拆解最新的本田CR-V功率控制单元:用了很高端的MCU和栅极驱动

据EEWorld获悉,本田第六代CR-V于2026年2月在日本上市。可能有人好奇,新车的功率控制单元(PCU)主要用了什么芯片,整体设计如何。

本次拆解的功率控制单元来自北美版第六代CR-V,除非动力总成规格发生重大变化,否则日本版CR-V也可能安装该款PCU,即便它作为一代PCU,也是从之前拆卸的已安装设备中取出的新一代产品。本次拆解旨在探究其采用的技术,以及与上一代PCU相比发生的变化。

整体外观

首先简要说明主流混动系统的差异:丰田THSII(丰田混合动力系统II)为串并联系统,通过动力分流装置,合理分配发动机、发电机和电动机的功率,驱动车轮转动;日产e-POWER为串联式混动,发动机仅用于带动发电机发电,电能再供给电机驱动车轮,是最接近电动汽车的混动方式;本田e:HEV车型同样采用串并联混合系统,但在操作上与串联系统类似,其特色在于高速行驶时,发动机会与驱动轮直接连接,实现节油驾驶模式。

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本次拆解的PCU来自北美版CR-V,其中的逆变器由Keihin制造。北美版CR-V的电动机输出功率为133kW,发电机输出功率约为120kW,该PCU的规格足以实现这种能量转换。

接下来先对PCU的外部结构进行观察:首先是驱动电池的输入端子,其中混合动力车的电池电压为262.8V,插电式混合动力车为347.5V;其次是用于车载电气设备的12V输出端子,该PCU内部包含将260V电压降至12V的电路,后续将进一步拆卸检查;旁边是冷却液入口/出口;底部设有连接驱动和发电用三相电机的两个端子,仔细观察可发现底部还有一个用于动力控制单元自身控制信号交换的连接器。

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将本次拆解的PCU与之前拆解的逆变器进行尺寸对比,发现CR-V的PCU在宽度上更宽敞,高度上更薄。这一差异与连接器的安装结构相关:上一代逆变器的连接器设计导致高度尺寸较大,而CR-V的PCU连接器从底部安装,巧妙利用了上部空间,使得整体高度降低。此外,北美版和日本销售的CR-V
PCU上部空间均设有进气口,由于顶部没有突出的连接器,实现了更合理的布局。

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内部结构一览

接下来进入内部结构拆解。首先取下顶部面板,可看到两层结构的印刷电路板,移除上层电路板后,能看到电源模块和薄膜电容器,与上一代拆解的产品相比,本次的电源模块尺寸明显更小。

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取出薄膜电容器、移除电源模块后,可看到内部的流水通道。随后从底部拆解,取下底部盖子后,能看到由驱动电池端子输入的电流,通过层叠母线通向电路的各个元件,包括薄膜电容器、电源模块、电感器和DC/DC电路。

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其中,电感器用于提升电池电压的升压转换器,属于双向转换器电路的一部分,其每个输入端有两个绕组,推测该升压转换器可能具有交错控制功能。DC/DC用于为车载电气元件提供12V电压,与前几代相比,本次拆解的DC/DC布局更整洁,观察电感器和DC/DC的底部,均设有流水通道,用于散热。

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综合来看,CR-V使用的PCU采用三层结构:上层设有薄膜电容器、电源模块,以及板载栅极驱动电路和控制板;中间是用于冷却水流通的铝块;下层是DC/DC和电感器。第六代CR-V

e:HEV的PCU系统,左侧为主要电气部分,右侧为主要机械部分,其中电气部分与前几年相比无明显变化,包含电池、DC/DC、双向转换器和三相逆变器,用于分别驱动电机和发电机。

北美版CR-V的核心差异在于发动机直联模式,其配备两个变速档位,这也是与其他车型e:HEV系统的最大区别。e:HEV系统的基本工作模式为:电池供电驱动电机运转,当电池电量不足时,发动机驱动发电机发电,电能再供给电机驱动车轮;其最大特点是高速区域发动机直接连接驱动轮,实现节油驾驶。此前的发动机直联模式仅局限于高速区域,而CR-V可在高低档之间切换发动机直联状态,通过离合器的开合和两个齿轮比的选择,实现更广泛速度范围的发动机直联节油驾驶。当发动机直联时,电动机和发电机会进行协调控制,使发动机处于最高效的工作点:若发动机负荷过重,电机将强制运转辅助发动机;若发动机负荷过轻,电机进入再生运行状态,将发动机能量和车身运动的动能回收至电池,确保发动机负荷适中。

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基板分析

接下来逐一拆解并详细分析各组成部分。首先是控制板,其由两部分组成:上层为控制板,下层为用于驱动功率半导体的栅极驱动基板,同时还包含装有传感器的电路板。两层电路板通过连接器连接,该连接器为IRISO的产品,采用其专有Z-Move技术,可在X、Y、Z三个方向移动。其中,X、Y方向的移动用于吸收配合时的偏差,减少焊接部件和端子触点的应力;Z方向的移动用于减少车身振动传递到电路板的影响,避免振动导致的触点磨损和信号传输错误,同时防止机械共振对电路板的损害,确保长期可靠性。

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板载微控制器为Renesas(瑞萨)R7F701275,这是一款双核高端汽车微控制器,内置检测电机旋转角度的旋转变压器转换电路。

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栅极驱动板集成了多种功能,包含栅极驱动电路、用于供电的变压器,且绝缘距离得到充分保证。在驱动功率半导体时,上臂功率半导体的发射极电压基准随开关状态变化,需要单独的隔离电源,因此需要与功率半导体数量对应的变压器;而下臂三个IGBT的发射极基准电压共用,仅需一个隔离电源,但由于需为三个IGBT供电,该变压器体积较大。

栅极驱动集成电路采用Rohm(罗姆)odBM60059,该芯片通过磁耦合绝缘,内置驱动变压器的电路,无需外部FET即可实现栅极驱动和电源供应,便捷实用。此外,板上还有霍尔传感器等集成电路,用于读取电源模块母线附近的电流磁通量,并转换为电流值,该霍尔传感器被钢芯材料全面覆盖,包含在电源模块中,从外部难以观察。

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与上一代PCU的控制板相比,新一代CR-V的控制板有明显优化:上一代控制板为单块电路板,使用两颗Renesas微控制器;新一代分为低压控制电路和高压栅极驱动板,布局更整齐,微控制器数量减少一半(从两个变为一个),封装从QFP变为BGA,各种优化使得印刷电路板面积减少约20%。此外,外部通信连接器的安装方式也发生变化,上一代连接器直接安装在电路板上,新一代则通过电路板侧面的小连接器,将电缆穿过PCU,再连接到底部的连接器,这种设计有助于降低PCU的整体高度。

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围绕电源模块的设计

电源模块旁边设有薄膜电容器,两者安装位置非常接近,薄膜电容器通过母线与电源模块实现最短距离连接,缩短了薄膜电容器母线与功率半导体的距离,有效减小了环路电感。功率半导体采用二合一配置,分隔成单独的区域,中间两个区域用于双向转换器,两侧三个区域用于逆变器。功率半导体与母线之间采用焊接连接,根据使用位置的不同,功率半导体芯片的尺寸也有所差异,推测输出功率和扭矩更高、需应对大电流的电机侧,采用了尺寸更大的芯片(约为另一款芯片的1.8倍)。

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观察电源模块的背面,散热片直立排列,鳍间距密集且分布不均匀,部分区域设有大型散热片,散热片均位于芯片正下方,目的是将更多热量释放到冷却液中,实现高效散热。与上一代电源模块和薄膜电容器相比,新一代的布局发生显著变化:上一代为电源模块在上、薄膜电容器在下的结构,新一代则将两者并排安装,这种结构差异使得PCU轮廓更薄。

此外,新一代电源模块尺寸大幅缩减,上一代每个区域仅有一个功率半导体芯片,新一代每个区域则有两个芯片;同时,薄膜电容器连接半导体芯片的铜母线排列也有很大改进,上一代母线连接距离较长,导致环路电感较大(据测算,1厘米布线的自电感约为10nH),新一代母线连接距离最短,大幅优化了环路电感问题。

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冷却部分也有改进:上一代电源模块带有水套,新一代则采用带冷却通道的铝块,电源模块覆盖在铝块上,这种设计使用的部件更少,可能有助于降低成本。此外,电源模块与电机的连接端子也发生变化:上一代端子通过压接在铜线上,与电机的连接器采用拧紧结构;新一代则通过压力实现连接,内部采用弹簧压入式设计,电机侧电线区域可移动,因此未完全使用母线,而是采用编织线连接,推测该部件可能使用了超声波粘接技术。

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拆解PCU底部

从PCU底部进一步拆解,重点观察电感器。该电感器用于传输电池电流,通过层叠母线与DC/DC连接,其采用铁芯材料绕制两个绕组,绕组绕制紧密且使用扁平电线,以减小体积,两个绕组的缠绕方向可抵消彼此的磁通量。电池侧的接线柱为两个绕组共用,功率半导体侧则分为两个不同的端子连接,结合驾驶条件推测,该升压转换器可能采用交错控制。电感器背面设有冷却水通道,散热片呈圆柱形。

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将其与FIT的电感器进行尺寸对比,CR-V的电感器体积约为FIT的两倍,这与CR-V PCU功率容量更大的需求相匹配,也体现了紧凑型轿车和SUV PCU容量的明显差异。

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DC/DC的作用是将驱动电池的高电压转换为车载设备所需的12V电压,其大部分元件安装在一块可拆除的印刷电路板上。板上广泛使用高大的通孔元件,并填充硅胶,以防止部件因震动脱落和焊接裂缝。与丰田普锐斯第五代的DC/DC相比,本次拆解的产品通孔元件数量更多,且大量使用薄膜电容器,电路体积相对更大,而普锐斯第五代的DC/DC已大部分采用MLCC(多层陶瓷电容器)。

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拆解DC/DC的印刷电路板后,下方可见功率半导体,型号为新电元(ShinDengen) MG051D,推测为MOSFET模块。

与上一代相比,DC/DC的变化不大,上一代采用离散型功率半导体,新一代则将其集成化为电源模块,大幅缩小了安装面积,模块背面涂有导热脂,用于将热量散发到铝制部件上。

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随后连接的变压器,初级绕组为普通方形线,次级绕组为母线,绕组和铁氧体磁芯之间夹有导热片,用于散热。输出端的扼流线圈与用于整流的电源模块、薄膜电容器组成滤波电路,其中整流电源模块为新电元的二极管模块MG034H,包含两组三个并联二极管(推测为肖特基势垒二极管),封装内还集成了缓冲电路。

上一代则采用三垦电气(Sanken)的肖特基势垒二极管,安装在铝基板上,新一代的模块化设计实现了多方面改进。值得一提的是,新电元的DC/DC转换器模块有TW系列,本次拆解的电路板上标注有TW109,且新电元的最大股东为本田公司,其DC/DC转换器大概率由新电元设计。DC/DC背面的散热片,仅在装有功率半导体的部分设有更深的沟渠,以增强散热效果。

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本次拆解完成了北美版第六代CR-V动力控制单元(PCU)的全面分析,与FIT等前几代车型的PCU相比,新一代PCU在整体设计上进行了全面优化,对实现小型化和高功率密度起到了重要作用。

关于PCU的进一步优化方向,可探讨是否继续采用当前的电源模块形式,或借鉴丰田汽车的两侧冷却、堆叠能量卡等设计思路。

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