QDSJ169 特斯拉Model 3和奥迪E-tron电机控制器对比分析

NO. 169目前国外纯电动汽车的标杆企业还是特斯拉。不过，随着技术的进步、各国政府对环保的高要求以及国内外各大主机厂对新能源汽车的高投入，特斯拉的挑战者越来越多。我们也能够看到越来越多的车型对特斯拉发起冲击。对于电动汽车来讲，国内外企业竞争的主要赛道有续航、动力性、智能以及自动驾驶。而对于消费者来讲，最关注的莫过于续航了。续航越给力，消费者出行焦虑越少。而电动汽车中对续航影响比较大的就有电池容量、电驱动系统、车重等。这篇文章我们简单聊聊驱动系统中的电机控制器。电机控制器是电动汽车的核心部件之一，关乎着电动汽车的动力性能，甚至能起到决定性作用。简单来讲，电机控制器将车载电池储存的直流电逆变成驱动电机工作需要的三相交流电，驱动汽车电机工作。事实上，电机控制器需要接受整车控制器的需求指令，并将其转化为驱动电机需要的电压及电流信号，驱使电机工作提供整车需求的转速及转矩。电机控制器的整体结构比较简单，包含逆变功率器件、支撑电容、驱动板、控制板、电流传感器以及连接高压系统的铜排及低压信号的线束、滤波结构等等。下面我们就简单分析特斯拉Model 3及奥迪E-tron的电机控制器。电机控制器外形Model 3及E-tron电驱动系统都是电机、控制器、减速器三合一动力总成。其结构造型如图1和图2所示。（注：本文所分析电驱动系统零部件均为后驱系统）图1 Model 3电驱动系统三合一动力总成图2 E-tron电驱动系统三合一动力总成对比两者控制器结构，可以发现就电机控制器来讲，Model 3动力总成集成度要高于E-tron。两者的相同点都是三相输出端无高压连接器，而是直接铜排引出，接入电机内与电机三相铜排连接。不同点在于Model 3电机控制器单体是缺少一块盖板的，此盖板集成在电机减速器上。而E-tron电机控制器是独立部件。图3 Model 3电机控制器图4 E-tron电机控制器电机控制器外部结构1）控制器的固定Model 3电机控制器与电机同轴。电机控制器无安装脚结构，直接固定在减速器上。控制器节省一块盖板，且本体结构更简单，模具成本及复杂度降低。E-tron电机控制器与电机轴垂直，处于竖直方向。电机控制器有安装脚结构，控制器通过安装脚固定在电机及减速器上。模具相比成本及复杂度增加。2）控制器的直流输入接口Model 3电机控制器的直流输入选择快插连接器，品牌为TE。此种方式整体成本相对较高，因为多了一个插座。但控制器内部结构相对简单，且高压直流线缆装配方便快捷，插头插座配合即可，不用锁螺钉，能有效节省总成装配时间。E-tron电机控制器的直流输入接口无连接器，预留两个圆孔，其高压直流线缆采用甩线连接器，品牌为TE。此种方式能减低成本，因为无插座。但控制器内部结构相对复杂，需要为与连接器配合的母线铜排设置固定架。并且装配高压直流线束的时候需要拆开控制器盖板，拆装的螺钉数量较多，费时费力。维修时拆线束时也有可能导致控制器内部进入不明物体。3）控制器的交流输出接口Model 3及E-tron电机控制器的交流输出接口都没有配置连接器，而是直接采用铜排引出。此种方式为目前三合一动力总成电机控制器与电机连接主流方式，减少一套三相线缆及至少一套快插连接器，有效减低成本。但这种方式对于电机及电控配合面的结构要求比较高，稍有差错会导致三合一总成IP防水防尘不达标。考验电机及电控结构工程师的工作配合度。图5 Model 3电机控制器低压接插件5）控制器的防水透气阀Model 3电机控制器无防水透气阀。E-tron电机控制器的防水透气阀位于直流输入侧，外壳材质为塑料。图6 E-tron电机控制器防水透气阀4）控制器的低压信号接口Model 3及E-tron电机控制器的低压信号接口都是采用常规设计。只是Model 3采用自制的而非采购品牌供应商的。电机控制器内部结构1）内部示意图7 Model 3电机控制器爆炸图 图8 E-tron电机控制器爆炸图1图9 E-tron电机控制器爆炸图2两款控制器的内部示意如上爆炸图示。2）功率器件Model 3电机控制器是全球首款采用SiC功率器件的控制器，其供应商为ST。总共采用24个，每相电路用8个。SiC管通过银烧结固定在散热器上，有效降低热阻，增大了散热效率。SiC管与支撑电容并非直接连接，而是通过铜排连接。此套铜排的两侧分别与电容及SiC的引脚通过激光焊接固定连接。此种连接可靠性高，但对设备要求较高。SiC管与三相输出铜排并非螺钉连接，也是通过激光焊接固定连接。SiC管与通过管子引脚（每个管子两个引脚）穿过PCBA，焊接在PCBA上。对设备及结构定位要求较高。图10 Model 3电机控制器用SiC功率器件E-tron电机控制器功率器件采用的是双面水冷模块。模块本身正反两面都有散热pin针，散热面积几乎增大一倍，散热效果优于目前通用的英飞凌单面水冷HPDriver模块。E-tron采用三个模块，每个模块分别用密封圈与散热水道密封散热，通过压板将模块固定在水道内部。每个模块需要一个密封圈，对模块与水道配合面的公差要求比较高。模块与铜排及驱动版的连接采用焊接形式，考验定位设计及工装治具的精度以及如何保证生产的一致性，工艺比较复杂。图11 E-tron电机控制器功率器件3）支撑电容Model 3电机控制器的电容本体方案更偏向于常规通用的定制方形方案。但是其内部集成有Y电容。并且电容的输入输出与铜排连接也是采用激光焊接。图12 Model 3电机控制器支撑电容E-tron电机控制器的支撑电容方式比较新颖，类似工业变频器采用的方形电容。总共采用6pcs，其输入输出与铜排的连接也是采用焊接的方式。这里应用的电容非定制的，成本要比定制的低30%-50%。并且电容包裹在功率模块散热器内部，电容也用了水冷散热。图13 E-tron电机控制器支撑电容图14 Model 3电机控制器电路板PCBAE-tron电机控制器电路板分两块，驱动板与控制板竖立，分别位于功率器件、电容及散热器组件的两侧。两块板之间的信号通过排线连接。由于功率组件宽度尺寸较大，驱动板连通控制板的排线较长，原理上评估EMC效果差。但实际效果待评估。图15 E-tron电机控制器电路板PCBA4）PCBA(驱动板&控制板)Model 3电机控制器的驱动板和控制板集成为一块PCBA。省略了驱动板与控制板之间的线束或排针连接，可靠性增加，成本降低。PCBA上器件布局比较合理，周围螺钉固定，中间与功率器件连接的部分焊接固定，最中心放电电阻部分通过导热垫片与减速器壳体压紧，既能散热，又能紧固。抗振动性能好。5）铜排Model 3电机控制器铜排采用的是类复合母排的设计，但是其厚度比复合母排薄，也未采用包塑设计。此种方式使铜排的高频寄生电感小并且利于铜排散热。正负极铜排之间用绝缘纸隔离。铜排与各器件的连接采用激光焊接，同步提高了连接可靠性及空间利用率。图16 Model 3电机控制器铜排E-tron电机控制器铜排采用组件设计，铜排与塑料绝缘层注塑成组件，保证绝缘性能下减少体积。总体来讲，铜排的复杂程度比Model 3要高，工艺过程更加复杂。但是组件化的设计更加适合自动化装配。图17 E-tron电机控制器电路板