汽车电机网(新能源汽车电机)

电动汽车电机控制器概述

1.2电机控制器的集成形式

整合形式包括:

主驱动控制器、附件三合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC)、附件五合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU+袁爽EPS控制器)、客车控制器(集成:主驱动+DCDC)、物流车三合一控制器(集成:主驱动+DCDC+PDU)、PDU

1.3电机控制器的基本原理

电机控制器的基本功能:逆变桥调制输出正玄波驱动电机。该一体化控制器包括

配电电路:为集成控制器各部分提供配电，如TM接触器、保险丝、电动空调节电路、电动除霜电路等。

IGBT驱动电路:接收控制信号，驱动IGBT并反馈状态，提供电压隔离和保护；

辅助电源:控制电路电源和驱动电路隔离电源；

DSP电路:接收整车控制指令，提供反馈信息，检测电机系统的传感器信息，根据指令发送电机控制信号；

结构和散热系统:为电机控制器提供散热，为控制器安装提供支撑，为控制器提供安全保护。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

电机控制器的热设计

整车实际运行环境复杂，工况比较恶劣，对热设计提出了很高的要求:

模拟需要多个级别:

系统级(主要关注控制器系统级热包括水路设计的合理性和控制级内部环境温度的模拟，系统级模拟包括模块级模型)

模块(关键部件模型电容器，模拟铜牌，通过密度和热流密度模拟电容器温度)

单板级(模拟单板的环境温度和单板上关键部件的散热，目的是精确的对单板的某个关键器件进行散热，比如在单板上放一些关键电阻。如果前期做单板的仿真，设计上面的精确设计可以做的更快)

芯片级(IGBT，主电源模块仿真，IGBT是模块控制器的核心，如何发挥IGBT的最大能力取决于IGBT芯片级仿真的精度)

测试需要满足高精度:模拟闭环进行多轮测试，散热器偏差为±3℃

复杂工况模拟:额定和过载典型工况模拟、堵转特殊工况模拟、周期性负载和非线性负载决定了控制器的最大容量。

电子控制系统效率优化技术

电控系统效率提高1%，有利于整车的经济性和重量。效率优化技术包括载波频率的动态调整、DPWM波产生技术、过调制技术和广域高效HSM电机。

2.1、载频动态调整技术

电控系统的主要损耗来源是逆变部分，逆变损耗的70%来自开关部分。

为了降低开关损耗，研究了载波频率的动态调整技术。通过仿真测试发现，调整开关频率后，控制器的效率最高可提高2%左右。利用动态载频技术，特别是在低速时载频不是那么高的情况下，调整载频可以有效降低控制器的损耗，提高控制器的效率。初步估计每100km能提供1.5km左右，载频不可能无限下调。还要考虑整车的噪音和电机控制的需要。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

2.2.DPWM波浪发电技术的应用

在不连续波发电技术的应用中，DPWM技术比COWM技术减少了1/3的开关次数，可以显著减少开关次数，达到降低开关损耗的目的。

当调制指数m >: 0.816时，CPWM和DPWM调制下的谐波大致相同。DPWM技术可用于这一领域，以减少器件损耗。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

2.3.过调制技术的应用

控制器损耗包括开关损耗和传导损耗。传导损耗与输出电流有很大关系。当输出功率不变时，当输出电流减小时，需要提高输出电压。

通过加入过调制，可有效提高弱磁场的输出功率和扭矩，输出电压可提高4%，峰值功率可相应提高4%左右，从而提高整车高速时的动力性能。

通过加入过调制，输出相同功率时电流会明显减小，可以减少系统发热，提高控制器过载能力，提高整车动力性能。

通过加入过调制，可以有效提高基波电压，与无过调制相比，可以有效提高电机效率，明显降低电机电流(0~8%)，通过提高效率可以有效延长续航里程。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

2.4.广域高效HSM电机

除了电控效率的提高，还包括电机效率的提高。

与IPM电机相比，HSM电机混合式同步电机可以兼顾低速区效率和高速区效率。特别是在中高速恒功率运行领域，HSM的效率优势更加明显。研究发现，在低速和高速区域，HSM的效率高于传统的IPM电机。一般来说，使用HSM技术可以提高电机的效率。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

与HSM电机相比，IPM电机在母线和组母线条件下优于HSM电机。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

考虑整车工况综合能效定向优化技术，通过调整电机各损耗分量的比例，实现效率的定向优化。结合具体车型的路况信息，定制综合能效更高的电机，提高续航里程。

电子控制系统模块结温保护技术

进行了大量的热仿真，得到了控制器的最大容量。最大容量可能无法保护电机控制器，实际工况非常复杂。

3.1.IGBT结温度估算的实际意义

结温是决定IGBT安全运行的重要条件，IGBT的工作结温限制了控制器的最大输出能力。

IGBT因过热而严重受损。设计因素、复杂工况、高振动、温度冲击、硅脂老化等因素很多。基于NTC的IGBT结温间接保护有一定的局限性。在极端工况下，比如堵转，热能分布很不均匀，IGBT和NTC存在温差，NTC和结温的关系不明确，需要前期探索。NTC响应时间慢，不能准确及时地反映结温的波动。很容易造成IGBT过热而损坏。NTC对IGBT结温的传统保护有其局限性。

在恶劣的工作条件下，简单地使用NTC进行保护是非常危险的。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

3.2.基于NTC的IGBT结温估计

根据工作参数，如电压和电流频率，进行精确的热模拟，提取热流参数，计算和校正，并提前预测IGBT结温。经过测试、模拟和软件模型的相互验证，最终温度的估计误差在±3℃以内。

3.3.基于温度采样二极管的IGBT结温估计

与传统模块相比，温度采样二极管直接集成在IGBT中，可以直接采集晶圆的结温(近似值)，提高了模块能力，获得了晶圆结温的波动，提高了可靠性，保证了使用寿命。缺点在于直接采集晶圆结温，高低压的安全问题。

六通道结温采样导致模块和外部电路成本更高。目前采用每个IGBT结的温度和单个二极管的温度，通过损耗计算和热流参数计算推导出其他IGBT的温度。

采用单通道二极管温度采样、先进的损耗计算和热流参数计算方法，测试、仿真和软件模型相互校验，稳态时结温估计误差可达3℃以内，瞬态时可达10℃以内。

3.4.基于结温估计的温度保护策略

优势:

结温监测更直接，整车加速性能更好；

结温实时监控，既能充分发挥控制器的最大能力，又能保证控制器不会因超温而损坏，整车安全性更高；

在整车正常运行情况下，IGBT目前的产能会最大化，整车动力更强；

控制器可以结合实际工况进行一些更前卫的算法研究，如实时计算IGBT寿命损伤程度等。，提高整车的可靠性。

保护措施:

设定结温限值，当结温有风险时，执行降低负载频率或转矩的策略；风险消除、频率降低或扭矩数据恢复。

电机技术的发展趋势

4.1高安全性

通过SBC+MCU监控架构、高压备用电源、安全相关驱动芯片、IGBT故障综合诊断、独立安全关断路径、独立ADC通道旋变信号解码、两种不同质量的高压采样电路、不同质量的三相电流霍尔传感器等，可以安全实现转矩。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

4.2.高EMC等级

现在第二代产品可能可以达到class3和class4。未来，EMC将达到class5，这就要求措施小型化，成本更低。EMC的核心突破和创新在于:有了更好的滤波方案，更低成本的EMC器件成本就能满足高等级EMC的要求。如果EMC要求达到class5，容积率小于5%，成本小于50元。

研究内容包括:“电控+电机”系统电磁兼容解决方案、核心器件电磁兼容特性研究及解决方案、“电控+电机”系统电磁兼容仿真平台。

4.3、高压

主要是乘用车，目前电压一般在300-400V左右，以后可能会发展到高压。超快充电和不断增加的电力需求是电动汽车高电压的内在驱动力。如果充电电压从400V提高到800V，充电时间可以缩短一半。这一块必须升级，以后电动车会普及。高电压是一种发展趋势。与此趋势相对应，逆变器的设计将从650V IGBT向更高的750V和1200V IGBT发展。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

4.4.大功率密度

从封装上看，传统的易用模块正在向方砖、超薄外形以及最终裸露的DBC/芯片形式发展。随着封装的发展，形状会小型化，2018年或未来会达到2013年的1/10大小。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

从芯片的这个维度来看，它正在向高效率和高工作结温方向发展。比如E3芯片工作结温150℃，EDT2芯片结温可以提升到175℃，SIC碳化硅芯片结温可以超过175℃。如果E2芯片功耗为1，后两个功耗分别在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，提高系统效率，减少死区时间，提高系统输出能力。从电池组和控制器整体考虑，总成本下降5%，从整车考虑，续航里程增加10%。使用SiC器件后，可以提高整体效率。

来源:汇川科技，TF证券研究所。

随着器件和封装技术的发展，成本预测会逐渐降低。

就产品尺寸而言，供应海马的控制器可以达到18kW/L，第二款乘用车控制器的功率密度可以达到26 kW/L，正在制造的最新款乘用车控制器可以达到35 kW/L，未来SiC材料的功率密度有望达到45 kW/L。

4.5.设备的集成和定制

安全、高度集成:

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安全性，更高的频率:

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隔离IC:安全功能和高集成度；

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模型电容经过高度定制，甚至EMC的也集成在模型电容中。例如，将来会集成控制器EMC的Y电容器，带有单独的电路板。这是电机控制器本身，未来的系统也在向集成化发展。

来源|汇川科技、TF证券研究所、王采电机及其控制整理