带你认识电动汽车电机控制器

带你认识电动汽车电机控制器

电机控制器,作为电动汽车的核心部件之一,是汽车动力性能的决定性因素。它从整车控制器获得整车的需求,从动力电池包获得电能,经过自身逆变器的调制,获得控制电机需要的电流和电压,提供给电动机,使得电机的转速和转矩满足整车的要求。

本文带你初步了解,这个小盒子,都搞什么鬼。



1电机控制器在电动汽车中的位置和作用

1.1 位置

从外部看,一般的电机控制器最少具备两对高压接口。一对输入接口,用于连接动力电池包高压接口;另外一对是高压输出接口,连接电机,提供控制电源。

至少具备一只低压接头,所有通讯、传感器、低压电源等等都要通过这个低压接头引出,连接到整车控制器和动力电池管理系统。

下图是一个典型的纯电动汽车动力系统电气图,其中蓝色线是低压通讯线,红色线为高压动力线。最右侧第一列第二个是电机控制器。与电机控制器有强电连接关系的部件是电机和动力电池包;电机控制器连接到整车的CAN总线上,可以与整车控制器,数字仪表板,动力电池管理系统通讯,交换数据,接受指令。

1.2 工作过程

1.2.1 指令和响应

电机控制器,调速指令的触发信号,来自整车控制器的命令。整车控制器一方面体现驾驶员意图,另一方面从安全和车辆电气系统运行状态出发,评估对驾驶员的响应是否合理,最后执行或打折执行。驾驶员的意图通过加速踏板和制动踏板表达并传递给整车控制器。

整车控制器给到电机控制器的具体指令,与动力系统相关的有以下几种,加速,减速,制动,停车。电机控制器做出的响应为,改变电源电流、电压、频率等参数,使得电机的运行状态符合整车控制器的需要。

1.2.2 闭环

电机控制器自身是一套闭环控制系统,调节目标参数,检测受控函数值是否到达预期,若不相符,反馈给控制器,再次调整目标参数。经过反复的闭环反馈,实现高精确度的控制。

整车控制器采集车速传感器,各个电气部件温度、电压等重要状态参数,判断整车的综合情况,是否符合驾驶员提出的需求,同时不妨碍整个系统的健康状况。这个过程,是整车层面的闭环控制。

1.2.3 改善的方向

一方面,好的控制策略,会对控制精度和响应速度产生重要影响,因而是研发人员投入精力的重要领域。

另一方面,随着各个部件控制运算能力的提升,电动汽车的驾乘感受将越来越“随心所欲”。

2 电机控制器基本组成

电机控制器系统构成,中央控制模块,功率模块,驱动控制模块,各种传感器。




2.1 中央控制模块

包括,PWM波生成电路,复位电路,传感器信号处理电路,交互电路。中央控制模块,对外,通过对外接口,得到整车上其他部件的指令和状态信息。对内,把翻译过的指令传递给逆变器驱动电路,并检测控制效果。

2.2功率模块

电机控制器的主题是一部逆变器,对电机电流电压进行控制。经常选用的功率器件主要有MOSFET, GTO, IGBT等。

2.3 驱动控制模块

将中央控制模块的指令转换成对逆变器中可控硅的通断指令,并作为保护装置,具备过压、过流等故障的监测保护功能。

2.4 传感器

系统应用到的传感器包括电流传感器,电压传感器,温度传感器,电机转轴角位置传感器等,根据设计要求增减。

3 好的电机控制器应该什么样

3.1 好的电机控制器特点

电机工作原理的不同,直接影响调控过程的复杂程度和精确性。

按照控制从易到难排列,分别是直流无刷电机,永磁同步电机,开关磁阻电机,异步电动机。

电控的难易,既包括硬件系统设计的规模大小、造价高低,也包括软件算法实现的控制精度高低和为了达到这个精度所采用的策略和方法的鲁棒性的好坏。

人们期待得到的是硬件结构简单,软件算法简洁,控制精度高,系统稳定性好的控制系统。

3.2 电机控制器有国标

电动汽车电机和控制器标准,已有国家标准:

GB /T 18488.1—2015《电动汽车用电机及其控制器第1 部分: 技术条件》;

GB /T 18488.2—2015《电动汽车用电机及其控制器第2 部分: 试验方法》。

2015版为最新版本。

标准里主要针对安全性和耐环境性提出了具体要求,比如各部分的绝缘性耐压性能以及各种耐环境性。而电机的技术参数,作为验证项目,只要符合厂家自己的声明即可。

4 电机控制器主电路选择

4.1 选择依据

电机控制器作为一部特定功能的逆变器,它利用电力电子技术中的调压调频技术,将动力电池中存储的直流电,调制成控制电机所需的矩形波或者正玄波交流电,改变输出电力的电压、电流幅值或者频率,进而改变电机转速、转矩,达到控制整车速度、加速度的目的。

电力电子电路设计,根据不同的调速需求,做出复杂程度不同,造价也不同的设计。

4.2 举个栗子

例如针对直流电机的控制。若采用单管斩波器电路,只能单向调速,电流不能换向;若采用双管斩波器电路,可以实现能量回馈动作,但是还是不能使得直流电机换向;若采用H桥型斩波电路,可以直流电机调速,可以能量回馈,可以励磁电流可以反转。

但是以上的三个选择,一个比一个复杂,一个比一个造价高。需要设计者在性能和成本之间做出选择,最贵的不一定是最好的,最适合的才好。

5 热设计

5.1 热量来源

功率模块是整个控制器的主要热源,其采用的MOSFET或者IGBT,是发热部件。

可控硅的发热主要来自于下面这几个部分:导通损耗、开关损耗、漏电流和驱动损耗,其中前两者占大头。

5.1.1 导通损耗

可控硅在被触发,正常通流的状态下,其自身内阻产生的损耗。与通流的时间,电流的平方以及自身内阻大小成正比。

5.1.2 开关损耗

可控硅的开通和关断虽然时间很短,但客观上是存在延续时间的,器件上的电流和电压完全没有向外传导,而是在自身上做功发热。其发热量与器件电压成正比,与开通和关断过程中的最大电流的一半成正比,与开通和关断时间成正比,与通断频率成正比。

5.1.3 漏电流损耗

可控硅在关断时,依然有小电流通过,其耗散的能量称为漏电流损耗。但这部分的损耗极其微小,一般做热设计的时候,可以忽略不计。

5.1.4 驱动损耗

可控硅通断的控制电路,提供触发和维持电压,属于二次控制回路,与强电回路并排比较,有量级上的差距。

5.2 散热器基本设计过程



5.2.1 确定热传导路径

先介绍一个概念,热阻,即热在介质和介质之间传递的难易程度,单位是°C/W。热阻的大小,会影响热的传递路径和传递的快慢。

以上面图示为例,热量从管芯到外壳,从外壳到环境是一条传播路径;从管芯到外壳,从外壳到散热器是另外一条路径。计算热阻,需要针对具体路径进行。

5.2.2 绘制等效热组图

根据模型中规划的路径,抽象出热阻,如同电阻一样的考虑方式,绘制成等效热阻图;

根据系统允许的最大温升和传递的最大热功率,前者除以后者,得到系统总体热阻。

找到逆变器中选择的功率可控硅参数表,可以找到其中的管芯到外壳,外壳到环境,外壳到散热器的热阻值。最后,就可以用总热阻减去热量传递路径上的已知热阻,最后得到散热器与环境的热阻。



5.2.3 散热器选取

选择散热器的主要依据,除了散热器的结构形式以外,最主要的参数就是它的热阻。通过前面的计算,推导出需要的散热器热阻,最终选取的散热器热阻,必须小于这个计算值,理论上系统就不会过热。当然,系统需要一定余量,可以给散热器热阻打个折扣以后作为选取散热器的标准。

5.3 器件布置要点

并联的可控硅最好贴在同一个散热器上,使得并联器件温度一致,进而确保栅极电阻一致性。并联的可控硅,栅极内阻差距过大,内阻值最小的器件容易因为电流过大而烧毁。

6 电机控制器厂商

目前,电机控制器的领先技术依然掌握在国外厂商的手中。

博世集团,大陆集团,日本丰田、日产、日立,都有自己的代表性产品。电机控制器向集成化方向发展,最高功率密度已经提高到60 kW/L,新的电力电子器件比如SiC,已经在新产品中得到应用。


参考

纯电动汽车电机控制器的研究

电动汽车驱动电机控制器的可靠性研究

电机控制器控制参数计算_传递与监测系统

纯电动汽车电机控制器传导性电磁干扰的抑制

编辑于 2017-10-16