拆解與發(fā)現(xiàn)Chevy Volt車(chē)的電子秘密

提示

.車(chē)上遍布質(zhì)檢章，證明Volt制造時(shí)有嚴(yán)格的品控。

.電氣布局便于整合新的模塊和IC。

.加固性功能（如泡沫與膠帶），適應(yīng)高要求的汽車(chē)環(huán)境。大量的軟件診斷功能，確定汽車(chē)的安全與可靠性。

有時(shí)候，工程師得到的任務(wù)不僅會(huì)挑戰(zhàn)自己以往的經(jīng)驗(yàn)，而且純粹是種娛樂(lè)。這就有一個(gè)例子：UBM TechInsights的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理John Scott-Thomas與Munro Associates的高級(jí)經(jīng)理與“設(shè)計(jì)先知”Al Steier最近完成了一個(gè)拆解Chevy Volt插電式混動(dòng)型汽車(chē)的工作，查看了這款車(chē)的秘密，以及設(shè)計(jì)人員如何在汽車(chē)內(nèi)整合各種技術(shù)。通過(guò)對(duì)Volt三天的創(chuàng)造性拆卸工作，他們了解了有關(guān)該車(chē)的很多東西（見(jiàn)附文“汽車(chē)解剖分析”）。

電池塊

288芯的Volt鋰離子電池塊，由四個(gè)排列成T字形的模塊組成，置于后座下以及與前座的“通道”內(nèi)。四個(gè)模塊連接到匯流條，電池塊觸點(diǎn)上連接著一個(gè)安全斷路器（圖1）。

圖1: 375磅（170公斤）的鋰離子電池塊是Volt車(chē)的心臟。汽車(chē)的系統(tǒng)與軟件維持著電池塊的健康，以獲得更長(zhǎng)的使用壽命（感謝Munro Associates）。

電池塊被物理上分成多個(gè)包裹塑料殼的薄片，每個(gè)片內(nèi)有兩個(gè)電池芯。一個(gè)攜有五通道冷卻劑的散熱片將兩只電池芯分隔開(kāi)來(lái)。電氣上，三只電池芯為一組，互相并聯(lián)，這樣的96組再串聯(lián)，從而使288只電池芯產(chǎn)生360V電壓，容量為16 kWhr。為延長(zhǎng)電池壽命，電池永遠(yuǎn)不會(huì)滿(mǎn)充或完全放電，因此它只使用電池容量“中段”的9.4 kWhr。

LG Chem是電池的生產(chǎn)商，它采用了鋰錳尖晶石化學(xué)類(lèi)型，但GM已從美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室獲得了鈷化學(xué)電池的許可，這表明它可能在近期轉(zhuǎn)換到鎳錳鈷電池。電池冷卻液電路是Volt四個(gè)電路中的一個(gè)，每個(gè)都有自己的控制器和制冷模塊。其它三個(gè)冷卻循環(huán)分別用于內(nèi)燃引擎，兩個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換器，以及電力線插入充電器的電源轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)電池工作溫度低于最佳運(yùn)行溫度時(shí)，液體將電池加熱到運(yùn)行狀態(tài)，然后對(duì)其做冷卻以避免過(guò)熱。即使汽車(chē)未開(kāi)動(dòng)，控制電路也會(huì)激活冷卻循環(huán)，以防止在酷暑下電池過(guò)熱，或寒冷天氣下電池過(guò)冷。因此，當(dāng)汽車(chē)并未使用時(shí)，也要將Volt接在它的外接充電器上，從而避免這些狀況下耗盡電池電量。

電池塊冷卻循環(huán)采用的是軟管夾連接，這表明該車(chē)是限量產(chǎn)生的汽車(chē)。大批量的生產(chǎn)會(huì)采用硬焊式連接。軟管夾與每個(gè)電池塊上都有三個(gè)質(zhì)檢員的印章，表明組裝經(jīng)過(guò)了仔細(xì)的檢查，確保這個(gè)8000美元的Volt核心部件的質(zhì)量與功能。

控制與監(jiān)控

拆解表明，復(fù)雜的Volt電池塊同樣也有復(fù)雜的控制與監(jiān)控，這也是整部車(chē)的特點(diǎn)。Scott-Thomas發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)價(jià)值的40%在它的電子部分，特征是幾乎有100只車(chē)載微控制器。大約1000萬(wàn)行代碼用于控制這套電子組件，比波音787 Dreamliner的800萬(wàn)行控制代碼還要多。

對(duì)于電池塊，Scott-Thomas注意到，電池的長(zhǎng)壽命是一個(gè)重要的目標(biāo)。為此，制造商將電池塊的溫度波動(dòng)調(diào)節(jié)在2°F之間，并對(duì)各個(gè)電池芯之間的充電作均衡，從而每個(gè)壽命周期都有相同的速率。控制軟件還會(huì)考慮到制造的差異，以及老化中的其它變量。

例如，控制器會(huì)在充電時(shí)監(jiān)控每個(gè)電池芯的電壓。為確保每個(gè)電池芯都有相同的最大充電量，如果某個(gè)電池芯先充滿(mǎn)，則該電池芯接一個(gè)電阻旁路，防止其過(guò)充，而其它電池芯繼續(xù)充電。Scott-Thomas稱(chēng)：“控制與軟件的水平難以估量”。汽車(chē)的控制器監(jiān)控著電池塊的電壓與溫度，每秒要做10次500個(gè)診斷，哪怕汽車(chē)處于停車(chē)狀態(tài)。

電池接口與監(jiān)控模塊均裝在電池塊的前面。這個(gè)單元有四塊橙紅色監(jiān)控PCB，表示內(nèi)有高壓，每個(gè)PCB用于一個(gè)電池塊（圖2）。占據(jù)這些PCB的芯片來(lái)自飛思卡爾、LG Chem以及意法半導(dǎo)體公司；LG Chem與意法半導(dǎo)體芯片采用了雙極CMOS DMOS（擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)。中壓電路板為藍(lán)色，低壓PCB為綠色。整個(gè)制造過(guò)程都有質(zhì)量檢查；每個(gè)電池連接器上都有多名質(zhì)檢員的質(zhì)檢章。

圖2 :在電池接口/電池監(jiān)控PCB上，每只電池芯上的傳感器都監(jiān)護(hù)著溫度與電壓。它們的數(shù)據(jù)被送至集線器，在那里，每10個(gè)電池芯的讀數(shù)由一個(gè)電路數(shù)字化，送給微控制器。光電耦合器將一個(gè)公共總線送至轉(zhuǎn)換器模塊中的主控制器

保持電池電路的正常是困難的工作；系統(tǒng)必須在每個(gè)電池芯的頂部測(cè)量數(shù)微伏電壓，而電池芯可能對(duì)地有幾百伏特電壓。這個(gè)工作需要注意PCB布局、走線設(shè)計(jì)、接地面，以及電壓隔離技術(shù)。Scott-Thomas發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)的設(shè)計(jì)是一個(gè)進(jìn)行中的工作，具有靈活性和模塊化特點(diǎn)，這樣便于引入新的電池芯、電池塊、電路與控制。

拆解團(tuán)隊(duì)意外地在Volt中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與電池有關(guān)的模塊。除了駕駛員邊上儀表板上的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)載診斷端口以外，團(tuán)隊(duì)還在副駕座椅下發(fā)現(xiàn)了一個(gè)密封并填充的模塊。這個(gè)模塊存儲(chǔ)著電池與混動(dòng)式運(yùn)行的診斷代碼，并有一個(gè)連接口，技師可以用專(zhuān)用電纜連接，訪問(wèn)模塊。

為系統(tǒng)充電

除了可再生剎車(chē)能量以外，電池塊還存儲(chǔ)著電網(wǎng)充電的能量，采用的是110V充電器，或可選220V充電站（用于更快的充電），后者要由持證電工安裝。Lear Corp是家用110V充電器的制造商，充電器的功率電路和軟件都足夠完備，如果用戶(hù)將其插入了一個(gè)接地不良電路，充電器不會(huì)工作。充電器的繼電器和監(jiān)控電路板可與電池塊和車(chē)載監(jiān)控系統(tǒng)通信。如前所述，為電池充電的車(chē)載交流電源充電主系統(tǒng)有自己的冷卻循環(huán)。

充電器插入左前擋板門(mén)后的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)插座。Scott-Thomas稱(chēng)，通過(guò)這個(gè)接口單元的拆卸，看到了GM很注意設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。生產(chǎn)商對(duì)高壓元件都做了膠帶和泡沫絕緣，如電容器和共模扼流圈，以求獲得高振動(dòng)環(huán)境下的健壯性和保護(hù)，繞組都很強(qiáng)健、穩(wěn)定，并有機(jī)械冗余。

Steier在充電器結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人費(fèi)解的特性：盡管充電插座在左檔板上，但其饋入的充電轉(zhuǎn)換器卻在右前燈下。同樣，汽車(chē)引擎的控制器在左側(cè)，而引擎卻在右側(cè)。與功能同側(cè)結(jié)構(gòu)相比，這種方式增加了接線的重量。

Volt的大腦

在類(lèi)似于汽油汽車(chē)變速箱的電機(jī)和發(fā)電機(jī)外殼上，有一個(gè)液冷轉(zhuǎn)換器模塊，用于為牽引電機(jī)提供電池的電能。通入該模塊的黃色高壓線有繼電器開(kāi)關(guān)通斷，以確保安全；Steier指出，模塊蓋子本身也是一個(gè)安全電路斷路器。Scott-Thomas稱(chēng)里面是最靠近汽車(chē)大腦的東西（圖3）。

圖3: 電機(jī)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換器模塊包含著Volt電力傳動(dòng)的大腦，其中，一個(gè)主控微控制器和三只其它微控制器確定了傳動(dòng)以及再生剎車(chē)系統(tǒng)的工作狀態(tài)

Hitachi PCB上有四只32 bit飛思卡爾Qorivva微控制器。Scott-Thomas首先注意到有大量可用的板面，能用于未來(lái)的修改，可改電路也可以增加電路。四個(gè)控制器之一作為主控器，用各種輸入數(shù)據(jù)來(lái)確定最高效的狀態(tài)，這些輸入數(shù)據(jù)包括車(chē)速和輪速；加速度或油門(mén)；剎車(chē)；以及電池狀態(tài)（圖4）。舉例來(lái)說(shuō)，這些決策可能包括：牽引電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)所使用的輸出組合，何時(shí)激活可再生剎車(chē)，以及恢復(fù)能量的程度。

圖4: 轉(zhuǎn)換器的監(jiān)控控制器是Volt混動(dòng)架構(gòu)的核心，它決定了當(dāng)前傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)

主監(jiān)控器是四只微控制器中最大的，它有3M字節(jié)閃存，占用了一半的片芯面積?？刂破鬟€會(huì)盡量讓電機(jī)工作在較低的轉(zhuǎn)速下，以獲得更高效率。其它三只飛思卡爾微控制器用于控制牽引電機(jī)；內(nèi)燃機(jī)引擎的驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，以及離合器行星齒輪組，如有