电机控制器技术发展与效率提升策略

1电机控制器应用概述

　　1.1电机控制器集成化模式

　　集成化模式涵盖以下类型：

　　单主驱控制器、三合一辅件控制器（集成：EHPS控制器+ACM控制器+DCDC）、五合一辅件控制器（集成：EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU+双源EPS控制器）、乘用车控制器（集成：主驱+DCDC）、物流车三合一控制器（集成：主驱+DCDC+PDU）、物流车五合一控制器（集成：主驱+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU）。

　　1.2电机控制器工作原理

　　电机控制器核心功能：通过逆变桥调制输出正弦波驱动电机，多合一控制器具备以下功能：

　　配电回路：为集成控制器各部分供电，如TM接触器、熔断器、电空调回路供电、电除霜回路供电等；

　　IGBT驱动回路：接收控制信号，驱动IGBT并反馈状态，提供电压隔离及保护；

　　辅助电源：为控制电路供电，为驱动电路提供隔离电源；

　　DSP电路：接收整车控制指令，提供反馈信息，检测电机系统传感器信息，根据指令传输电机控制信号；

　　结构与散热系统：为电机控制器散热，提供安装支持，保障控制器安全。皖南电机价格表

　　电机控制器热设计

　　由于整车运行环境复杂，工况恶劣，对热设计要求极高：

　　仿真试验需多层级：系统级、模块级、单板级、芯片级；

　　试验需高精度：多轮次试验，散热器偏差±3℃；

　　复杂工况仿真：额定、过载、堵转、周期性负载、非线性负载确定控制器*大能力。

　　2电控系统效率提升策略

　　提升电控系统效率1%，对整车经济性和重量都有益，效率提升策略包括载频动态调整、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

　　电控系统主要损耗来自逆变器部分，逆变器损耗70%来自开关部分。

　　从降低开关损耗角度，研究了载频动态调整技术。皖南电机仿真试验发现，调整开关频率后，控制器效率可提升2%左右，使用动态载频率技术，尤其是在低转速时，调整载频可有效降低控制器损耗，提高效率，预计每100公里可提供1.5公里左右，载频下调需考虑整车噪音和电机控制需求。

　　2.2DPWM发波技术应用

　　采用DPWM技术比COWM技术减少1/3的开关次数，显著降低开关次数，减少开关损耗。

　　当调制比M>0.816时，CPWM和DPWM调制下的谐波近似相同，此区域可采用DPWM技术降低器件损耗。

　　2.3过调制技术应用

　　通过加入过调制，能有效提高弱磁区输出功率和输出转矩，提高输出电压4%，峰值功率提高4%左右，改善整车高速动力性能；

　　降低输出电流，减小系统发热，提高控制器过载能力，改善整车动力性能；

　　提高基波电压，提高电机效率，减小电机电流（0~8%），提高续航里程。

　　2.4广域高效HSM电机

　　HSM电机混合同步电机，相比IPM电机，在中高速恒功率运行区域内效率优势更明显。试验发现，HSM电机在低速区和高速区的效率均高于常规IPM电机，使用HSM技术后可提高电机效率。

　　在公交车与团体车工况下，HSM电机占优势。

　　通过调整电机各损耗分量比例，实现效率的定向优化，结合具体车型路况信息，定制化开发综合能效更高的电机，提高续航里程。

　　3电控系统模块结温保护技术

　　虽然通过热仿真得到了控制器的*大能力，但在复杂工况下，*大能力未必能保护电机控制器。

　　3.1IGBT结温估算的重要性

　　结温是判定IGBT安全运行的关键条件，限制着控制器的*大输出能力。

　　IGBT过热损坏影响严重，原因包括设计因素、复杂工况、高震动、温度冲击等。

　　传统使用NTC进行IGBT结温保护存在局限性，易引起IGBT过热损坏。

　　3.2基于NTC的IGBT结温估算

　　根据工作参数，如电压、电流、频率，进行精确的热仿真，提取热流参数，计算校正，提前预估IGBT结温。通过测试、仿真与软件模型互相校验，*终结温估算误差±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中间，可采集晶元结温（近似），提高模块能力，得到晶元结温波动，提高可靠性，但存在高低压安规问题。

　　模块6路结温采样，模块及外部电路成本增高，目前采用1个IGBT结的温度，单路二极管的温度，通过损耗计算、热流参数计算，推导出其他几路IGBT的温度。

　　采用单路二极管温度采样，利用先进的损耗计算及热流参数计算方法、测试、仿真与软件模型互相校验，结温估算误差稳态可达3℃以内，瞬态10℃以内。安徽皖南电机

　　3.4基于结温估算的温度保护策略

　　结温**更直接，整车加速性能更好；

　　实时**结温，在堵转极限工况下，既能发挥控制器*大能力，又能保证控制器不过温损坏，提高整车安全性；

　　在整车正常运行工况下，将IGBT电流能力发挥到*大，提高整车动力性；

　　控制器可结合实际运行工况进行算法研究，提高整车可靠性。

　　保护措施：设置结温限制，当结温有风险时，进行降载频或降转矩策略；风险解除，降频或转矩数据回升。

　　4电机控制器技术发展动向

　　4.1高安全性

　　通过SBC+MCU**架构、高压备份电源、安全相关驱动芯片、IGBT故障全面诊断、独立安全关断路径、独立ADC通道的旋变信号解码、不同质两路高压采样电路、不同质三相电流霍尔传感器等实现。

　　4.2高EMC等级

　　二代产品可能达到class3、class4，未来EMC需达到class5，要求措施小型化、低成本。EMC核心创新定位在：以更优的滤波方案、更低成本的EMC器件实现高等级EMC要求。

　　发展研究内容包括：“电控+电机”系统EMC解决方案，核心器件EMC特性研究及解决方案，“电控+电机”系统EMC仿真平台。

　　4.3高压化

　　针对乘用车，目前电压普遍300-400V，未来可能向高压化发展，超级快速充电和功率需求提升是电动汽车高压化的内在驱动力。

　　逆变器设计将从650V IGBT向更高750V、1200V IGBT发展。

　　4.4高功率密度

　　从分装角度看，传统易用型模块向方砖、超薄外形，*后裸DBC/芯片形式发展。外形体积随分装向小型化发展，未来可达到2013年外形体积的1/10。

　　从芯片角度看，向高效率、高操作结温方向发展，如E3芯片、EDT2芯片、SIC碳化硅芯片等。使用SiC器件可显著降低开关损耗，提升系统效率，减少死区时间，提升系统输出能力。使用SiC器件后，整体效率可提升。安徽皖南电机

　　随着器件和分装技术的发展，成本预测将逐步降低。

　　产品维度上，供应海马的控制器可达18kW/L，乘用车控制器功率密度可达26kW/L，*新乘用车控制器正在做，可达到35kW/L，未来使用SiC材料预计功率密度可达45kW/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，更高主频：

　　驱动隔离IC：功能安全，高集成度：

　　模型电容已高度定制化，甚至在模型电容中集成EMC。例如控制器EMC的Y电容，未来将向集成化发展。这是电机控制器本身，未来系统也将向集成化发展。