通過(guò)改進(jìn)逆變器開關(guān)控制來(lái)解決。

更具體地說(shuō)，調(diào)整了開關(guān)脈沖模式，使逆變器的諧波分量不與圖中所示的增益峰值重疊。因此，與其增加電容器的電容，其電容實(shí)際上比之前的模型降低了37%。

4、控制ECU

CB（控制板）根據(jù)來(lái)自主機(jī)ECU的車輛驅(qū)動(dòng)力請(qǐng)求和來(lái)自逆變器內(nèi)部各種傳感器的運(yùn)行條件來(lái)計(jì)算控制命令，而驅(qū)動(dòng)電源模塊的GDB（門驅(qū)動(dòng)板）由一個(gè)單個(gè)板組成。

傳統(tǒng)的ECU由兩臺(tái)微機(jī)組成，但通過(guò)提高微機(jī)的處理能力和用監(jiān)測(cè)IC取代微機(jī)的相互監(jiān)控，一個(gè)單一的微機(jī)配置已經(jīng)成為可能，有助于小型化。

CB段不是針對(duì)不同的逆變器輸出（150 kW和80 kW）進(jìn)行新設(shè)計(jì)，而是一種常見的設(shè)計(jì)，而GDB段的改變只是為了提高效率。

前面描述的碳化硅驅(qū)動(dòng)器功率也是僅通過(guò)修改GDB部分來(lái)設(shè)計(jì)的。從而實(shí)現(xiàn)了小型化和高效的發(fā)展。

5、電流傳感器

電流傳感器如下圖所示。

通過(guò)采用無(wú)芯傳感器，電流檢測(cè)系統(tǒng)的體積減少了67%。由于無(wú)芯結(jié)構(gòu)容易受到相鄰母線的磁通量影響，因此在傳感器的頂部和底部之間添加了金屬板，以確保與傳統(tǒng)傳感器相當(dāng)?shù)木取?/p>

采用三相單相系統(tǒng)（3個(gè)單元）。在單個(gè)元件發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)識(shí)別故障階段并僅使用非故障階段切換到控制來(lái)確保故障安全操作。

6、電容器模塊

電容器模塊的作用是穩(wěn)定對(duì)電機(jī)的逆變器輸出電壓。降低功率半導(dǎo)體還需要降低浪涌電壓，即，一個(gè)較低的等效串聯(lián)電感（ESL）。下圖分別顯示了電容器模塊和電容器母線的結(jié)構(gòu)。

新的電容器模塊通過(guò)改進(jìn)母線的布置和結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了正(P)和負(fù)(N)極母線的并聯(lián)長(zhǎng)度。結(jié)果，ESL降低了50%。此外，采用更薄的，新開發(fā)的聚丙烯薄膜，使進(jìn)一步縮小和集成到一個(gè)單一的模塊結(jié)構(gòu)。

7、冷卻器

冷卻器的功能是冷卻來(lái)自兩側(cè)的功率半導(dǎo)體。以前和新型冷卻器的內(nèi)翅片結(jié)構(gòu)如下圖所示。

在之前的模型中，冷卻劑的流動(dòng)路徑部分緩慢和停滯，阻礙了熱交換效率。新模型采用了一種翅片結(jié)構(gòu)，將冷卻劑劃分為相鄰的流道，以減少停滯區(qū)。與之前的模型相比，這種劃分效應(yīng)將冷卻性能提高了25%。

審核編輯：黃飛

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