电机控制器技术及趋势-新能源

起源: 电动之家

一、电机节制器根本利用

1.1电机节制器图示

1.2电机节制器集成情势

集成情势包含：

单主驱节制器、辅件三合一节制器（集成：EHPS节制器+ACM节制器+DCDC）、辅件五合一节制器（集成：EHPS节制器+ACM节制器+DCDC+PDU+双源EPS节制器）、乘用车节制器（集成：主驱+DCDC）、物流车三合一节制器（集成：主驱+DCDC+PDU）、物流车五合一节制器（集成：主驱+EHPS节制器+ACM节制器+DCDC+PDU）。

1.3 电机节制器根本原理

电机节制器根本功效：经由过程逆变桥调制输出正玄波来驱动电机，多合一的节制器包含

配电回路：为集成节制器各部门提供配电，如TM打仗器、熔断器、电空调回路供电、电除霜回路供电等等；

IGBT驱动回路：接管节制旌旗灯号，驱动IGBT并反馈状况，提供电压隔离以及掩护；

辅助电源：为节制电路提供电源，为驱动电路提供隔离电源；

DSP电路：接管整车节制指令，并提供反馈信息，检测电机体系传感器信息，依据指令传输电机节制旌旗灯号；

布局与散热体系：为电机节制器提供散热，提供节制器安装支撑，提供节制器平安防护。

电机节制器热设计

整车现实运行情况繁杂，工况比拟恶劣，对热设计提出很高要求：

仿真实验必要多条理：

体系级（主要着重于节制器体系级的热包含水道设计合理性以及节制级内部环温仿真，体系级仿真包含模块级的模子）

模块级（症结部件模子电容，铜牌的仿真，经由过程密度、热流密度从而仿真电容的温度）

单板级 （仿真单板情况温度、单板上症结零件散热，目标是为了准确单板某个症结器件的散热，好比单板放了一些症结电阻。若前期做了单板的仿真，可以更快做设计上面的准确设计）

芯片级（IGBT、主功率模块仿真，IGBT是模块节制器焦点，若何施展IGBT最年夜才能，取决于IGBT芯片级仿真的精确度）

实验需满意高精度：进行多轮次实验实验仿真闭环，散热器误差±3℃

繁杂工况仿真：额定、过载典型工况仿真、堵转特殊工况仿真、周期性负载、非线性负载肯定节制器最年夜的才能。

二、电控体系效力优化技术

电控体系效力晋升1%，对整车经济性以及重量都很有上风，效力优化技术包含载频动态调整、DPWM发波技术、过调制技术、广域高效HSM电机。

2.1、载频动态调整技术

电控体系最主要的损耗起源是逆变器部门，逆变器损耗70%来自开关部门。

从开关损耗角度低落，研讨了载频动态调整技术。经由过程仿真实验发现，调整开关频率后，节制器效力最年夜可以晋升2%左右，使用动态载频率技术，尤其是在低转速，对载频要求不那么高的时刻，调整载频可以有用低落节制器的损耗，提供节制器的效力，初步预计每100公里可以提供1.5公里左右，载频不克不及无穷制下调，还必要斟酌整车噪音和电机节制的必要。

2.2、DPWM发波技术利用

不持续发波的技术利用，采纳DPWM技术比COWM技术削减1/3的开关次数，可以明显低落开关次数，到达削减开关损耗的目标。

当调制比M>0.816，CPWM和DPWM调制下的谐波近似雷同。此区域可采纳DPWM技术以低落器件损耗。

2.3、过调制技术利用

节制器损耗包含开关损耗和导动损耗。导动损耗与输出电流有很年夜关系，输出功率必定的环境下，输出电流低落对应输出电压必要响应进步。

经由过程参加过调制，能有用进步弱磁区输出功率和输出转矩，进步输出电压4%，峰值功率对应进步4%左右，改善整车在高速的动力机能；

经由过程参加过调制，输出雷同功率，电流会显著低落，能减小体系发烧，进步节制器的过载才能，改善整车动力机能；

经由过程参加过调制，能有用进步基波电压，与没有过调制相比，可以有用进步电机效力，电机电流能显著减小（0~8%），效力进步可以有用延伸续航里程。

2.4、广域高效HSM电机

除了电控效力晋升，还包含电机效力晋升。

HSM电机混条约步电机，相比IPM电机可以统筹低速区效力和高速区效力。HSM尤其在中高速恒功率运行区域内，效力上风加倍显著。实验发如今低速区、高速区，HSM效力高于惯例IPM电机，总体来看使用HSM技术之后可以进步电机效力。

在公交车与集团车工况下，IPM与HSM电机进行对照，HSM电机占上风。

斟酌整车工况的综合能效定向优化技术，经由过程调整电机各损耗分量比例，实现效力的定向优化，联合详细车型路况信息，定制化开发综合能效更高的电机，进步续航里程。

三、电控体系模块结温掩护技术

做了许多热仿真，获得了节制器的最年夜才能，最年夜才能未必能掩护好电机节制器，实际工况很繁杂。

3.1、IGBT结温估算实际意义

结温是鉴定IGBT处于平安运行的紧张前提，IGBT的事情结温限定着节制器的最年夜输出才能。

IGBT过热毁坏影响严重，有许多方面因素，例如设计因素、繁杂工况、高震荡、温度冲击，硅脂的老化，根据NTC进行IGBT结温的间接掩护，存在必定的局限性，在堵转等极度工况下，热能散布很不平均、IGBT与NTC存在温差，且NTC与结温的关系不是很明白，必要前期实验探索，NTC相应光阴慢，不克不及精确实时反映结温颠簸状况。易引起IGBT过热毁坏，传统使用NTC进行IGBT结温简介掩护，存在局限性。

单纯使用NTC进行掩护，在工况恶劣的环境下，很危险。

3.2、基于NTC的IGBT结温估算

依据事情参数，如电压电流频率，做准确的热仿真，提取热流参数，计算校订，提前预估IGBT结温。颠末测试、仿真与软件模子相互校验，终极结温估算偏差±3℃以内。

3.3、基于温度采样二极管的IGBT结温估算

温度采样二极管直接集成在IGBT中央，相对付传统模块可以直接采集到晶元结温（近似），进步模块才能、可以或许获得晶元的结温颠簸，进步靠得住性，保证寿命，毛病在于直接采集晶元结温，高下压的安规问题。

模块6路结温采样，模块及外部电路本钱增高，今朝采纳1各IGBT结的温度，单路二极管的温度，经由过程损耗计算，热流参数计算，推导出其他几路IGBT的温度。

采纳单路二极管温度采样，应用先进的损耗计算及热流参数计算办法、测试、仿真与软件模子相互校验，结温估算偏差稳态可达3℃以内，瞬态10℃以内。

3.4、基于结温估算的温度掩护策略

上风：

结温的监控加倍直接，整车的加快机能更好；

及时监控结温，在堵转极限工况下，既能施展出节制器的最年夜才能，又能保证节制器不会过温毁坏，整车的平安性更高；

在整车正常运行的工况下，将IGBT的电流才能施展到最年夜，整车动力性更强；

节制器可以联合现实运行工况进行一些更前卫的算法研讨，例如IGBT寿命毁伤度及时计算等，进步整车的靠得住性。

掩护步伐：

设置结温限定，当结温有风险时，进行降载频或者降转矩策略；风险解除，降频或者转矩数据回升。

四、电机节制器技术成长趋向

4.1高平安性

力矩平安经由过程：SBC+MCU监控架构、高压备份电源、平安相关驱动芯片、IGBT故障的周全诊断、自力平安关断路径、自力ADC通道的旋变旌旗灯号解码、分歧质两路高压采样电路、分歧质三相电流霍尔传感器等实现。

4.2、高EMC品级

如今二代产物可能能做到class3、class4，以后EMC要做到class5，要求步伐要做到小型化，本钱更低。EMC焦点突破立异定位在：以更优的滤波计划，更低本钱的EMC器件本钱到达高品级EMC要求。如EMC要求到达class5，体积占比小于5%，本钱小于50RMB。

成长研讨内容包含：“电控+电机”体系EMC办理计划，焦点器件EMC特征研讨及办理计划，“电控+电机”体系EMC仿真平台。

4.3、高压化

主要针对乘用车，今朝电压广泛300-400V左右，以后可能往高压化成长，超等快速充电和功率需求晋升是电动汽车高压化的内涵驱动力。如充电电压从400V晋升至800V，充电光阴可以缩短一半。这一块必需晋升，电动汽车将来才个遍及，高压化是成长的一个趋向，对应这个趋向，逆变器的设计会从650V IGBT的设计往更高的750V以及1200V IGBT的偏向成长。

4.4、高功率密度

从分装角度，传统易用型模块向方砖、超薄形状，末了裸DBC/芯片情势如许的趋向成长。形状体积随分装向小型化成长，2018年或者将来可以到达2013年形状体积年夜小的1/10。

从芯片这个维度，往高效力、高操作结温偏向成长，如E3芯片，操作结温为150℃，EDT2芯片结温可以晋升至175℃，SIC碳化硅芯片结温可以跨越175℃，假如E2芯片功率损耗为1，后两者功率损耗分离为0.8和0.3到0.5之间。使用SiC器件可以明显低落开关损耗，晋升体系效力，削减死区光阴，晋升体系输出才能。从电池包和节制器的总体斟酌，总本钱降落5%，从整车斟酌，续航里程增长10%。使用SiC器件之后可以或许晋升整体效力。

跟着器件的成长和分装技术的成长，本钱猜测会慢慢低落。

产物维度来讲，供给海马的节制器，可以做到18kW/L，第二个乘用车节制器功率密度可以做到26 kW/L，最新的乘用车节制器正在做可以做到35 kW/L，将来使用SiC资料预计功率密度能做到45 kW/L。

4.5、器件集成化和定制化

功效平安，高度集成化:

功效平安，更高主频:

驱动隔离IC：功效平安，高集成度:

模子电容已经高度定制化了，乃至在模子电容里集成EMC的。好比节制器EMC 的Y电容，零丁加一个电路板，将来向集成化成长。这是电机节制器自己，将来体系也是向着集成化成长。