浅谈电动汽车电机控制单元(MCU)

浅谈电动汽车电机控制单元(MCU)

电机控制单元 (MCU) 是电动汽车中的关键组件，负责控制电机的运行。本文将从多个方面介绍 MCU 的相关知识，包括其定义、功能、硬件架构、工作原理及未来发展趋势。

什么是电机控制单元MCU？

电机控制单元 (MCU) 是一个电子模块，介于电池和电机之间，根据电门输入控制电动汽车的速度和加速度。控制器将电池的直流电转换为交流电，并调节电池的功率输出，驱动电机工作。控制器还能在再生制动过程中反转电机旋转，反向为电池充电。

电动汽车的电机控制器根据电压、功率和电流不同，大致可分为以下几类：

MCU的主要功能

电机控制单元是电动汽车电机的中央控制枢纽，执行多项重要功能，以确保平稳高效的驾驶。它的主要职责是将电池提供的直流电（DC）转换为驱动电机的三相交流电（AC）。

此外，MCU 还监控温度、电流和电压等关键参数，以优化电机性能并防止潜在的故障。它还能根据驾驶员或车辆控制系统的输入精确控制电机的速度、扭矩、方向以及电机相应输出功率。

电机控制单元（MCU）主要的功能有：

• 控制电机扭矩和速度
• 启动/停止电机
• 防止电气故障
• 提供过载保护
• 改变电机旋转方向
• 再生制动

MCU典型硬件架构

下图显示了 MCU 的典型硬件架构框图。它主要由电源部分、电流检测电路、逆变器电路（VSI）、CAN 收发器和微控制器MCU等组成。

• 微控制器MCU：微控制器本身的主要控制输入来自车辆驾驶员可控制的电门信号。该电门信号将决定 PWM 脉冲的占空比如何变化，以获得所需的速度和扭矩。为了实现高效快速的控制，微控制器可以实施了 FOC 控制。

• VSI(Voltage Source Inverter)：VSI 的主要功能是通过电机的位置反馈将直流电转换为交流电。一般来说，VSI 使用六个 IGBT。不过，为了提高逆变器的电流能力，也会使用 IGBT 的并联组合。低压电机（通常低于 100V）采用 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），高电压电机则采用氮化镓（GaN）功率开关和碳化硅（SiC）/绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动器。

• 电流检测电路：为了感应电机相电流，使用了基于霍尔效应的电流传感器。一般情况下，使用两个电流传感器来感应两相电流，第三相电流则从这两个传感器中推导出来。

• 电源：为了向微控制器、电机温度传感器和位置传感器供电，需要不同电平的电源。此外，由于微控制器内置了电流传感器，需要电源为这些传感器提供适当的偏置电压。为了满足这些要求，电源部分根据需要将电池的直流电压转换成不同的电压。

• 栅极驱动器：栅极驱动器电路用于放大微控制器产生的 PWM 脉冲电压电平，继而驱动IGBT。

• CAN 收发器：CAN 收发器的作用主要是收发CAN 总线上的数据。实现MCU与车上其他模块之间的通信。

MCU的工作原理

微控制器MCU负责执行复杂的控制算法并管理电机的整体运行。它还提供一个外部通信接口（主要是 CAN），使其能够与系统中的其他 ECU 通信，并从 VCU 获取控制信息。MCU产生的PWM信号经过栅极驱动器放大，用于控制电源开关IGBT。逆变器VSI可实现直流电和交流电之间的转换。通常情况下，采用六个 IGBT 配置3个半桥来实现这种转换，并增加并联数量以满足电机的电流要求。各种检测和采样电路提供电机参数反馈，如位置、相电流、温度等，以实现精确控制。

电机的类型多种多样，如 BLDC/PMSM 直流电机和交流电机。因此，电动汽车使用的电机控制算法将取决于电机和控制类型（开环或闭环）。对应关系如下表：

MCU未来发展趋势

• 控制多路电机。电动汽车行业在不断发展，电机控制装置也在不断取得重大进步。一个新出现的趋势是开发能够同时控制多个电机的电机控制装置。

• 在电机方面，探索轮毂驱动和中置驱动两种模式。

• 随着对MCU集成度和效率要求的提高，第三代半导体材料将会在MCU中广泛应用，典型代表就是SiC和GaN。与传统的硅基开关相比，氮化镓功率开关具有开关速度更高、功率损耗更低、热性能更好等优点。因此，电机控制装置效率更高，能耗更低，功率密度更大。SiC和IGBT 驱动器可提供更高的工作温度和电压能力，从而在要求苛刻的电动汽车应用中提高性能和可靠性。

• MCU 的智能化。MCU 中的机器学习和人工智能可保护数据完整性并减少人为错误。

随着电动汽车的普及，电机控制单元MCU在提升电动汽车性能方面的作用变得越来越重要。我们相信随着MCU架构和技术的不断进步，未来的电动汽车将更加高效、强大和可持续。