一、电机控制器原理介绍
电机控制器是连接电机与电池的神经中枢,用来调校整车各项性能,足够智能的电控不仅能保障车辆的基本安全及精准操控,还能让电池和电机发挥出充足的实力。
如图1所示为一款多合一电机控制器和单电机控制器外形图。
图1
电机控制器单元的核心,便是对驱动电机的控制。动力单元的提供者--动力电池所提供的是直流电,而驱动电机所需要的,则是三相交流电。因此,电控单元所要实现的,便是在电力电子技术上称之为逆变的一个过程,即将动力电池端的直流电转换成电机输入侧的交流电。为实现逆变过程,电控单元需要直流母线电容、IGBT等组件来配合一起工作。当电流从动力电池端输出之后,首先需要经过直流母线电容用以消除谐波分量,之后,通过控制IGBT的开关以及其他控制单元的配合,直流电被最终逆变成交流电,并最终作为驱动电机的输入电流。通过控制动力电机三相输入电流的频率以及配合动力电机上转速传感器与温度传感器的反馈值,电控单元最终实现对电机的控制。
图2是一个典型的电机控制器系统电气图,其中主要分两部分,一部分是高压部分,主要实现高压直流转换成高压三相交流;另一部分是低压控制部分,包括所有通讯、电流传感器检测、电压检测,驱动电路、电机温度和位置检测、低压电源及保护电路等等。
图2
二、电机控制器硬件部分介绍
电机控制器硬件部分根据高低压隔离原则基本会分成2个部分,一部分是主控板,主控板上主要布置电机控制器的低压部分,以电机控制器主控芯片为核心分别布置了CAN通讯电路,低压输入滤波电路、保护电路、主控部分电源、驱动电路电源、旋变解码电路、温度采样电路、过流、短路保护电路、过压保护电路等,如图3所示。另一部分是驱动板,上面主要布置了驱动电路、电流采样电路、母线电压采样电路、IGBT保护电路(过温、过流、短路、欠压过压保护)等,驱动板下面即是IGBT模块,如图4所示。
图3
图4
同时也有如图5所示,把整个控制电路和驱动电路放在一块PCB板上,当然这样也会进行高低压区分布板,如图5中靠近三相出线处为高压部分,主要为驱动电路;另一端导热胶垫上部为控制部分,主要为低压电路。
图5
下面对硬件部分主要零件关键技术及行业趋势进行简单介绍:
说到关键零件第一个要介绍的肯定是IGBT模块,它作为整个功率变换中心,占整个控制器成本的一半左右。IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR(电力晶闸管)的低导通压降两方面的优点。
IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品;封装后的IGBT模块直接应用于电机控制器、变频器、UPS不间断电源等设备上;目前IGBT主要的几种封装形式如图6所示,单管IGBT,表贴式IGBT,双面水冷IGBT等,同时根据目前新能源汽车整体的发展趋势,高功率密度,高效率,轻量化等方向,IGBT封装也在朝双面水冷,SiC,GaN等方向发展。
图6
第二个要介绍的是主控板上主控芯片(DSP),它作为电机控制器整个产品的控制核心,在整个PCB板上单个元器件的成本也是比较高的,目前行业比较主流的几个品牌有英飞凌、TI、飞思卡尔等,根据新能源汽车行业功能安全要求,三个品牌目前都已有满足功能安全要求的汽车级产品,当然目前乘用车行业市占率相对比较高的芯片还是英飞凌的TC系列,目前已有好几家企业达到了ASILC及以上功能安全等级。
第三个要介绍的就是功率电容,它在产品中的作用主要是滤波及储能,目前行业基本都是采用定制电容,以达到产品体积空间利用最优化,如图7所示为其中一种定制形状。
图7
三、电机控制器软件部分介绍
电机控制器软件部分按目前行业比较热门的AUTOSAR架构划分为ASW层(ApplicationSoftwareLayer应用层),RTE层(RuntimeEnvironmentLayer接口层),BSW层(BasicSoftwareLayer基础软件层),也许有人会问什么是AUTOSAR架构,AUTOSAR是AutomotiveOpenSystemArchitecture(汽车开放系统架构)的首字母缩写,是一家致力于制定汽车电子软件标准的联盟。AUTOSAR是由全球汽车制造商、部件供应商及其它电子、半导体和软件系统公司联合建立,各成员保持开发合作伙伴关系。
ASW层AUTOSAR的软件被组织在独立的单位软件组件(software-
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