拆解奧迪e-tron逆變器：一個(gè)德國(guó)車居然用上了日本的模塊

本文深入拆解了奧迪e-tron電動(dòng)汽車上的逆變器，揭示了其獨(dú)特的日本制造背景及精湛的設(shè)計(jì)工藝。文章通過詳細(xì)分析逆變器的外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)，展現(xiàn)了其高效、精密的技術(shù)特色，為電動(dòng)汽車逆變器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了寶貴的參考。

前幾天，汽車開發(fā)圈發(fā)了一篇逆變器的拆解，大家對(duì)于這篇文章的反響不錯(cuò)，為大家啟發(fā)了很多新思路。

今天，我們就來拆解奧迪發(fā)布的電動(dòng)汽車e-tron上的逆變器。非常有趣的是，這款德國(guó)車沒有用德國(guó)的產(chǎn)品。照理來說，一輛德國(guó)車應(yīng)該會(huì)優(yōu)先使用德國(guó)的產(chǎn)品吧，然而這輛車居然購(gòu)買的是——日本Hitach！??！

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汽車開發(fā)圈｜出品

整體外觀和尺寸

從逆變器的外觀來看，整體體積并不是很大。

在其背部，可以看到輸出端子U、V、W。

從上面的整體展示可以看出，整個(gè)逆變器有一個(gè)突出的部分，它是直流輸入端子，電纜會(huì)從這里插入，在其上刻有文字，以區(qū)分正極輸入和負(fù)極輸入。

輸入端子的另一側(cè)結(jié)構(gòu)看起來是相同的，不過沒有留有漏洞。

在逆變器的標(biāo)簽上，詳細(xì)記錄了逆變器的參數(shù)和制造細(xì)節(jié)，從中我們可以看到：生產(chǎn)商為日立汽車系統(tǒng)公司，同時(shí)寫著“Made in Japan”，是日立為奧迪電動(dòng)汽車制造的逆變器。型號(hào)為KYS 41 X 51 S 001，工作制為S9，相量為3，持續(xù)工作電流為210A，短時(shí)工作電流為480A，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67。

拆開蓋子一睹芳容

拆開蓋子，整蓋由鋁制成。在蓋子的背面，樹脂絕緣片貼附其上，主要為了隔熱。

打開蓋子時(shí)，可以看到銅母線，這些母線連接到直流輸入。

我們來看母線，它與樹脂層壓在一起。在內(nèi)部設(shè)計(jì)中，兩個(gè)母線并排布置，形成疊層母線排結(jié)構(gòu)。這種配置的優(yōu)勢(shì)在于可以最大限度地下降母線的電感值，優(yōu)化電流傳輸效率。此外，還有一根銅母線負(fù)責(zé)直流輸入，直接連接至輸入端。原本母線上應(yīng)配置電流傳感器以監(jiān)測(cè)電流，但在該設(shè)計(jì)中該傳感器被省略。該母線最終連接至電池的負(fù)極端子，由于電池負(fù)極端子的電位穩(wěn)定，因此電流傳感器通常應(yīng)安裝在此位置，以便準(zhǔn)確監(jiān)控電流流動(dòng)。

拆下母線。母線下方有兩個(gè)薄膜電容器，一個(gè)較大，一個(gè)較小。小型薄膜電容器由Nichicon（尼基康）制造，而較大的薄膜電容器同樣由Nichicon生產(chǎn)，并涂有硅脂以增強(qiáng)散熱性能。

放大看一下薄膜電容器的細(xì)節(jié)。

從可見的銅母線排來看，如果電路分析沒錯(cuò)，這根母線連接至電池的正極端子。一根電線穿過母線，用于傳輸來自電流傳感器的信號(hào)。

接著，繼續(xù)拆。該逆變器的主要組件可以作為一個(gè)整體進(jìn)行分離。在主要部件的最下面，包含一個(gè)柔性電路（FPC），柔性電路與輸入端相連，車輛的其他單元會(huì)發(fā)送信號(hào)來控制該逆變器，這些信號(hào)通過該電路傳輸。

這個(gè)柔性電路（FPC）旁邊是高電流的逆變器部分，信號(hào)部分位于另一側(cè)。在柔性電路的背面，采用網(wǎng)格化的圖案來控制特性阻抗。通過調(diào)整網(wǎng)孔的松緊度，可以精確控制特性阻抗?？刂谱杩沟某Ｒ姺椒ㄊ峭ㄟ^改變信號(hào)軌跡的寬度，而在這個(gè)電路設(shè)計(jì)中，則使用網(wǎng)格化的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一控制。

之所以做成這種網(wǎng)格形式，也許是因?yàn)樗粡澢嚎s到一個(gè)狹小的空間，同時(shí)還必須承受汽車的振動(dòng)，做成網(wǎng)格明顯可以加強(qiáng)其承受力。

IGBT控制板和柵極驅(qū)動(dòng)器

逆變器在左右側(cè)設(shè)質(zhì)兩塊板子，一側(cè)是控制板，一側(cè)是柵極驅(qū)動(dòng)板。兩塊板子之間，通過通信線相連接。

下圖是控制板的主要部分，使用了兩個(gè)IC：Infineon（英飛凌）微控制器和Altera FPGA。推測(cè)控制操作主要由Infineon微控制器執(zhí)行，而輔助操作則由FPGA處理。這里還有HITACHI的標(biāo)志，設(shè)計(jì)非常優(yōu)雅。

Infineon在汽車功率半導(dǎo)體方面的表現(xiàn)非常出色，同時(shí)他們用于汽車系統(tǒng)的微控制器也具有極高的質(zhì)量。

微控制器和FPGA旁邊有一個(gè)IC，這是NXP（恩智浦）制造的電源管理IC。如果仔細(xì)觀察該IC周圍，可以看到一個(gè)電解電容器、幾個(gè)電感器和多層陶瓷電容器。因此，可以大概推測(cè)，這個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)電源管理。

逆變器的冷卻水從上面流入，從下方流出。控制器的對(duì)于熱量的耐受能力非常脆弱，所以會(huì)先流經(jīng)控制板的部位。

具體控制板怎么散熱？如果將控制板取下，它的結(jié)構(gòu)大概如下。這款日立逆變器采用了特殊的冷卻水流道設(shè)計(jì)，冷卻水從一個(gè)入口進(jìn)入，再?gòu)牧硪粋€(gè)出口流出。由于微控制器的耐熱性較差，因此冷卻水首先流經(jīng)這一關(guān)鍵區(qū)域。為了提高散熱效果，控制板背面附有導(dǎo)熱片，并配有相應(yīng)的散熱凸起。通過安裝板的結(jié)構(gòu)，熱量得以有效釋放。

在微控制器和電源模塊的背面，都安裝了導(dǎo)熱片，用于增強(qiáng)散熱性能。此外，電源控制部分背面也附有一片導(dǎo)熱片，進(jìn)一步優(yōu)化熱管理。

冷卻水流經(jīng)的路徑設(shè)計(jì)中，包含了兩個(gè)凸起結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)背面有凹痕，這樣可以增大接觸面，提升散熱效果。另一個(gè)凸起則沒有凹痕。具備凹痕的凸起對(duì)應(yīng)的是導(dǎo)熱片所在的位置，這樣可以確保容易發(fā)熱的電源模塊得到密集的冷卻，從而避免過熱。

整體來看，設(shè)計(jì)理念是在關(guān)鍵熱源位置通過精密的冷卻系統(tǒng)和導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，確保逆變器在高負(fù)荷工作下依然可以保持穩(wěn)定的溫度。這是該設(shè)計(jì)的核心理念。

讓我們來看一下柵極驅(qū)動(dòng)板的另一側(cè)。該板上共使用了6個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器IC，這些IC是ROHM公司生產(chǎn)的BM6101型號(hào)，內(nèi)置了隔離器。ROHM近年來在功率半導(dǎo)體和柵極驅(qū)動(dòng)器IC領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，雖然當(dāng)時(shí)它們的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，但仍然展現(xiàn)出強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力。期待像ROHM這樣的日本生產(chǎn)商可以進(jìn)一步發(fā)展壯大。

在柵極驅(qū)動(dòng)板上，電位被升高至電池電壓，因此需要添加絕緣板來確保安全。此外，由于5伏和400伏的電流存在于同一電路板上，這一部分不可使用地面填充，這是柵極驅(qū)動(dòng)板與控制板的一個(gè)重要區(qū)別?？刂瓢鍎t采用了地面填充，并通過螺絲將地面連接到框架上。

接下來，我們拆卸柵極驅(qū)動(dòng)板，可以看到白色電流傳感器。這些傳感器用于檢測(cè)電機(jī)電流，分別對(duì)應(yīng)U、V、W三相電流。您可以將這些傳感器與母線分離，傳感器通過三層母線連接。導(dǎo)熱片也與母線連接，用于提高散熱性能。傳感器由LEM公司制造，這是一家在行業(yè)內(nèi)非常知名的公司。

現(xiàn)在，我們可以看到三個(gè)功率半導(dǎo)體模塊。您可以移除這些模塊的蓋子，揭開模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些模塊通過直流母線與功率半導(dǎo)體連接，而直流母線排在之前拆卸逆變器蓋時(shí)也曾見過。直流母線與功率半導(dǎo)體模塊最初是通過釬焊或焊接連接的，但為了便于拆卸，已被切開。其他連接也同樣被切開。移除母線后，背面沒有其他特別的結(jié)構(gòu)。

在這里，我們看到帶有導(dǎo)熱片的電容器。原本有六個(gè)電容器，但其中一個(gè)已被移除。推測(cè)這些電容器是薄膜類型，額定電壓為700VDC，容量為100μF。雖然電容器上沒有明確標(biāo)明生產(chǎn)商，但根據(jù)電容器的形狀，可能可以辨認(rèn)出其來源。您可以將電容器插入安裝位置。

接下來，我們關(guān)注功率半導(dǎo)體模塊。每個(gè)模塊都包含一個(gè)金屬部件和一個(gè)可能由塑料制成的絕緣板，此外，還包括三個(gè)2合1的功率半導(dǎo)體模塊。這種設(shè)計(jì)非常有趣。如果將模塊拉出，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們實(shí)際上像墨盒一樣，可以插入到特定位置，并且使用O形圈密封，配合水冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱。

這些功率半導(dǎo)體模塊采用雙面冷卻技術(shù)，水冷效果顯著。這種雙面冷卻的實(shí)現(xiàn)方式是最精巧的設(shè)計(jì)之一。豐田的逆變器也采用了類似的技術(shù)，使用了Denso的Power Card，盡管其設(shè)計(jì)與Hitachi的不同，Power Card上配有多個(gè)散熱片，水流通過這些鰭片以增強(qiáng)散熱效率，效果非常出色。

現(xiàn)在讓我們?cè)敿?xì)看看冷卻水的流動(dòng)路徑。首先，冷卻水流入控制板，從此開始，水流經(jīng)冷卻通道，最終流向上部。接著，水流通過多個(gè)孔進(jìn)入不同的功率半導(dǎo)體模塊，逐一冷卻每個(gè)模塊。冷卻水通過這個(gè)過程逐步降溫，直到最后模塊完全冷卻，水流從出口排出。整個(gè)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確保了功率半導(dǎo)體模塊的高效散熱。

這款逆變器的功率半導(dǎo)體模塊和冷卻模塊的集成設(shè)計(jì)非常高效，冷卻水流經(jīng)過的凹槽和模塊交替放置，可能有助于均勻分布水流，確保散熱更加均衡。推測(cè)這可能是設(shè)計(jì)的初衷，盡管并不完全確定。

總的來說，這款逆變器給人留下了深刻的印象。奧迪e-tron的逆變器由日立汽車制造，現(xiàn)隸屬于Hitachi Astemo，產(chǎn)自日本。逆變器的主要部分雖然尺寸小巧，但設(shè)計(jì)復(fù)雜且精密。每個(gè)部件都像拼圖一樣完美貼合，顯示出極高的設(shè)計(jì)工藝。