凱迪拉克CT6豪華轎車PHEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電子組件功能解析

◆作者/美國(guó) Amanullah Khan 編譯/江蘇 高惠民

一、概述

凱迪拉克CT6插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)專為高端汽車市場(chǎng)設(shè)計(jì)的。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括了全新的后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)變速器(EVT)，與具有火花點(diǎn)火、直接噴射和可變氣門正時(shí)技術(shù)的2.0L渦輪4缸發(fā)動(dòng)機(jī)配套。使用完全集成兩電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)變速器系統(tǒng)可在整個(gè)行駛范圍內(nèi)提供平穩(wěn)，連續(xù)的動(dòng)力。一個(gè)18.4kWh的鋰離子可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(RESS)位于后座和后備箱之間，并與車輛電動(dòng)機(jī)相連。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的牽引功率逆變器模塊(TPIM)控制變速器傳動(dòng)。CT6 PHEV系統(tǒng)的主要組件布置如圖1所示，其中還包括附件電源模塊(APM)和車載充電模塊(OBCM)。

圖1 CT6 PHEV車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件布置

二、電池組

高壓動(dòng)力電池組如圖2所示，是一種可充電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括192個(gè)棱形袋裝電池，該電池采用了與第二代雪佛蘭Volt相同的最新一代化學(xué)物質(zhì)，以一系列2對(duì)并聯(lián)和96對(duì)串聯(lián)而成電池組布置，這種布置用于后驅(qū)車輛上。在雪佛蘭Volt中，RESS占據(jù)了中控臺(tái)和后排座椅前邊緣下方的空間，但是在CT6中，RESS沒有占據(jù)從中控臺(tái)下方到后輪驅(qū)動(dòng)軸之間的空間。CT6 PHEV電池系統(tǒng)還使用了與雪佛蘭Volt相同類型的經(jīng)過驗(yàn)證的主動(dòng)熱控制系統(tǒng)。通過電池之間的液體冷卻所保持的相對(duì)較低的穩(wěn)定溫度，有助于在RESS的整個(gè)生命周期中保持相對(duì)穩(wěn)定的電氣數(shù)據(jù)范圍。表1所示為用于確定CT6 PHEV中RESS大小的一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。

圖2 CT6 PHEV可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(動(dòng)力電池)

作為高端豪華轎車，CT6 PHEV同時(shí)使用電池組和渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)最高的加速和速度水平。這被稱為“混合PHEV”操作，當(dāng)存儲(chǔ)的能量和功率需求均允許時(shí)，僅使用電池，但為了最大可能的加速而混入發(fā)動(dòng)機(jī)功率。相反，只要存儲(chǔ)的能量允許，電動(dòng)汽車(V-REV)雪佛蘭Volt在較小范圍行駛完全由其電池供電，并且只有在電池中的能量耗盡或處于極端溫度后才使用發(fā)動(dòng)機(jī)。凱迪拉克CT6是相對(duì)于其他混合動(dòng)力，尤其是雪佛蘭Volt的增程式混合動(dòng)力，其運(yùn)行模式，CT6有11種(純電動(dòng)有4種)而VoⅠt只有4種模式(純電動(dòng)只有一種)所以CT6的運(yùn)行模式組合的操作更靈活，電池能量的使用(充放電)能在更合理的范圍，電池能量和發(fā)動(dòng)機(jī)能量的利用，更加適應(yīng)車輛加速與節(jié)能的互補(bǔ)。

三、高壓直流母線

凱迪拉克CT6后輪驅(qū)動(dòng)PHEV高壓(HV)直流母線機(jī)械化配電布置如下圖3所示。它包含為電動(dòng)變速器內(nèi)兩個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)和一個(gè)電動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)供電的牽引功率逆變器模塊，空調(diào)壓縮機(jī)模塊(ACCM)，混合動(dòng)力電加熱器模塊(HEH)和一個(gè)附件電源模塊作為HV電池與12V電池之間的DC-DC轉(zhuǎn)換器，車載充電器模塊，可從市電插座為電池充電?？沙潆妰?chǔ)能系統(tǒng)，即HV電池組，使用一個(gè)被稱為電池?cái)嚅_單元(BDU)的配電盒連接所有上述HV組件，該配電盒由車輛接口控制模塊(VICM)控制。

圖3 CT6 PHEV高壓直流母線配電布置

高壓直流母線機(jī)械化配電確保系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可控性，避免任何不希望出現(xiàn)的電路振蕩或電氣共振。它還使從充電到驅(qū)動(dòng)的程序復(fù)雜性最小化，并且避免了在充電和驅(qū)動(dòng)期間APM對(duì)低壓電源充電或使用需求的影響。

四、功率逆變模塊

牽引功率逆變器模塊滿足各種設(shè)計(jì)要求目標(biāo)。電力電子設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本低、魯棒性強(qiáng)、效率高、性能優(yōu)越，即對(duì)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和安全完整性的響應(yīng)。對(duì)于電力電子設(shè)計(jì)，除了組件總成級(jí)的驗(yàn)證之外，所有電力電子部件都進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)別的驗(yàn)證測(cè)試，以證明在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與實(shí)際車輛使用中的設(shè)計(jì)穩(wěn)健性。其測(cè)試包括對(duì)高溫耐久性、熱沖擊、動(dòng)力溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊、濕度、鹽分侵蝕、終端電應(yīng)力和電磁兼容性。表2所示為TPIM的主要設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)改進(jìn)。

表2 牽引功率逆變器模塊要求和設(shè)計(jì)改進(jìn)參數(shù)

該設(shè)計(jì)逆變器A和逆變器B分別具有131kW和125kW峰值功率，并實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的23kW/L(逆變器A和逆變器B同時(shí)具有)功率密度。為滿足CT6 TPIM可靠性和魯棒性的設(shè)計(jì)目標(biāo)，將逆變器安裝到緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，是一個(gè)挑戰(zhàn)。日立汽車和通用汽車共同克服了設(shè)計(jì)工作這一挑戰(zhàn)困難。提高散熱性能并使用高效功率半導(dǎo)體減小逆變器的尺寸和增加功率輸出。通過一代代的改進(jìn)，消除了導(dǎo)熱油脂直接冷卻功率模塊的方法。日立汽車公司開發(fā)了一種直接的雙面冷卻功率模塊，將模塊浸入專用的冷卻液中的冷卻結(jié)構(gòu)，從而將散熱效率提高了約35%。TPIM設(shè)計(jì)的兩大組成部分分別是成本和尺寸，其中付出了很大的努力是針對(duì)電源模塊和大容量直流電源電容器觸點(diǎn)的焊接改進(jìn)。雙面直接的冷卻電源模塊相腳如圖4(a)和水冷無(wú)源直流大容量薄膜電容器如圖4(b)。

圖4 日立電源模塊相腳和直流大容量電容器

五、其他高壓組件

如圖5所示，其他高壓組件是附件電源模塊和車載充電器模塊連接到高壓電池，

圖5 輔助電源模塊和車載充電器模塊

如圖5(a)和5(b)所示，這兩個(gè)組件與第二代雪佛蘭Volt相同。附件電源模塊是高壓直流電源與低壓12V直流電源和車輛低壓附件之間的單向DC-DC轉(zhuǎn)換，在驅(qū)動(dòng)和充電以及系統(tǒng)熱管理過程中均可運(yùn)行。因此，對(duì)于以上類型的操作，APM必須具有足夠的耐用性。OBCM設(shè)計(jì)為2級(jí)充電器，可從220～240V交流公用電源插座中獲取電能為HV電池充電，電池充滿約5h。雖然配備有兩種規(guī)格的電源插座(中國(guó)GB或北美SAE插座)，但車輛都具有相同的交流電壓車載充電接口。這兩個(gè)組件的主要要求和設(shè)計(jì)改進(jìn)參數(shù)如表3所示。在正常條件下，從墻壁插座到HV電池端子的平均總充電效率約為87%。

表3 附件電源模塊和車載充電器模塊的要求和設(shè)計(jì)改進(jìn)參數(shù)

六、系統(tǒng)性能與效率

凱迪拉克CT6動(dòng)力電池具有良好的能量?jī)?chǔ)備和供電能力，在SOC范圍內(nèi)可以提供相對(duì)恒定的功率，以在整個(gè)正常運(yùn)行期間為發(fā)動(dòng)機(jī)提供幫助。這使車輛具有一致的性能，尤其是可持續(xù)加速行駛。圖6所示為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)最大的車輛牽引力。電動(dòng)變速器系統(tǒng)還通過CVT變速的優(yōu)勢(shì)提高了燃油效率，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。

圖6 CT6 PHEV最大牽引力

它允許在任何給定的運(yùn)行功率條件下自由地控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作，使其接近最高效的點(diǎn)。當(dāng)不需要CVT操作時(shí)，通過固定傳動(dòng)比并聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式非常靈活，也可以提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。固定齒輪傳動(dòng)比的使用，不僅消除了通過電動(dòng)-發(fā)電機(jī)從發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞來的系統(tǒng)能量損失，而且也減少了電動(dòng)機(jī)損耗。

表4總結(jié)了通用凱迪拉克CT6后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的規(guī)格和性能。電動(dòng)變速器系統(tǒng)具有出色的功率提升能力，可提供更好的0-100kW/h的起步加速時(shí)間。同時(shí)，由于高效的EVT變速器和集成良好的電池均衡系統(tǒng)，使得車輛具有更長(zhǎng)的EV行駛里程，更大的電池容量和更好的燃料消耗率。

表4 凱迪拉克CT6后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主要競(jìng)爭(zhēng)車輛規(guī)格和性能比較