基于SiC的高電壓平臺(tái)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)及研究

【摘 要】為解決純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程不足、充電時(shí)間長的痛點(diǎn)，開發(fā)一款基于SiC功率模塊的800V電壓平臺(tái)電機(jī)控制器。文章首先對電機(jī)控制器高低壓電路架構(gòu)原理進(jìn)行闡述，其次對主要高壓元器件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，最后對控制器進(jìn)行傳感器標(biāo)定，并進(jìn)行臺(tái)架測試驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器具有較高的電流電壓采樣精度、輸出扭矩、功率、工作效率和系統(tǒng)效率，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)汽車;800V平臺(tái)電機(jī)控制器;SiC功率模塊

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）09-0020-03

Design and Research of High Voltage Platform Motor Controller Based on SiC

XIA Zhengpeng，ZHAO Yan，ZHENG Yi，ZHENG Fuhui

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

【Abstract】In order to solve the pain points of short driving range and long charging time of pure electric vehicles，an 800V voltage platform motor controller based on SiC power module was developed. In this paper，the principle of the high and low voltage circuit architecture of the motor controller is described first，and then the main high-voltage components are selected and designed. Finally，the sensor calibration of the controller is carried out and the bench test is carried out. The results show that the designed motor controller has higher sampling accuracy of current and voltage，higher output torque and power，and higher working efficiency and system efficiency，and meets the design objectives.

【Key words】pure electric vehicle;800V platform motor controller;SiC power module

隨著全球范圍內(nèi)石油能源的日漸枯竭，環(huán)境日漸惡化，使得人們對低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求顯得日益迫切。因此，純電動(dòng)汽車作為兼顧節(jié)能與環(huán)保的主要手段，逐步取代傳統(tǒng)內(nèi)燃車，成為人們重要的代步工具。目前純電動(dòng)車的痛點(diǎn)主要集中在續(xù)航里程不足、充電時(shí)間長等方面，也成為制約純電動(dòng)車普及的瓶頸之一[1-3]。目前，市場上大多數(shù)純電動(dòng)車都是搭載400V電壓平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在同等條件下，800V高電壓平臺(tái)相對400V電壓平臺(tái)，具有電儲(chǔ)能多、充電快、降低功率損耗等優(yōu)點(diǎn)，也成為電動(dòng)汽車發(fā)展的技術(shù)趨勢之一[4-6]。本文根據(jù)市場的需求，開發(fā)了一款800V高電壓平臺(tái)的電機(jī)控制器，與電機(jī)、變速器組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，搭載到某款純電動(dòng)車型上，能有效解決續(xù)航短、充電慢的問題。同時(shí)，該控制器還具有高輸出扭矩、功率、工作效率的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)控制器高壓電路架構(gòu)圖如圖1所示，高壓電池將直流高壓通過高壓連接器輸入到濾波器。直流母線電壓信號(hào)通過濾波器濾除噪聲和干擾信號(hào)后，輸出到直流母線電容。直流母線電容將濾波的直流母線電壓信號(hào)進(jìn)行平滑和穩(wěn)壓處理后，輸入給SiC功率模塊使用。SiC功率模塊將直流電壓經(jīng)過逆變后，轉(zhuǎn)變成三相交流電，輸入給電機(jī)的三相銅排，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。為防止低壓電中斷，影響控制板工作，在整個(gè)高壓回路中設(shè)計(jì)有備份電源。備份電源將濾波后的直流母線高壓經(jīng)過降壓后，輸入給主控板的供電電路使用。

2 元器件選型

控制器組成元器件如圖2所示。在控制器內(nèi)部，高壓元器件主要包括濾波器、直流母線電容、SiC模塊、三相銅排及磁環(huán)組件和三相電流傳感器;低壓元器件主要包括控制板、低壓接插件和殼體溫度傳感器;輔助元器件包括進(jìn)出水管、觀察窗蓋、透氣閥和各種密封圈等。這些元器件通過螺栓固定在控制器的主殼體上?？刂破髦饕O(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

2.1 功率模塊選型

碳化硅（SiC）作為第3代半導(dǎo)體材料，具有耐高溫、耐高壓的特點(diǎn)，同時(shí)開關(guān)損耗小，是800V電壓平臺(tái)下功率器件的首選[7-9]。根據(jù)表中的整車設(shè)計(jì)輸入，本文的碳化硅功率模塊選擇基本半導(dǎo)體的BMF800R12FC4。SiC模塊外觀如圖3所示，具有高電流密度，專為純電動(dòng)車主驅(qū)逆變器應(yīng)用設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的有壓型銀燒結(jié)工藝和高性能銅線鍵合技術(shù)，使用氮化硅陶瓷基板，以及直接水冷的Pin-Fin結(jié)構(gòu)。該功率模塊擊穿電壓為1200V;在工作結(jié)溫25℃下，最大連續(xù)漏極電流為800A，導(dǎo)通電阻為1.3mΩ;通過DCM激光焊接后，在額定電壓700V可以輸出620A的電流。

2.2 直流母線電容計(jì)算

電機(jī)控制器大扭矩工作時(shí)，從電池包得到峰值很高脈沖電流的同時(shí)，隨之產(chǎn)生很高的脈沖電壓。母線電容可以吸收高脈沖電流，防止逆變器受到DC-Link端的電壓過沖和瞬時(shí)過壓而出現(xiàn)損壞。母線電容的計(jì)算模型及流程如圖4、圖5所示。

母線電容的紋波電流、容值設(shè)計(jì)最小值計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示。

Ir=Io×（1）

Cmin=（2）

式中：Ir——紋波電流;Io——控制器額定輸出電流;M——調(diào)制比;cosφ——功率因素;Cmin——母線電容的容值設(shè)計(jì)最小值;P——控制器額定功率;Un——控制器額定電壓;Upp——紋波電壓。

調(diào)制比M取0.9，功率因素取1，同時(shí)將表1中對應(yīng)的參數(shù)代入式（1）、式（2）后，計(jì)算出電容的紋波電流為144A，母線電容值最小為536μF，考慮到設(shè)計(jì)余量，最終電容容量確定為550μF。

2.3 濾波器設(shè)計(jì)

濾波器的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)見表2，濾波器的原理圖和外觀圖如圖6、圖7所示。輸入電感L1和輸出電感L2采用納米晶材料，磁導(dǎo)率為30000～50000，居里溫度為570℃，其中L1電感值大于20μH，L2電感值大于40μH;安規(guī)電容Cx1為47nF，Cx2為0.47μF，Cy1為22nF，Cy2為150nF，Cy3為1nF。

3 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

搭載永磁同步電機(jī)和系統(tǒng)測試臺(tái)架示意如圖8、圖9所示。與控制器搭配臺(tái)架的電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，借助于測試臺(tái)架，對控制器進(jìn)行系統(tǒng)性能測試及系統(tǒng)效率測試。

3.1 電流&電壓標(biāo)定

在進(jìn)行系統(tǒng)性能及效率測試之前，首先對三相電流傳感器和母線電壓傳感器進(jìn)行標(biāo)定和測試。對傳感器標(biāo)定完成后，通過功率分析儀對三相電流及母線電壓進(jìn)行實(shí)際測量，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

將三相電流的實(shí)測值與指令值進(jìn)行比較（表3）可見，在旋轉(zhuǎn)頻率為20Hz時(shí)，三相電流的采樣精度控制在1%以內(nèi);在旋轉(zhuǎn)頻率為40Hz時(shí)，三相電流的采樣精度控制在2%以內(nèi)。

將直流母線電壓的實(shí)測值與指令值進(jìn)行比較（表4），發(fā)現(xiàn)直流母線電壓的采樣精度可控制在0.2%以內(nèi)。

3.2  系統(tǒng)性能測試

在700V額定電壓平臺(tái)下，對電機(jī)控制器進(jìn)行系統(tǒng)外特性測試。如圖10、圖11所示，在電動(dòng)工況下，能夠穩(wěn)定輸出411N·m的峰值扭矩和342kW的峰值功率;在發(fā)電工況下，能夠穩(wěn)定輸出412N·m的峰值扭矩和260kW的峰值功率。在電動(dòng)工況下，將700V電壓平臺(tái)下的仿真與實(shí)測值進(jìn)行對比。從圖11可以看出，系統(tǒng)峰值扭矩和峰值功率的實(shí)測值均高于仿真值。

3.3 控制器效率測試

在700V額定電壓平臺(tái)下，對高性能電機(jī)控制器、二合一系統(tǒng)進(jìn)行效率測試。400V控制器效率Map圖如圖12所示，400V系統(tǒng)效率Map圖如圖13所示。控制器單體的最高效率為99.3%，系統(tǒng)最高效率為95.98%。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款基于SiC功率的車用高電壓平臺(tái)電機(jī)控制器，能夠有效解決純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程短、充電時(shí)間長的問題。基于整車設(shè)計(jì)目標(biāo)，對主要高壓元器件進(jìn)行合理選型和設(shè)計(jì)。通過傳感器標(biāo)定和臺(tái)架測試驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器具有較高電流和電壓采樣精度，較高的輸出扭矩和功率，以及較高的工作效率和系統(tǒng)效率，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃劼. 續(xù)航里程和充電設(shè)施不足成消費(fèi)者“焦慮”重點(diǎn)[N]. 中國消費(fèi)者報(bào)，2024-04-08（002）.

[2] 張維佳. 碳化硅緩解電動(dòng)汽車“里程焦慮”[N]. 中國電子報(bào)，2023-07-01（007）.

[3] 嚴(yán)佳麗. 純電動(dòng)汽車高電壓快充平臺(tái)技術(shù)趨勢[J]. 汽車制造業(yè)，2022（2）：8-10，12.

[4] 陳東坡，陳昭亮. 新能源汽車800V高壓平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀與建議[J]. 高科技與產(chǎn)業(yè)化，2022（8）：68-71.

[5] 暴杰，胡晶，許重斌，等. 電動(dòng)汽車800V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心技術(shù)綜述[J]. 汽車文摘，2023（1）：1-9.

[6] 樓佳烽. 800V架構(gòu)電動(dòng)汽車極速充電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)[J]. 汽車電器，2021（6）：20-21，26.

[7] 王彥剛，羅海輝，肖強(qiáng). 大功率半導(dǎo)體模塊封裝進(jìn)展與展望[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2023（5）：78-91.

[8] 曲建真. 基于SiC MOSFET并聯(lián)的車載復(fù)用變換器及其傳導(dǎo)EMI特性研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2021.

[9] 陳龍. 大功率SiC MOSFET器件特性與驅(qū)動(dòng)保護(hù)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2019.

（編輯 凌 波）