電機控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計框架介紹

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控制器基本構(gòu)成

? 電機控制器基本原理

隨著國內(nèi)外政府對汽車排放標準的日趨加嚴，新能源汽車行業(yè)正迎來前所未有的蓬勃發(fā)展時期，而作為新能源汽車的動力總成核心的“三電”產(chǎn)品新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，其中又以電機控制器的性能提升迫在眉睫，那么從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來看，電機控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要從哪些方面著手呢？

首先，我們先來簡單地介紹下電機控制器的基本工作原理，下圖是一個示意圖：

簡單來說：電機控制器就是一個將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的功率電子裝置。

但實際上，這只是它的一小部分電力功能，它是連接電機和電池的神經(jīng)中樞，用來調(diào)校整車各項性能。

它主要負責(zé)控制電機按照設(shè)定的方向、速度、角度、響應(yīng)時間進行工作，給驅(qū)動電機提供電源，以實現(xiàn)汽車的起動、運行、進退速度、爬坡力度等行駛狀態(tài)，或者幫助電動車輛制動，并將部分制動能量存儲到動力電池中。同時電機控制系統(tǒng)另一個重要功能是通信和保護，實時進行狀態(tài)和故障檢測，保護驅(qū)動電機系統(tǒng)和整車安全可靠運行。

? 電機控制器基本構(gòu)成

作為一個功率電子裝置，從硬件來看的話：主要分為結(jié)構(gòu)和電子。而電子又分為控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，同時又兼任和整車CAN總線交互的信號傳輸功能，結(jié)構(gòu)件主要實現(xiàn)對電子系統(tǒng)的安全保護，并完成整個裝置在整車上的安裝布置以及線束的連接。

下圖是從驅(qū)動視界公眾號上下載的奧迪E-TRON的電機控制器的爆炸圖，我們可以很清晰地對電機控制器的構(gòu)成有了初步認識：

我們以上圖為參考，簡單地列下關(guān)鍵零部件的清單：

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**結(jié)構(gòu)設(shè)計一般框架 **

在介紹控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般流程和框架之前，我想先簡單大概說明下汽車零部件的整體開發(fā)流程，每個整車廠都有自己的整車開發(fā)流程體系，各個節(jié)點的名稱也不太一樣，可是這些其實都大同小異，大家都遵循汽車行業(yè)的質(zhì)量體系IATF16949，我大概根據(jù)開發(fā)流程、重要項目節(jié)點以及樣品交付三個維度進行了如下圖的總結(jié)：

RFI:Requirement for information;

RFQ: Requirement for quotation;

PS: Program start;

PA: Program approval;

PD: Program development;

VP:Verification prototype;

LR: Launch readiness;

LS: Launch sign-off;

J1: Job #1 ;

FSR: Final status report;

TT:Tooling trial;

PP: pilot production;

MP1 : Mass production 1;

MP2 : Massproduction 2.

本小節(jié)主要分析在控制器的開發(fā)過程中結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計的一般框架，也就是上圖的項目節(jié)點VP之前的結(jié)構(gòu)設(shè)計部分。

? RFI/RFQ

首先，我們在獲取到一個整車廠客戶的項目之前，一般的OEM都是同時找兩家以上的零部件供應(yīng)商進行技術(shù)方案的交流，或者說是獲取供應(yīng)商的一些開發(fā)能力信息，也就是RFI階段，然后在信息的獲取過程中，如果客戶覺得我們的技術(shù)交流、溝通、商務(wù)協(xié)作沒問題，同時對公司的質(zhì)量等方面的審核也通過的情況下，才會進入到RFQ階段。在RFI和RFQ過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計部分有哪些工作要做呢？我認為主要的工作就是兩部分：

①客戶外包絡(luò)設(shè)計：

主要和客戶定義外部輪廓以及尺寸、接口位置、接口型號（HVDC/HVAC/LV連接器/水嘴）等。

②客戶結(jié)構(gòu)部分技術(shù)要求解讀和確認：

主要確認客戶對于結(jié)構(gòu)件的技術(shù)設(shè)計和測試要求，如：強度、環(huán)境、尺寸重量等。

上述兩項工作，雖然我們是在RFQ階段，不需要進行很詳細的內(nèi)部設(shè)計工作，但是為了防止后面客戶定點我們后，由于內(nèi)部空間的不足以及需求的不能滿足，向客戶提出偏差申請，所以，在進行這兩項工作的時候也需要嚴謹對待。因為，一旦后面客戶定點后，由于結(jié)構(gòu)上外部涉及到整車其他零部件，客戶不能隨便變更，往往需要他們和內(nèi)部總成或者整車部門進行交涉；加上技術(shù)要求分析部分也是需要在RFQ過程期間和客戶之間達成一致的，技術(shù)要求的不同，對應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)成本和時間也不一樣，所以需要做到非常細致，避免后續(xù)不必要的問題和麻煩。

? PS/PA：

待客戶項目正式定點后，我們就可以進行內(nèi)部零部件的詳細設(shè)計工作了。

在此之前，還需要電子或者系統(tǒng)工程師提供給我們一些主要電子模塊零部件的參數(shù)信息：

① 核心模組：功率模塊；② 整個系統(tǒng)的電壓和電流信息；③母線電容：容值（關(guān)系到體積的大小）；④ 電流傳感器；⑤ EMC濾波模組；⑥ 保險絲；⑦ 主動放電模組。

為什么需要知道上述電子或系統(tǒng)相關(guān)的零部件信息，主要是因為電流信息影響到后面導(dǎo)電銅排的尺寸設(shè)計，以及關(guān)鍵模塊的選擇也影響到內(nèi)部布局，其實這些大致的信息在RFQ階段的時候，都需要確定好，因為如果和報價方案不一致時，有可能影響到內(nèi)部的零部件重新布局和空間的設(shè)計。

零部件的詳細設(shè)計主要分為以下幾個部分：

① 熱設(shè)計

功率模塊的熱設(shè)計、母線電容的熱設(shè)計、整機水道的設(shè)計；

② 安規(guī)設(shè)計

高壓器件周邊的電氣間隙和爬電距離的設(shè)計；

③ 密封設(shè)計

上下殼體之間的密封、低壓連接器處密封、三相銅排處密封、三相處與電機端面的密封、水道密封等；

④ EMC設(shè)計

高壓直流測濾波設(shè)計、高低壓重疊區(qū)EMC設(shè)計、三相輸出與電機側(cè)EMC設(shè)計；

⑤ 可制造性設(shè)計

考慮到制造流程的簡單高效，設(shè)計時盡量減少零部件數(shù)量，簡化組裝工藝，優(yōu)化組裝順序。同時考慮到防錯和定位設(shè)計，控制組裝的精度誤差。

? PD

進入到產(chǎn)品開發(fā)階段的時候，我們的內(nèi)部詳細設(shè)計方案已經(jīng)初步完成，可以說從結(jié)構(gòu)布置上來看，已經(jīng)能夠滿足客戶的要求了，但是從性能方面考慮，目前還存在未知風(fēng)險點。

因此，為了滿足客戶的技術(shù)要求，我們需要通過CAE工具對客戶的一些重點關(guān)鍵技術(shù)點進行模擬仿真驗證。

一般我們結(jié)構(gòu)方面，我們需要進行的仿真項目有：

① 強度仿真/靜力仿真

如客戶一般有要求控制器上蓋能夠承受10Kpa的壓力，而不存在結(jié)構(gòu)件斷裂或者變形也不會影響到產(chǎn)品的性能，有些還會要求變形的位移量，再如機械沖擊等；

② 振動仿真

振動可以說是結(jié)構(gòu)的一大重點項，往往產(chǎn)品在DV和PV測試階段，最后的遺留問題都幾乎會存在振動，因此，在項目前期就應(yīng)該仔細地對設(shè)計方案進行摸底仿真，并進行機加工件的快速實驗驗證，找到設(shè)計薄弱點，盡快突破。

③ 流體仿真

客戶對于進出水口的壓差，在不同流速和水溫的條件下，都有明確的指標要求。

④ 熱仿真

功率器件的發(fā)熱溫度、銅排的發(fā)熱、電容芯子的發(fā)熱以及PCBA板載芯片的發(fā)熱等；

在正式進入VP階段，也就是最初的DV測試之前，作為設(shè)計人員除了通過仿真驗證設(shè)計需求外，還需要通過樣機對產(chǎn)品進行實測，從而對比仿真與實測的差異，并找到差異的原因，從而優(yōu)化設(shè)計，減少正式測試時的失效再現(xiàn)可能性，避免資源和時間的浪費。

好了，以上，就是控制器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時一般的流程框架，那么此階段我們需要輸出哪些文檔呢，下一章節(jié)做下簡要說明。

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**結(jié)構(gòu)設(shè)計輸出文檔 **

我們就不分產(chǎn)品的開發(fā)階段了，這邊將結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計階段需要輸出的文檔進行分類說明：

① 結(jié)構(gòu)方案報告書；

② 結(jié)構(gòu)需求分析報告書；

③ 詳細設(shè)計圖紙：3D模型和2D圖紙；

④ 物料BOM表；

⑤ 公差累積計算分析表：安裝、固定、散熱片壓縮以及間隙設(shè)計小于1mm的需要重點確認；

⑥ 緊固件計算表：嚙合長度以及端部間隙確認；

⑦ 密封計算表：密封圈的壓縮率和填充率等；

⑧ 安規(guī)計算表：電氣間隙和爬電距離；

⑨熱仿真報告書；

⑩ 振動仿真報告書；

? 強度仿真報告書；

? 整機重心和轉(zhuǎn)動慣量表；

? 流阻曲線表；

? 模具件產(chǎn)品清單；

? 產(chǎn)品組裝流程圖；

? 干涉檢查結(jié)果報告書；