一、控制器概述

控制器是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心控制單元。主要將來(lái)自動(dòng)力電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流電輸出給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，最終控制電動(dòng)車輛的啟動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)退速度、爬坡力度等行駛狀態(tài)。

二、控制器的組成

控制器主要由支撐電容、IGBT、驅(qū)動(dòng)板、控制板、EMC濾波板、電流傳感器、磁環(huán)、銅排、散熱器、機(jī)箱、連接器、線束等部分組成，具體器件介紹如下：

2.1 IGBT是絕緣柵雙極晶體管，在控制器內(nèi)主要起交直流轉(zhuǎn)變的作用，是電機(jī)控制器的核心電子器件，它的選型決定了控制器的輸入輸出特性。

目前乘用車控制器內(nèi)應(yīng)用最廣泛的就是英飛凌HPDriver模塊了。不過(guò)隨著國(guó)產(chǎn)器件的發(fā)展，國(guó)內(nèi)中車及BYD等都有類似封裝的IGBT。

隨著近年來(lái)新能源技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，控制器內(nèi)不再局限于使用IGBT模塊。TESLA Model 3、Audi etron、Toyota prius等車型的出現(xiàn)，也使得單管IGBT、雙面水冷IGBT、SiC等功率器件在控制器內(nèi)開(kāi)始百花齊放。

圖1 英飛凌HPD FS820R08A6P2B IGBT模塊

2.2 支撐電容：支撐電容主要在控制器內(nèi)使直流母線上的電壓波動(dòng)保持在允許范圍內(nèi)，并且防止來(lái)自直流母線的電壓過(guò)沖和瞬時(shí)過(guò)電壓對(duì)IGBT的影響。目前主要采用金屬聚丙烯薄膜介質(zhì)電容器。支撐電容在控制器內(nèi)部屬于定制件，需要依據(jù)電控內(nèi)部具體布局設(shè)計(jì)外形，然后由供應(yīng)商依據(jù)外形設(shè)計(jì)內(nèi)部布局。

圖2 一種支撐電容

圖3 一種電流傳感器

2.3 電流傳感器：電流傳感器主要在控制器內(nèi)用于檢測(cè)直流母線輸入電流及交流三相輸出電流。

2.4 驅(qū)動(dòng)板：驅(qū)動(dòng)板主要在控制器內(nèi)用于集成驅(qū)動(dòng)電路。包含IGBT驅(qū)動(dòng)部分、電源轉(zhuǎn)換部分、電流采樣部分及通信部分等。

2.5 控制板：控制板主要在控制器內(nèi)用于集成控制電路。包含主控芯片、PWM輸出電路、濾波電路、加密芯片、旋變解碼電路等。

2.6 EMC濾波板：EMC濾波板主要在控制器內(nèi)用于集成X/Y電容濾波電路。

2.7 磁環(huán)：磁環(huán)主要在控制器內(nèi)用于EMC濾波。

2.8 機(jī)箱：控制器外殼，用于集成內(nèi)部所有器件并提供安裝位置；提供諸如密封、承受沖擊和振動(dòng)、方便維修、對(duì)IGBT進(jìn)行冷卻、防EMC等功能。

2.9 銅排：銅排主要用于連接各器件，承載電流。

三、控制器模塊化設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段絕大部分電機(jī)控制器都是屬于客戶定制品。首先由主機(jī)廠將所開(kāi)發(fā)車型需求的電機(jī)控制器的相應(yīng)要求整合為SOR，然后將SOR分發(fā)給零部件供應(yīng)商。零部件供應(yīng)商依據(jù)SOR開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制器。

零部件供應(yīng)商設(shè)計(jì)控制器一般分三部分：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。依據(jù)控制器的零部件分為IGBT選型、支撐電容參數(shù)確定、電流傳感器選型、驅(qū)動(dòng)板及控制板的設(shè)計(jì)屬于硬件設(shè)計(jì)；機(jī)箱、散熱器、固定支架、銅排、屏蔽板等屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1控制器的設(shè)計(jì)流程

①、審核主機(jī)廠SOR，并就相關(guān)問(wèn)題與客戶溝通并達(dá)成一致；

②、依據(jù)SOR中的相應(yīng)參數(shù)對(duì)電子器件選型。此時(shí)需要根據(jù)工作電壓，工作電流等參數(shù)信息選擇功率器件IGBT（本文中功率器件選用IGBT模塊）、支撐電容工作電壓及容值、電流傳感器型號(hào)等；

③、依據(jù)SOR中相應(yīng)參數(shù)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)板PCBA及控制板PCBA；

④、依據(jù)SOR中相應(yīng)信息選擇輸入/輸出連接器及低壓信號(hào)連接器；

⑤、依據(jù)SOR中客戶提供的包絡(luò)尺寸及連接器位置對(duì)控制器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包含元器件布局、散熱器設(shè)計(jì)、銅排連接設(shè)計(jì)、線束走線設(shè)計(jì)、仿真（強(qiáng)度/散熱/NVH/EMC），以及軟件開(kāi)發(fā)等；

⑥、控制器打樣及樣件裝配；

⑦、控制器DVP測(cè)試；

⑧、控制器開(kāi)模、小批量試產(chǎn)、OTS認(rèn)證、SOP。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如上面所說(shuō)，如果公司硬件平臺(tái)已經(jīng)確定的，絕大部分控制器的設(shè)計(jì)工作都主要集中在控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。要求結(jié)構(gòu)工程師不僅要有機(jī)械領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)（機(jī)械設(shè)計(jì)、材料、力學(xué)、模具、機(jī)械加工制造、工藝、機(jī)械制圖等），而且需要懂得一定的電氣領(lǐng)域知識(shí)。否則，設(shè)計(jì)出的電機(jī)控制器就會(huì)存在各種問(wèn)題。

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

首先根據(jù)客戶提供的包絡(luò)尺寸及連接器、水嘴、安裝腳位置，進(jìn)行初步方案布局。主要是在包絡(luò)尺寸內(nèi)將各器件擺放在合適的位置。初步方案布局的重點(diǎn)主要是以下幾條：

1）盡量將交直流隔離，將控制器的直流輸入端和交流輸出端隔離開(kāi)，避免二者交叉形成相互干擾，不利于EMC。

2）強(qiáng)弱電分離，將控制器內(nèi)部的高壓強(qiáng)電與低壓弱電盡量隔離開(kāi)。

3）線束走線合理，盡量減少線束種類及縮短線束長(zhǎng)度。

4）預(yù)留輸入輸出位置EMC整改空間。

5）控制器重心盡量位于中心位置。

其次是提供外形數(shù)模給客戶確認(rèn)。初步方案需要給客戶提供外形數(shù)模，外形數(shù)模圖中應(yīng)該將與客戶相關(guān)的接口（連接器及進(jìn)出水嘴位置、朝向、標(biāo)識(shí)）標(biāo)識(shí)清楚。

然后是詳細(xì)方案設(shè)計(jì)，詳細(xì)方案設(shè)計(jì)主要指對(duì)控制器內(nèi)部的各零件進(jìn)行具體的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和DFMEA設(shè)計(jì)。并且應(yīng)該是先做DFMEA文件，再依據(jù)DFMEA文件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各零部件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后面分零部件詳細(xì)介紹。

再次是評(píng)審打樣，控制器的詳細(xì)方案完成后需要組織設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量、采購(gòu)、計(jì)劃等人員進(jìn)行方案評(píng)審。具體評(píng)審內(nèi)容應(yīng)該包括結(jié)構(gòu)合理性、工藝可行性、質(zhì)量可控性、采購(gòu)周期等等要點(diǎn)，最終要輸出評(píng)審記錄表。評(píng)審?fù)瓿珊笠罁?jù)評(píng)審結(jié)果修改詳細(xì)方案。

最后是樣機(jī)裝配測(cè)試，樣機(jī)物料到后組織樣機(jī)裝配，并記錄裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)。裝配完成后根據(jù)DVP進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)工作并輸出試驗(yàn)報(bào)告。

3.2.2 零件材料

零件材料一般要依據(jù)零件的作用來(lái)選擇，同時(shí)也要考慮可制造性及成本：

1）通常機(jī)箱我們選用鋁合金材料。因?yàn)殇X合金導(dǎo)熱系數(shù)高，切削性能好，價(jià)格便宜且密度比較小。在開(kāi)模前的機(jī)加工件機(jī)箱，一般選用切削性能比較優(yōu)異的6061。開(kāi)模后，為適應(yīng)批量生產(chǎn)，一般選用壓鑄鋁合金ADC12。

2）銅排主要是承載大電流，所以一般選擇導(dǎo)電性能優(yōu)異的紫銅。表面輔以鍍鎳或鍍錫處理。

3）屏蔽板主要是在控制器內(nèi)部起到屏蔽的作用。所以一般選擇金屬材料。如果屏蔽板結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，一般同機(jī)箱一樣選用鋁合金。如果是平板結(jié)構(gòu)，一般采用鈑金件，冷板即可。

4）絕緣支撐件，由于這類零件要起到絕緣的作用，一般都選用絕緣材料。通常都選用尼龍+玻纖。

3.2.3 散熱設(shè)計(jì)

控制器內(nèi)IGBT是主要的發(fā)熱器件，工作狀態(tài)下熱量比較大，需要及時(shí)將熱量導(dǎo)出去以保證其能正常工作。所以散熱水道就是關(guān)鍵點(diǎn)。散熱水道依據(jù)選用IGBT功率模塊的型號(hào)，分兩種情況：

圖4 HPD封裝推薦水道設(shè)計(jì)

1）IGBT基板底面帶有PinFin。例如常用的英飛凌HPD（FS820）模塊。這一塊直接按照英飛凌推薦設(shè)計(jì)。值得注意的是，由于車型不一樣，整車?yán)鋮s水道也不一樣，所以控制器的進(jìn)出水嘴位置也不一樣。即使是按照官方推薦水道設(shè)計(jì)的，我們也要對(duì)控制器的水道進(jìn)行散熱仿真分析，并且需要輸出熱仿真分析報(bào)告。

2）IGBT基板底面為平面。常在機(jī)箱的底部外表面設(shè)計(jì)水道蓋板，水道蓋板與機(jī)箱采用摩擦焊工藝連接。所以為防止水道蓋板鼓包，散熱水道的區(qū)域不能設(shè)計(jì)太大。在部分散熱水道必須很大的情況下，水道中間必須增加焊接點(diǎn)保證強(qiáng)度。此外，為便于IGBT的裝配，機(jī)箱內(nèi)IGBT配合面應(yīng)設(shè)計(jì)定位結(jié)構(gòu)。

控制器內(nèi)的銅排由于承載大電流，也是一個(gè)重要的發(fā)熱器件。銅排的設(shè)計(jì)重點(diǎn)要關(guān)注其截面積。

3.2.4 防振動(dòng)設(shè)計(jì)

目前各主機(jī)廠對(duì)控制器的振動(dòng)要求，以隨機(jī)振動(dòng)為例，基本都是3G起步，部分極端的要求承受10G振動(dòng)，所以控制器的零部件設(shè)計(jì)需要注意防振：

1）各零件（特別是比較重的器件）的固定點(diǎn)設(shè)計(jì)。根據(jù)器件的外形合理布局固定點(diǎn)，并且需要考慮固定腳的強(qiáng)度。

2）薄壁類零件的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)。根據(jù)要求合理設(shè)計(jì)壁厚。增加凹凸等結(jié)構(gòu)增加強(qiáng)度。鈑金件有條件增加折彎，無(wú)條件設(shè)計(jì)翻邊。

3）PCBA器件布局。PCBA上的芯片、電感、變壓器及連接器等最好設(shè)計(jì)在PCBA固定孔旁邊，并且PCBA固定孔要合理布局，間距不能太大。

4）線束綁扎設(shè)計(jì)。線束的兩端接口位置必須設(shè)計(jì)綁扎，中間在適合位置設(shè)計(jì)綁扎，避免晃動(dòng)。

3.2.5 密封設(shè)計(jì)

控制器一般要求IP67。所以，要關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1）連接器選型。所有外部連接器必須選擇滿足IP67級(jí)別；

2）密封圈工作狀態(tài)直接涉水區(qū)域，如上述HPD模塊，密封圈直接選用推薦結(jié)構(gòu)。工作狀態(tài)不直接涉水位置，如上蓋與機(jī)箱配合面，密封圈通常有如下幾種形式。

3.2.6 EMC設(shè)計(jì)

控制器的EMC設(shè)計(jì)主要還是遵循三大原則：交直流分隔、強(qiáng)弱電分離及屏蔽接地。這是從結(jié)構(gòu)方面主動(dòng)處理EMC問(wèn)題。

此外，一般在直流輸入側(cè)設(shè)計(jì)磁環(huán)及濾波板，在三相輸出端設(shè)計(jì)磁環(huán)。這兩種方式屬于被動(dòng)整改。最主要的還是從源頭上解決EMC問(wèn)題，即PCBA設(shè)計(jì)時(shí)從電路端及PCBA布局多考慮。

3.2.7 可裝配性設(shè)計(jì)

控制器屬于一種多器件裝配成的電子組件。所以內(nèi)部器件在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮可裝配性。并且目前很多裝配車間都引入了自動(dòng)化裝配線，能夠有效提升效率并降低成本。所以在器件設(shè)計(jì)時(shí)更要考慮如何適配自動(dòng)化裝配。

1）定位設(shè)計(jì)：零部件相互配合出設(shè)計(jì)定位孔定位銷等結(jié)構(gòu)限位；

2）防呆設(shè)計(jì)：對(duì)于對(duì)稱的零部件，要注重防呆設(shè)計(jì)，避免裝配錯(cuò)誤；

3）組件化設(shè)計(jì)：控制器內(nèi)相關(guān)聯(lián)的一些器件，可以設(shè)計(jì)為一個(gè)組件以適配自動(dòng)化裝配；

4）螺絲統(tǒng)一化設(shè)計(jì)：各零件的固定螺絲相同規(guī)格的盡量采用同一型號(hào)。減少裝配時(shí)拿錯(cuò)螺釘?shù)母怕省?/span>

3.2.8 輕量化設(shè)計(jì)

國(guó)家新能源發(fā)展政策對(duì)于控制器的功率密度要求越來(lái)越高，所以在對(duì)控制器的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要合理進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，在保證質(zhì)量的前提下，盡可能減少重量。

3.3硬件設(shè)計(jì)

控制器的硬件設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，然后將電路體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)板及控制板上。重點(diǎn)就在于電路原理圖設(shè)計(jì)及PCBA布局。硬件設(shè)計(jì)主要工作及流程如下：

3.3.1 器件選型

硬件工程師依據(jù)SOR提供的控制器需求參數(shù)，需要對(duì)IGBT、支撐電容、電流傳感器以及主控芯片、驅(qū)動(dòng)芯片、變壓器等器件選擇合適的型號(hào)。器件的選型需要綜合考慮成本及品質(zhì)，盡量選擇已經(jīng)批量應(yīng)用的器件，有助于品質(zhì)的穩(wěn)定性及成本的可控性。

3.3.2 電路原理圖設(shè)計(jì)

電路原理圖設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)板電路原理圖及控制板電路原理圖。驅(qū)動(dòng)板包含有驅(qū)動(dòng)電路、母線電壓采樣電路、電流采樣電路、IGBT保護(hù)電路、被動(dòng)放電電路等?？刂瓢灏兄骺仉娐贰㈦娫措娐?、CAN通訊電路、低壓輸入濾波電路、旋變解碼電路、溫度采樣電路、過(guò)流/過(guò)壓/短路保護(hù)電路等。

另外還有兩份相對(duì)簡(jiǎn)單的電路原理圖設(shè)計(jì)，分別是EMC濾波電路及轉(zhuǎn)接板電路。這兩份電路原理圖相對(duì)比較簡(jiǎn)單，其中EMC濾波板上主要就是X電容及Y電容，電容參數(shù)會(huì)依據(jù)EMC測(cè)試結(jié)果修改。轉(zhuǎn)接板是控制器低壓輸出信號(hào)需要轉(zhuǎn)接的時(shí)候才會(huì)有，主要就是轉(zhuǎn)接信號(hào)，在部分情況下也會(huì)加入部分輸出濾波電路。

電路原理圖設(shè)計(jì)完成后，需要組織相應(yīng)人員（硬件、軟件、項(xiàng)目管理、采購(gòu)、質(zhì)量、工藝、計(jì)劃等）進(jìn)行評(píng)審，評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后才能進(jìn)行下一步畫(huà)板。

3.3.3 PCB設(shè)計(jì)

電路原理圖評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后交給畫(huà)板工程師進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)：

1）由結(jié)構(gòu)工程師提供PCB的布局CAD圖，包含外形尺寸、安裝孔位及連接端子位置。Layout工程師依據(jù)CAD圖開(kāi)始布板。

2）審核原理圖，檢查是否有新元器件，如有，繪制封裝且確保封裝正確。然后開(kāi)始進(jìn)行PCB方案設(shè)計(jì)。布板中要重點(diǎn)關(guān)注EMC及工藝。

3）PCB設(shè)計(jì)完成后外發(fā)先打樣PCB，然后貼片做PCBA。

3.3.4 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試分為兩部分：?jiǎn)伟逭{(diào)試及整機(jī)調(diào)試。

1）單板調(diào)試是指測(cè)試單塊PCBA（驅(qū)動(dòng)板及控制板）的電路功能是否正常，一般無(wú)需軟件支持。

2）整機(jī)調(diào)試是在樣機(jī)裝配完成后，對(duì)整機(jī)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)控制器能否正常工作輸出對(duì)應(yīng)的參數(shù)，一般需在硬件中刷入軟件，這個(gè)過(guò)程也是同步在調(diào)試軟件。

四、軟件設(shè)計(jì)

軟件雖然是看不見(jiàn)摸不著的，但卻是控制器工作性能好壞的核心?，F(xiàn)階段控制器的軟件開(kāi)發(fā)的方向是基于AUTOSAR架構(gòu)開(kāi)發(fā)的。

4.1、軟件分層：按照AUTOSAR架構(gòu)，軟件分為四層：

①應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)（ASW）：應(yīng)用層軟件是電機(jī)控制算法及其全監(jiān)控等功能的具體實(shí)現(xiàn)，需要先確定控制器的輸入和輸出數(shù)據(jù)，控制器所包含的軟件組件 SWC （電機(jī)控制算法SWC、數(shù)據(jù)解算SWC、安全監(jiān)控功能 SWC等軟件組件）及其系統(tǒng)約束等。

②基礎(chǔ)軟件層設(shè)計(jì)（BSW）：基礎(chǔ)軟件層向應(yīng)用層軟件提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，包括外設(shè)驅(qū)動(dòng)服務(wù)、內(nèi)存管理服務(wù)、通信服務(wù)等，是連接應(yīng)用層與微控制器之間的橋梁。

圖5 AUTOSAR體系軟件架構(gòu)分層標(biāo)準(zhǔn)

圖6 控制器基礎(chǔ)軟件層框架

③基礎(chǔ)運(yùn)行時(shí)環(huán)境設(shè)計(jì)（RTE）：在完成了應(yīng)用層軟件和基礎(chǔ)軟件層的設(shè)計(jì)之后，需在實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境層定義相關(guān)接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層軟件組件之間以及應(yīng)用層與基礎(chǔ)軟件層之間數(shù)據(jù)的傳輸與調(diào)用。

④Microcontroller層：底層驅(qū)動(dòng)層是由芯片廠家提供的。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

首先需要明確應(yīng)用層軟件的輸入輸出數(shù)據(jù)以及定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，各個(gè)軟件組件的輸入輸出相關(guān)數(shù)據(jù)均列出，在 Matlab/Simulink 搭建模型后，生成的程序代碼將輸入輸出數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)體形式封裝；基礎(chǔ)軟件層中的輸入輸出數(shù)據(jù)則是在底層軟件中相關(guān)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行定義。完成各軟件層數(shù)據(jù)定義后，在中斷服務(wù)程序中將相應(yīng)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與基礎(chǔ)軟件層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

其中，應(yīng)用層軟件通過(guò)在 Matlab/Simulink 中搭建各個(gè)運(yùn)行實(shí)體模型并完成相關(guān)仿真測(cè)試，進(jìn)行代碼生成，基礎(chǔ)軟件層利用底層驅(qū)動(dòng)軟件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)外設(shè)驅(qū)動(dòng)初始化，并且包含對(duì)通信協(xié)議和中斷服務(wù)等進(jìn)行相應(yīng)配置；數(shù)據(jù)通信和服務(wù)調(diào)用通過(guò)在實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境層定義相關(guān)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)上述方法完成基于 AUTOSAR 電機(jī)控制軟件的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。最后，將各層軟件導(dǎo)入 Tasking 開(kāi)發(fā)環(huán)境中，并在編譯器中對(duì)所有程序進(jìn)行集成編譯、鏈接生成可執(zhí)行文件，將生成的可執(zhí)行文件添加到調(diào)試軟件中對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試、分析，根據(jù)分析結(jié)果可對(duì)軟件進(jìn)一步優(yōu)化。

軟件設(shè)計(jì)完成后，需要刷入控制器中進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，這個(gè)過(guò)程主要檢測(cè)控制器的輸出是否滿足功能。待控制器裝車后，跟隨整車還需要配合整車進(jìn)行一些軟件部分的工作，如整車標(biāo)定，防抖優(yōu)化、NVH優(yōu)化等等。