《完整拆解分析》通用别克“沃蓝达”智能电驱系统详解

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了电子设备的多个组件及其功能，包括变压器、电感、共模电感、稳压芯片、功率二极管、N-MOS、运放、比较器、逻辑门电路、电阻、电容、驱动IC等。这些组件来自不同的厂家，具有各自特定的功能和应用。在控制板、驱动板和功率板上，这些组件被用于实现信号转换、电平转换、驱动控制、电源供应、散热等多种功能，共同协作以实现设备的正常运行。

    “沃蓝达”智能电驱系统是一套集成度相当高的双电机驱动系统，它集成了TPIM电驱控制器、双电动机、油泵、电磁阀控制单元、以及两组行星齿轮和差速器等部件。

       双电机加双行星齿轮的设计，相比其他技术具有更高的自由度，两个电机可同时参与驱动或单独发电，在TPIM电驱控制器的控制下，发动机和电机可同时100%参与驱动，变速范围更加宽泛，动力输出更充沛。       

      TPIM电驱控制器是德尔福（Delphi）为通用（GM）开发的一款的高功率密度和高可靠性的电机控制器，现已升级为第二代。在第二代，TPIM电驱模块集成进变速箱体内，第二代产品（右）相比第一代产品（左）不仅体积大幅减少，而且重量也得以减轻。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。

TPIM电驱控制器不仅进行电机驱动控制，并且司职混合动力控制器。负责扭矩分配和能量管理。通过通用专利的多模式智能切换技术，TPIM电控模块可以根据不同的车速、发动机转速选择最优的工作模式。并且在各工作模式切换过程中，其控制算法做到了同步及无缝的切换。保证了驾驶的舒适性和优良的燃油经济性。TPIM电驱控制器由三个独立的逆变模块（逆变器-A、逆变器-B、电子泵逆变器）、变速箱控制器、混合动力系统控制器等组成。其中三组逆变器负责控制电机，变速箱控制器负责换挡及扭矩请求，混合动力控制器负责扭矩分配和能量管理。值得一提的是，随着TPIM电控控制器的集成，电池直流电（DirectCurrent）转换为电机使用交流电（AlternateCurrent）的工作得以在箱体内完成，直接避免在发动机舱布置内高压电线，大幅度提高耐久性能和安全性能。

详细参数表

各视角图

TPIM电驱控制器爆炸图

TPIM电驱控制器剖面图

根据TPIM电控控制器爆炸图和剖面图进行分析它的各部件模块安装方式与功能，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。从上到下各部件模块分别为：1.上盖板，2.直流母线盖板，3.控制板，4.高压直流母线接头，5.柔性连接器，6.上壳体，7.栅极驱动板，8.支撑件，9.上散热器总成，10.功率板，11.密封圈，12.下散热器总成，13.绝缘导热片，14.下壳体，15.电流传感器板，16.逆变器输出总成，17.母线电容。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) 。

两个高压直流端子是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。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。并且留有连接油泵电机的三相高压线束连接器

红色框中蓝色多PIN连接器是连接各种传感器线束，控制动力电机的转速和扭矩以及控制油泵的流量及油压。

打开上盖板是拆解的第一步，由于整个TPIM电控控制器集成在变速箱内，所以不需要做防水防尘，因此整个TPIM电控控制器不考虑IP等级，上盖板也相对来说做的很简单。

 上盖板扣在控制板上，拿掉上盖板，就能看到控制板的真容，控制板安装在上壳体上。

上盖板

控制板正面

控制板反面

控制板上一些芯片散热处理见右图红色圈部分，通过在反面底层PCB上涂抹相变材料，在芯片焊盘周围再打上过孔，安装时，相变材料与上壳体预留的凸台紧密贴合，达到散热效果。

用于传输控制板与驱动板及功率板的信号。采用的是华印电路板的三层软硬结合板；端子使用的是台湾实盈（SUYIN）。

拿掉控制板，看到的是上壳体，在上壳体上还包括一块高压直流母线盖板。主要作用是支撑控制板及给控制板上的器件散热，红色部分上面涂有相变材料，给控制板上的器件进行导热。上壳体顶面和底面都做有加强筋，增加壳体强度

上壳体顶面

上壳体底面

主要作用：

1、固定高压直流母线接口

2、隔离高低压

高压直流母线盖板正面

高压直流母线盖板反面

其中母线采用叠层母排的设计，叠层母排具有：电感阻抗低、抗干扰能力强以及可靠性高等特点。

并且母线负铜柱做了绝缘处理，加大正负极的绝缘间距，高压直流母线接口做成一个模块，更有利于组装并减小体积。

高压直流母线电气连接方式：高压电通过右侧的1、2两个镶进铜条的铜柱传到下面功率板的正负极，并通过顶层螺丝将其锁在底层的直流电容模块的正负极上，实现高压母线的电气连接。

上壳体移除后，我们就看到了驱动板的真容。

驱动板正面

总结

弹簧、支撑爪和螺丝软硬结合进行上壳体和驱动板的连接和固定，保证了板子能够承受足够的抗震动能力。

驱动板背面

驱动板与控制板之间有多个支撑架进行支撑。

塑料支撑架材料为PBT GF30玻纤增强30%，具有尺寸稳定性，高刚性，高强度，抗撞击，抗蠕变性，耐热老化等性能。

TPIM电控控制器的IGBT水冷系统采用其独创的三明治双面水冷方案，其散热器总成包括上散热器总成和下散热器总成两部分，上下散热器水道并行，上散热器总成单独为12个IGBT散热，下散热器总成兼顾油泵IGBT和安规薄膜电容

将上散热器拆除，露出TGBT模块。

如图是功率板上用到的针座，用于与驱动板上的驱动信号端子对插，此针座与普通针座不同，它的针类似于回型针，在上面起到滤波及传输匹配的作用，回形针式设计也使得匹配针座连接时，减小由公差引起的应力。

另外针座具有防呆功能。

功率板背面

壳体水道构成下散热器总成移除功率板，可以看到下散热器与下。

蓝色框内的紫铜部分和部分下壳体水道为下散热器总成，右边的两个孔为连接上散热片总成的进出水口。

红色框内部件为部分下壳体水道

下散热器总成拆解后的单个水道的正面、反面及侧面图，根据正反面不同材料的颜色和硬度可以判断，与IGBT贴合的面为正面，材质为紫铜，与下壳体贴合的面为反面，材质为黄铜（紫铜也称为纯铜，导热系数高于黄铜，导热性能更好），黄铜与紫铜贴合面的焊接工艺也是采用摩擦搅拌焊接。

从顶层第一个图看，涂有导热硅脂的部分紫铜面（正面）上印有规则的网状，便于刷导热硅脂的同时也利于IGBT功率器件的散热。

在水道上下散热器总成的结合处和铜水道与下壳体贴合的进出水口处用到两种不同的密封圈，分别为图中1和2；1为与上散热器总成连接的水道密封圈，2为下散热器总成与水道进出口连接的密封圈。进一步提升防水效果

在铜水道与下壳体贴合处设计有绝缘导热片，固定螺丝处设计有绝缘垫片。

蓝框内为绝缘导热片的安装方式，绝缘导热片为美国ITW系列的Formex防火聚丙烯（PP）绝缘材料，给控制器做进一步绝缘。

黄色框内为电子油泵的IGBT模块和安规薄膜电容的散热区域。表面涂层为相变材料。

下壳体不仅起到支撑的作用还起到散热作用，箭头方向为水流方向（单边）红色箭头表示水流通过下壳体底层，蓝色为通过上散热器总成。

紫色框内为电机A和电机B驱动电路的母线薄膜电容散热区域，表面涂层为相变材料。

下壳体底面，首先看到的是输出总线模块，输出总线模块包括输出总线铜排和绝缘塑料件

移除输出总线模块，看到下壳体底面的全貌和电流传感器板

红色框内是进出水口，与变速箱的水冷系统连接，变速箱水冷系统如右图所示红色框图所示。

两个对称的PCB板为电机A与电机B的电流传感器板

逆变器输出总成安装方式如图，6根铜排分别是电机A和B的三相输出，通过铜排上的定位孔与黑色塑料绝缘支架的定位销组成一个模块总成，降低装配难度，黑色塑料绝缘支架根据铜排的形状与走线方式设计铜排走道，并升起隔离墙来满足铜排之间的高压绝缘与爬线距离的要求。

蓝色框内，与水道接触，对三相输出铜排进行散热。

6个铜柱连接至功率板的电机A和B的三相输出，同时穿过电流传感器板

黑色塑料绝缘支架材质为：PA66-GF15

框内灰色为相变材料，铜排热量通过其传到下壳体的水道上，同时起到绝缘的作用

红色框内为电流传感器板，使用4个螺丝固定在下壳体上；每个电流传感器板上各放有3个LEM电流传感器型号为：HC5F600-S，分别检测电机A和电机B的三相电流。

电流传感器板正面，蓝框内为连接至功率板上的针座（针座使用的是台湾实盈（SUYIN）的产品）

通过功率板的针座将电流采样信号送到控制板的DSP。

控制器最底层是母线电容模块，制造商为：AVX，型号为：FHC06-0012--D ，参数为：790uF±5%,410V，140Arms，通过铜排连接到功率板的三个正负极铜排上，再用螺丝锁紧固定，铜排中间放有高温绝缘纸作为绝缘介质。

结合通用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）进行分析。

TPIM电控控制器的主要优势：高功率密度和高可靠性。

外形尺寸为：370mm*180mm*125mm（包括伸出的连接器的长度）

持续输出功率：180KVA（电机A和电机B，不包括油泵功率）

第一代与第二代参数对比

         TPIM电控控制器第一代与第二代对比，最新一代的TPIM电控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%，总功率降低，但由于驾驶模式的优化，却得到了更好的性能。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%。根据产品详细参数表进行TPIM电控控制器第一代VOLT-1和第二代VOLT-2间的性能对比。体积由13.1L减小到10.4L，重量由14.6kg减小到8.3kg，峰值功率从221kW优化减小到180kW。相应的功率密度提升了43%，功率体积比提升了2%。在效率方面，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%。

TPIM智能电驱系统的变速器允许在两个电机之间有效地共享牵引负载，这种负载共享使电机B的峰值扭矩要求从第一代TPIM所需的水平上降低了，这样的减少可以使TPIM的峰值电流相应减少。降低每个逆变器的峰值电流，优化结构工艺，提高功率密度，减小控制器的体积。

TPIM变速器的内部位置简化了电力驱动系统的机械集成，使其对大批量生产的难度大大降低。

电机A和电机B三相线的输出设计，将铜排替代第一代的铜线连接，节省了成本和空间，并且装配更简单。

第二代TPIM智能电驱系统功率驱动的设计主要是为了满足效率、性能和耐用性要求。硅技术在开关损耗和传导损耗参数之间的权衡，硅的尺寸和厚度，热阻抗，感性负载和PWM开关技术都是经过精心设计的，以达到一个最优化的功率模块设计。

如爆炸视图(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。

如图中b所示，创新的功率器件安装工艺，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PCB上。

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)。使用顶部焊接内部互连技术（topside solderable interconnects technology）彻底替代了传统的键合（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上下散热器总成相连，形成三明治双面水冷结构。

德尔福使用了创新的三明治双面水冷结构，从而提高了功率器件的集成度和功率等级。为了能够将冷却液精确的送到功率器件的正反两面，散热器经过了精心的设计。创新的使用了MIM（金属注入模塑(Metal Injected Mold））工艺。使得金属散热片可以做成中空，流动冷却液。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。

冷却系统示意图及热仿真效果图

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。如图为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。并且还兼顾到了下层直流电容和交流输出母线接口的冷却。

功率输出接口冷却示意图和热仿真效果图

由于电机三相线输出电流大又远离水冷散热区，一直是散热设计难点之一。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兼顾到了下层直流电容和功率输出接口的冷却。图为功率输出接口冷却示意图和热仿真效果图。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，上部为直流电容和功率输出接口。如图右半部所示，功率输出接口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。

整个控制器的螺丝使用的都是如图所示的螺丝，中间靠下部分变粗，螺丝头相比螺丝本体要细一些，具体功能应该是防止震动脱落，但具体属于哪一种螺丝一直没有查到它的资料。

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。

控制板正面

控制板背面

驱动板正面

功率板背面

功率板正面