新能源车电机控制器技术及趋势

新能源车电机控制器技术及趋势

新能源汽车电机控制器是电动汽车的核心部件之一，负责控制电机的运转。随着新能源汽车的快速发展，电机控制器的技术也在不断进步。本文将从电机控制器的基本应用、效率优化技术、结温保护技术、发展趋势以及电流检测等多个方面，全面解析新能源汽车电机控制器的技术要点和发展趋势。

电机控制器基本应用

电机控制器是电动汽车动力系统中的关键部件，负责将电池的直流电转换为交流电，驱动电机运转。电机控制器的集成形式多种多样，主要包括：

• 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）

电机控制器的基本原理主要包括以下几个方面：

• 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。
• 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。

由于整车实际运行环境复杂，工况比较恶劣，对电机控制器的热设计提出了很高要求。仿真试验需要多层次，包括系统级、模块级、单板级和芯片级的仿真，试验需满足高精度，进行多轮次试验仿真闭环，散热器偏差±3℃，复杂工况仿真包括额定、过载典型工况仿真、堵转特殊工况仿真、周期性负载、非线性负载等，以确定控制器的最大能力。

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。

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。通过研究载频动态调整技术，可以有效降低控制器的损耗，提高控制器的效率。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，尤其是在低转速时，可以有效降低控制器的损耗，初步预计每100公里可以提供1.5公里左右的续航里程。但需要注意的是，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. 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>0.816，CPWM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。

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。

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。

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。

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结温简介保护，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。

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. 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。

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。

电机控制器技术发展趋势

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。

2. 高EMC等级：现在二代产品可能能做到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。

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. 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。产品维度来讲，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/L。

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。

电机控制器中电流检测

在控制器中，需要对电流进行检测，需要选择合适的电流传感器。我们可以把电流检测分为几个范围。

1. 检测5A到70A的直流或交流电流：检测5A到50A的直流或交流电一般选用芯片式的霍尔电流传感器，比如CH701电流传感器IC，是工业、汽车、商业和通信系统中交流或直流电流传感的经济而精确的解决方案。小封装是空间受限应用的理想选择，同时由于减少了电路板面积而节省了成本。典型应用包括电机控制、负载检测和管理、开关电源和过电流故障保护。CH701可以检测到50A峰值的电流。如果需要检测更大电流，需要更高的隔离电压，可以选择更大电流范围的产品，比如16脚的CH701W系列，电流范围可以到70A，绝缘耐压可以到4800Vrms。

2. 检测50A到200A的直流或交流电流：可以选用直插型的电流传感器

CH704 是专为大电流检测应用开发的隔离集成式电流传感芯片。CH704 内置 0.1 mΩ 的初级导体电阻，有效降低芯片发热支持大电流检测：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其内部集成独特的温度补偿电路以实现芯片在 -40 到150度全温范围内良好的一致性。出厂前芯片已做好灵敏度和静态（零电流）输出电压的校准，在全温度范围内提供 ±2% 的典型准确性。

3. 检测200A到1000A以上的直流或交流电流：可以选用线性霍尔加磁环的方式，使用可编程的霍尔传感器，能够实现高达1500A的电流检测。例如：CHI612 可编程线性霍尔芯片，支持 5V 单电源供电。120 kHz带宽，< 3us 响应时间，0.8 – 24 mV/G 可编程，全温-40到150度范围内可实现 2% 精度。芯片出厂前完成静态（零电流）输出电压的校准。