新能源電動汽車電機控制器技術介紹

  • 2019-11-11 12:07
  • 來源:制冷空調換熱器技術聯盟

摘要:如今新能源汽車越來越受關注,車用空調系統在汽車領域越來越廣。今天我們就來關注一下新能源汽車,看一看新能源電動汽車電機控制器技術。

 【電車資源 行業資訊】如今新能源汽車越來越受關注,車用空調系統在汽車領域越來越廣。今天我們就來關注一下新能源汽車,看一看新能源電動汽車電機控制器技術。

一、電機控制器基本應用

  1.1電機控制器圖示

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1.2電機控制器集成形式

集成形式包括:

單主驅控制器、輔件三合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC)、輔件五合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU+雙源EPS控制器)、乘用車控制器(集成:主驅+DCDC)、物流車三合一控制器(集成:主驅+DCDC+PDU)、物流車五合一控制器(集成:主驅+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU)。

1.3 電機控制器基本原理

電機控制器基本功能:通過逆變橋調制輸出正玄波來驅動電機,多合一的控制器包括

配電回路:為集成控制器各部分提供配電,如TM接觸器、熔斷器、電空調回路供電、電除霜回路供電等等;

IGBT驅動回路:接收控制信號,驅動IGBT并反饋狀態,提供電壓隔離以及保護;

輔助電源:為控制電路提供電源,為驅動電路提供隔離電源;

DSP電路:接收整車控制指令,并提供反饋信息,檢測電機系統傳感器信息,根據指令傳輸電機控制信號;

結構與散熱系統:為電機控制器提供散熱,提供控制器安裝支持,提供控制器安全防護。

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電機控制器熱設計

整車實際運行環境復雜,工況比較惡劣,對熱設計提出很高要求:

仿真試驗需要多層次:

系統級(主要側重于控制器系統級的熱包括水道設計合理性以及控制級內部環溫仿真,系統級仿真包括模塊級的模型)

模塊級(關鍵部件模型電容,銅牌的仿真,通過密度、熱流密度從而仿真電容的溫度)

單板級 (仿真單板環境溫度、單板上關鍵零件散熱,目的是為了精確單板某個關鍵器件的散熱,比如單板放了一些關鍵電阻。若前期做了單板的仿真,可以更快做設計上面的精確設計)


芯片級(IGBT、主功率模塊仿真,IGBT是模塊控制器核心,如何發揮IGBT最大能力,取決于IGBT芯片級仿真的準確度)

試驗需滿足高精度:進行多輪次試驗試驗仿真閉環,散熱器偏差±3℃

復雜工況仿真:額定、過載典型工況仿真、堵轉特殊工況仿真、周期性負載、非線性負載確定控制器最大的能力。

二、電控系統效率優化技術

電控系統效率提升1%,對整車經濟性以及重量都很有優勢,效率優化技術包括載頻動態調整、DPWM發波技術、過調制技術、廣域高效HSM電機。

2.1、載頻動態調整技術

電控系統最主要的損耗來源是逆變器部分,逆變器損耗70%來自開關部分。

從開關損耗角度降低,研究了載頻動態調整技術。通過仿真試驗發現,調整開關頻率后,控制器效率最大可以提升2%左右,使用動態載頻率技術,尤其是在低轉速,對載頻要求不那么高的時候,調整載頻可以有效降低控制器的損耗,提供控制器的效率,初步預計每100公里可以提供1.5公里左右,載頻不能無限制下調,還需要考慮整車噪音和電機控制的需要。

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2.2、DPWM發波技術應用

不連續發波的技術應用,采用DPWM技術比COWM技術減少1/3的開關次數,可以顯著降低開關次數,達到減少開關損耗的目的。

當調制比M>0.816,CPWM和DPWM調制下的諧波近似相同。此區域可采用DPWM技術以降低器件損耗。

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2.3、過調制技術應用

控制器損耗包括開關損耗和導動損耗。導動損耗與輸出電流有很大關系,輸出功率一定的情況下,輸出電流降低對應輸出電壓需要相應提高。

通過加入過調制,能有效提高弱磁區輸出功率和輸出轉矩,提高輸出電壓4%,峰值功率對應提高4%左右,改善整車在高速的動力性能;

通過加入過調制,輸出相同功率,電流會明顯降低,能減小系統發熱,提高控制器的過載能力,改善整車動力性能;

通過加入過調制,能有效提高基波電壓,與沒有過調制相比,可以有效提高電機效率,電機電流能明顯減小(0~8%),效率提高可以有效延長續航里程。

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2.4、廣域高效HSM電機

除了電控效率提升,還包括電機效率提升。

HSM電機混合同步電機,相比IPM電機可以兼顧低速區效率和高速區效率。HSM尤其在中高速恒功率運行區域內,效率優勢更加明顯。試驗發現在低速區、高速區,HSM效率高于常規IPM電機,總體來看使用HSM技術之后可以提高電機效率。

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在公交車與團體車工況下,IPM與HSM電機進行對比,HSM電機占優勢。

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考慮整車工況的綜合能效定向優化技術,通過調整電機各損耗分量比例,實現效率的定向優化,結合具體車型路況信息,定制化開發綜合能效更高的電機,提高續航里程。

三、電控系統模塊結溫保護技術

做了很多熱仿真,得到了控制器的最大能力,最大能力未必能保護好電機控制器,現實工況很復雜。

3.1、IGBT結溫估算現實意義

結溫是判定IGBT處于安全運行的重要條件,IGBT的工作結溫限制著控制器的最大輸出能力。

IGBT過熱損壞影響嚴重,有很多方面因素,例如設計因素、復雜工況、高震動、溫度沖擊,硅脂的老化,依據NTC進行IGBT結溫的間接保護,存在一定的局限性,在堵轉等極端工況下,熱能分布很不均勻、IGBT與NTC存在溫差,且NTC與結溫的關系不是很明確,需要前期試驗摸索,NTC響應時間慢,不能準確及時反映結溫波動狀態。易引起IGBT過熱損壞,傳統使用NTC進行IGBT結溫簡介保護,存在局限性。

單純使用NTC進行保護,在工況惡劣的情況下,很危險。

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3.2、基于NTC的IGBT結溫估算

根據工作參數,如電壓電流頻率,做精確的熱仿真,提取熱流參數,計算校正,提前預估IGBT結溫。經過測試、仿真與軟件模型互相校驗,最終結溫估算誤差±3℃以內。

3.3、基于溫度采樣二極管的IGBT結溫估算

溫度采樣二極管直接集成在IGBT中間,相對于傳統模塊可以直接采集到晶元結溫(近似),提高模塊能力、能夠得到晶元的結溫波動,提高可靠性,保證壽命,缺點在于直接采集晶元結溫,高低壓的安規問題。

模塊6路結溫采樣,模塊及外部電路成本增高,目前采用1各IGBT結的溫度,單路二極管的溫度,通過損耗計算,熱流參數計算,推導出其他幾路IGBT的溫度。

采用單路二極管溫度采樣,利用先進的損耗計算及熱流參數計算方法、測試、仿真與軟件模型互相校驗,結溫估算誤差穩態可達3℃以內,瞬態10℃以內。

3.4、基于結溫估算的溫度保護策略

優勢:

結溫的監控更加直接,整車的加速性能更好;

實時監控結溫,在堵轉極限工況下,既能發揮出控制器的最大能力,又能保證控制器不會過溫損壞,整車的安全性更高;

在整車正常運行的工況下,將IGBT的電流能力發揮到最大,整車動力性更強;

控制器可以結合實際運行工況進行一些更前衛的算法研究,例如IGBT壽命損傷度實時計算等,提高整車的可靠性。

保護措施:

設置結溫限制,當結溫有風險時,進行降載頻或者降轉矩策略;風險解除,降頻或者轉矩數據回升。

四、電機控制器技術發展趨勢

4.1高安全性

力矩安全通過:SBC+MCU監控架構、高壓備份電源、安全相關驅動芯片、IGBT故障的全面診斷、獨立安全關斷路徑、獨立ADC通道的旋變信號解碼、不同質兩路高壓采樣電路、不同質三相電流霍爾傳感器等實現。

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4.2、高EMC等級

現在二代產品可能能做到class3、class4,以后EMC要做到class5,要求措施要做到小型化,成本更低。EMC核心突破創新定位在:以更優的濾波方案,更低成本的EMC器件成本達到高等級EMC要求。如EMC要求達到class5,體積占比小于5%,成本小于50RMB。

發展研究內容包括:“電控+電機”系統EMC解決方案,核心器件EMC特性研究及解決方案,“電控+電機”系統EMC仿真平臺。

4.3、高壓化

主要針對乘用車,目前電壓普遍300-400V左右,以后可能往高壓化發展,超級快速充電和功率需求提升是電動汽車高壓化的內在驅動力。如充電電壓從400V提升至800V,充電時間可以縮短一半。這一塊必須提升,電動汽車未來才個普及,高壓化是發展的一個趨勢,對應這個趨勢,逆變器的設計會從650V IGBT的設計往更高的750V以及1200V IGBT的方向發展。

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4.4、高功率密度

從分裝角度,傳統易用型模塊向方磚、超薄外形,最后裸DBC/芯片形式這樣的趨勢發展。外形體積隨分裝向小型化發展,2018年或者未來可以達到2013年外形體積大小的1/10。

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從芯片這個維度,往高效率、高操作結溫方向發展,如E3芯片,操作結溫為150℃,EDT2芯片結溫可以提升至175℃,SIC碳化硅芯片結溫可以超過175℃,如果E2芯片功率損耗為1,后兩者功率損耗分別為0.8和0.3到0.5之間。使用SiC器件可以顯著降低開關損耗,提升系統效率,減少死區時間,提升系統輸出能力。從電池包和控制器的總體考慮,總成本下降5%,從整車考慮,續航里程增加10%。使用SiC器件之后能夠提升整體效率。

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隨著器件的發展和分裝技術的發展,成本預測會逐步降低。

產品維度來講,供應海馬的控制器,可以做到18kW/L,第二個乘用車控制器功率密度可以做到26 kW/L,最新的乘用車控制器正在做可以做到35 kW/L,未來使用SiC材料預計功率密度能做到45 kW/L。


4.5、器件集成化和定制化

功能安全,高度集成化:

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功能安全,更高主頻:

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驅動隔離IC:功能安全,高集成度:

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模型電容已經高度定制化了,甚至在模型電容里集成EMC的。比如控制器EMC 的Y電容,單獨加一個電路板,未來向集成化發展。這是電機控制器本身,未來系統也是向著集成化發展。

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