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通用的新能源电动车在国内销售的很少，路上很难见到，下面我们来分析一下通用别克新能源电动车的电控系统。
至于混合动力汽车，现在主流的有：以丰田普锐斯为代表的丰田轻度混合动力系列，也是全球最畅销的混合动力汽车，包括普锐斯、卡罗拉等；以比亚迪为代表的插电式混合动力，包括秦、唐、宋和第一代F3DM。最近国家政策的出台，又把增程式混合动力汽车推向了大众，我们比较熟悉的车型有宝马的i3，还有不太为人熟知的通用别克沃兰达，以及汽车之家李想最近做的号称续航里程可达1000公里的“理想制造ONE”。我们主要来了解一下通用别克沃兰达的电控。
通用的新能源电动车在国内基本见不到，但是通用在电动车的研发上可以说是有着血淋淋的历史，通用在新能源车上也是硬核玩家，通用为世界贡献了世界上第一辆量产的纯电动车——通用EV1，如上图所示。这也是一辆非常酷的车，外观就算放到现在来看也丝毫不过时。虽然我们对它了解不多，但是开发EV1的团队为电动车的发展做出了巨大的贡献，就连特斯拉也离不开这支团队的影子。
通用汽车在2007年底特律车展上推出了沃兰达，并于2010年投入量产。如今，这套智能电驱系统搭载在沃兰达、Bolt、君越H30、VELITE5等车型上。
图 1 通用 EV1
图2 沃兰达
图3 君越H30
图4 VELITE5
这套智能电驱系统被称为“别克蓝”智能电驱系统，目前已经发展到两代，第一代系统的详细介绍可以参考通用汽车发表的论文《Voltec 4ET50 电驱系统》；第二代系统的详细介绍可以参考通用汽车发表的论文《用于第二代雪佛兰 Volt 增程式电动车的功率密集且稳健的牵引功率逆变器》。
“别克蓝”智能电驱动系统是一套高度集成的双电机驱动系统，该系统重量仅为125公斤，集成了TPIM（牵引功率逆变模块）电驱动控制器、两台电机、油泵、电磁阀控制单元、两组行星齿轮及差速器等零部件。
智能电驱系统的双电机、双行星齿轮设计相比其他技术自由度更高，两台电机可同时参与驱动，也可单独发电。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，转速范围更广，动力输出更充沛，巧妙绕开了丰田的专利。
图5 第一代“别克蓝”智能电驱系统
图6 第二代“别克蓝”智能电驱系统
通过上面的图片我们很容易就能找到第一代的电控部分，但是第二代的电控部分我们可能就找不到了，下面我们通过一张爆炸图来看看它的真实样貌。
图7 第二代“别克蓝”智能电驱系统爆炸图
图8 第二代“别克蓝”智能电驱系统真面目
图9 电驱动控制器单体图
图10 第一代与第二代电驱动控制器参数对比
图1 “别克蓝”全家福
TPIM电驱动控制器是德尔福为通用汽车开发的高功率密度、高可靠性的电机控制器，目前已升级至第二代。
第二代产品将TPIM电驱动模块集成到变速箱内，相比第一代产品（左），第二代产品（右）不仅体积明显减小，重量也更轻，整个驱动单元及控制器重量仅为125kg，省去了电机驱动的高压交流线束，在降低成本的同时提升了可靠性。
图2 第一代和第二代系统
TPIM电驱动控制器由三个独立的逆变器模块（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。三组逆变器负责控制电机，变速箱控制器负责换挡和扭矩请求，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电子控制器的整合，将电池的直流电（Direct Current）转换为电机所需的交流电（Alternate Current）的工作可以在箱体内部完成，直接避免在发动机舱内布置高压线，大大提高耐用性与安全性能。
TPIM电驱动控制器不仅控制电机驱动，还兼作混合动力控制器，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，其控制算法实现同步无缝切换，确保驾驶舒适性和优异的燃油经济性。
图3 第一代与第二代详细参数对比
TPIM电驱动控制器各部件解析
图4 TPIM电驱动控制器爆炸图及剖面图
根据TPIM电子控制器的爆炸图和剖面图，分析了其各组成模块的安装方式及功能，主要由电源板、直流母线电容、EMI滤波器、控制及门极驱动板、传感器及输出母线等组成。
从上到下，各部件模块依次为：1.上盖、2.直流母线盖、3.控制板、4.高压直流母线连接器、5.软连接件、6.上壳体、7.门极驱动板、8.支架、9.上散热器组件、10.功率板、11.密封圈、12.下散热器组件、13.绝缘导热片、14.下壳体、15.电流传感器板、16.逆变器输出组件、17.母线电容。
所有12个功率开关（驱动电机A和B的硅基IGBT和二极管）都安装在专门设计的双面焊接印刷电路板PCB上，并与两侧的散热器组件相连（图中元件9、10和12）。
接下来我们从上至下分别进行分析。
图 5 以下部分
1. 接口分析
两个高压直流端子是箱体上唯一的高压线连接端口，分别与高压直流母线的正极和负极相连。由于电驱动模块TPIM控制器同时控制两台驱动动力电机和高压电子油泵电机，因此右侧的六个大电流端子分别与两台动力电机的三相交流端子相连。并预留一个三相高压线束连接器用于连接油泵电机。
红框内的蓝色多PIN连接器用于连接各种传感器线束，控制动力电机的转速、扭矩以及油泵的流量、油压。
图1 接口分析
2.上盖及控制面板
由于整个TPIM电子控制器集成在变速箱内，无需防水、防尘，所以不考虑整个TPIM电子控制器的IP等级，上盖也比较简单，上盖的螺孔内预埋有弹簧垫圈，增强上盖的受力能力。
上盖扣在控制面板上，拆掉上盖后，就能看到控制面板的真容，控制面板安装在上壳上。
图2 上盖和控制面板
3.控制板、软连接件及上壳
控制板上部分芯片的散热方式是在反面的底层PCB上涂抹相变材料，并在芯片焊盘周围钻孔，安装时相变材料与上壳预留的凸台紧密贴合，达到散热效果。
拆掉控制板，可以看到上壳，上壳内还包含高压直流母线盖，主要作用是支撑控制板，为控制板上元器件散热。红色部分涂有相变材料，将热量传导给控制板上元器件。上壳上下表面均有加强筋，增加壳体强度。
注意上壳的凸台不直接与控制板接触，凸台与控制板之间有几毫米的距离。
柔性连接器用于控制板、驱动板、电源板之间信号传输，采用华银电路板三层硬软结合板，端子品牌为台湾SUYIN。
图3 控制板、柔性连接器及上壳体
4.高压直流盖板及高压直流母线接口
高压母线盖的作用：1、固定高压直流母线接口。2、隔离高低压。
高压母线接口：母线采用叠层母线设计，具有电感阻抗小、抗干扰能力强、可靠性高的特点，另外母线负极铜柱加绝缘处理，增加正负极绝缘距离。高压直流母线接口做成模块，更利于装配，减小体积。接口主要分为五个部分：1：负极，2：正极，3：EMI磁环（抑制共模及高频干扰），4：绝缘垫，5：绝缘塑料壳。
高压直流母线电气连接方法：高压电通过右侧两根预埋在铜排中的铜柱1、2送至下方电源板正负极，通过顶部螺丝锁紧至下方直流电容模块正负极，实现高压母线的电气连接。
图4 高压元件安装方法
5.上散热器组件、支撑架及门极驱动板
拆掉上壳后，可以看到门极驱动板。门极驱动板的机械设计包括：6个支撑弹簧，支撑上壳；2个支撑爪，从IGBT正负铜排延伸出来，用于固定支撑驱动板；11个固定螺钉，分布在板子周围，用于固定。弹簧、支撑爪和螺钉的组合将上壳与驱动板连接固定，确保板子能承受足够的抗震能力。
驱动板背面，可以看到柔性连接线和控制板端子，白色端子为驱动信号连接端子，与电源板连接，白色端子有防呆功能设计。
拆下门驱动板支撑架。支撑架包括上壳支撑架和门驱动板支撑架。电源板与门驱动板之间有多个支撑架起支撑作用。塑料支撑架材料为PBT GF30玻纤增强30%，具有尺寸稳定、高刚性、高强度、抗冲击、抗蠕变、耐热老化等性能。注：图5中两个黑色部分为门驱动板支撑架的独立图。
拆掉支撑架，得到上散热器组件。TPIM电控器的IGBT水冷系统采用其独创的三明治双面水冷方案，散热器组件由上散热器组件和下散热器组件两部分组成，上下散热器水道平行，上散热器组件独立为12个IGBT散热，下散热器组件兼顾油泵IGBT和安全薄膜电容。
上散热器组件由黄铜和紫铜制成，是TPIM电控系统IGBT水冷系统的水道部分，左右水道通过弧形铜管连接，图中红圈部分为采用FSW（搅拌摩擦焊）工艺焊接在一起的铜管与水道。
水道的进出水口与最底层的散热片水道相连，本次焊接也是采用搅拌摩擦焊工艺，将铜管与水道焊接在一起。
12个IGBT与上部散热器紧密贴合，IGBT上涂有导热硅脂，增强散热效果。
图5 零件从左到右排列
6. 电源板
电源板上有软连接件、电机A三相桥输出、电机B三相桥输出、驱动板插接端子。软连接件连接上方控制板与电源板；1.2.3为桥臂三相输出，通过下方逆变输出组件铜排与电机A连接；4.5.6为桥臂三相输出，通过下方逆变输出组件铜排与电机B连接；白色端子为电源板和驱动板插接端子，用于与驱动板上的驱动信号端子插接。此插针座与普通插针座不同，它的插针类似纸针，起滤波、传输匹配作用，纸针设计也减少了匹配插针座连接时因公差而产生的应力，另外插针座还有防傻功能。
图6 电源板正面和背面
电源板背面：黄色框内展示的是高压电子油泵电机驱动电路IGBT与薄膜电容表面涂有相变材料，将热量传导至下壳，通过水冷系统将热量带走；3PIN黑色连接线连接高压电子油泵；红色框内展示的是12颗IGBT背面，与下散热器紧密贴合，IGBT上涂有导热硅脂，增强散热效果；两个紫色框内为电流传感器板针脚的主板。
7.下散热器组件、密封圈及绝缘导热片
拆下电源板，可以看到下散热器和下壳水道组成了下散热器组件。蓝色框内的铜片和下壳水道部分为下散热器组件，右边两个孔为连接上散热器组件的进水口和出水口，红色框内为下壳水道部分。
下散热器组件拆开后的单水道正反面侧视图。根据正反面不同材质的颜色、硬度可以判断贴合IGBT的面为正面，材质为铜，贴合下壳的面为背面，材质为黄铜（铜也叫纯铜，导热系数比黄铜高，导热性能更好）。黄铜与铜表面的焊接工艺也是采用搅拌摩擦焊。从最上层第一张图看，涂有导热硅脂的铜表面（正面）印有规则的网格，方便涂导热硅脂，也利于IGBT功率器件散热。
铜水道与下壳贴合处的水道上、下散热器组件及进出水口连接处采用两种不同的密封圈，图中分别为1、2；1为连接上散热器组件的水道密封圈，2为连接下散热器组件与水道进出水口的密封圈，进一步提高了防水效果。
铜水道与下壳连接处设计有绝缘导热片，固定螺丝处设计有绝缘垫片，绝缘导热片采用美国ITW系列Formex防火聚丙烯（PP）绝缘材料，进一步对控制器起到绝缘作用，绝缘垫片上设计有三个定位孔，其中一个起到防呆作用。
图7 下散热器组件、密封圈及绝缘导热片组合
8.下壳体及逆变器输出组件
电子油泵IGBT模块、安全薄膜电容散热区域。表面涂层为相变材料。下壳既起支撑作用又起散热作用，箭头方向为水流方向（单面），红色箭头表示水流经下壳底部，蓝色箭头表示水流经上部散热器组件。紫色框为电机A、电机B驱动电路母线薄膜电容散热区域，表面涂层为相变材料。
拆掉输出总线模块，可以看到下壳底部全貌以及电流传感器板。红色方框为进出水口，与变速箱水冷系统相连。变速箱水冷系统如右侧红色方框所示。两块对称的PCB板分别是电机A和电机B的电流传感器板。
拆下下壳即可看到变频器输出组件。变频器输出组件的安装方法如图所示，六根铜排分别为电机A、B三相输出，铜排上的定位孔与黑色塑料绝缘支架的定位销组成模块组装，降低组装难度。黑色塑料绝缘支架根据铜排形状及走线设计铜排走线槽，并加高隔离墙，满足铜排间高压绝缘及爬电距离要求。
逆变器输出组件背面，六根铜柱连接功率板电机A、B三相输出，并穿过电流传感器板；黑色塑料绝缘支架，材质为PA66-GF15；框架里面的灰色为相变材料，通过相变材料将铜排的热量传导至下壳水道，同时起到绝缘体的作用。
图 8 下壳体和逆变器输出组件
9. 电流传感器及母线电容器
红色框内为电流传感器板，用4颗螺钉固定在下壳体上；每个电流传感器板上有3个LEM电流传感器，型号：HC5F600-S，分别检测电机A、电机B的三相电流。电流传感器板正面，蓝色框内为与电源板连接的插针插座（插针插座采用台湾SUYIN的产品），通过电源板的插针插座将电流采样信号发送给控制板的DSP。
控制器最底层为母线电容模块，AVX公司生产，型号：FHC06-0012-D，参数：790uF±5%，410V，140Arms，通过铜排与电源板正负三根铜排相连，然后用螺丝固定。铜排中间放置高温绝缘纸作为绝缘介质。
图 9 电流传感器和母线电容器
技术优势
本文结合通用汽车和德尔福联合发表的SAE论文《用于第二代雪佛兰Volt EV的Power Dense and Robust Traction Power Inverter》进行分析。
TPIM电子控制器的主要优点：高功率密度、高可靠性。
外形尺寸为：370mm*180mm*125mm（含延长接头的长度）。
持续输出功率：180KVA（电机A和电机B，不包括油泵功率）。
对比第一代和第二代TPIM电子控制器，第二代TPIM电子控制器对其峰值同步交流输出功率进行了优化降低，具体为电机A峰值电流提升48%，电机B峰值电流降低24%，总功率有所下降，但由于优化了驱动方式，获得了更佳的表现，整体纯电续航里程提升30%，CS标准（Charge Sustaining）油耗提升10%以上。
根据详细产品参数表，对第一代与第二代TPIM电控控制器进行性能对比，体积由13.1L减小至10.4L，重量由14.6kg减小至8.3kg，峰值功率由221kW优化至180kW，对应功率密度提升43%，功率体积比提升2%。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标准油耗提升11%。
系统分析
TPIM智能电驱动系统的传动使得牵引负荷在两台电机之间得到有效分担，这种负荷分担使得B电机的峰值转矩要求较第一代TPIM有所降低，从而可以相应降低TPIM的峰值电流，降低每台逆变器的峰值电流，优化结构工艺，提高功率密度，减小控制器体积。
TPIM变速器的内部位置简化了电驱动系统的机械集成，使其更易于大规模生产。
电机A、电机B三相线的输出设计，以铜排取代第一代的铜线连接，节省成本和空间，组装也更加简单。
第二代TPIM智能电驱动系统功率驱动的设计主要是为了满足效率、性能和耐久性的要求，精心设计了硅片技术的开关损耗和导通损耗参数、硅片的尺寸和厚度、热阻抗、感性负载以及PWM开关技术之间的权衡，实现了最优化的功率模块设计。
如爆炸图（a）、（b）所示，左侧橙色高压连接器对应的两个高压直流端子成为箱体上唯一的高压电缆连接口，分别与高压直流母线正极、负极连接。电驱动控制器采用标准螺栓固定在箱体上，方便电驱动控制器的装配。
从图（c）中我们可以看到，电驱动模块TPIM控制器的液冷管路被巧妙的布置在整个模块的正下方，就像家里的厨卫空间一样，干湿分离，整个电驱动模块TPIM控制器所在的空间就是干区，液冷管路通过密封垫片将控制器与整车的冷却系统连接起来。
由于电驱动模块TPIM控制器同时控制两台驱动动力电机和一台高压电子油泵电机，如图（d）所示，右侧的六个大电流端子分别与两台动力电机的三相交流端子相连，交流端子通过密封接口进入浸泡在变速箱油中的变速箱体湿润区，与动力电机相连。
图1 爆炸图
设计分析
1. 功率器件分析
IGBT与Die Diode安装在两层电气隔离但热耦合的陶瓷铝基板之间，下层为基底基板铝基板（Base Substrate DBC AIN），上层为盖帽基板铝基板（Cap Substrate DBC AIN）。
顶部可焊互连技术的使用彻底取代了传统的引线键合技术，突破了原有的功率限制。
功率开关管的集电极、发射极、栅极从两侧与PCB连接，上下陶瓷基板与正反面集成水冷管的上下散热器组件连接，形成三明治双面水冷结构。
如图2、图b所示，创新的功率器件贴装工艺，使硅基IGBT和二极管能够集成在面积紧凑、高度超薄的陶瓷铝基板上，并焊接在双面PCB上。
图2 功率器件与散热器
2.散热器设计
德尔福采用创新的三明治双面水冷结构，提升功率器件的集成度和功率水平。为了将冷却液精准输送到功率器件的正反面，散热器经过精心设计，创新性地采用了MIM（Metal Injected Molding）技术，金属散热片可以做成镂空状，冷却液可以流动。下图为散热系统示意图及热仿真效果图，（a）为采用MIM技术的散热片细节图，（b）为散热片热仿真效果图，（c）为散热系统整体示意图，（d）为散热系统整体热仿真效果图。
图3 冷却系统示意图及热模拟效果图
3.搅拌摩擦焊加工技术
为了完成上面提到的双面水冷系统，下层的两根冷却管需要通过下盖铝铸件内部的散热通道进行连接，散热通道是通过最新的FSW（搅拌摩擦焊）工艺在铝铸件上加工而成。
图中为下壳内部冷却水道FSW加工工艺，类似3D打印，经过下图4个步骤，将下壳底部的水道缝隙加工成半封闭水道，同时兼顾下壳直流电容及交流输出母线接口的散热。
图4：案例处理技术
4.电源输出接口散热设计
由于电机三相线输出电流较大，且距离水冷区域较远，一直是散热设计的难点之一。德尔福创新性地利用下壳内部散热水道形成的传热界面，兼顾下壳直流电容及电源输出接口的冷却。
图中为电源输出接口散热示意图及热仿真效果图。图中左半部分红色部分为传热接口，下部为FSW工艺加工的集成内部水道的下壳，上部为直流电容及电源输出接口。如右半部分所示，与传热接口连接的电源输出接口中间部分温度最低，与电机连接的右侧温度最高。
图5 电源输出接口散热示意图及热模拟效果图
控制面板
别克蓝智能电驱系统采用了三颗飞思卡尔SPC5674FMVR3ON31E芯片作为主控芯片，旋转变压器解码芯片采用了ADI公司的AD2S1205。正面的元器件如下：
1.变压器（28277230），TDK；
2.DRA125 22uH 35PH16C，伊顿；
3.DRA125 1.5uH 23CH16C，伊顿；
4.DRA125 100uH 46CH16C，伊顿；
5.B82793S513N 6434，爱普科斯；
6.NCV4276B，开启；
7.H33 7256，ON；
8.FDD6LAO，费尔柴尔德；
9.LM2902KAQ，意法半导体；
10.AD2S1205，阿迪公司；
11、P6BARTETG4，德州仪器；
12.MBRB1045G，开启；
13.H33 2976，ON；
14.IPG20N06S2L-35A，英飞凌；
15，2901，ON；
16.74HC54，恩智浦；
17、28452585/6AZYV14；
18，LM2903，ST；
19.74HC132，恩智浦；
20，LM2904，意法半导体；
21、74HC08D；
22.LM6134BM；
23，NFADH16G，ON；
24.SPC5674FMVR3ON31E。
图 1 控制面板正面
背面组件：1-13：
1. DALE WSR-2 0.01R 1%、VISHAY；
2.74HC4050D，恩智浦；
3.74HC11D，恩智浦；
4.74HC541，恩智浦；
5.74HC10D，恩智浦；
6.74HC08D，恩智浦；
7.BG2AD/27315；
8.LM2903V，意法半导体；
9、15P04；
10.74HC240，恩智浦；
11.74HC541，恩智浦；
12、74HCT125，恩智浦；
13.持针器 26466，SUYIN。
图 2 控制面板背面
驱动板
驱动板正面组件1-8：
1.变压器（28395752），TDK，顶层带屏蔽；
2.74HC4050D，恩智浦；
3. 2903，ST；
4.FAN7080B（600V，Io+/-=300/600mA），飞兆半导体；
5.BSP318S（60V，2.6A），西门子；
6.NSS60600（60V，6A），开启；
7.NSS60601（60V，6A），开启；
8.1ED020I12FTA（1200V，2A），英飞凌。
图3 驱动板正面图
驱动板背面原装部件1-5：
1、ADuM1401WTRWZ，ADI，数字隔离器10M数据速率；
2、FGD3N60LSD，飞兆半导体，IGBT 600V 3A；
3、AUIRS2332J，IR，三合一桥臂驱动芯片；
4、DALE WSR-2 0.01R 1%、VISHAY、高精度电阻；
5.BUK9217-75B，NXP，MOSFET 75V 64A。
图4 驱动板背面
电源板
1.FS50R07W1E3_B11A（650V，50A），英飞凌；
2.ACS758LCB-050B（50A），Allegro；
3.R75 MKP（0.33uF，250V），Arcotronics；
4.素银持针器；
5、IGBT内部集成的陶瓷铝基板表面。
