純電動車用高性能電機控制器設計及研究

【摘" 要】文章針對純電動汽車對電機控制器高性能的要求，開發(fā)一款高輸出扭矩、高輸出功率和高工作效率的電機控制器。闡述電機控制器的系統(tǒng)原理，對高壓元器件進行選型，介紹電機控制器結構、硬件和軟件的設計方案，并通過搭建的測試臺架對電機控制器系統(tǒng)進行試驗驗證。試驗結果表明，所設計的高性能電機控制器具有較高的輸出功率和扭矩，均優(yōu)于設計目標和仿真值，同時具有較高的工作效率和系統(tǒng)效率。

【關鍵詞】純電動汽車；高性能電機控制器；系統(tǒng)效率

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0009-04

Design and Study of High-performance Motor Controller for Electric Vehicles

XIA Zhengpeng，ZHAO Yan，ZHENG Fuhui

（Wuxi InfiMotion Propulsion Technology Co.，Ltd.，Wuxi 214187，China）

【Abstract】Motor controller with high output torque，high output power，and high work efficiency has been developed to meet the high-performance requirements of electric vehicles. The system principle of the motor controller is explained，high-voltage components are selected，and the design scheme of the motor controller structure，hardware，and software are introduced. The motor controller performance was tested and verified through the test bench. The test results show that the motor controller has high output power and torque，both better than the design goals and simulation values，and also has high work efficiency and system efficiency.

【Key words】electric car；high-performance motor controller；system efficiency

隨著全球石油能源的日趨減少和人們對環(huán)境要求的日益提高，純電動汽車已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)燃油汽車，成為人們重要的代步工具。電驅動系統(tǒng)作為純電動汽車的核心部件之一，取代了傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機及傳動系統(tǒng)，其性能直接影響整車的安全性、穩(wěn)定性和舒適性，同時也會影響純電動車的使用場景和發(fā)展速度^[1-3]。電機控制器作為電驅動系統(tǒng)的“大腦”，由各個子元器件組成，主要包括系統(tǒng)原理及元件選型、結構設計、硬件設計和軟件設計，其最終設計方案會影響電驅動系統(tǒng)性能的好壞^[4-5]。本文根據(jù)整車的需求，開發(fā)一款高性能電機控制器，具有高輸出扭矩和功率、高工作效率的特點。

1" 系統(tǒng)原理及元件選型

1.1" 系統(tǒng)原理

本文設計的電機控制器包括高壓回路和低壓回路。電機控制器系統(tǒng)原理如圖1所示，在高壓回路中，電機處于驅動模式時，高壓電池通過直流母線接插件，將直流高壓傳遞到控制內部經(jīng)過濾波、電流逆變后，輸出三相交流電驅動電機。能量回收時，驅動電機在反轉時將產(chǎn)生的反電動勢給高壓電池充電。在低壓回路中，控制器主控板通過外部電池供電并給磁編碼器、擋位傳感器和電機旋變供電。同時，電機控制器通過CAN總線與整車、換擋電機總成和油泵電機總成進行信號通信。

1.2" 元件選型

電機控制器的主要高壓元件包括功率模塊（IGBT）、直流母線電容（DC-link）和三相電流傳感器。

IGBT是由場效應管（MOSFET）和雙極性晶體管（BJT）組成的高功率器件，主要作用是把高壓電池的直流電逆變成電機需要的三相交流電。根據(jù)GBT 18488.1—2015要求，IGBT輸出的峰值電流大于電機輸出最大功率時所需相電流的峰值，直流耐壓大于電機反電動勢的峰值^[6]。根據(jù)驅動電機的設計需求，控制器工作電壓范圍為200～480V，額定工作電壓為400V。在額定電壓下，控制器輸出電流要達到540A。如圖2和圖3所示，本文電機控制器選取的功率模塊型號為GD950HTX75P6HB，其采用HPD全橋封裝形式，內部由6個IGBT組成。直流母線的正負極與每一相的輸出線之間各連接一個IGBT，通過控制器IGBT的導通順序和時間，從而形成相位差為180°的三相交流電。該功率模塊在400V電壓下，最大輸出電流為600A，直流耐壓為750V，滿足驅動電機的工作要求。

直流母線電容可以降低交流脈動波紋系數(shù)，有效抑制電池輸入電壓的波動，使電路獲得平滑穩(wěn)定的母線電壓，同時還有儲能的作用^[7]。根據(jù)電機需求，母線電容在使用過程中允許有1.3倍額定電壓值的脈沖。本文設計的控制器母線電壓全功率工作電壓范圍為400～470V，可選用額定電壓550V的薄膜電容，短時最大耐壓值為550V×1.3=715V。

根據(jù)式（1）、式（2）可計算出直流母線電容的容值和紋波電流：

式中：C_min——母線電容的容值設計最小值；P ——控制器額定功率；U_n——控制器額定電壓；U_pp——紋波電壓；I_r——紋波電流；I_o——控制器持續(xù)電流；M——調制比；cosφ——功率因素。

將對應的值代入式（1）、式（2）后，計算出母線電容值最小為503μF，電容的紋波電流為132A?？紤]到設計余量，最終母線電容的容值設計要求為550μF，電容紋波電流設計要求為150A。

三相電流傳感器是用來測量逆變器輸出端的UVW三相電流的。本文對三相電流傳感器的電流測量范圍需求為±800A，對電流測量精度的需求為±4%。根據(jù)上述需求，最終選擇的三相電流傳感器型號為NACA.900Q6-S6/VA，其電流測量范圍為±800A，測量精度為±4%，可與全橋封裝IGBT配套使用。

2" 結構設計

控制器結構和組成元器件如圖6、圖7所示。在控制器內部，高壓元器件主要包括直流母線電容、濾波器、IGBT模塊、三相銅排及磁環(huán)組件、直流母線傳感器和連接銅排；低壓元器件主要包括主控板、驅動板、屏蔽板、低壓接插件、水溫傳感器和開蓋檢測傳感器；輔助元器件包括封裝蓋板和各種密封圈等。這些元器件通過螺栓固定在控制器內部的上蓋板和下箱體上。

在散熱設計方面，本文設計的冷卻水道都集成在控制器下箱體的殼體上。冷卻水由外部進水管通過外部進水口流入到控制器內。冷卻水進入到控制器內部后，流入IGBT模塊散熱針的封裝區(qū)域，用于冷卻IBGT模塊。冷卻水吸收完IGBT模塊的熱量后，經(jīng)過下箱體內部集成的冷卻水道，最終從下箱體的出水口流出。這種集成式的冷卻水路系統(tǒng)取消了控制器內部冷卻水管，節(jié)省了內部空間和控制器總成體積，同時增強了冷卻效果。

3" 硬件設計和軟件設計

3.1" 硬件設計

控制器硬件將控制和驅動兩部分進行獨立設計，分為控制板和驅動板?？刂瓢搴万寗影迳舷炉B加安裝，使控制器內部結構更緊湊，控制板和驅動板之間安裝了屏蔽板，避免了高壓回路對低壓信號的干擾。

控制板的主控芯片不僅要有強大的適合電機控制的專門外設，還要有極高的處理速度和一定的耐溫能力。本文選用的控制板芯片型號是SAL-TC387QP-160F300S AE，它可以同時處理多個任務并支持多種實時操作系統(tǒng)；具有豐富的外設接口，可集成各種傳感器和執(zhí)行器；支持多種安全和保護機制。除了硬件特性外，該芯片還提供了完整的軟件開發(fā)工具鏈，包括編譯器、調試器、仿真器、Flash編程器和配置工具等?？刂瓢逵姓囆盘柦涌诤万寗有盘柦涌?，其接口電路原理如圖8、圖9所示。整車信號接口連接控制板與控制器外部信號；驅動信號接口連接控制板與驅動板的信號?？刂瓢宓碾娐分饕ǖ蛪汗╇婋娐?、CAN通信電路、母線電壓采樣電路、三相電流采樣電路、溫度采樣電路、旋變激勵和反饋信號電路等。

驅動板的主芯片選用的型號是UCC21737-Q1，它具有高達±10A的峰值拉電流和灌電流，支持高達1.5kVRMS的工作電壓和12.8kVPK的浪涌抗擾度，共模噪聲抗擾度（CMTI）大于150V/ns，有先進的保護功能、出色的動態(tài)性能和穩(wěn)健性。驅動板主要包絡低壓供電電路、驅動電路和電源監(jiān)控電路等。

3.2" 軟件設計

如圖10所示，控制器軟件是基于AUTOSAR架構的自主開發(fā)的電機控制軟件，包括BSW底層軟件（BSW）、中間層軟件（RTE）和應用層軟件（ASW）。底層軟件部分包括服務處、ECU抽象層、復雜驅動層和微控制器抽象層（MCAL）。應用層軟件基于MATLAB/Simulink建模與自動代碼生成，其中電機控制應用層分為8個系統(tǒng)，32個軟件組件，用于實現(xiàn)電機控制與診斷；安全軟件分為4個系統(tǒng)，用于輸入信號合理性檢查、功能安全管理；處理器監(jiān)控軟件分為2個系統(tǒng)，用于網(wǎng)絡功能安全管理、芯片監(jiān)控。同時，模塊化軟件工廠設計用于多個項目之間的動態(tài)擴展和軟件組件的復用，提升了軟件的開發(fā)效率和品質。

在電機控制方面，采用高效的控制策略。

1）智能PWM控制：相比于SVPWM，開關次數(shù)減少三分之一，進一步降低器件的開關損耗，系統(tǒng)效率提高1%。

2）過調制控制技術：能夠有效地提高弱磁區(qū)和輸出轉矩，輸出基波電壓提高4%，電機峰值功率可以提升4%，改善整車在高速區(qū)域的動力性能，提高整車的續(xù)駛里程。

3）諧波抑制技術：在空間坐標變換的基礎上，提取5次和7次諧波的控制量，進行諧波補償，THD（Total Harmonic Distortion）大幅減少。

4" 臺架試驗

如圖11所示，搭建控制器與電機的二合一系統(tǒng)測試臺架。與控制器搭配臺架的電機采用永磁同步電機，其峰值功率為200kW，峰值扭矩為350N·m。借助于測試臺架，對控制器進行效率測試和系統(tǒng)性能測試。

4.1" 控制器效率測試

在400V額定電壓平臺下，對高性能電機控制器和二合一系統(tǒng)進行效率測試。如圖12、圖13所示，在電動工況下，控制器最高效率為98.54，系統(tǒng)最高效率為95.98，控制器效率大于85%的面積占比為99.56%，大于90%的面積占比為91.19%。在發(fā)電工況下，控制器最高效率為98.72，系統(tǒng)最高效率為95.74；控制器效率大于85%的面積占比為90.72%，大于90%的面積占比為86.39%。

4.2" 系統(tǒng)性能測試

在400V額定電壓平臺下，對高性能電機控制器系統(tǒng)進行系統(tǒng)外特性測試。高性能控制系統(tǒng)外特性如圖14、圖15所示，在電動狀態(tài)下，能夠穩(wěn)定地輸出405N·m的峰值扭矩和215kW的峰值功率；在發(fā)電狀態(tài)下，能夠穩(wěn)定輸出407N·m的峰值扭矩和235kW的峰值功率。如圖16、圖17所示，將400V電壓平臺下的仿真與實測值進行對比，可以看出在電動和發(fā)電狀態(tài)下，系統(tǒng)峰值扭矩和峰值功率的實測值均高于仿真值。

5" 結語

電機控制器作為電驅總成的重要組成部分，對純電動汽車的性能和安全性都有著重要的影響。本文的電機控制器通過合理的結構和硬件設計，并結合了高效的軟件控制算法，使其具有較高的性能輸出。通過搭建的二合一試驗臺架驗證，證明了該電機控制器不僅能夠有效地驅使電機輸出較高的功率和扭矩，并且自身有著更低的系統(tǒng)損耗和較高的工作效率，最終達到了純電動車對電驅總成的性能需求。

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-08-17