1電機(jī)控制器基本應(yīng)用

1.1電機(jī)控制器集成形式

集成形式包括：

單主驅(qū)控制器尸褪、輔件三合一控制器（集成：EHPS控制器+ACM控制器+DCDC）辜伟、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）仇穗、乘用車控制器（集成：主驅(qū)+DCDC）奠衔、物流車三合一控制器（集成：主驅(qū)+DCDC+PDU）谆刨、物流車五合一控制器（集成：主驅(qū)+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU）。

1.2 電機(jī)控制器基本原理

電機(jī)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(jī)归斤，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痊夭，如TM接觸器、熔斷器官册、電空調(diào)回路供電生兆、電除霜回路供電等等；

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

輔助電源：為控制電路提供電源籍喧，為驅(qū)動電路提供隔離電源水仑；

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

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

電機(jī)控制器熱設(shè)計

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

仿真試驗(yàn)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)溫仿真逞扰，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，銅牌的仿真威视，通過密度唾浙、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)鍵零件散熱捂齐，目的是為了精確單板某個關(guān)鍵器件的散熱蛮放，比如單板放了一些關(guān)鍵電阻。若前期做了單板的仿真奠宜，可以更快做設(shè)計上面的精確設(shè)計）

芯片級（IGBT包颁、主功率模塊仿真，IGBT是模塊控制器核心挎塌，如何發(fā)揮IGBT最大能力徘六，取決于IGBT芯片級仿真的準(zhǔn)確度）

試驗(yàn)需滿足高精度：進(jìn)行多輪次試驗(yàn)試驗(yàn)仿真閉環(huán)，散熱器偏差±3℃

復(fù)雜工況仿真：額定榴都、過載典型工況仿真待锈、堵轉(zhuǎn)特殊工況仿真、周期性負(fù)載嘴高、非線性負(fù)載確定控制器最大的能力竿音。

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(jì)性以及重量都很有優(yōu)勢拴驮，效率優(yōu)化技術(shù)包括載頻動態(tài)調(diào)整春瞬、DPWM發(fā)波技術(shù)、過調(diào)制技術(shù)守犯、廣域高效HSM電機(jī)费犯。

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飘示，逆變器損耗70%來自開關(guān)部分绷冈。

從開關(guān)損耗角度降低，研究了載頻動態(tài)調(diào)整技術(shù)每竿。通過仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帐等，調(diào)整開關(guān)頻率后，控制器效率最大可以提升2%左右塞俗，使用動態(tài)載頻率技術(shù)颤赤，尤其是在低轉(zhuǎn)速，對載頻要求不那么高的時候皱埋，調(diào)整載頻可以有效降低控制器的損耗暑锈，提供控制器的效率糊批，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)怕收，還需要考慮整車噪音和電機(jī)控制的需要嘿辟。

2.2舆瘪、DPWM發(fā)波技術(shù)應(yīng)用

不連續(xù)發(fā)波的技術(shù)應(yīng)用片效，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)英古，達(dá)到減少開關(guān)損耗的目的淀衣。

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

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)動損耗唠叛。導(dǎo)動損耗與輸出電流有很大關(guān)系只嚣，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)提高艺沼。

通過加入過調(diào)制册舞，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%障般，峰值功率對應(yīng)提高4%左右调鲸，改善整車在高速的動力性能；

通過加入過調(diào)制瘾枉，輸出相同功率称痊，電流會明顯降低，能減小系統(tǒng)發(fā)熱缆兆，提高控制器的過載能力缸日，改善整車動力性能；

通過加入過調(diào)制狡允，能有效提高基波電壓绝话，與沒有過調(diào)制相比，可以有效提高電機(jī)效率贱僚，電機(jī)電流能明顯減辛郯（0~8%），效率提高可以有效延長續(xù)航里程吝沃。

2.4便师、廣域高效HSM電機(jī)

除了電控效率提升，還包括電機(jī)效率提升俱竭。

HSM電機(jī)混合同步電機(jī)刮粥，相比IPM電機(jī)可以兼顧低速區(qū)效率和高速區(qū)效率车份。HSM尤其在中高速恒功率運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，效率優(yōu)勢更加明顯牡彻。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在低速區(qū)扫沼、高速區(qū)，HSM效率高于常規(guī)IPM電機(jī)庄吼，總體來看使用HSM技術(shù)之后可以提高電機(jī)效率缎除。

在公交車與團(tuán)體車工況下，IPM與HSM電機(jī)進(jìn)行對比总寻，HSM電機(jī)占優(yōu)勢器罐。

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(jī)各損耗分量比例渐行，實(shí)現(xiàn)效率的定向優(yōu)化轰坊，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(jī)祟印，提高續(xù)航里程肴沫。

3電控系統(tǒng)模塊結(jié)溫保護(hù)技術(shù)

做了很多熱仿真，得到了控制器的最大能力蕴忆，最大能力未必能保護(hù)好電機(jī)控制器明因，現(xiàn)實(shí)工況很復(fù)雜。

3.1个宾、IGBT結(jié)溫估算現(xiàn)實(shí)意義

結(jié)溫是判定IGBT處于安全運(yùn)行的重要條件梅砰，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(yán)重颁音，有很多方面因素姨篮，例如設(shè)計因素、復(fù)雜工況恕下、高震動截抄、溫度沖擊，硅脂的老化桥庵，依據(jù)NTC進(jìn)行IGBT結(jié)溫的間接保護(hù)掰弯，存在一定的局限性，在堵轉(zhuǎn)等極端工況下氯鲫，熱能分布很不均勻窍颗、IGBT與NTC存在溫差，且NTC與結(jié)溫的關(guān)系不是很明確倾祈，需要前期試驗(yàn)摸索吸占，NTC響應(yīng)時間慢，不能準(zhǔn)確及時反映結(jié)溫波動狀態(tài)凿宾。易引起IGBT過熱損壞矾屯，傳統(tǒng)使用NTC進(jìn)行IGBT結(jié)溫簡介保護(hù)兼蕊，存在局限性。

單純使用NTC進(jìn)行保護(hù)件蚕，在工況惡劣的情況下孙技，很危險。

3.2排作、基于NTC的IGBT結(jié)溫估算

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

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中間越客，相對于傳統(tǒng)模塊可以直接采集到晶元結(jié)溫（近似）敏袄，提高模塊能力、能夠得到晶元的結(jié)溫波動瀑兜，提高可靠性坚为，保證壽命，缺點(diǎn)在于直接采集晶元結(jié)溫按翅，高低壓的安規(guī)問題尿绕。

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

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

3.4属韧、基于結(jié)溫估算的溫度保護(hù)策略

優(yōu)勢：

結(jié)溫的監(jiān)控更加直接安拟，整車的加速性能更好蛤吓；

實(shí)時監(jiān)控結(jié)溫，在堵轉(zhuǎn)極限工況下糠赦，既能發(fā)揮出控制器的最大能力会傲，又能保證控制器不會過溫?fù)p壞，整車的安全性更高拙泽；

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

控制器可以結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行一些更前衛(wèi)的算法研究泼疑，例如IGBT壽命損傷度實(shí)時計算等，提高整車的可靠性株速。

保護(hù)措施：

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

4電機(jī)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)交鹊、高壓備份電源净纬、安全相關(guān)驅(qū)動芯片、IGBT故障的全面診斷酥盼、獨(dú)立安全關(guān)斷路徑打洋、獨(dú)立ADC通道的旋變信號解碼、不同質(zhì)兩路高壓采樣電路传等、不同質(zhì)三相電流霍爾傳感器等實(shí)現(xiàn)剥跃。

4.2、高EMC等級

現(xiàn)在二代產(chǎn)品可能能做到class3譬奈、class4密哈，以后EMC要做到class5，要求措施要做到小型化莺戒，成本更低伴嗡。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(dá)到高等級EMC要求从铲。如EMC要求達(dá)到class5瘪校，體積占比小于5%，成本小于50RMB名段。

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

4.3麻惶、高壓化

主要針對乘用車馍刮，目前電壓普遍300-400V左右，以后可能往高壓化發(fā)展窃蹋，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)動力卡啰。如充電電壓從400V提升至800V，充電時間可以縮短一半警没。這一塊必須提升匕冠，電動汽車未來才個普及，高壓化是發(fā)展的一個趨勢患赏，對應(yīng)這個趨勢逾族，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界北、高功率密度

從分裝角度床斜，傳統(tǒng)易用型模塊向方磚、超薄外形痢玖，最后裸DBC/芯片形式這樣的趨勢發(fā)展光稽。外形體積隨分裝向小型化發(fā)展，2018年或者未來可以達(dá)到2013年外形體積大小的1/10氨案。

從芯片這個維度，往高效率芙掖、高操作結(jié)溫方向發(fā)展锻刺，如E3芯片，操作結(jié)溫為150℃伊镐，EDT2芯片結(jié)溫可以提升至175℃懂版，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躏率，后兩者功率損耗分別為0.8和0.3到0.5之間躯畴。使用SiC器件可以顯著降低開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)效率薇芝，減少死區(qū)時間蓬抄，提升系統(tǒng)輸出能力。從電池包和控制器的總體考慮夯到，總成本下降5%嚷缭，從整車考慮，續(xù)航里程增加10%耍贾。使用SiC器件之后能夠提升整體效率阅爽。

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

產(chǎn)品維度來講付翁，供應(yīng)海馬的控制器简肴，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百侧，最新的乘用車控制器正在做可以做到35 kW/L尚羽，未來使用SiC材料預(yù)計功率密度能做到45 kW/L。

4.5酝梧、器件集成化和定制化

功能安全斜回，高度集成化:

功能安全，更高主頻：

驅(qū)動隔離IC：功能安全掸阶，高集成度：

模型電容已經(jīng)高度定制化了凳贰，甚至在模型電容里集成EMC的。比如控制器EMC 的Y電容窟著，單獨(dú)加一個電路板哗励，未來向集成化發(fā)展。這是電機(jī)控制器本身危暇，未來系統(tǒng)也是向著集成化發(fā)展界橱。

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