◆作者/美国 Amanullah Khan 编译/江苏 高惠民

一、概述

凯迪拉克CT6插电式混合动力汽车(PHEV)专为高端汽车市场设计的。驱动系统包括了全新的后轮驱动电动变速器(EVT)，与具有火花点火、直接喷射和可变气门正时技术的2.0L涡轮4缸发动机配套。使用完全集成两电动机的电动变速器系统可在整个行驶范围内提供平稳，连续的动力。一个18.4kWh的锂离子可充电储能系统(RESS)位于后座和后备箱之间，并与车辆电动机相连。发动机舱内的牵引功率逆变器模块(TPIM)控制变速器传动。CT6 PHEV系统的主要组件布置如图1所示，其中还包括附件电源模块(APM)和车载充电模块(OBCM)。

图1 CT6 PHEV车辆驱动系统组件布置

二、电池组

高压动力电池组如图2所示，是一种可充电能量存储系统，包括192个棱形袋装电池，该电池采用了与第二代雪佛兰Volt相同的最新一代化学物质，以一系列2对并联和96对串联而成电池组布置，这种布置用于后驱车辆上。在雪佛兰Volt中，RESS占据了中控台和后排座椅前边缘下方的空间，但是在CT6中，RESS没有占据从中控台下方到后轮驱动轴之间的空间。CT6 PHEV电池系统还使用了与雪佛兰Volt相同类型的经过验证的主动热控制系统。通过电池之间的液体冷却所保持的相对较低的稳定温度，有助于在RESS的整个生命周期中保持相对稳定的电气数据范围。表1所示为用于确定CT6 PHEV中RESS大小的一些关键设计要求。

图2 CT6 PHEV可充电储能系统(动力电池)

作为高端豪华轿车，CT6 PHEV同时使用电池组和涡轮增压发动机，以实现最高的加速和速度水平。这被称为“混合PHEV”操作，当存储的能量和功率需求均允许时，仅使用电池，但为了最大可能的加速而混入发动机功率。相反，只要存储的能量允许，电动汽车(V-REV)雪佛兰Volt在较小范围行驶完全由其电池供电，并且只有在电池中的能量耗尽或处于极端温度后才使用发动机。凯迪拉克CT6是相对于其他混合动力，尤其是雪佛兰Volt的增程式混合动力，其运行模式，CT6有11种(纯电动有4种)而VoⅠt只有4种模式(纯电动只有一种)所以CT6的运行模式组合的操作更灵活，电池能量的使用(充放电)能在更合理的范围，电池能量和发动机能量的利用，更加适应车辆加速与节能的互补。

三、高压直流母线

凯迪拉克CT6后轮驱动PHEV高压(HV)直流母线机械化配电布置如下图3所示。它包含为电动变速器内两个牵引电动机和一个电动油泵电动机供电的牵引功率逆变器模块，空调压缩机模块(ACCM)，混合动力电加热器模块(HEH)和一个附件电源模块作为HV电池与12V电池之间的DC-DC转换器，车载充电器模块，可从市电插座为电池充电。可充电储能系统，即HV电池组，使用一个被称为电池断开单元(BDU)的配电盒连接所有上述HV组件，该配电盒由车辆接口控制模块(VICM)控制。

图3 CT6 PHEV高压直流母线配电布置

高压直流母线机械化配电确保系统的安全性、稳定性和可控性，避免任何不希望出现的电路振荡或电气共振。它还使从充电到驱动的程序复杂性最小化，并且避免了在充电和驱动期间APM对低压电源充电或使用需求的影响。

四、功率逆变模块

牵引功率逆变器模块满足各种设计要求目标。电力电子设计的总体目标是实现系统成本低、鲁棒性强、效率高、性能优越，即对驱动质量和安全完整性的响应。对于电力电子设计，除了组件总成级的验证之外，所有电力电子部件都进行系统级别的验证测试，以证明在实验室试验与实际车辆使用中的设计稳健性。其测试包括对高温耐久性、热冲击、动力温度循环、随机振动、机械冲击、湿度、盐分侵蚀、终端电应力和电磁兼容性。表2所示为TPIM的主要设计要求和设计改进。

表2 牵引功率逆变器模块要求和设计改进参数

该设计逆变器A和逆变器B分别具有131kW和125kW峰值功率，并实现了业界领先的23kW/L(逆变器A和逆变器B同时具有)功率密度。为满足CT6 TPIM可靠性和鲁棒性的设计目标，将逆变器安装到紧凑的发动机舱内，是一个挑战。日立汽车和通用汽车共同克服了设计工作这一挑战困难。提高散热性能并使用高效功率半导体减小逆变器的尺寸和增加功率输出。通过一代代的改进，消除了导热油脂直接冷却功率模块的方法。日立汽车公司开发了一种直接的双面冷却功率模块，将模块浸入专用的冷却液中的冷却结构，从而将散热效率提高了约35%。TPIM设计的两大组成部分分别是成本和尺寸，其中付出了很大的努力是针对电源模块和大容量直流电源电容器触点的焊接改进。双面直接的冷却电源模块相脚如图4(a)和水冷无源直流大容量薄膜电容器如图4(b)。

图4 日立电源模块相脚和直流大容量电容器

五、其他高压组件

如图5所示，其他高压组件是附件电源模块和车载充电器模块连接到高压电池，

图5 辅助电源模块和车载充电器模块

如图5(a)和5(b)所示，这两个组件与第二代雪佛兰Volt相同。附件电源模块是高压直流电源与低压12V直流电源和车辆低压附件之间的单向DC-DC转换，在驱动和充电以及系统热管理过程中均可运行。因此，对于以上类型的操作，APM必须具有足够的耐用性。OBCM设计为2级充电器，可从220～240V交流公用电源插座中获取电能为HV电池充电，电池充满约5h。虽然配备有两种规格的电源插座(中国GB或北美SAE插座)，但车辆都具有相同的交流电压车载充电接口。这两个组件的主要要求和设计改进参数如表3所示。在正常条件下，从墙壁插座到HV电池端子的平均总充电效率约为87%。

表3 附件电源模块和车载充电器模块的要求和设计改进参数

六、系统性能与效率

凯迪拉克CT6动力电池具有良好的能量储备和供电能力，在SOC范围内可以提供相对恒定的功率，以在整个正常运行期间为发动机提供帮助。这使车辆具有一致的性能，尤其是可持续加速行驶。图6所示为发动机关闭和发动机运行时最大的车辆牵引力。电动变速器系统还通过CVT变速的优势提高了燃油效率，从而提高了发动机的运行效率。

图6 CT6 PHEV最大牵引力

它允许在任何给定的运行功率条件下自由地控制发动机工作，使其接近最高效的点。当不需要CVT操作时，通过固定传动比并联混合动力驱动模式非常灵活，也可以提高车辆的燃油经济性。固定齿轮传动比的使用，不仅消除了通过电动-发电机从发动机传递来的系统能量损失，而且也减少了电动机损耗。

表4总结了通用凯迪拉克CT6后轮驱动系统与主要竞争对手的规格和性能。电动变速器系统具有出色的功率提升能力，可提供更好的0-100kW/h的起步加速时间。同时，由于高效的EVT变速器和集成良好的电池均衡系统，使得车辆具有更长的EV行驶里程，更大的电池容量和更好的燃料消耗率。

表4 凯迪拉克CT6后轮驱动系统与主要竞争车辆规格和性能比较