新能源汽車智能功率模塊的運(yùn)用研究

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2025-03-13 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.014

Abstract：Curretlyntellgentpowermodulesaregenerallydevelopingtowardsmultinoneintegration.Thispapertakeacer tainnewenergyvehiclemodelasanexampletoexplaintheapplicationofintellgentpowermodulesinnewenergyvehiclesandanalyze theaplicationtechnologofinteligentpowermodulesinnewenergyvehicles.Itemphasizes thatnewenergyvehiclesnedtobeguidedbythenatioalneweergstrategyinreasesinvestmentintecholgesearchndevelopment，uilsasetygarat tem，andoptimizeintellgentpowermoduletechnologyTheresearchimstopromoteteaplicationofitelligentpowermodulesin newenergyvehicles，andcreatemodernelectricvehicleswithdistictiveenvironmentalcharacteristicsandtrongtechicalsuprtcapabilities.

Keywords：New energyvehicles;Intelligent powermodule;Applied research

1前言

新能源汽車是現(xiàn)代交通領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，是推動綠色出行的中堅(jiān)力量，更是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵陣地。在加速推進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新時期，智能功率模塊的應(yīng)用能夠提升車輛性能和能源利用效率，以創(chuàng)新引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展，不斷提升新能源汽車的技術(shù)水平。本文將從電機(jī)控制技術(shù)、轉(zhuǎn)速控制技術(shù)、再生制動技術(shù)和整車控制技術(shù)等4個方面，探討智能功率模塊在新能源汽車中的高質(zhì)量應(yīng)用路徑。

2案例概況

某純電動新能源車輛配備編號為TZ20S02的驅(qū)動電機(jī)，搭載了29/135/220-80A·h規(guī)格的動力電池組，系統(tǒng)標(biāo)稱運(yùn)行電壓達(dá) 320V ，整車編碼為BJ7000B3D5-BEV。該車輛的智能功率模塊融合了多個高功率開關(guān)單元與保護(hù)組件，整合了功率驅(qū)動裝置、防護(hù)與濾波系統(tǒng)、信號檢測及電氣隔離等核心單元，將其統(tǒng)一封裝于同一模塊框架，契合現(xiàn)代大功率變頻設(shè)備向高頻化方向演進(jìn)的需求。模塊整合了功率芯片與驅(qū)動電路，配備包含過壓、短路、過溫等故障監(jiān)測系統(tǒng)等監(jiān)測裝置，信號可直接與微處理器進(jìn)行通信。

3新能源汽車中智能功率模塊運(yùn)用分析

3.1電機(jī)控制技術(shù)

智能功率模塊（IPM）集成IGBT（絕緣柵雙極型晶體管，或SiC（碳化硅）等先進(jìn)半導(dǎo)體器件，實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動電機(jī)。該車型的電機(jī)控制器是驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的控制中心，驅(qū)控裝置作為動力系統(tǒng)的中樞部件，通常被稱為智能動力單元（MCU）。電機(jī)邏輯算法以減速裝置輸出的動力參數(shù)如角速度與扭矩等信息為請求輸人，控制系統(tǒng)依據(jù)內(nèi)置的電動機(jī)特性曲線進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，查找優(yōu)化后的MAP圖譜獲取所需能量數(shù)值，將計(jì)算所得功率需求傳送至儲能單元。

驅(qū)控裝置管理主驅(qū)動系統(tǒng)，同時還負(fù)責(zé)發(fā)電裝置的調(diào)節(jié)，構(gòu)成雙電機(jī)管理單元。裝置中IGBT為核心部件，其構(gòu)成包含調(diào)節(jié)板、散熱通道、三相高壓接口、直流高壓連接器以及IGBT模組和其配套的驅(qū)動電路板。系統(tǒng)內(nèi)置有異常監(jiān)測電路，檢測到運(yùn)行異常后能夠?qū)⑸上鄳?yīng)的故障信息并傳送至整車管理系統(tǒng)，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)與故障碼存儲在內(nèi)部存儲器中[1]。

該技術(shù)的優(yōu)勢是器件具有高頻開關(guān)特性，最高達(dá)100kHz ，能降低開關(guān)損耗，提升功率密度。該技術(shù)不僅優(yōu)化了電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)速度，還支持寬范圍調(diào)速，為新能源汽車提供更強(qiáng)的動力輸出、續(xù)航能力[2]。

3.2轉(zhuǎn)速控制技術(shù)

基于IPM的轉(zhuǎn)速控制技術(shù)通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)（如旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器等）實(shí)時監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合PID算法或模型預(yù)測控制（MPC）。

在轉(zhuǎn)速控制方面，PWM信號中的占空比反映了高電平在整個周期中的時間占比[3]。直流電機(jī)的輸入端收到高電平信號時，轉(zhuǎn)子開始緩慢加速運(yùn)轉(zhuǎn)；而當(dāng)信號轉(zhuǎn)為低電平時，由于電感具有阻止電流突變的特性，電機(jī)并不會立即停止，而是延續(xù)原有轉(zhuǎn)速狀態(tài)。通過周期性高低電平切換，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度取決于單個周期內(nèi)的平均電壓值，使電機(jī)處于一種介于靜止與滿速之間的中間狀態(tài)，其瞬時速度在動態(tài)變化中，電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與PWM信號的占空比呈正相關(guān)關(guān)系，占空比越大，平均轉(zhuǎn)速越高。

在動力系統(tǒng)中，施加電壓與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，借助PWM技術(shù)輸出的各級模擬電壓能夠控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，不同型號的電機(jī)都有其最佳工作頻率范圍，若頻率設(shè)置過低，會導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。

在車輛舵機(jī)控制方面，依靠穩(wěn)定頻率下不同占空比的脈沖信號來實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)。該車型的舵機(jī)運(yùn)作采用50Hz 頻率，即 20ms 周期的基準(zhǔn)脈沖，其中高電平區(qū)間在 0.5～2.5ms 之間波動，借此達(dá)成角度變化。 180^° 舵機(jī)中， 500～2500μs 的高電平時長分別對應(yīng)0＼～180的轉(zhuǎn)動范圍。通過脈寬調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上是對供給電流強(qiáng)度的調(diào)控過程。從物理學(xué)角度分析，導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生的安培力如公式計(jì)算：

F=BIL

式中， F 為力的大??； I 為電流強(qiáng)度； L 則為導(dǎo)體長度。在其他參數(shù)恒定的情況下，電流值的變化直接影響電場的強(qiáng)度。根據(jù)歐姆定律，在電機(jī)內(nèi)阻 R 固定條件下，電流 I 與電壓 U 呈正比關(guān)系，即 I=U/R ，進(jìn)而推導(dǎo)出 F=BLU/R 。當(dāng) R，B，L 保持不變時，安培力大小取決于供電電壓的變化。

該技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠支持對電機(jī)弱磁擴(kuò)速技術(shù)，使永磁同步電機(jī)（PMSM）的恒功率運(yùn)行范圍擴(kuò)展至基速的2＼～3倍，通過諧波抑制技術(shù)減少轉(zhuǎn)矩脈動，提升車輛平順性，解決了機(jī)械傳動系統(tǒng)效率低、響應(yīng)慢的問題。

3.3再生制動技術(shù)

IPM通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化、智能門極驅(qū)動設(shè)計(jì)等，能夠?qū)崿F(xiàn)制動時電機(jī)發(fā)電工況的快速切換。該車型的再生制動系統(tǒng)集成制動踏板裝置、加速度傳感器、組合制動啟動模塊、壓力源模塊、輪速傳感器等部件，配備動力源模塊、四輪速度探測器、制動器夾持機(jī)構(gòu)、摩擦盤等輔助設(shè)備。整套裝置總重達(dá) 7.9kg ，置于引擎艙左后側(cè)位置，實(shí)現(xiàn)了液壓制動、能量回收、電子穩(wěn)定系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)。動力源模塊依靠低壓電源驅(qū)動，可生成 18MPa 的制動壓力并具備能量存儲功能。集成式制動器起動單元整合了壓力調(diào)節(jié)、踏板模擬反饋、能量回收控制等基礎(chǔ)功能，還包含防抱死系統(tǒng)、牽引力控制、車身穩(wěn)定以及自動駐車等高級輔助功能，具有結(jié)構(gòu)精簡、運(yùn)行可靠等優(yōu)勢。再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

再生制動技術(shù)通過智能功率模塊驅(qū)動電機(jī)在減速過程中實(shí)現(xiàn)動能轉(zhuǎn)換，將其儲存至動力電池，使車輛減速的同時完成電能存儲。再生制動采用車輛慣性運(yùn)動中的動能驅(qū)使驅(qū)動裝置逆向轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)將運(yùn)動勢能轉(zhuǎn)化為電力，并儲存至蓄電池中延長續(xù)航，搭載此類系統(tǒng)的車型已實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行[4]。主控單元MCU是AHB裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的核心，通過解析腳踏模擬裝置反饋數(shù)據(jù)來評估駕乘人員的制動意圖。系統(tǒng)借助與組合制動啟動模塊的數(shù)據(jù)交互調(diào)控制動管路中的各類閥門，達(dá)到能量復(fù)用的效果。

通過再生制動，能在行駛中持續(xù)回收動能提升續(xù)航，降低常規(guī)制動使用頻率，既能減輕液壓制動系統(tǒng)的負(fù)荷，也能降低操作者的控制壓力，還能有效延長制動元件的使用周期。再生制動裝置可將車輛運(yùn)動中的動能儲存，把能量存儲于蓄電系統(tǒng)中，為車輛提供額外續(xù)航里程。

3.4整車控制技術(shù)

IPM是整車控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，通過CAN/FlexRay總線與整車控制器，實(shí)現(xiàn)動力、能量、熱管理共同控制。該車型的智能功率模塊用于整車邏輯算法，通過力學(xué)動態(tài)平衡公式對系統(tǒng)中上級發(fā)出的速度指令進(jìn)行計(jì)算分析，可獲得車輛所需的牽引能力5。參數(shù)將傳遞至輪轂系統(tǒng)，輪轂會將實(shí)際可達(dá)到的最大牽引力數(shù)值反饋至整車控制單元，用于系統(tǒng)判定。

智能功率模塊用于整車控制如下：車輛管控系統(tǒng)負(fù)責(zé)判斷駕駛意圖，通過實(shí)時采集行駛參數(shù)與動力系統(tǒng)狀態(tài)，配置能源輸出；動力驅(qū)動模塊主要包含電機(jī)及其控制裝置，該模塊負(fù)責(zé)能量形式轉(zhuǎn)換，依據(jù)總控制器下發(fā)的扭矩指令實(shí)現(xiàn)行進(jìn)、轉(zhuǎn)向等功能，同時具備能量回收機(jī)制，并配備故障監(jiān)測預(yù)警功能。

智能功率模塊用于實(shí)現(xiàn)整車控制功能，行駛參數(shù)采集系統(tǒng)的行駛數(shù)據(jù)獲取機(jī)制通過配置如速度檢測器、擋位監(jiān)測儀等傳感設(shè)備，依據(jù)差異化的信號采樣間隔，實(shí)時監(jiān)測行駛工況參數(shù)；動力輸出管理基于既定運(yùn)轉(zhuǎn)模式，結(jié)合儲能裝置與驅(qū)動單元的工況參數(shù)，計(jì)算所需扭矩?cái)?shù)值；扭矩優(yōu)化控制通過對當(dāng)前及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的綜合評估，測算實(shí)際輸出能力上限，并依據(jù)需求量，合理調(diào)節(jié)最終執(zhí)行扭矩值[6]。

智能功率模塊用于整車系統(tǒng)監(jiān)控與異常管理方面，系統(tǒng)能夠監(jiān)測各類傳感裝置及執(zhí)行單元的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，建立故障標(biāo)識系統(tǒng)，保證各功能單元在異常狀況下正常工作。外部設(shè)備管控依據(jù)核心運(yùn)算結(jié)果，通過數(shù)據(jù)總線調(diào)控空調(diào)等周邊功能模塊。智能功率模塊用于輔助體系方面，行車安全保障系統(tǒng)配備電子助力轉(zhuǎn)向裝置，電力系統(tǒng)維持系統(tǒng)搭載DCDC變換器、循環(huán)制冷系統(tǒng)、溫控設(shè)備等，車載智能設(shè)施配置多媒體影音系統(tǒng)等便捷功能[7]。

該技術(shù)的優(yōu)勢是可以通過IPM數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提前預(yù)判電機(jī)軸承磨損風(fēng)險，提升故障預(yù)警準(zhǔn)確率，大幅提升系統(tǒng)的可靠性[8]。

4結(jié)語

新能源汽車中智能功率模塊具有重要作用，新能源汽車的發(fā)展中應(yīng)優(yōu)化智能功率模塊系統(tǒng)布局，貫徹安全

通過表2可知，動比位能從優(yōu)化前的 264mm 變?yōu)閮?yōu)化后的 400mm ，負(fù)重輪動行程從 72mm 變?yōu)閮?yōu)化后

優(yōu)先的發(fā)展思維，構(gòu)建安全檢測保障體系，加強(qiáng)對關(guān)鍵組件技術(shù)的創(chuàng)新投入，為推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入持續(xù)動力，以技術(shù)創(chuàng)新助力綠色交通強(qiáng)國建設(shè)。

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作者簡介：陳潤，男，1986年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚵悴考a(chǎn)品開發(fā)。