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電動汽車用電機控制器的設(shè)計方法

2022-02-11 17:58:16·  來源：驅(qū)動視界  
　
汽車應(yīng)用對電機和控制器的苛刻要求推動新型電機和電力電子控制器技術(shù)的發(fā)展。永磁一磁阻同步電機具有新能源汽車應(yīng)用的良好前景。電動汽車和混合動力車用電機系統(tǒng)
汽車應(yīng)用對電機和控制器的苛刻要求推動新型電機和電力電子控制器技術(shù)的發(fā)展。
永磁一磁阻同步電機具有新能源汽車應(yīng)用的良好前景。
電動汽車和混合動力車用電機系統(tǒng)有眾多種類 , 功率各不相同動力蓄電池冷卻風(fēng)扇電機功率40W；電動油泵電機功率80W；電動冷卻水泵電機功率40W；電動空調(diào)電機功率為6KW; 集成式起動/發(fā)電機（ISG）功率為15KW；混合動力發(fā)電機40-105KW；牽引電機功率60KW-147KW。
大郡開發(fā)的用于車用驅(qū)動電機系統(tǒng)（圖1）有四個類別 。
目前已經(jīng)應(yīng)用在長安杰勛混合動力汽車的是集成式起動/發(fā)電機 , 驅(qū)動電機電壓為105-190V， 峰值功率為18KW以上 , 峰值扭矩為110Nm 。
圖1 汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)
為一汽奔騰混合動力轎車和東風(fēng)乘用車配套的是帶有皮帶驅(qū)動起動/發(fā)電機（BSG）和牽引電機的雙電機強混合系統(tǒng) ,BSG 持續(xù)功率為3KW , 峰值功率為7KW ,系統(tǒng)最高效率為90%；牽引電機持續(xù)功率為22KW ,峰值功率為28KW, 峰值扭矩為153Nm , 系統(tǒng)最高效率92% 。
為上海大眾帕薩特領(lǐng)馭燃料電池車配套的稀土永磁一 磁阻同步電機的持續(xù)功率為45KW , 峰值功率為90KW , 峰值扭矩210Nm ,系統(tǒng)最高效率93% 。
為上海申沃混合動力城市客車配套的是含ISG 和牽引電機的雙電機系統(tǒng) , 系統(tǒng)電壓280-420V ,ISG持續(xù)功率20KW , 峰值功率30KW, 峰值扭矩300Nm；牽引電機持續(xù)功率為40KW , 峰值功率為80KW, 峰值扭矩為550Nm , 系統(tǒng)最高效率92% 。
混合動力系統(tǒng)功能是機電能量轉(zhuǎn)換 。
動力蓄電池作為電源或負載 （儲電裝置）；發(fā)動機作為機械負載或機械能源；電機作為雙向機電能量轉(zhuǎn)換裝置；逆變器作為交流 、直流電能轉(zhuǎn)換裝置 , 控制器作為上述能量轉(zhuǎn)換的控制裝置 。
其工作模式中電機可兼作電動和發(fā)電運行 。
電動模式一電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能
  • 逆變器從動力蓄電池獲得功率
  • 電機從逆變器獲得電功率
  • 電機輸出機械能 , 推動車輛前進
發(fā)電模式一電機作為發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能
  • 在減速 、制動時 , 制動能量帶動電機發(fā)電機輸入機械能
  • 發(fā)電機輸出電能
  • 逆變器由交流電變?yōu)橹绷麟?, 向動力蓄電池充電。
電機驅(qū)動系統(tǒng)的功率限制因素
整個機電系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換以串聯(lián)形式實現(xiàn) 。
系統(tǒng)功率由轉(zhuǎn)換過程中功率最小的環(huán)節(jié)決定 。
  • 動力蓄電池功率由動力電池電壓和電流能力決定
  • 逆變器功率由功率半導(dǎo)體器件（IGBT或MOSFET）的電壓和電流能力以及散熱能力決定
  • 電機功率由電機散熱能力決定 。
電機驅(qū)動系統(tǒng)特征（圖2）
1.電機的大小取決于輸出力矩 （而不是功率） 及散熱能力 。
2.就一個給定電機而言 , 在不考慮散熱限制前提下
一 電機的低速下最大力矩輸出取決于逆變器的電流能力
一 電機高速下輸出力矩的能力受制于逆變器的電壓
一最大電機輸出功率由逆變器KVA決定
3. 評價一個電機驅(qū)動系統(tǒng)的指標
一最大輸出力矩與轉(zhuǎn)速的外特性曲線 （圖2）
一恒功率調(diào)速范圍
一 效率分布圖（Efficiency Map）而不是某一點最高效率
一 電機輸出功率(KW) 與逆變器KVA之比
一力矩密度(Nm/(A-T)/m3
圖 2
電動汽車對電機系統(tǒng)要求(圖3)
1.結(jié)構(gòu)緊湊 、尺寸小
2.重量輕
3.可靠性高 、失效模式可控
4.效率高
5.成本低
6.低噪聲和低振動
7.恒功率調(diào)速范圍寬
圖 3
電機系統(tǒng)設(shè)計難點與選擇(圖4)
1.封裝設(shè)計 (機械安裝結(jié)構(gòu) 、散熱安排)提高電機與減速器的集成和控制器的集成 。
選擇散熱( 風(fēng)冷 、水冷 、油冷+ 水冷) 的形式 。
2.電機類型的選擇與比較
常用交流無刷電機有感應(yīng)電機 、開關(guān)磁阻電機和永磁電機 。
而永磁電機由于尺寸小 、效率高是電動車尤其是乘用車的主流技術(shù) 。

圖 4
表面式永磁同步電機的特點是力矩密度高 、效率高 , 但弱磁困難 ,恒功率調(diào)速范圍窄。見(圖5)

圖 5
要拓展恒功率調(diào)速區(qū)域 , 可以通過降低磁場強度達到調(diào)速要求 , 即最高轉(zhuǎn)速下設(shè)計的反電勢不高 。
這樣 , 失效模式比較安全 , 但要求較大容量的逆變器和較高系統(tǒng)成本 。
拓展恒功率調(diào)速區(qū)域另一個方法是增加電機電感 , 也可以達到調(diào)速要求 , 但降低了電機功率因素 , 增加了逆變器KVA , 提高了系統(tǒng)成本;此外 , 這種設(shè)計在最高轉(zhuǎn)速下反電勢很高 , 故障失效模式不安全 。
永磁一磁阻同步電機是一種將永磁電機和磁阻電機結(jié)合在一起的新型電機復(fù)合結(jié)構(gòu) , 其特點是弱磁容易 , 調(diào)速范圍寬 , 效率較高 , 力矩密度較高 , 但由于飽和非線性 、控制復(fù)雜 、結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,優(yōu)化設(shè)計較難 。
附表列出表面式永磁電機與永磁一磁阻電機的比較
附表：表面式永磁電機與永磁-磁阻電機之比較
表面式永磁電機不適合用于電動汽車 。
日本本田汽車公司表面式永磁電機曾用于EV Plus純電動車和Insigh混合動力車 , 但在第二代電動車和Insigh混合動力車上采用永磁一磁阻電機 (內(nèi)置式) 。
與第一代相比，力矩密度提高15%；功率密度提高64% , 效率提高3%, 最高轉(zhuǎn)速提高25% 。
3.電機與減速器/變速器的集成
采用減速器可以在不改變功率的前提下大大降低峰值扭矩從而降低電機的體積和成本 , （電機尺寸取決于峰值力矩） , 且要根據(jù)實際應(yīng)用需要 , 優(yōu)化配置電機與減速器/變速器組合。
4.直流母線電壓的影響（圖6）
在電流不變的前提下 , 提高母線電壓可增加逆變器的功率能力（圖6） 。
因此 , 只要電機散熱允許 , 電機系統(tǒng)的輸出功率與母線電壓成正比 ,但提高電壓意味著需要動力蓄電池模塊更多單體電池串聯(lián) , 因而動力蓄電池可靠性下降 。
為解決此矛盾 , 可以引入高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器 （圖7） , 在不改變動力電池電壓前提下提高電機的控制電壓 , 從而提高電機輸出功率 。
利用大功率DC/DC 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)直流母線電壓動態(tài)調(diào)節(jié) , 從而提高系統(tǒng)效率和可靠性。
大功率DC/DC 轉(zhuǎn)換器的另一用途是可用于匹配控制兩種不同的電源 （動力蓄電池+ 燃料電池 , 動力蓄電池+ 超級電容器等） , 實現(xiàn)電+電混合。

圖 6

圖 7 匹配蓄電池與電機電壓：引入高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器


5. 成本的挑戰(zhàn)
電機系統(tǒng)的成本是電動車/混合動力車市場化重要障礙之一 。
電動車和混合動力車動力系統(tǒng)成本由動力蓄電池或燃料電池 、電力電子 、電機 、減速器/變速器等組成 , 必須采用系統(tǒng)方法削減成本。
削減成本的途徑有
1.系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計 , 避免過設(shè)計 , 提高集成度
2.在制造方面可借用汽車制造能力 , 提高電機及電力電子系統(tǒng)的制造效率
3.增加產(chǎn)量 , 可與整車制造商之間分享共同的供應(yīng)商資源；與工業(yè)部門共同分享另部件資源；
4.政府應(yīng)在市場起步時提供資助 , 幫助推動技術(shù)的發(fā)展 , 進入良性循環(huán) 。
整車制造商與電機系統(tǒng)供應(yīng)商全力合作是電動汽車/混合動力汽車成功的關(guān)鍵 。
1.需整車制造商對電機系統(tǒng)提出設(shè)計要求 , 尤其是整車最惡劣工況
2.與整車制造商同步設(shè)計 , 系統(tǒng)集成
發(fā)動機 、變速器 、電機總成設(shè)計
機電一體化封裝設(shè)計
一體化熱管理設(shè)計
功能優(yōu)化設(shè)計
3.恰當?shù)卦O(shè)計認證測試方法
以整車最惡劣工況為基礎(chǔ)設(shè)計可靠性耐久測試
軟件可靠性測試
不同層次（部件 、總成 、整車）電磁兼容測試
在與整車制造商合作過程中系統(tǒng)設(shè)計是關(guān)鍵：包括將電機與發(fā)動機一體化集成為混合動力發(fā)動機總成 、電機與減速器/變速器一體化集成為混合動力變速器總成 、電機與電力電子和動力蓄電池的優(yōu)化組合 。
電力電子控制器構(gòu)成
1.DSP電機控制器
（1）它接受整車控制器的指令并反饋信息
（2）檢測電機系統(tǒng)內(nèi)傳感器信息
（3）根據(jù)指令和傳感器信息產(chǎn)生逆變器開關(guān)信號
2.功率模塊（IGBT）驅(qū)動電路
（1）接受DSP的開關(guān)信息并反饋相關(guān)信息
（2）放大開關(guān)信號并驅(qū)動IGBT
（3）提供電壓隔離和保護功能（欠電壓 、過電壓 、過電流 、過溫 、短路）
（4）絕緣功能 , 采用耐高壓驅(qū)動芯片
（5）防電磁干擾
3.控制電源電路
（1）為DSP提供電源
（2）為驅(qū)動電路和控制電路提供多路相互防離的電源
（3）絕緣功能
（4）寬范圍輸入電壓（6-18V）
（5）防電磁干擾
4.結(jié)構(gòu)與散熱系統(tǒng)
（1）為電力電子模塊散熱
（2）為控制器組件安裝提供抗振的支撐
（3）為控制器提供環(huán)境保護
（4）為保證可靠性 , 需保證功率模塊（IGBT）芯片工作溫度不超過150 ℃
（5）根據(jù)實際要求選擇冷卻方式 （水冷或風(fēng)冷）
可靠性設(shè)計
可靠性設(shè)計的目的保證產(chǎn)品在其預(yù)定的應(yīng)用范圍和使用年限內(nèi)可靠工作 。
系統(tǒng)可靠性由最薄弱的關(guān)鍵元器件 （功率模塊和電解電容）的可靠性決定 。
針對特定應(yīng)用的產(chǎn)品設(shè)計要求與限制條件 , 根據(jù)功率循環(huán) 、環(huán)境溫度與循環(huán) 、振動 、目標壽命產(chǎn)品設(shè)計需求 , 關(guān)鍵元器件的失效機理（過電壓 、過溫 、溫度循環(huán) 、振動） 、最惡劣使用工況（最惡劣功率循環(huán) , 環(huán)境溫度 、溫度循環(huán) 、振動條件） 進行設(shè)計和論證
設(shè)計認證測試
認證測試是檢驗設(shè)計是否達到設(shè)計要求的客觀驗證手段 。
目前尚缺乏完整電動汽車/ 混合動力車用電機系統(tǒng)測試標準 。
常有的論證測試試驗包括：
1.功能及性能試驗包括電機系統(tǒng)外特征 、系統(tǒng)效率分布圖 、力矩控制精度 、溫升試驗 、保護功能試驗 、電氣安全試驗 。
2.環(huán)境適應(yīng)性試驗
包括高溫 、高濕運行試驗 、低溫運行試驗 、溫度循環(huán)運行試驗 、高 、低溫存儲試驗 、防水 、防塵試驗 、抗振動試驗 。
3.電磁兼容試驗
包括傳導(dǎo)及輻射干擾 、傳導(dǎo)及輻射防護 、防靜電能力ESD 。
4.可靠性（壽命）試驗
包括最惡劣工況下加速壽命試驗和高低溫沖擊試驗
電力電子控制器發(fā)展趨勢
1.新控制器拓撲結(jié)構(gòu) , 例如豐田采用的可調(diào)直流母線電壓的DC/DC與逆變器集成的拓撲 。
2.高度系統(tǒng)集成 , 如：將起動/發(fā)電機控制器 、牽引電機控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器一體集成為電力電子控制器總成 、電力電子控制器與動力蓄電池管理模塊集成 、熱管理集成等
3.研制適合電動汽車/混合動力汽車應(yīng)用的高集成度 、智能型汽車等級功率模塊 、薄膜電容新器件 。
結(jié)論
1.電力電子和電機驅(qū)動系統(tǒng)是純電動車和混合動力車的關(guān)鍵零部件
2.汽車應(yīng)用對電機和控制器苛刻要求 , 將推動新型電機及電力電子控制器技術(shù)的發(fā)展
3.永磁一磁阻同步電機在新能源汽車應(yīng)用領(lǐng)域具有良好前景
4.我國電機系統(tǒng)供應(yīng)商面臨巨大挑戰(zhàn) , 尤其是可靠性 、電磁兼容 、輕量化和成本方面
5.系統(tǒng)設(shè)計方法及汽車制造商與供應(yīng)商之間密切合作是破解挑戰(zhàn)的良策
6.我國電機系統(tǒng)供應(yīng)商有機會成為全球電動汽車市場的主要供應(yīng)商 。
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