modelx 特斯拉Model 3电机控制器硬件分析与Model X前驱驱动部分硬件对比

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发布时间: 2020-12-24 08:58:03
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新能源电动汽车的拆解一直都是大家感兴趣的,网上也有各种拆解分析,但是对硬件这块的分析还是很少的,可能对我们做技术的来说,没有什么好分解的,大的框架大家都很清楚,对于汽车行业非技术人员来说,技术更加复杂,很难分析清楚,本文也是基于一些拍摄的图片简单分析,供参考,有什么不足之处还请大家多提宝贵意见,大家共同学习进步。

据一些资料显示Model3车已经进入国内,相信很快就会有一些更清楚的照片和更详细的分析报告面世,今天我结合一些资料,简单分析一下Model3电机控制器硬件的一些设计,由于本人水平有限,难免会出现一些错误,还请各位大神指正、多多指教,谢谢。

Model3电机控制器是第一款采用全SiC功率模块的电机控制器,据一些国外的土豪拆解分析,SiC功率器件采用的是ST公司的GK026,但这个SiC功率器件的参数还是未知数。

现就根据一些不太清楚的图片和一些流出来的芯片的型号分析一下Model3Inverter。

驱动控制一体板

Model3Inverter将驱动部分和控制部分设计在一块板上,这样的优点:

其一,缩短了驱动信号的走线长度,减弱驱动信号的干扰

其二,减少接插件的使用,节约成本

当时第一眼看到这块板的时候,真的是又惊喜又意外,因为我们做的一个70KW的电机控制器的项目也是用的类似方案,只是我们使用的是单管TO-247的IGBT封装,现在手里的案子也是这种构造,但使用现在市面上的单管IGBT研发控制器功率在40KW以上,也只有这一种封装更适合。

▲驱动控制一体板

DSP

控制部分的DSP采用的是TI的TMS320F28377DPTPQ,一款高性能TMS320C28x系列32位浮点双核DSP处理器,最高频率200MHz,具体的参数TI官网上有相应资料,感兴趣的可以自行去下载。

下图为DSP的功能框图。

▲TMS320F28377DPTPQ功能框图

DSP供电电源

DSP供电电源采用的是英飞凌的DCDC芯片TLF35584,它是一款多输出系统电源,适用于安全相关应用,通过在宽输入电压范围内高效灵活的前/后稳压器概念为DSP提供3.3V供电。

宽开关频率范围允许在小型滤波器组件的效率和使用方面进行优化。专用参考稳压器为ADC提供独立于DSP载荷步,并作为2个独立传感器电源的跟踪源。灵活的状态机,包括计时器的唤醒概念和备用调节器有利于在众多应用中使用。

多种安全功能可以与各种微控制器一起轻松实现ASIL-D。具有过压、欠压监控,灵活的看门狗,差错监控、带2输出的安全状态监控器和内置自检功能。

在研发中我们一般采用英飞凌Aurix系列TC275单片机和TLF35584芯片设计以满足ASIL-D的功能安全要求。根据以往经验,同等的DSP,英飞凌的相对于TI的价格相对来说会更贵一些。特斯拉modelX也采用的都是TI的DSP,更可能的是一种平台的延续。

▲TLF35584功能框图

旋变解码部分

现有资料驱动控制板只能看到单面,但根据一般的布板,一般不会将芯片布置在板子的两面,在Model3的驱动控制一体板上并没有找到旋变解码芯片,推测在Model3控制器上,特斯拉省去了旋变解码芯片,使用DSP进行软解码,节省成本。

励磁电路的运放采用的是ON的TCA0372,输出电流达到1A,并且原来的项目对此运放做过测试,励磁信号对地和对电源短路,此运放都能够进行保护,不会对电路造成损害。

图中16脚芯片为运放。

▲旋变解码电路

驱动电源电路

▲电源电路

▲反激变压器

▲VGT22EPC-200S6A12变压器图纸

母线电压采样

母线电压采样采用的是最常用的是AVAGO的ACPL-C87BT,其中C87AT的精度为±1%,C87BT的精度为±0.5%。

典型应用如下图。

▲ACPL-C87BT典型应用

驱动电路

Model3采用的是同步电机+SiC功率模块方案,ModelX采用的是感应电机+分立IGBT的方案。

ModelX前驱是分立IGBT器件在电动汽车主电驱应用的经典案例,叠层母排的巧妙应用,也是国内各大电机电控供应商研究和分析的重点,18年IGBT模块的涨价和缺货,也让更多的电机电控供应商去研究分立IGBT的应用,同时国内供应商也推出了一些40KW,70KW,80KW等一些应用于A0车分立器件电驱动系统。

随着Model3的上市,全SiC功率器件在主电驱上的应用也成为研究的对象。

整体布局

在整体布局上,Model3相对于ModelX设计更紧凑,一块PCB集成了控制和驱动部分,减少了连接器的使用,在结构更紧凑的同时,节约了连接器的成本。

▲Model 3电控整体布局

▲Model 3电控部分

▲Model X前驱布局

DSP部分

首先,从主驱的大脑DSP开始分析:

在ModelX中采用了DSP+FPGA的控制方式,DSP有两块,都采用TI公司的,其中一块采用的是32位单核无浮点的TMS320F2811PBKQ芯片,另一块采用的是TMS320F28035PAGQ;FPGA采用ACTE的A3P125VQG100,DSP+FPGA芯片配合使用,确保系统的稳定可靠性。

在Model3中采用了单DSP的控制方式,DSP采用了TI公司的TMS320F28377DPTPQ,一款高性能TMS320C28x系列32位浮点双核DSP处理器。

对比两种方案,双核DSP相对于单核DSP+FPGA的硬件方案,价格上会有一定的优势,但优势不大,软件的设计上也有更大优势,PCB上的空间布局上也更有优势,2811和28377在性能上差别更大。

下图是ModelX和Model3的PCB图片,其中在ModelX的PCB中,晶振旁边的芯片为DSP。

▲Model 3控制驱动一体板

▲Model X控制板

旋变部分

Model3和ModelX旋变部分区别很大,Model3上没有使用解码芯片,采用的软解码;ModelX前驱采用的是感应电机,但转速这块怎么处理的,没有找到相关资料。

Model3励磁电路的运放采用的是ON的TCA0372,输出电流达到1A,并且原来的项目对此运放做过测试,励磁信号对地和对电源短路,此运放都能够进行保护,不会对电路造成损害。

ModelX前驱电机,只有一个端盖,没有查到相关资料,等查到相关资料再补上。但控制板上还有一片TI的DSP芯片TMS320F28035PAGQ,不知道作何使用,有感兴趣的可以补充一下,谢谢!

▲Model 3旋变电路

▲Model X前驱电机端盖

DSP供电电源

ModelX上DSP和FPGA供电电路,DCDC芯片相对于TLF35584的功能简单,猜测应该是TI公司的TPS78650,最大输出1A电流,也是TI为2811系列推荐的电源DCDC芯片。

先上几张ModelX的驱动板和控制板的图片。

驱动板和控制板完整图片

▲控制板正面

▲控制板反面

▲驱动板正面

▲驱动板反面

驱动电源电路

Model3和ModelX的驱动电源电路从图上看,采用的是相同的方案,驱动电源电路采用的是常用的反激电路,反激变压器采用的是TDK的VGT系列变压器,型号为:VGT22EPC-222S6A12,VGT系列变压器为TDK专门为IGBT驱动设计的变压器,没有找到VGT22EPC-222S6A12的图纸,在TDK官网找到了VGT22EPC-200S6A12变压器图纸如下图。

PWM控制器采用的UC28XX系列的芯片。从元器件上分析,电源部分做了短路保护,图中白色的采样电阻。

不同之处是续流二极管的封装和型号不同,Model3的续流二极管的封装更大,耐电流能力更强,Model3的驱动部分电源的功率更大,这也与两个系统使用的驱动芯片的输出电流大小不一样有关系。

▲Model 3电源电路

▲Model X电源电路

▲Model X变压器

▲VGT22EPC-200S6A12变压器图纸

驱动电路

Model3中驱动芯片采用的是ST的STGAP1AS,驱动能力为5A,输入输出传输延时为100ns,负压驱动能力,米勒钳位、去饱和检测、Vce钳位,SPI通信等功能,为了增强驱动能力采用MOS管组成的图腾柱增强驱动能力,并且根据元器件可以看出,驱动电路并不像驱动IGBT,没有有源钳位和去饱和检测电路,在相对于IGBT更高的驱动频率的SiC电路中,去饱和检测电路并不能起到保护作用,但驱动电路中也没有其他保护电路,猜测并没有在硬件上做短路保护功能。

MOS管图腾柱电路放在SiC功率器件的背面,使驱动电路布线最短化,这一点在频率更高的SiC驱动电路设计中尤其重要。

▲Model 3驱动电路

▲STGAP1AS典型应用

ModelX中采用的是英飞凌的磁隔离驱动芯片1ED02012FA2,驱动能力为2A,轨到轨输出,输入输出延时170ns,集成了米勒钳位、去饱和检测,故障信号输出等功能,同样采用了MOS管组成的图腾柱增强驱动能力,硬件设计中相对于Model3增加了去饱和检测电路。

▲Model X驱动电路

放电电路

Model3和ModelX采用的放电电路方案是主动放电电路,将母线电压引入放电电路的控制部分,通过光耦、MOS管和三极管组成的电流源组成整个放电电路的控制部分,但在电阻的选取上不一样。

Model3上采用的是普通的贴片电阻,使用了50个贴片电阻。

▲Model 3放电电路

ModelX前驱上可能大家都没找到他的放电电阻,其实,在上面使用的是一个D2PAK的功率电阻,这个散热功率比较大,所以PCB背面留了大面积铺铜。下图Q10即为放电电阻。

▲Model X放电电路

母线电容

Model3的母线电容没有找到图片,电容的信息被覆盖,只能在电容上找到SH550+0.68+0.68uF,430VDC,根据这个信息,猜测电容使用的是430VDC,550uF的薄膜电容,内部集成两个0.68uF的Y电容。有资料的朋友可以帮忙补充一下,谢谢!

▲Model 3母线电容信息

ModelX的母线电容采用的是TDK的650V,220uF的薄膜定制电容。

▲Model X母线电容

本文素材来源于公众号:新能源电动汽车技术

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