詳細的豐田bZ4x電機逆變器設計解讀

逆變器的規(guī)格和結構 ? ? ? ?

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

1、四輪驅動的逆變器冷卻系統(tǒng)的配置

四輪驅動的逆變器冷卻系統(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。通過預測系統(tǒng)輸出的前逆變器熱損失，來解決了這一問題。水泵驅動負荷根據(jù)系統(tǒng)輸出的預測排氣熱損失而變化，使水泵驅動功率損失減少了29%。

2、逆變器安裝

逆變器安裝采用框架結構，其中組件固定在框架上，并集成到電驅中。為此進行系列優(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%。這主要歸功于：采用新的功率半導體；通過改進逆變器控制，降低了電容器的電容；采用了無芯電流傳感器。

4、逆變器結構

逆變器的結構如圖如下所示。

新開發(fā)的功率半導體降低了能量損失，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體的溫升，并允許在前逆變器中放置兩個并聯(lián)功率半導體，而不是在之前的方案中放置三個并聯(lián)功率半導體。

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）。

動力模塊采用了與前一型號相同的雙面冷卻結構。通過這種結構，可以通過增加或減少功率堆棧中的層數(shù)來實現(xiàn)不同的系統(tǒng)輸出變化。

通過改變層數(shù)，實現(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 ? ? ? ?

1、電源模塊（Si）

新型號的電源卡的特點是一個新開發(fā)的功率半導體，集成了一個IGBT和一個FWD（稱之為“RC-IGBT”）。

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

通過監(jiān)測所有設備的溫度和提高溫度上限，提高了單個電源卡可以處理的輸出。與之前的六個設備中只有一個配備了溫度監(jiān)測器的型號相比，新的型號通過為所有六個設備配備了溫度監(jiān)測器，減少了需要考慮的設備溫度保護的溫度變化。

熱保護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，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。這些新技術的結合已經貢獻了增加了47.3%的功率輸出，可以由一個電源卡處理，并縮小了功率模塊。

2、電源模塊（SiC）

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

3、電機控制（SiC）

四輪驅動車輛中高壓系統(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ESU等高壓設備有負面影響。

雖然這一問題可以通過增加逆變器電容的電容來解決，但它可以通過改進逆變器開關控制來解決。

更具體地說，調整了開關脈沖模式，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，其電容實際上比之前的模型降低了37%。

4、控制ECU

CB（控制板）根據(jù)來自主機ECU的車輛驅動力請求和來自逆變器內部各種傳感器的運行條件來計算控制命令，而驅動電源模塊的GDB（門驅動板）由一個單個板組成。

傳統(tǒng)的ECU由兩臺微機組成，但通過提高微機的處理能力和用監(jiān)測IC取代微機的相互監(jiān)控，一個單一的微機配置已經成為可能，有助于小型化。

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

前面描述的碳化硅驅動器功率也是僅通過修改GDB部分來設計的。從而實現(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。

通過采用無芯傳感器，電流檢測系統(tǒng)的體積減少了67%。由于無芯結構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?shù)木取?/p>

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

6、電容器模塊

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

新的電容器模塊通過改進母線的布置和結構，擴大了正(P)和負(N)極母線的并聯(lián)長度。結果，ESL降低了50%。此外，采用更薄的，新開發(fā)的聚丙烯薄膜，使進一步縮小和集成到一個單一的模塊結構。

7、冷卻器

冷卻器的功能是冷卻來自兩側的功率半導體。以前和新型冷卻器的內翅片結構如下圖所示。

在之前的模型中，冷卻劑的流動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構，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，這種劃分效應將冷卻性能提高了25%。

審核編輯：黃飛

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