淺談電動汽車電機控制器技術(shù)

1電機控制器基本應(yīng)用

1.2電機控制器集成形式

集成形式包括：

單主驅(qū)控制器、輔件三合一控制器（集成：EHPS控制器+ACM控制器+DCDC）、輔件五合一控制器（集成：EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU+雙源EPS控制器）、乘用車控制器（集成：主驅(qū)+DCDC）、物流車三合一控制器（集成：主驅(qū)+DCDC+PDU）、物流車五合一控制器（集成：主驅(qū)+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU）。

1.3 電機控制器基本原理

電機控制器基本功能：通過逆變橋調(diào)制輸出正玄波來驅(qū)動電機，多合一的控制器包括

配電回路：為集成控制器各部分提供配電，如TM接觸器、熔斷器、電空調(diào)回路供電、電除霜回路供電等等；

IGBT驅(qū)動回路：接收控制信號，驅(qū)動IGBT并反饋狀態(tài)，提供電壓隔離以及保護；

輔助電源：為控制電路提供電源，為驅(qū)動電路提供隔離電源；

DSP電路：接收整車控制指令，并提供反饋信息，檢測電機系統(tǒng)傳感器信息，根據(jù)指令傳輸電機控制信號；

結(jié)構(gòu)與散熱系統(tǒng)：為電機控制器提供散熱，提供控制器安裝支持，提供控制器安全防護。

電機控制器熱設(shè)計

整車實際運行環(huán)境復(fù)雜，工況比較惡劣，對熱設(shè)計提出很高要求：

仿真試驗需要多層次：

系統(tǒng)級（主要側(cè)重于控制器系統(tǒng)級的熱包括水道設(shè)計合理性以及控制級內(nèi)部環(huán)溫仿真，系統(tǒng)級仿真包括模塊級的模型）

模塊級（關(guān)鍵部件模型電容，銅牌的仿真，通過密度、熱流密度從而仿真電容的溫度）

單板級 （仿真單板環(huán)境溫度、單板上關(guān)鍵零件散熱，目的是為了精確單板某個關(guān)鍵器件的散熱，比如單板放了一些關(guān)鍵電阻。若前期做了單板的仿真，可以更快做設(shè)計上面的精確設(shè)計）

芯片級（IGBT、主功率模塊仿真，IGBT是模塊控制器核心，如何發(fā)揮IGBT最大能力，取決于IGBT芯片級仿真的準確度）

試驗需滿足高精度：進行多輪次試驗試驗仿真閉環(huán)，散熱器偏差±3℃

復(fù)雜工況仿真：額定、過載典型工況仿真、堵轉(zhuǎn)特殊工況仿真、周期性負載、非線性負載確定控制器最大的能力。

2電控系統(tǒng)效率優(yōu)化技術(shù)

電控系統(tǒng)效率提升1%，對整車經(jīng)濟性以及重量都很有優(yōu)勢，效率優(yōu)化技術(shù)包括載頻動態(tài)調(diào)整、DPWM發(fā)波技術(shù)、過調(diào)制技術(shù)、廣域高效HSM電機。

2.1、載頻動態(tài)調(diào)整技術(shù)

電控系統(tǒng)最主要的損耗來源是逆變器部分，逆變器損耗70%來自開關(guān)部分。

從開關(guān)損耗角度降低，研究了載頻動態(tài)調(diào)整技術(shù)。通過仿真試驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)整開關(guān)頻率后，控制器效率最大可以提升2%左右，使用動態(tài)載頻率技術(shù)，尤其是在低轉(zhuǎn)速，對載頻要求不那么高的時候，調(diào)整載頻可以有效降低控制器的損耗，提供控制器的效率，初步預(yù)計每100公里可以提供1.5公里左右，載頻不能無限制下調(diào)，還需要考慮整車噪音和電機控制的需要。

2.2、DPWM發(fā)波技術(shù)應(yīng)用

不連續(xù)發(fā)波的技術(shù)應(yīng)用，采用DPWM技術(shù)比COWM技術(shù)減少1/3的開關(guān)次數(shù)，可以顯著降低開關(guān)次數(shù)，達到減少開關(guān)損耗的目的。

當(dāng)調(diào)制比M>0.816，CPWM和DPWM調(diào)制下的諧波近似相同。此區(qū)域可采用DPWM技術(shù)以降低器件損耗。

2.3、過調(diào)制技術(shù)應(yīng)用

控制器損耗包括開關(guān)損耗和導(dǎo)動損耗。導(dǎo)動損耗與輸出電流有很大關(guān)系，輸出功率一定的情況下，輸出電流降低對應(yīng)輸出電壓需要相應(yīng)提高。

通過加入過調(diào)制，能有效提高弱磁區(qū)輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩，提高輸出電壓4%，峰值功率對應(yīng)提高4%左右，改善整車在高速的動力性能；

通過加入過調(diào)制，輸出相同功率，電流會明顯降低，能減小系統(tǒng)發(fā)熱，提高控制器的過載能力，改善整車動力性能；

通過加入過調(diào)制，能有效提高基波電壓，與沒有過調(diào)制相比，可以有效提高電機效率，電機電流能明顯減?。?~8%），效率提高可以有效延長續(xù)航里程。

2.4、廣域高效HSM電機

除了電控效率提升，還包括電機效率提升。

HSM電機混合同步電機，相比IPM電機可以兼顧低速區(qū)效率和高速區(qū)效率。HSM尤其在中高速恒功率運行區(qū)域內(nèi)，效率優(yōu)勢更加明顯。試驗發(fā)現(xiàn)在低速區(qū)、高速區(qū)，HSM效率高于常規(guī)IPM電機，總體來看使用HSM技術(shù)之后可以提高電機效率。

在公交車與團體車工況下，IPM與HSM電機進行對比，HSM電機占優(yōu)勢。

考慮整車工況的綜合能效定向優(yōu)化技術(shù)，通過調(diào)整電機各損耗分量比例，實現(xiàn)效率的定向優(yōu)化，結(jié)合具體車型路況信息，定制化開發(fā)綜合能效更高的電機，提高續(xù)航里程。

3電控系統(tǒng)模塊結(jié)溫保護技術(shù)

做了很多熱仿真，得到了控制器的最大能力，最大能力未必能保護好電機控制器，現(xiàn)實工況很復(fù)雜。

3.1、IGBT結(jié)溫估算現(xiàn)實意義

結(jié)溫是判定IGBT處于安全運行的重要條件，IGBT的工作結(jié)溫限制著控制器的最大輸出能力。

IGBT過熱損壞影響嚴重，有很多方面因素，例如設(shè)計因素、復(fù)雜工況、高震動、溫度沖擊，硅脂的老化，依據(jù)NTC進行IGBT結(jié)溫的間接保護，存在一定的局限性，在堵轉(zhuǎn)等極端工況下，熱能分布很不均勻、IGBT與NTC存在溫差，且NTC與結(jié)溫的關(guān)系不是很明確，需要前期試驗摸索，NTC響應(yīng)時間慢，不能準確及時反映結(jié)溫波動狀態(tài)。易引起IGBT過熱損壞，傳統(tǒng)使用NTC進行IGBT結(jié)溫簡介保護，存在局限性。

單純使用NTC進行保護，在工況惡劣的情況下，很危險。

3.2、基于NTC的IGBT結(jié)溫估算

根據(jù)工作參數(shù)，如電壓電流頻率，做精確的熱仿真，提取熱流參數(shù)，計算校正，提前預(yù)估IGBT結(jié)溫。經(jīng)過測試、仿真與軟件模型互相校驗，最終結(jié)溫估算誤差±3℃以內(nèi)。

3.3、基于溫度采樣二極管的IGBT結(jié)溫估算

溫度采樣二極管直接集成在IGBT中間，相對于傳統(tǒng)模塊可以直接采集到晶元結(jié)溫（近似），提高模塊能力、能夠得到晶元的結(jié)溫波動，提高可靠性，保證壽命，缺點在于直接采集晶元結(jié)溫，高低壓的安規(guī)問題。

模塊6路結(jié)溫采樣，模塊及外部電路成本增高，目前采用1各IGBT結(jié)的溫度，單路二極管的溫度，通過損耗計算，熱流參數(shù)計算，推導(dǎo)出其他幾路IGBT的溫度。

采用單路二極管溫度采樣，利用先進的損耗計算及熱流參數(shù)計算方法、測試、仿真與軟件模型互相校驗，結(jié)溫估算誤差穩(wěn)態(tài)可達3℃以內(nèi)，瞬態(tài)10℃以內(nèi)。

3.4、基于結(jié)溫估算的溫度保護策略

優(yōu)勢：

結(jié)溫的監(jiān)控更加直接，整車的加速性能更好；

實時監(jiān)控結(jié)溫，在堵轉(zhuǎn)極限工況下，既能發(fā)揮出控制器的最大能力，又能保證控制器不會過溫損壞，整車的安全性更高；

在整車正常運行的工況下，將IGBT的電流能力發(fā)揮到最大，整車動力性更強；

控制器可以結(jié)合實際運行工況進行一些更前衛(wèi)的算法研究，例如IGBT壽命損傷度實時計算等，提高整車的可靠性。

保護措施：

設(shè)置結(jié)溫限制，當(dāng)結(jié)溫有風(fēng)險時，進行降載頻或者降轉(zhuǎn)矩策略；風(fēng)險解除，降頻或者轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)回升。

4電機控制器技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1高安全性

力矩安全通過：SBC+MCU監(jiān)控架構(gòu)、高壓備份電源、安全相關(guān)驅(qū)動芯片、IGBT故障的全面診斷、獨立安全關(guān)斷路徑、獨立ADC通道的旋變信號解碼、不同質(zhì)兩路高壓采樣電路、不同質(zhì)三相電流霍爾傳感器等實現(xiàn)。

4.2、高EMC等級

現(xiàn)在二代產(chǎn)品可能能做到class3、class4，以后EMC要做到class5，要求措施要做到小型化，成本更低。EMC核心突破創(chuàng)新定位在：以更優(yōu)的濾波方案，更低成本的EMC器件成本達到高等級EMC要求。如EMC要求達到class5，體積占比小于5%，成本小于50RMB。

發(fā)展研究內(nèi)容包括：“電控+電機”系統(tǒng)EMC解決方案，核心器件EMC特性研究及解決方案，“電控+電機”系統(tǒng)EMC仿真平臺。

4.3、高壓化

主要針對乘用車，目前電壓普遍300-400V左右，以后可能往高壓化發(fā)展，超級快速充電和功率需求提升是電動汽車高壓化的內(nèi)在驅(qū)動力。如充電電壓從400V提升至800V，充電時間可以縮短一半。這一塊必須提升，電動汽車未來才個普及，高壓化是發(fā)展的一個趨勢，對應(yīng)這個趨勢，逆變器的設(shè)計會從650V IGBT的設(shè)計往更高的750V以及1200V IGBT的方向發(fā)展。

4.4、高功率密度

從分裝角度，傳統(tǒng)易用型模塊向方磚、超薄外形，最后裸DBC/芯片形式這樣的趨勢發(fā)展。外形體積隨分裝向小型化發(fā)展，2018年或者未來可以達到2013年外形體積大小的1/10。

從芯片這個維度，往高效率、高操作結(jié)溫方向發(fā)展，如E3芯片，操作結(jié)溫為150℃，EDT2芯片結(jié)溫可以提升至175℃，SIC碳化硅芯片結(jié)溫可以超過175℃，如果E2芯片功率損耗為1，后兩者功率損耗分別為0.8和0.3到0.5之間。使用SiC器件可以顯著降低開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)效率，減少死區(qū)時間，提升系統(tǒng)輸出能力。從電池包和控制器的總體考慮，總成本下降5%，從整車考慮，續(xù)航里程增加10%。使用SiC器件之后能夠提升整體效率。

隨著器件的發(fā)展和分裝技術(shù)的發(fā)展，成本預(yù)測會逐步降低。

產(chǎn)品維度來講，供應(yīng)海馬的控制器，可以做到18kW/L，第二個乘用車控制器功率密度可以做到26 kW/L，最新的乘用車控制器正在做可以做到35 kW/L，未來使用SiC材料預(yù)計功率密度能做到45 kW/L。

4.5、器件集成化和定制化

功能安全，高度集成化:

功能安全，更高主頻:

驅(qū)動隔離IC：功能安全，高集成度:

模型電容已經(jīng)高度定制化了，甚至在模型電容里集成EMC的。比如控制器EMC 的Y電容，單獨加一個電路板，未來向集成化發(fā)展。這是電機控制器本身，未來系統(tǒng)也是向著集成化發(fā)展。