拆解與發(fā)現(xiàn)Chevy Volt車的電子秘密

提示

.車上遍布質(zhì)檢章，證明Volt制造時有嚴(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)高要求的汽車環(huán)境。大量的軟件診斷功能，確定汽車的安全與可靠性。

有時候，工程師得到的任務(wù)不僅會挑戰(zhàn)自己以往的經(jīng)驗，而且純粹是種娛樂。這就有一個例子：UBM TechInsights的產(chǎn)品營銷經(jīng)理John Scott-Thomas與Munro Associates的高級經(jīng)理與“設(shè)計先知”Al Steier最近完成了一個拆解Chevy Volt插電式混動型汽車的工作，查看了這款車的秘密，以及設(shè)計人員如何在汽車內(nèi)整合各種技術(shù)。通過對Volt三天的創(chuàng)造性拆卸工作，他們了解了有關(guān)該車的很多東西（見附文“汽車解剖分析”）。

電池塊

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

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

電池塊被物理上分成多個包裹塑料殼的薄片，每個片內(nèi)有兩個電池芯。一個攜有五通道冷卻劑的散熱片將兩只電池芯分隔開來。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。為延長電池壽命，電池永遠(yuǎn)不會滿充或完全放電，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)類型，但GM已從美國Argonne國家實驗室獲得了鈷化學(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四個電路中的一個，每個都有自己的控制器和制冷模塊。其它三個冷卻循環(huán)分別用于內(nèi)燃引擎，兩個電機/發(fā)電機轉(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行溫度時，液體將電池加熱到運行狀態(tài)，然后對其做冷卻以避免過熱。即使汽車未開動，控制電路也會激活冷卻循環(huán)，以防止在酷暑下電池過熱，或寒冷天氣下電池過冷。因此，當(dāng)汽車并未使用時，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，這表明該車是限量產(chǎn)生的汽車。大批量的生產(chǎn)會采用硬焊式連接。軟管夾與每個電池塊上都有三個質(zhì)檢員的印章，表明組裝經(jīng)過了仔細(xì)的檢查，確保這個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，這也是整部車的特點。Scott-Thomas發(fā)現(xiàn)，汽車價值的40%在它的電子部分，特征是幾乎有100只車載微控制器。大約1000萬行代碼用于控制這套電子組件，比波音787 Dreamliner的800萬行控制代碼還要多。

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

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

電池接口與監(jiān)控模塊均裝在電池塊的前面。這個單元有四塊橙紅色監(jiān)控PCB，表示內(nèi)有高壓，每個PCB用于一個電池塊（圖2）。占據(jù)這些PCB的芯片來自飛思卡爾、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。整個制造過程都有質(zhì)量檢查；每個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個電池芯的讀數(shù)由一個電路數(shù)字化，送給微控制器。光電耦合器將一個公共總線送至轉(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)必須在每個電池芯的頂部測量數(shù)微伏電壓，而電池芯可能對地有幾百伏特電壓。這個工作需要注意PCB布局、走線設(shè)計、接地面，以及電壓隔離技術(shù)。Scott-Thomas發(fā)現(xiàn)，汽車的設(shè)計是一個進(jìn)行中的工作，具有靈活性和模塊化特點，這樣便于引入新的電池芯、電池塊、電路與控制。

拆解團(tuán)隊意外地在Volt中發(fā)現(xiàn)了一個與電池有關(guān)的模塊。除了駕駛員邊上儀表板上的標(biāo)準(zhǔn)車載診斷端口以外，團(tuán)隊還在副駕座椅下發(fā)現(xiàn)了一個密封并填充的模塊。這個模塊存儲著電池與混動式運行的診斷代碼，并有一個連接口，技師可以用專用電纜連接，訪問模塊。

為系統(tǒng)充電

除了可再生剎車能量以外，電池塊還存儲著電網(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，如果用戶將其插入了一個接地不良電路，充電器不會工作。充電器的繼電器和監(jiān)控電路板可與電池塊和車載監(jiān)控系統(tǒng)通信。如前所述，為電池充電的車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后的一個標(biāo)準(zhǔn)插座。Scott-Thomas稱，通過這個接口單元的拆卸，看到了GM很注意設(shè)計的細(xì)節(jié)。生產(chǎn)商對高壓元件都做了膠帶和泡沫絕緣，如電容器和共模扼流圈，以求獲得高振動環(huán)境下的健壯性和保護(hù)，繞組都很強健、穩(wěn)定，并有機械冗余。

Steier在充電器結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一個令人費解的特性：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

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

圖3: 電機/發(fā)電機轉(zhuǎn)換器模塊包含著Volt電力傳動的大腦，其中，一個主控微控制器和三只其它微控制器確定了傳動以及再生剎車系統(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，能用于未來的修改，可改電路也可以增加電路。四個控制器之一作為主控器，用各種輸入數(shù)據(jù)來確定最高效的狀態(tài)，這些輸入數(shù)據(jù)包括車速和輪速；加速度或油門；剎車；以及電池狀態(tài)（圖4）。舉例來說，這些決策可能包括：牽引電機與內(nèi)燃機發(fā)電機所使用的輸出組合，何時激活可再生剎車，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混動架構(gòu)的核心，它決定了當(dāng)前傳動系統(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€會盡量讓電機工作在較低的轉(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；內(nèi)燃機引擎的驅(qū)動發(fā)電機，以及離合器行星齒輪組，如有