混合动力系统软件硬件构成&MCU选型｜盖世大学堂混动系统系列知识讲解

一、混合动力系统硬件构成

当前乘用车混动系统的机械构成主要包含驻车装置、电机、差速器、传动系统、油泵以及与发动机连接的部件。其中，驻车装置在乘用车领域多采用电子驻车系统（EPP），机械驻车系统在混动箱中的应用逐渐减少。混动系统通常配备两个电机，协同差速器与传动系统实现动力的高效传递与分配。电子油泵和机械油泵为系统提供必要的润滑和液压支持，确保各部件在不同工况下正常运行。此外，与发动机连接的部件负责实现发动机与电机之间的动力耦合与分离，是混动系统动力切换的关键环节。

MCU控制单元是混动系统的关键硬件之一，它由控制板、汇流条、功率器件、滤波单元、IGBT模块、冷却单元、中间电路电容器等组成，并封装在特定的外壳内。控制板作为核心部件，负责处理和传输各种控制信号；汇流条实现电力的汇集与分配；功率器件在电能与机械能的转换过程中发挥重要作用；滤波单元用于过滤电路中的杂波，保证信号的稳定性；IGBT模块作为功率转换的核心器件，其性能直接影响系统的功率输出和效率；冷却单元通过冷却水道或油道对关键部件进行散热，确保系统在高温环境下稳定运行；中间电路电容器则起到稳定电压、储存电能的作用。

二、集成化设计理念及电气架构变革

随着汽车技术的不断发展，混动系统朝着功能集成化、智能化、网联化方向演进。传统分布式电气架构中，众多功能分离的电子控制单元（ECU）分布在车辆各个角落，导致系统复杂、成本高昂且开发难度大。为解决这些问题，域控制器应运而生。

域控制器依托高性能的域主控处理器、丰富的硬件接口资源以及强大的软件功能特性，将原本分散在多个ECU中的核心功能进行集成。例如，动力域控制器整合了与动力系统相关的诸多功能，如电机控制、发动机管理等。通过数据交互的标准化接口，域控制器极大地提高了系统功能集成度，有效降低了开发和制造成本，成为现代混动系统电气架构的核心发展趋势。

在集中式域电气架构下，车辆被划分为多个功能域，如动力域、车身域、底盘域、座舱域和辅助驾驶域等。各域控制器之间通过高速网络（如以太网）进行数据通信，实现信息共享与协同工作。这种架构优化了系统布线，减少了线束重量和成本，同时提高了系统的可靠性和可维护性。

三、混合动力系统软件集成

混合动力系统的软件集成涵盖多个关键控制单元，包括微控制器（MCU）、变速器控制单元（TCU）、电池管理系统（BMS）、功率转换控制器（PTC）、车辆控制单元（VCU）、车载充电器（OBC）、直流-直流转换器（DCDC）、电源分配单元（PDU）和泵控制单元（Pump-CU）等。这些控制单元的底层软件相互协作，共同实现对混动系统的精确控制。

MCU作为核心控制单元之一，负责处理传感器采集的数据，根据预设的控制策略生成控制信号，驱动电机和其他执行器工作。TCU主要用于控制变速器的换挡操作，确保动力传输的平稳性和高效性；BMS负责监测电池的状态，如电压、电流、温度等，实现电池的充放电管理和安全保护；VCU则对整车的动力系统进行协调控制，根据驾驶员的操作意图和车辆行驶状态，优化发动机、电机的工作模式。

软件集成不仅实现了各控制单元之间的信息交互和协同工作，还通过算法优化和功能拓展，提升了混动系统的整体性能，如提高燃油经济性、增强动力响应性、改善驾驶舒适性等。

四、MCU选型核心准则与要点

（一）功能应用需求收集与转化

在MCU选型过程中，首先需要全面收集功能应用方面的需求，这些需求涵盖了混动系统的各个工作场景和性能指标。例如，电机的控制精度、响应速度，系统的功率输出要求，以及对不同工况的适应性等。将这些功能需求转化为电气架构设计的具体参数，为后续的选型工作提供明确的方向。

在确定电气架构参数时，需考虑电路拓扑结构、功率器件选型、信号传输要求等因素。同时，还需结合材料选型、内部PCB板层数设计、尺寸布置规划以及热仿真模拟等方面的要求，确保MCU在满足功能需求的前提下，具备良好的电气性能、散热性能和可靠性。

（二）功率器件选型计算

电压规格选型：功率半导体器件在开关过程中会产生过电压，因此在选型时，需根据直流母线电压和安全裕度系数来估算器件的电压等级。蓄电池或燃料供电的逆变器直流母线电压与电池电压Unom,dc相同，计算公式为：VCE=(Udcmax×KI+ΔU)×K2。其中，Udcmax为输入最高直流电压，KI为电压裕度系数，ΔU为关断IGBT产生的过电压，K2为安全系数。在实际选型中，若直流母线电压为400V，考虑一定的安全裕度系数（如1.5倍），可初步确定IGBT的电压选型。

电流规格选型：电机控制器的峰值输出电流有效值为lprms，其峰值电流幅值lpeak=lprms×1.414。功率器件的电流Ic(70°C)应大于lpeak乘以安全裕量。当各桥臂为非并联方案时，选择1.25倍安全余量；若为并联方案，则选择1.5倍安全余量。一般情况下，选择1.5倍安全余量能满足大多数应用场景的需求。

直流母线电流传感器选型：直流母线电流传感器的选型由电机控制器的峰值输出功率Pmax和母线电压最小值Udcmin决定，计算公式为Idcmax=Pmax/Udcmin。直流母线电流传感器的电流测量峰值应大于Idcmax，以确保能够准确监测母线电流，为系统控制提供可靠数据。

相电流传感器选型：相电流传感器的选型主要取决于电机控制器输出的峰值电流lsmax，电流传感器的电流测量峰值应大于Ismax×1.414，且相电流传感器数量应不少于2个，以实现对电机三相电流的精确监测和控制。

（三）薄膜电容规格选型

电压选型：薄膜电容器可承受超过额定电压1.2倍的脉冲电压，理论上可选择额定电压低于母线上尖峰电压的薄膜电容。根据电池组额定电压的不同，薄膜电容额定电压的选择值也有所差异。例如，当电池组额定电压为280V时，推荐选择额定电压为450V的薄膜电容；随着电池组额定电压的升高，薄膜电容的额定电压也相应增大。

容量选型：假设电机控制器输出的最大功率为Pmax，电路采用典型的三相全桥拓扑设计。在一个开关周期内，母线提供的能量W=Pmax/(2f)（f为IGBT的开关频率），电容器一个开关频率内释放的能量Q=2×C×U×Δu（U为直流母线电压，Δu为母线纹波电压）。在极端情况下，Q=W，可得C=P/(4×f×C×U×Δu)。通常直流母线电压脉动率为5%，即纹波电压值Δu=U×2.5%，由此可计算出最大电容需求Cmax=P/(4×f×U×U×2.5%)。实际应用中，一般认为IGBT开关导通时，母线电容提供W/2的能量，即Q=W/2，结合前面公式可得Cmin=Cmax/2。电容器的容值选型可在最大值和最小值的中间值范围内进行选择。

（四）纹波电流计算

流经直流母线电容器的交流电流是三相逆变器输出的三相正弦基波电流与高频谐波电流的叠加，二者均会在直流母线侧产生相应的纹波电流。根据经验数据，纹波电流应≤0.6倍持续相电流的有效值。纹波电流的大小会影响电容器的使用寿命和系统的稳定性，在设计过程中需严格控制纹波电流，确保系统可靠运行。

（五）被动放电电阻选型

电机控制器必须配备被动放电电阻，以保障工作停止后母线电压的安全放电。在3min内，电机控制器内的电压需通过吸收电阻泄放到36V安全电压。根据公式R=T/3C（T为放电时间，C为薄膜电容的容量）可推算出所需的电阻值大小。同时，被动放电电阻在正常工作时会消耗能量，其功率为P=U²/R（U为母线电压）。因此，被动放电电阻的选型需满足以下条件：电阻值按照R=T/3C选择；电阻的功率应不小于P=U²/R；电阻的额定耐压应不小于电池的最高电压。

（六）正负极叠层母排选型

叠层汇流母排用于实现电力电子产品中功率电路和器件的电气连接，通过正负极层叠平行分布的结构形式，可有效降低线路分布电感，减少功率器件两端的反向峰值电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求。正负极叠层母排的选型应遵循以下原则：额定电压应不小于电机控制器额定输入电压；电压工作范围应大于电机控制器电压工作范围；额定电流应不小于电机控制器额定输入电流；峰值电流应不小于电机控制器峰值输入电流。

（七）功率模组方案对比

不同供应商的功率模组在温度测量方式、性能和成本方面存在差异。例如，英飞凌在DBC基板放置NTC进行温度测量，该方案成本低、易实现且稳定性高，但在堵转工况下结温差别较大；富士在IGBT芯片集成测温二极管，能精确反馈结温，但芯片工艺复杂、成本高；阳光电源在器件塑壳表面布置测温点，可较好反映结温，整机工艺相对复杂；特斯拉在塑壳表面照射红外传感器监控温度，能较好反映结温，但红外热成像芯片成本过高。

从综合性能来看，各方案各有优劣。在实际选型中，需根据项目需求和成本预算，权衡不同方案的利弊，选择最适合的功率模组。

（八）不同电压平台下的设计差异

当电驱动系统的标称母线电压由400V提高到800V后，电机控制器内部控制单元电路基本保持不变，但功率单元电路的各部分元器件及其印制电路板（PCB）的设计将发生显著变化。功率模块的耐压值从750V提升到1200V，薄膜电容的额定电压从500V提高到950V，短时耐压更高；驱动隔离IC、驱动隔离变压器、X电容、Y电容、功率电感等元器件的电压等级也相应提升。

随着电压升高，绝缘材料和绝缘结构需要改变，以满足更高的耐压需求。例如，绝缘材料的厚度、爬电距离和电气间隙等参数都需要重新设计，确保系统在高电压环境下的安全性和可靠性。

（九）高耐压功率电子元器件选型测试

高耐压功率电子元器件的选型需要经过严格的测试，以确保其性能和可靠性。测试项目包括加速环境应力测试、加速寿命模拟测试、封装可靠性测试、晶圆可靠性测试、电气特性测试、缺陷筛选测试和封装完整性测试等多个方面。

加速环境应力测试（封装可靠性）：包括预处理（PC）、有偏温度或有偏高速应力试验（THB）/（HAST）、高压或无偏高加速应力试验或无偏温湿度（AC）/（UHST）、温度循环（TC）、高温贮存寿命（HTSL）、功率温度循环等。这些测试旨在模拟元器件在各种恶劣环境条件下的工作情况，评估其封装的可靠性。

加速寿命模拟测试（器件可靠性）：涵盖高温工作寿命（HTOL）、早期寿命失效率（ELFR）、非易失性存储器耐久性、数据保持性、工作寿命（EDR）等测试项目。通过加速老化试验，预测元器件在实际使用中的寿命和可靠性。

封装可靠性测试：对邦线剪切（WBS）、邦线应力（WBP）、可焊性（SD）、物理尺寸（PD）、锡球剪切（SBS）、引线完整性（LI）等进行测试，确保封装工艺的质量和可靠性。

晶圆可靠性测试：检测电迁移（EM）、经时介质击穿（TDDB）、热载流子注入效应（HCI）、负偏压温度不稳定性（NBTI）、应力迁移（SM）等，评估晶圆的质量和性能。

电气特性测试：进行应力测试和试验前后功能/参数（TEST）、静电放电人体模型/机械模式（HBM/MM）、静电放电带电期间模式（CDM）、闩锁效应（LU）、电分配（ED）、故障等级（FG）、特性描述（CHAR）、电磁兼容（EMC）等测试，确保元器件的电气性能符合要求。

缺陷筛选测试：通过过程平均测试和试验（PAT）、统计式良率分析（SBA）等方法，筛选出存在潜在缺陷的元器件，提高产品的整体质量。

封装完整性测试：进行机械冲击（MS）、变频振动（VFV）、恒加速（CA）、粗/细检漏测试和试验（GFL）、包装跌落（DROP）、盖板扭力测试和试验（LT）、芯片剪切试验（DS）、内部水汽含量测试和试验（IWV）等，确保封装的完整性和密封性。

五、混动系统测试原则与项目

混动系统的测试旨在全面评估系统的性能、可靠性和耐久性，确保其满足设计要求和实际使用需求。测试遵循一定的原则，涵盖多个方面的项目。

测试原则：测试过程需保证样本的一致性和测试条件的规范性，确保测试结果的准确性和可重复性。同时，为提高测试效率、降低成本，部分测试项目会在同一测试样本上依次进行，以保证测试的连贯性。

测试项目：

功能试验：包括温升试验、效率试验、润滑试验、拖曳试验、扭矩冲击试验等，用于检测混动系统在不同工况下的功能实现情况和性能表现。

耐久试验：如高速试验、差速试验、换挡耐久试验、稳态耐久试验、综合耐久试验等，考核系统在长时间、高负荷运行条件下的可靠性和耐久性。

环境试验：涵盖低温试验、高温试验、温度循环试验、稳态湿热试验、湿热循环试验等，模拟不同的环境条件，评估系统对环境变化的适应性和耐受性。

NVH试验：通过起振力-扭矩依存性试验、接触斑点-扭矩依存性试验、错位耦合试验等，测试系统在运行过程中的噪声、振动和舒适性。

零部件试验：对静扭试验、差速器静扭试验、脱开机构静扭试验、高速耐久试验、动平衡试验等零部件进行专项测试，确保零部件的质量和性能符合要求。

在测试过程中，整箱震动实验是一项重要的测试项目，每个阶段通常都要进行一次。通过震动实验，可检测电机三相是否存在断线等问题，及时发现潜在的故障隐患，保障系统的安全可靠运行。

六、功率分流形式对比

混动系统中常见的功率分流形式有输入功率分流、输出功率分流和复合功率分流。不同的功率分流形式在结构、开发成本、空间占有率、布置难度、节油率、平顺性和加速性能等方面存在差异。

结构特点：输入功率分流的行星齿轮机构位于传动系统输入端，发动机、发电机和输出轴分别与行星轮系的不同部件相连；输出功率分流则将行星齿轮机构置于传动系统输出端，连接方式与输入功率分流类似；复合功率分流结合了前两者的特点。串联结构采用双电机加定轴齿轮组和离合器的组合，P2结构则由离合器、电机和变速箱构成。

开发成本：P2结构由于依赖传统AT变速箱技术，开发成本相对较高；串并联和功率分流形式通常需要重新开发或定制，成本次之。

空间占有率：P2结构因在传统AT基础上增加了电机、控制器和离合器等部件，轴向长度和直径较大，空间占有率较高；输入功率分流和输出功率分流的空间占有率相对较小，但具体情况还取决于系统的结构形式。

布置难度：电机的纵向布置对空间布置难度影响较大。P4混动系统因电机轴向长度较大，布置难度较高；而长城的9HAT通过将电机和油泵设计为内嵌式结构，有效减小了空间尺寸；输入功率分流和输出功率分流在传统空间布置上的难度相对较低。

节油率：节油率主要取决于纯电续航里程和串联模式下的发电效率。一般来说，纯电续航里程越长、串联模式发电效率越高，节油率越高。

平顺性：串联模式和功率分流模式由于换挡方式类似CVT，依靠功率调节实现动力输出，平顺性较好；P2模式因存在档位切换，可能会产生换挡冲击，平顺性相对较差。

加速性能：P2模式借助档位的加持，动力性和响应性较好，加速性能相对突出；串联模式若增加档位，加速性能也能得到提升；功率分流模式的加速性能一般，因为电机和发动机的动力传递存在两次损失。

在实际应用中，需根据车辆的使用场景、性能需求和成本预算等因素，综合选择合适的功率分流形式，以实现混动系统性能的最优化。