深度揭秘丰田普锐斯电驱控制器

2023年11月23日发(作者：奔驰glk300报价多少钱)

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

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。

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

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

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。

丰田在设计THSIII电驱控制器时，进一步提升了如上散热概念的

↑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

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

说回到THS IV电驱控制器，丰田也加入了IGBT双面水冷的潮流。

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

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。