分析 | 特斯拉Model 3與Model X電控系統對比
來源 | 電動新視界
新能源電動汽車的拆解一直都是大家感興趣的，網上也是有各種拆解分析，但是對硬件這塊的分析還是很少的，可能對我們做技術的來說，沒有什麼好分解的，大的框架大家都很清楚，對於汽車行業非技術人員來說，技術更加複雜，很難分析清楚，本文也是基於一些拍攝的圖片簡單分析，供參考，有什麼不足之處還請大家多提寶貴意見，大家共同學習進步。
Model X 前驅是分立IGBT器件在電動汽車主電驅應用的經典案例，疊層母排的巧妙應用，也是國內各大電機電控供應商研究和分析的重點，18年IGBT模塊的漲價和缺貨，也讓更多的電機電控供應商去研究分立IGBT的應用，也推出了一些40KW，70KW，80KW等一些應用於A0車分立器件電驅動系統。隨着Model 3的上市，全SiC功率器件在主電驅上的應用也成爲研究的對象。在下一篇文章中，我將着重分一下Model X 前驅的結構上的設計，這一章分析特斯拉Model 3與Model X前驅硬件上的差別。
整體佈局
在整體佈局上，Model 3相對於Model X設計更緊湊，一塊PCB集成了控制和驅動部分，減少了連接器的使用，在結構更緊湊的同時，節約了連接器的成本。
圖1Model 3電控整體佈局
圖2 Model 3 電控部分
圖3 Model X前驅佈局
DSP
首先，從主驅的大腦-DSP這裏分析：
在Model X中採用了DSP+FPGA的控制方式，DSP採用 TI 公司的32位單核無浮點的TMS320F2811PBKQ 芯片，FPGA採用 ACTE 的 A3P125VQG100 芯片配合使用， 確保系統的穩定可靠性。
在Model 3中採用了單DSP的控制方式，DSP採用了TI公司的TMS320F28377DPTPQ，一款高性能TMS320C28x系列32位浮點雙核DSP處理器。
對比兩種方案，雙核DSP相對於單核DSP+FPGA的硬件方案，價格上會有一定的優勢，但優勢不大，軟件的設計上也有更大優勢，PCB上的空間佈局上也更有優勢，2811和28377在性能上差別更大。下圖是Model X和Model 3的PCB圖片，其中在Model X的PCB中，晶振旁邊的芯片爲DSP。
圖4 Model 3控制驅動一體板
圖5 Model X控制板
旋變部分
Model 3和Model X旋變部分區別很大，Model 3上沒有使用解碼芯片，採用的軟解碼；Model X前驅採用的是感應電機，但轉速這塊怎麼處理的，沒有找到相關資料。
Model 3勵磁電路的運放採用的是ON的TCA0372，輸出電流達到1A，並且原來的項目對此運放做過測試，勵磁信號對地和對電源短路，此運放都能夠進行保護，不會對電路造成損害。
Model X前驅電機，只有一個端蓋，沒有查到相關資料，等查到相關資料再補上。但控制板上還有一片TI的DSP芯片TMS320F28035PAGQ，不知道作何使用，有感興趣的可以補充一下，謝謝！
圖6 Model 3旋變電路
圖7 Model X前驅電機端蓋
DSP供電電源
Model 3上DSP供電電源採用的是英飛凌的DCDC芯片TLF35584，它是一款多輸出系統電源，適用於安全相關應用，通過在寬輸入電壓範圍內高效靈活的前/後穩壓器概念爲DSP提供3.3V供電。寬開關頻率範圍允許在小型濾波器組件的效率和使用方面進行優化。專用參考穩壓器爲ADC提供獨立於DSP載荷步，並作爲2個獨立傳感器電源的跟蹤源。靈活的狀態機，包括計時器的喚醒概念和備用調節器有利於在衆多應用中使用。多種安全功能可以與各種微控制器一起輕鬆實現ASIL-D。具有過壓、欠壓監控，靈活的看門狗，差錯監控、帶2輸出的安全狀態監控器和內置自檢功能。
Model X上DSP和FPGA供電電路，DCDC芯片相對於TLF35584的功能簡單，猜測應該是TI公司的TPS78650，最大輸出1A電流，也是TI爲2811系列推薦的電源DCDC芯片。
母線電壓採樣
Model 3和ModelX採用相同的母線電壓採樣電路，採用的是最常用的是AVAGO的ACPL-C87(A)BT，其中C87AT的精度爲±1% ，C87BT的精度爲±0.5%。典型應用如下圖。
圖8 ACPL-C87A\BT典型應用
驅動電源電路
Model 3和 Model X的驅動電源電路從圖上看，採用的是相同的方案，驅動電源電路採用的是常用的反激電路，反激變壓器採用的是TDK的VGT系列變壓器，型號爲：VGT22EPC-222S6A12，VGT系列變壓器爲TDK專門爲IGBT驅動設計的變壓器，沒有找到VGT22EPC-222S6A12的圖紙，在TDK官網找到了VGT22EPC-200S6A12變壓器圖紙如下圖。PWM控制器採用的UC28XX系列的芯片。從元器件上分析，電源部分做了短路保護，圖中白色的採樣電阻。
不同之處是續流二極管的封裝和型號不同，Model 3的續流二極管的封裝更大，耐電流能力更強，Model 3 的驅動部分電源的功率更大，這也與兩個系統使用的驅動芯片的輸出電流大小不一樣有關係。
圖9 Model 3電源電路
圖10 Model X電源電路
圖11 Model X變壓器
圖12 VGT22EPC-200S6A12變壓器圖紙
驅動電路
Model 3中驅動芯片採用的是ST的STGAP1AS，驅動能力爲5A，輸入輸出傳輸延時爲100ns,負壓驅動能力，米勒鉗位、去飽和檢測、Vce鉗位，SPI通信等功能，爲了增強驅動能力採用MOS管組成的圖騰柱增強驅動能力，並且根據元器件可以看出，驅動電路並不像驅動IGBT，沒有有源鉗位和去飽和檢測電路，在相對於IGBT更高的驅動頻率的SiC電路中，去飽和檢測電路並不能起到保護作用，但驅動電路中也沒有其他保護電路，猜測並沒有在硬件上做短路保護功能。
MOS管圖騰柱電路放在SiC功率器件的背面，使驅動電路佈線最短化，這一點在頻率更高的SiC驅動電路設計中尤其重要。
圖13 Model 3 驅動電路
圖14 STGAP1AS典型應用
Model X中採用的是英飛凌的磁隔離驅動芯片1ED02012FA2，驅動能力爲2A，軌到軌輸出，輸入輸出延時170ns，集成了米勒鉗位、去飽和檢測，故障信號輸出等功能，同樣採用了MOS管組成的圖騰柱增強驅動能力，相對於增加了去飽和檢測電路。
圖15 Model X驅動電路
放電電路
Model 3和Model X採用的放電電路方案是主動放電電路，將母線電壓引入放電電路的控制部分，通過光耦、MOS管和三極管組成的電流源組成整個放電電路的控制部分，但在電阻的選取上不一樣。
Model 3上採用的是普通的貼片電阻，使用了50個貼片電阻。
圖16 Model 3放電電路
對特斯拉Model X放電電阻採用的和Model 3一樣的方案，同樣採用50個貼片電阻進行串並聯，不同之處在於，Model X放電電阻採用的是單獨的小板，通過連接器與控制板相連接，爲了達到更好的散熱效果，放電電阻通過導熱硅膠片與控制器機殼相連接。
結構上爲了固定放電小板，特斯拉先將放電小板PCB嵌入到塑料件中，再用金屬件將塑料件一起固定在控制器機殼壁上。
圖17 Model X放電板
圖18 Model X放電板
母線電容
Model 3的母線電容沒有找到圖片，電容的信息被覆蓋，只能在電容上找到SH 550+0.68+0.68uF，430VDC，根據這個信息，猜測電容使用的是430VDC，550uF的薄膜電容，內部集成兩個0.68uF的Y電容。
圖19 Model 3母線電容信息
Model X的母線電容採用的是松下的650V，220uF的薄膜定製電容。SH代表自愈式電容，SH爲Self Healing的縮寫。
圖20 Model X母線電容
根據百度百科定義：
自愈式電容器採用單層聚丙烯膜做爲介質，表面蒸鍍了一層薄金屬作爲導電電極。當施加過高的電壓時，聚丙烯膜電弱點被擊穿，擊穿點阻抗明顯降低，流過的電流密度急劇增大，使金屬化鍍層產生高熱，擊穿點周圍的金屬導體迅速蒸發逸散，形成金屬鍍層空白區，擊穿點自動恢復絕緣。因此,這種可以自動恢復的電容,即稱爲所謂自愈式電容器。
自愈過程：
電容器在外施電壓作用下，由於介質中的雜質或氣隙等弱點的存在或發展引起介質擊穿形成導通電路；接着在導通電路處附近很小範圍內的金屬層中流過一個前沿很陡的脈衝電流。鄰近擊穿點處金屬層上的電流突然上升，按其離擊穿點的距離而成反比分佈。在順時刻t，半徑爲Rt的區域內金屬層的溫度達到金屬的熔點，於是在此範圍內的金屬熔化併產生電弧。該電流引起電容能量釋放，在弧道局部區域溫度突然升高，壓力突然增大。
隨着放電能量的作用，半徑爲Rt的區域內金屬層劇烈蒸發並伴隨噴濺。在該區域半徑增大的過程中電弧被拉斷，金屬被吹散並受到氧化與冷卻，破壞了導電通路，在介質表面形成一個以擊穿點爲中心的失掉金屬層的圓形絕緣區域。電容器的自愈過程結束。
圖21 松下HEV/EV定製電容資料