電動(dòng)汽車用碳化硅輪邊電機(jī)控制器高效控制技術(shù)研究

摘" 要：電動(dòng)汽車的高溫、高濕、高熱量的工作環(huán)境，對(duì)碳化硅（SiC）輪邊電機(jī)控制器提出高功率密度、耐高溫的要求。而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的有效提升，對(duì)電機(jī)控制器發(fā)揮著重要作用。該文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從碳化硅電機(jī)控制器硬件研究、軟件研究及輪邊電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定方法、技術(shù)路線等方面進(jìn)行研究，最終確保所研究產(chǎn)品具有高效、精準(zhǔn)的良好性能。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；輪邊電機(jī)；碳化硅控制器；高效控制；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率

中圖分類號(hào)：U469.72" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）19-0047-04

Abstract： The working environment of electrical vehicles（EVs） with high temperature， humidity and heat has posed the requirements of high power density and high temperature resistance for silicon carbide （SiC） wheel side motor controller. The motor controller plays an important role in effectively improving the efficiency of the drive system. Based on the analysis of the current situation of similar products at home and abroad， this paper studies the SiC motor controller hardware research， software research and wheel side motor system calibration method， technical route and other aspects. Finally， it ensures that the products studied have high efficiency， accuracy and good performance.

Keywords： electric vehicle; wheel side motor; SiC controller; high efficiency control; drive system efficiency

美國(guó)能源部制定的目標(biāo)是要將電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的功率密度提高到100 kW/L，而我國(guó)“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃也將這一指標(biāo)提高到100 kW/L。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，世界各國(guó)的研究者紛紛把目光集中到碳化硅等新一代的半導(dǎo)體器件上。輪邊電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)也是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化、智能化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化智能底盤的必然選擇。隨著車輛智能化新能源化不斷發(fā)展，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能化、集成化、模塊化程度會(huì)越來越高，而汽車是一個(gè)相對(duì)狹小的空間，零部件的布局受限，基于高溫、高濕、高熱量的工作環(huán)境，對(duì)電子器件的散熱性、耐高溫性及高功率密度提出了更高的要求。而碳化硅沒有門檻電壓，在小電流階段的時(shí)候，其低損耗的優(yōu)勢(shì)就會(huì)比較明顯。車規(guī)級(jí)碳化硅絕大部分應(yīng)用均為小功率，因此，在整車匹配過程中非常優(yōu)越。碳化硅器件在常溫和高溫下，開關(guān)特性的差異是非常小的，這也是其比較大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。碳化硅的優(yōu)點(diǎn)從模塊層面能夠帶來更高的效率、更低的損耗。以新能源汽車為例，可以實(shí)現(xiàn)更低的電驅(qū)動(dòng)損耗，可以提高續(xù)航里程，或者相同的續(xù)航里程可以節(jié)省電池、降低成本，所以這也是碳化硅輪邊控制器（圖1）在汽車領(lǐng)域越來越多被采用的原因。該方案開發(fā)出的碳化硅輪邊電機(jī)控制器，能高效精準(zhǔn)地控制車輛轉(zhuǎn)矩、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)速，滿足電動(dòng)車輛行駛過程中的穩(wěn)定性和舒適性。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

隨著新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率、功率密度、可靠性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的要求越來越嚴(yán)格[1]。而電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的有效提升，對(duì)電機(jī)控制器發(fā)揮著重要作用?；诘谌鷮捊麕О雽?dǎo)體-碳化硅材料的金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）具有低導(dǎo)通損耗、高開關(guān)頻率、高熱穩(wěn)定性等優(yōu)異特性（圖2），將采用SiC功率模塊的電機(jī)控制器應(yīng)用到電動(dòng)汽車中，可以降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損耗，提升整車效率，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善電動(dòng)汽車NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度，即Noise、Vibration、Harshness的英文縮寫）特性，對(duì)電動(dòng)汽車的普及具有重要意義。

碳化硅的2個(gè)核心優(yōu)勢(shì)，第一是開關(guān)損耗，尤其在800 V以上，開關(guān)損耗遠(yuǎn)好于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），因?yàn)槠渚哂懈斓乃俣燃胺聪蚧謴?fù)的特性等。第二是導(dǎo)通損耗，為充分展示碳化硅電機(jī)控制器良好的性能優(yōu)勢(shì)，我國(guó)許多學(xué)者及領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行了全面的研究，并提出了自己的見解，如貴州大學(xué)的吳欽木等[2]建立永磁同步機(jī)（PMSM）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損耗模型，通過對(duì)控制器參數(shù)的比較，分析出碳化硅的PMSM電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的影響。華中科技大學(xué)的何澤宇[3]研究了脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)延時(shí)對(duì)基于碳化硅的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損耗影響，并設(shè)計(jì)了一臺(tái)碳化硅感應(yīng)電機(jī)控制器進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用碳化硅可以提升感應(yīng)電機(jī)的電流環(huán)控制性能，降低系統(tǒng)損耗。南京航空航天大學(xué)的秦海鴻[4]設(shè)計(jì)2臺(tái)基于碳化硅和硅的PMSM電機(jī)控制器，研究結(jié)論表明，在同等條件下，碳化硅控制器的性能明顯優(yōu)于硅控制器，如碳化硅控制器的效率提高1%，同時(shí)溫升下降了2℃。

近年來，新能源汽車快速發(fā)展，在全球范圍內(nèi)碳化硅電機(jī)控制器的生產(chǎn)企業(yè)主要包括ZF、Qorvo、BorgWarner、特斯拉和英搏爾等，其充分利用碳化硅功能器件的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出具備高效率、高精度、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)的電機(jī)控制器，用于不同類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如德國(guó)的博世公司開發(fā)出的200 kW級(jí)PMSM電機(jī)控制器，充分利用公司自身封裝的碳化硅功率模塊，并增加了諧波注入功能。研發(fā)成果表明，通過高開關(guān)頻率的諧波注入不僅使碳化硅的電機(jī)控制器效率超過98%，而且降低了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲；而德國(guó)的西門子公司和法雷奧公司聯(lián)合開發(fā)的載波頻率達(dá)到20 kHz的全新碳化硅電機(jī)控制器，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試碳化硅電機(jī)控制器的損耗得出，碳化硅電機(jī)控制器的能耗與硅電機(jī)控制器相比，能耗損失大大降低，當(dāng)能耗開關(guān)頻率提升一倍時(shí)， 碳化硅電機(jī)控制器的損耗降低了50%以上；國(guó)內(nèi)的匯川動(dòng)力公司開發(fā)出的150 kW級(jí)碳化硅PMSM電機(jī)控制器，經(jīng)研究表明，在相同工況標(biāo)準(zhǔn)下，碳化硅電機(jī)控制器與硅電機(jī)控制器的續(xù)航里程提升5%，且控制器效率提升2%。以上結(jié)果表明，利用碳化硅材料開發(fā)出的電機(jī)控制器，具有能耗低、效率高的良好性能，從而可大幅提高輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率及功率密度，將成為未來電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的主流選擇。

2" 主要研究?jī)?nèi)容

電機(jī)控制器作用是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池直流電和驅(qū)動(dòng)電機(jī)交流電的轉(zhuǎn)換。電機(jī)控制器的硬件、軟件、標(biāo)定方法會(huì)直接影響分布式輪邊電機(jī)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率、可靠性、響應(yīng)精度和響應(yīng)時(shí)間等，因此，研究主要包括以下內(nèi)容。

2.1" 碳化硅輪邊電機(jī)控制器電氣設(shè)計(jì)

碳化硅輪邊電機(jī)控制器針對(duì)車輛在復(fù)雜工況下，實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出，來保證車輛行駛的穩(wěn)定性，并最大程度地提升系統(tǒng)效率。新能源汽車高壓電池輸出直流電流，經(jīng)過薄膜電流整容器整流，進(jìn)入模塊組件的驅(qū)動(dòng)電路，并通過控制板控制驅(qū)動(dòng)電路將高壓電池的直流電流轉(zhuǎn)化為可直接輸入驅(qū)動(dòng)機(jī)的交流電流，從而完成整個(gè)逆變過程[5-8]。碳化硅輪邊電機(jī)控制器的電氣設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

2.2" 碳化硅輪邊電機(jī)控制器硬件研究

在滿足不低于功能安全ASIL C的前提下對(duì)碳化硅輪邊電機(jī)控制器硬件進(jìn)行分解，研究適用于碳化硅功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)硬件、碳化硅驅(qū)動(dòng)電源供電硬件、被動(dòng)放電硬件、CAN FD硬件、主控芯片供電硬件及滿足800 V平臺(tái)需求的高壓電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，為碳化硅輪邊電機(jī)控制器樣機(jī)產(chǎn)品開發(fā)作為設(shè)計(jì)理論依據(jù)。最終開發(fā)出滿足項(xiàng)目需求的碳化硅輪邊電機(jī)控制器樣機(jī)產(chǎn)品，并搭載整車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3" 碳化硅輪邊電機(jī)控制器軟件研究

基于開發(fā)出來的碳化硅輪邊電機(jī)控制器硬件產(chǎn)品樣機(jī)前提，進(jìn)行碳化硅輪邊電機(jī)控制器軟件研發(fā)，研發(fā)出滿足整車需求的輪邊電機(jī)控制功能軟件。在此前提下，針對(duì)輪邊電機(jī)系統(tǒng)效率提升困難和整車低速大轉(zhuǎn)矩輸出問題，研究在傳統(tǒng)功率器件開關(guān)序列排布方法基礎(chǔ)上適用于碳化硅輪邊電機(jī)控制器的全速域最優(yōu)開關(guān)序列排布方法；針對(duì)復(fù)雜工況下輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制精度難以滿足車輛要求的前提下，研究不確定擾動(dòng)作用下輪邊電機(jī)控制的高穩(wěn)定高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制方法和研究復(fù)雜時(shí)變給定信號(hào)下的輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速精準(zhǔn)跟蹤技術(shù)；由于搭載整車的輪邊電驅(qū)動(dòng)橋沒有機(jī)械差速模塊，因此為了保證在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)分布式輪邊電機(jī)控制不失控，研究分布式輪邊電機(jī)控制的動(dòng)態(tài)互相監(jiān)控協(xié)同控制技術(shù)。碳化硅輪邊電機(jī)控制算法原理如圖4所示。

2.4" 輪邊電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定方法研究

在傳統(tǒng)電機(jī)控制器轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制精度不高問題的前提下，研究以輪邊電機(jī)繞組溫度場(chǎng)為基礎(chǔ)的電感標(biāo)定和電流標(biāo)定方法，形成碳化硅輪邊電機(jī)控制器需求的T、Iq、Id或T、Lq、Ld三維數(shù)據(jù)表，為解決復(fù)雜工況下輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制精度難以滿足車輛要求的難題作為基礎(chǔ)依據(jù)。

通過以上的研究，基于碳化硅輪邊電機(jī)控制器高效精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，提高對(duì)輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的精準(zhǔn)度及轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，其研究成果與國(guó)內(nèi)某電驅(qū)公司的技術(shù)參數(shù)對(duì)比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，見表1。

3" 技術(shù)路線簡(jiǎn)析

以新能源汽車分布式輪邊電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的研發(fā)與應(yīng)用為背景，為了確保輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在復(fù)雜運(yùn)行工況下可以充分發(fā)揮其極佳的性能，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效率、高散熱、高動(dòng)態(tài)和高穩(wěn)定性能，擬解決的關(guān)鍵技術(shù)為采用碳化硅電機(jī)控制器的全速域的最優(yōu)開關(guān)序列排布方法，實(shí)現(xiàn)不確定擾動(dòng)作用下的輪邊電機(jī)高穩(wěn)定高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和基于復(fù)雜時(shí)變給定信號(hào)的輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速精準(zhǔn)跟蹤技術(shù)；基于碳化硅輪邊電機(jī)控制器高效精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行研究，提高對(duì)輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的精準(zhǔn)度及轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。碳化硅輪邊電機(jī)高效轉(zhuǎn)矩如圖5所示。

以整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，結(jié)合方案的研究目標(biāo)及輪邊電機(jī)技術(shù)要求開展碳化硅輪邊電機(jī)控制器產(chǎn)品硬件和軟件開發(fā)，再綜合整車技術(shù)需求，進(jìn)行碳化硅電機(jī)控制器與分布式輪邊電機(jī)匹配、搭載整車匹配等。反饋并優(yōu)化碳化硅輪邊電機(jī)控制器樣機(jī)性能，通過樣機(jī)臺(tái)架和整車路試，支持整車完成動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠耐久等測(cè)試，完成整車聯(lián)調(diào)與標(biāo)定。

在硬件開發(fā)過程中，擬采用主芯片為TC387和電源為TLF35584的搭配，碳化硅功率器件采用滿足800 V電壓平臺(tái)要求的全橋HPD封裝功率器件，并且支持OTA、CAN FD的硬件技術(shù)需求。在軟件開發(fā)過程中，擬采用基于A-SPICE標(biāo)準(zhǔn)模型軟件過程管理，滿足AUTOSAR軟件架構(gòu)要求，利用Simulink/SCADE等模型設(shè)計(jì)工具進(jìn)行軟件研發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)基于碳化硅電機(jī)控制器的全速域最優(yōu)開關(guān)序列排布方法前提下，在不確定擾動(dòng)作用下的輪邊電機(jī)高效率、高穩(wěn)定、高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及基于復(fù)雜時(shí)變給定信號(hào)的輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速精準(zhǔn)跟蹤技術(shù)研究，并在產(chǎn)品樣機(jī)中實(shí)現(xiàn)，擬采用的相關(guān)研究和主要技術(shù)路線如圖6所示。

4" 結(jié)論

本文提出了開發(fā)碳化硅輪邊電機(jī)控制器高效動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究的解決方案，通過論述國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、碳化硅輪邊電機(jī)控制器的電路設(shè)計(jì)、硬件研究和軟件研究等主要內(nèi)容，過程中采用碳化硅電機(jī)控制器的全速域最優(yōu)開關(guān)序列排布方法、輪邊電機(jī)高穩(wěn)定高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制方法、電機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定方法等關(guān)鍵技術(shù)。基于上述研究成果，開發(fā)出高效率、低能耗、耐高溫的碳化硅輪邊電機(jī)控制器，應(yīng)用于新能源汽車輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，滿足整車搭載的要求。

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作者簡(jiǎn)介：方德華（1983-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)殡婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。