深度揭秘丰田普锐斯电驱控制器

小星之前撰文重点介绍过第一代到第四代丰田混动电驱动系统之间的具体区别及演进过程。丰田通过引入先进的电子技术，提升THS IV电驱控制器效率的同时，通过体积和重量的减少进一步降低成本。从而将该混动系统在最新的TNGA车型平台间进行大力推广。今天就随小星一起来了解一下THS IV电驱控制器所引入的新技术吧。

↑第四代丰田普锐斯混动系统架构图与混动动力总成。↑第四代丰田普锐斯混动系统架构图与混动动力总成。

1.整体电气架构

THS IV电驱动系统的整体电气架构如下。高压电池组可由不同车型决定装配锂电池组或是镍氢电池组。通过系统主继电器，高压电气母线输出至电驱控制器（又称功率电子控制单元PCU）。电驱控制器由升压转换器、对应双电机的两组电机驱动逆变器和DCDC转换单元组成。电机驱动逆变器分别驱动位于发动机输出轴变速箱总成中集成的两个动力电机。发动机以及两个动力电机的动力通过行星齿轮组成的动力分流装置进行动力分流控制。通过DCDC转换单元，将高压电池组的高压电源转换成传统的12V电源给传统用电器供电。同时也对位于发动机舱的附属12V电池进行充电。

第四代丰田普锐斯混动动力总成由位于后座下方的高压电池组和位于发动机舱的发动机、电驱控制器和对应集成双电机的变速箱所组成。

↑位于前舱的丰田普锐斯THS IV电驱控制器

2.电驱控制器

如下爆炸视图所示，THS IV电驱控制器由控制电路、高压功率模块、滤波电容、电流传感器和位于底部的DCDC转换单元组成。

↑第四代丰田普锐斯THS IV电驱控制器爆炸视图

3.高压功率模块

目前高压功率模块可谓是电驱控制器设计的重中之重。因为其承担着驱动大功率动力电机的功能。其功率之大使得对应高压功率模块中的开关器件IGBT的冷却方案成为巨大的挑战。让我们来横向对比一下相关高压功率模块中的开关器件IGBT的冷却方案。

首先来看一下丰田普锐斯THS I/II电驱控制器功率电子IGBT模组。它采用了IGBT裸片邦接到铝基板上的方案。铝基板通过焊料直接连接水冷板。该方案主要的散热途径为向下的单面水冷散热。在当时成为业界的一种设计标准。

↑丰田普锐斯THS I/II电驱控制器功率电子IGBT模组

丰田在设计THSIII电驱控制器时，进一步提升了如上散热概念的性能。通过改进工艺，减少了原来的铜合金散热片。从间接散热方案转向直接散热。虽然仍然为单面水冷方案，但进一步提升了该方案的散热性能。

↑丰田普锐斯THS I/II与THS III功率电子IGBT冷却方案比较

而随着业界越来越多的新能源车型的推出，电驱控制器需要驱动更大功率的动力电机。对应的要应对的功率也越来越大。原来的单面水冷方案逐渐无法满足散热的需求。因此业界逐渐转向双面水冷的方案。如下就能看到多种不同的双面水冷方案被不同的新能源车型采用。

如下为通用第二代Voltec电驱控制器采用的IGBT双面冷却方案。通用在设计该方案时巧妙的去除了邦接线。取而代之的是上下两个紧贴的铝基衬底。既保证了相应的电气连接，又负责进行双面散热。通过焊料的焊接，铝基衬底连接上下两组水冷散热片进行双面水冷散热。

↑通用第二代Voltec电驱控制器采用的IGBT双面冷却方案

而小星之前介绍过的凯迪拉克CT6插电混动PHEV车型，则采用了IGBT模组。该模组的两面通过机械工艺生成相应的针状金属散热鳍，即如下提到的Pin-Fin。因此不需要导热焊料的支持，即可直接将IGBT模块放入水冷水道内进行直接的双面水冷散热。优点是生产工艺简单，缺点则是IGBT模块体积会大于IGBT裸片对应的方案。

↑凯迪拉克CT6 PHEV电驱控制器采用的IGBT双面冷却方案

说回到THS IV电驱控制器，丰田也加入了IGBT双面水冷的潮流。不过使用了不同于以上的散热方案。丰田引入了全新二合一功率卡片式（Power Card）IGBT模块。每个功率卡片包含两个IGBT芯片和两个续流二极管组成的半桥。然后使用多组水冷冷却片来对如上的功率卡片式IGBT进行双面水冷。如下图所示的高压功率模块共包含7个功率卡片式IGBT模组，由8片水冷冷却片(Thermal Conductive Grease Cooling Plate)对其进行夹紧并双面水冷。由于该概念的使用，整体高压功率模块体积较之前减小了33%。同时电气损失减少了20%。

↑丰田普锐斯THSIV电驱控制器采用的IGBT双面冷却方案

7个功率卡片式IGBT模组分别对应下图所示的升压转换电路所需的一个半桥。以及每组动力电机所需的三个半桥。双电机共需六个半桥。升压转换电路的概念最早由THS II电驱控制器开始引入，用来在相对较低的电池电压下使动力电机输出更大的功率。

↑丰田普锐斯THSIV电驱控制器的升压及双电机驱动电路

4.DCDC转换单元

第四代丰田混动系统THS IV的DCDC转换单元相当紧凑。并且使用了铜条母线镶嵌变压器线圈工艺。大幅降低模块厚度，增强散热，降低重心。以满足紧贴变速箱安装的振动及散热要求。由于该新工艺的使用其体积大幅减少。减少了45%。同时重量也减少了58%。在体积重量几乎都减半的同时，通过增加输出电压范围至11V-15V，减小了8%的电气损失。

↑丰田普锐斯THSIV电驱控制器DCDC转换单元

↑采用铜条母线镶嵌变压器线圈工艺

综上所述，丰田通过引入二合一功率卡片式IGBT双面水冷方案和采用铜条母线镶嵌变压器线圈工艺的DCDC转换单元，大幅减小了THS IV电驱控制器的体积和重量。同时改进了其电气损失，从而使其效率得到很大的提升。因此其性能提升的同时，成本持续降低，从而支持该电驱动系统在丰田集团内的推广。