馬 箭，楊洪波，王 堅(jiān)，沈澤華

(1.中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南 株洲 412000； 2.長(zhǎng)沙中車智馭新能源科技有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

TP5平臺(tái)是我司面向電動(dòng)商用車領(lǐng)域研發(fā)出的新一代(第5代)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shì)。

1 電氣電路集成設(shè)計(jì)

1.1 主電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)DC/AC逆變(將電池直流高壓轉(zhuǎn)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(fù)載使用)、DC/24VDC(將電池高電壓轉(zhuǎn)化為低壓24 V)功能集成，達(dá)到降低成本、減小體積的目的，TP5控制總成及其關(guān)聯(lián)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示?？刂瓶偝奢斎腚妷河蓜?dòng)力電池提供，其DC/AC逆變功能為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、助力轉(zhuǎn)向電機(jī)(ESP)、空壓機(jī)電機(jī)(ACM)提供三相交流高壓電，驅(qū)動(dòng)每臺(tái)電機(jī)的三相交流電由3個(gè)IGBT模塊控制(每個(gè)IGBT模塊包括上下兩個(gè)橋臂)；其高壓配電功能為電空調(diào)、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(xiǎn)，對(duì)高壓回路進(jìn)行保護(hù)；DC/24VDC的功能是將電池高電壓轉(zhuǎn)換為低壓24 V，供整車低壓蓄電池充電和其他低壓負(fù)載用電。

圖1 TP5控制總成及其關(guān)聯(lián)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

TP5控制總成直流總線上沒有安裝熔斷器，這是因?yàn)閯?dòng)力電池包里已經(jīng)設(shè)置了一個(gè)熔斷器。上述的DC/AC逆變、高壓配電和DC/24VDC三個(gè)功能模塊共用同一個(gè)主接觸器和預(yù)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(gè)直流母排上取電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)支撐電容，這種方式的電容的值和體積相比于各個(gè)DC/AC逆變模塊單獨(dú)使用一個(gè)電容(共需4個(gè)電容)的總和要小，可大幅降低電容成本。采用集成設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

1) 總體設(shè)計(jì)。集成控制器通常需要多塊印制電路板來實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制電路功能，各功能電路的劃分和集成是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)結(jié)構(gòu)布置、信號(hào)連接、功能實(shí)現(xiàn)、成本優(yōu)化等因素進(jìn)行綜合考慮。而該控制總成采用一塊印制電路板來實(shí)現(xiàn)對(duì)所有功能單元的控制，即該電路板集成了整車控制電路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)變流控制電路、發(fā)電機(jī)變流控制電路、油泵電機(jī)變流控制電路和氣泵電機(jī)變流控制電路。節(jié)省了控制總成內(nèi)部空間、降低了相應(yīng)部件的成本，實(shí)現(xiàn)了電源、MCU等公共資源共享，消除了電路板間的信號(hào)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(jiǎn)化批量制造管理?？刂齐娐房傮w設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 控制電路總體設(shè)計(jì)框圖

2) 控制電源設(shè)計(jì)。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(fù))與DC/24VDC模塊的地(低壓負(fù))未做隔離處理，是直接導(dǎo)通的，這導(dǎo)致箱體上的干擾信號(hào)直接竄入供電電源。TP5對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，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(dú)為DC/24VDC模塊配置一路控制電源地，從而使DC/24VDC模塊取電點(diǎn)與其他控制電路盡量遠(yuǎn)離，避免控制總成箱體上的干擾信號(hào)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)集成設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)TP5內(nèi)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(gòu)建其CAN網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，不僅實(shí)現(xiàn)了其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的高速可靠傳輸[4-6]，而且也降低了多個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)外的硬件設(shè)計(jì)成本。圖4為其CAN網(wǎng)絡(luò)框圖，其中CAN2的整車控制數(shù)據(jù)包含了空調(diào)、電池滅火器、胎壓、水泵等與整車相關(guān)的零部件數(shù)據(jù)。

圖4 CAN網(wǎng)絡(luò)集成框圖

4) 溫度采樣設(shè)計(jì)。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(jìn)行差分采樣，識(shí)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(hù)邏輯設(shè)計(jì)。在保護(hù)邏輯上，TP5的驅(qū)動(dòng)板設(shè)置了模塊故障停機(jī)保護(hù)，控制板設(shè)置了硬件過流停機(jī)保護(hù)。用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)的三塊驅(qū)動(dòng)板共用一個(gè)模塊故障上傳通道，但由于驅(qū)動(dòng)板輸出的模塊故障信號(hào)為集電極開路型式，且低電平表示故障，高電平表示正常，當(dāng)一塊驅(qū)動(dòng)板報(bào)出模塊故障后，盡管其他兩塊驅(qū)動(dòng)板正常，信號(hào)仍然被拉低，因此，任意一塊驅(qū)動(dòng)板模塊的故障信號(hào)都能觸發(fā)TP5模塊的故障停機(jī)保護(hù)模式。

2 總成結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)改進(jìn)

控制總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅決定了產(chǎn)品的外觀品質(zhì)，而且對(duì)產(chǎn)品的可制造性和產(chǎn)品的電、磁、熱性能也有著重要影響。結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)可以減小產(chǎn)品體積、改善部件與整車的接口。TP5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本沿用了我司前幾代電控產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)之處。

2.1 總成器件雙面布置

前幾代電控產(chǎn)品均采用器件單面布置方案，這導(dǎo)致部分器件距離散熱器較遠(yuǎn)，不能達(dá)到良好的散熱效果，另外也增加了控制器內(nèi)部拆裝的困難。TP5控制總成集成了2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制逆變器和2個(gè)輔助電機(jī)控制逆變器，這4個(gè)逆變器共用同一個(gè)支撐電容。TP5將這4個(gè)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(duì)稱分布的結(jié)構(gòu)布置方式，所有IGBT模塊直流側(cè)端子和支撐電容端子通過低感復(fù)合母排連接為一體[7-9]。該結(jié)構(gòu)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(gè)逆變器之間的電流路徑都達(dá)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(nèi)部電磁輻射干擾。

由于復(fù)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(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，通過局部填充導(dǎo)熱膠，可以使這些部件通過水冷散熱器進(jìn)行快速地傳導(dǎo)散熱，從而提升了直流側(cè)電路的載流能力，減小了直流側(cè)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(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上下雙層布置，散熱器位于中間，并將起防護(hù)作用的外殼與散熱器底板使用鋁合金鑄造技術(shù)一體化成型，起主要散熱作用的散熱器基板單獨(dú)成型，再將兩者通過攪拌摩擦焊集成為一個(gè)整體[10-12]。

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(qiáng)。傳統(tǒng)散熱器只利用了一個(gè)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(cè)正面，充分利用了散熱器的散熱能力。③ 散熱器結(jié)構(gòu)型式、加工方式選擇靈活?？筛鶕?jù)實(shí)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(qiáng)的CNC成型方式，后續(xù)優(yōu)化潛力大。

3 結(jié)束語

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