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2024年12月03日，日本起手一力辽
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新能源电动汽车电机控制器技术2019-12-26 17:05·旺材电机与电控如今新能源汽车越来越受关注车用空调系统在汽车领域越来越广今天我们就来关注一下新能源汽车看一看新能源电动汽车电机控制器技术一、电机控制器基本应用1.1电机控制器图示1.2电机控制器集成形式集成形式包括：单主驱控制器、辅件三合一控制器（集成：EHPS控制器+ACM控制器+DCDC）、辅件五合一控制器（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）1.3 电机控制器基本原理电机控制器基本功能：通过逆变桥调制输出正玄波来驱动电机多合一的控制器包括配电回路：为集成控制器各部分提供配电如TM接触器、熔断器、电空调回路供电、电除霜回路供电等等；IGBT驱动回路：接收控制信号驱动IGBT并反馈状态提供电压隔离以及保护；辅助电源：为控制电路提供电源为驱动电路提供隔离电源；DSP电路：接收整车控制指令并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：为电机控制器提供散热提供控制器安装支持提供控制器安全防护电机控制器热设计整车实际运行环境复杂工况比较恶劣对热设计提出很高要求：仿真试验需要多层次：系统级（主要侧重于控制器系统级的热包括水道设计合理性以及控制级内部环温仿真系统级仿真包括模块级的模型）模块级（关键部件模型电容铜牌的仿真通过密度、热流密度从而仿真电容的温度）单板级 （仿真单板环境温度、单板上关键零件散热目的是为了精确单板某个关键器件的散热比如单板放了一些关键电阻若前期做了单板的仿真可以更快做设计上面的精确设计）芯片级（IGBT、主功率模块仿真IGBT是模块控制器核心如何发挥IGBT最大能力取决于IGBT芯片级仿真的准确度）试验需满足高精度：进行多轮次试验试验仿真闭环散热器偏差±3℃复杂工况仿真：额定、过载典型工况仿真、堵转特殊工况仿真、周期性负载、非线性负载确定控制器最大的能力二、电控系统效率优化技术电控系统效率提升1%对整车经济性以及重量都很有优势效率优化技术包括载频动态调整、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最主要的损耗来源是逆变器部分逆变器损耗70%来自开关部分从开关损耗角度降低研究了载频动态调整技术通过仿真试验发现调整开关频率后控制器效率最大可以提升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候调整载频可以有效降低控制器的损耗提供控制器的效率初步预计每100公里可以提供1.5公里左右载频不能无限制下调还需要考虑整车噪音和电机控制的需要2.2、DPWM发波技术应用不连续发波的技术应用采用DPWM技术比COWM技术减少1/3的开关次数可以显著降低开关次数达到减少开关损耗的目的当调制比M>0.816CPWM和DPWM调制下的谐波近似相同此区域可采用DPWM技术以降低器件损耗2.3、过调制技术应用控制器损耗包括开关损耗和导动损耗导动损耗与输出电流有很大关系输出功率一定的情况下输出电流降低对应输出电压需要相应提高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%峰值功率对应提高4%左右改善整车在高速的动力性能；通过加入过调制输出相同功率电流会明显降低能减小系统发热提高控制器的过载能力改善整车动力性能；通过加入过调制能有效提高基波电压与没有过调制相比可以有效提高电机效率电机电流能明显减小（0~8%）效率提高可以有效延长续航里程2.4、广域高效HSM电机除了电控效率提升还包括电机效率提升HSM电机混合同步电机相比IPM电机可以兼顾低速区效率和高速区效率HSM尤其在中高速恒功率运行区域内效率优势更加明显试验发现在低速区、高速区HSM效率高于常规IPM电机总体来看使用HSM技术之后可以提高电机效率在公交车与团体车工况下IPM与HSM电机进行对比HSM电机占优势考虑整车工况的综合能效定向优化技术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三、电控系统模块结温保护技术做了很多热仿真得到了控制器的最大能力最大能力未必能保护好电机控制器现实工况很复杂3.1、IGBT结温估算现实意义结温是判定IGBT处于安全运行的重要条件IGBT的工作结温限制着控制器的最大输出能力IGBT过热损坏影响严重有很多方面因素例如设计因素、复杂工况、高震动、温度冲击硅脂的老化依据NTC进行IGBT结温的间接保护存在一定的局限性在堵转等极端工况下热能分布很不均匀、IGBT与NTC存在温差且NTC与结温的关系不是很明确需要前期试验摸索NTC响应时间慢不能准确及时反映结温波动状态易引起IGBT过热损坏传统使用NTC进行IGBT结温介绍保护存在局限性单纯使用NTC进行保护在工况恶劣的情况下很危险3.2、基于NTC的IGBT结温估算根据工作参数如电压电流频率做精确的热仿真提取热流参数计算校正提前预估IGBT结温经过测试、仿真与软件模型互相校验最终结温估算误差±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中间相对于传统模块可以直接采集到晶元结温（近似）提高模块能力、能够得到晶元的结温波动提高可靠性保证寿命缺点在于直接采集晶元结温高低压的安规问题模块6路结温采样模块及外部电路成本增高目前采用1各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3.4、基于结温估算的温度保护策略优势：结温的监控更加直接整车的加速性能更好；实时监控结温在堵转极限工况下既能发挥出控制器的最大能力又能保证控制器不会过温损坏整车的安全性更高；在整车正常运行的工况下将IGBT的电流能力发挥到最大整车动力性更强；控制器可以结合实际运行工况进行一些更前卫的算法研究例如IGBT寿命损伤度实时计算等提高整车的可靠性保护措施：设置结温限制当结温有风险时进行降载频或者降转矩策略；风险解除降频或者转矩数据回升四、电机控制器技术发展趋势4.1高安全性力矩安全通过：SBC+MCU监控架构、高压备份电源、安全相关驱动芯片、IGBT故障的全面诊断、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等级现在二代产物可能能做到class3、class4以后EMC要做到class5要求措施要做到小型化成本更低EMC核心突破创新定位在：以更优的滤波方案更低成本的EMC器件成本达到高等级EMC要求如EMC要求达到class5体积占比小于5%成本小于50RMB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、高压化主要针对乘用车目前电压普遍300-400V左右以后可能往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如充电电压从400V提升至800V充电时间可以缩短一半这一块必须提升电动汽车未来才个普及高压化是发展的一个趋势对应这个趋势逆变器的设计会从650V IGBT的设计往更高的750V以及1200V IGBT的方向发展4.4、高功率密度从分装角度传统易用型模块向方砖、超薄外形最后裸DBC/芯片形式这样的趋势发展外形体积随分装向小型化发展2018年或者未来可以达到2013年外形体积大小的1/10从芯片这个维度往高效率、高操作结温方向发展如E3芯片操作结温为150℃EDT2芯片结温可以提升至175℃SIC碳化硅芯片结温可以超过175℃如果E2芯片功率损耗为1后两者功率损耗分别为0.8和0.3到0.5之间使用SiC器件可以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从电池包和控制器的总体考虑总成本下降5%从整车考虑续航里程增加10%使用SiC器件之后能够提升整体效率随着器件的发展和分装技术的发展成本预测会逐步降低产物维度来讲供应海马的控制器可以做到18kW/L第二个乘用车控制器功率密度可以做到26 kW/L最新的乘用车控制器正在做可以做到35 kW/L未来使用SiC材料预计功率密度能做到45 kW/L4.5、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:模型电容已经高度定制化了甚至在模型电容里集成EMC的比如控制器EMC 的Y电容单独加一个电路板未来向集成化发展这是电机控制器本身未来系统也是向着集成化发展
18日：阴天间多云，南部区县有小雨或阵雨，23℃～30℃；“汉语桥”世界大学生中文比赛泰国赛区举行决赛