純電動(dòng)汽車電機(jī)控制器電路設(shè)計(jì)

宋宗英

摘要：電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器跟傳統(tǒng)的變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器有所不同，它不需要整流電路、預(yù)充電電路、能耗制動(dòng)單元。只需要保留濾波電容、逆變單元、電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制芯片及其外圍電路、少量I/O和模擬量輸入輸出接口、電機(jī)編碼器檢測(cè)電路、CAN通訊電路。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制器；逆變單元；電源電路；驅(qū)動(dòng)電路；CAN通訊

中圖分類號(hào)：K356 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3178（2018）20-0496-01

1 電動(dòng)汽車電機(jī)控制器電路分析

1.1 電機(jī)控制器高壓供電

目前國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車的電壓平臺(tái)范圍一般有兩種：200～400VDC和450～680VDC。這樣其電壓范圍跟常規(guī)工業(yè)變頻器的范圍相當(dāng)。部分廠家生產(chǎn)的電機(jī)控制器可以直接兼容200～750VDC，大大提高了產(chǎn)品的兼容性減少了產(chǎn)品數(shù)量。很多電動(dòng)汽車的車架就是低壓電源的負(fù)極，因此在電路設(shè)計(jì)中高低壓供電必須可靠隔離。

1.2 電機(jī)控制器濾波電容

由于純電動(dòng)汽車的能量來源是電池，可理解為是一個(gè)超大容量的電容。電池直接給電機(jī)控制器供電，電機(jī)控制器內(nèi)部就不再需要整流電路，同時(shí)在高容量的電池面前能耗制動(dòng)單元就不再需要了。電池電壓穩(wěn)定、波動(dòng)很少，直接跟其并聯(lián)的電機(jī)控制器的濾波電容容量不需要設(shè)計(jì)太高，通常有1000μF就夠。有一些廠家會(huì)并聯(lián)一個(gè)聚丙烯電容，提高高頻濾波效果。純電動(dòng)汽車的高壓控制單元都是跟電池并聯(lián)使用，算是共直流母線結(jié)構(gòu)，所有工作模塊是共用一套預(yù)充電電路，可設(shè)計(jì)在電池內(nèi)部，電機(jī)控制器不需要單獨(dú)保留預(yù)充電電路。

1.3 電機(jī)控制器逆變模塊

IGBT是新能源汽車中的核心器件之一，在新能源汽車中發(fā)揮著重要的作用。新能源汽車用IGBT模塊規(guī)格一般為600V～1200V/200A～800A。我國(guó)市場(chǎng)需求的IGBT主要被英飛凌、賽米控、三菱、三墾、富士、東芝、IXYS、ST等歐美和日本廠商所壟斷，近幾年來隨著市場(chǎng)的刺激以及國(guó)家政策的扶持，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一批IGBT方面的公司，例如中車時(shí)代電氣、比亞迪微電子、華微電子、斯達(dá)半導(dǎo)體。電動(dòng)汽車控制器內(nèi)部使用的IGBT封裝可分為單管、雙管和六管三種。單管IGBT是指一個(gè)模塊封裝內(nèi)只有一個(gè)IGBT管芯，常見于早期400A以上的工業(yè)級(jí)IGBT模塊，耐壓等級(jí)是1200V，比如英飛凌FZ400R12KE3。雙管IGBT是指一個(gè)模塊封裝內(nèi)有兩個(gè)IGBT管芯，常見于450A以下的工業(yè)級(jí)IGBT模塊，耐壓等級(jí)是有600V/650V/1200V，比如英飛凌FF450R12KT4。六管IGBT是指一個(gè)模塊封裝內(nèi)有六個(gè)IGBT管芯，目前各廠商推出的汽車級(jí)IGBT模塊都是如此，常見耐壓等級(jí)范圍650V～1200V，比如英飛凌FS800R07A2E3、FS400R07A1E3、FS400R12A2T4。

1.4 電機(jī)控制器內(nèi)IGBT驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)電機(jī)控制器內(nèi)IGBT規(guī)格的不同其驅(qū)動(dòng)電路也略有差異。總體來講是分為驅(qū)動(dòng)供電電源，隔離驅(qū)動(dòng)芯片，反饋電路三部分。在電路設(shè)計(jì)中通常將跟DC+連接的三個(gè)IGBT稱為上三路，其驅(qū)動(dòng)管腳的地分別對(duì)應(yīng)電機(jī)U、V、W，三者需要分別跟其他電路隔離；跟DC-連接的三個(gè)IGBT稱為下三路，其驅(qū)動(dòng)管腳的地就是DC-，這三路之間不需要隔離，但是要跟UVW和低壓供電隔離。因此在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)供電電源的時(shí)候至少需要4路隔離電源，部分產(chǎn)品為了達(dá)到高穩(wěn)定性會(huì)設(shè)計(jì)6路隔離電源。這些電源每一路要分正負(fù)電壓供電。當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片故障、IGBT故障、過電流輸出故障的時(shí)候可通過隔離光耦反饋給主控芯片，主控芯片能夠馬上切斷PWM輸出，保護(hù)控制器避免造成更大損失。IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片常見的有HCPL-316、ACNW3190、M57962等帶隔離功能的元器件。

1.5 電機(jī)控制器檢測(cè)電路

1.5.1 高壓直流電檢測(cè)

電機(jī)控制器內(nèi)部需要保留高壓直流檢測(cè)電路，主控芯片根據(jù)檢測(cè)的直流電壓來處理IGBT的PWM驅(qū)動(dòng)波形輸出、采取保護(hù)措施。直流電壓檢測(cè)電路需要將高、低壓電路隔離，以保障車輛使用安全。通常可選擇線性隔離光耦來使用，比如IL300之類的器件。

1.5.2 輸出交流檢測(cè)

電機(jī)控制器需要對(duì)輸出到電機(jī)的三相交流電流進(jìn)行檢測(cè)，可采用開環(huán)式霍爾電流傳感器或閉環(huán)式霍爾電流傳感器。開環(huán)式傳感器一般精度低，檢測(cè)帶寬窄，其反饋信號(hào)通常是電壓型，比如霍尼韋爾CSCA0300A000B15B01，額定檢測(cè)范圍±300A，供電±15V，±300A對(duì)應(yīng)反饋電壓±4V。閉環(huán)式傳感器帶寬較寬，精度較高，其反饋信號(hào)通常是0～20mA，比如霍尼韋爾CSNS300F，額定檢測(cè)范圍±300A，供電±15V，300A對(duì)應(yīng)反饋電流150mA。由于三相交流電是正弦波，其三相之和為零，因此有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)候只安裝兩路霍爾電流傳感器，第三路信號(hào)可通過這兩路之差進(jìn)行換算得出。

1.6 電機(jī)控制器主控芯片及通訊和接口

電機(jī)控制器主控芯片可以使用DSP/FPGA/MCU等等，跟通用變頻器的主控芯片要求相似但略有不同。其區(qū)別是：必須要求帶有CAN2.0接口；可以通過通訊接口進(jìn)行軟件升級(jí)和調(diào)試；除了硬線使能信號(hào)不需要太多I/O接口，通用變頻器的每種I/O接口可以預(yù)留1～2路備用。

2 結(jié)語

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，對(duì)環(huán)保要求越來越嚴(yán)，對(duì)電動(dòng)汽車的使用要求也會(huì)越來越高。現(xiàn)階段我國(guó)電動(dòng)汽車進(jìn)入了快速發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模越來越大。電機(jī)及其控制器作為電動(dòng)汽車的核心零部件，對(duì)車輛的安全性、可靠性、舒適性、使用壽命有著至關(guān)重要的影響。廣大設(shè)計(jì)人員應(yīng)該圍繞高安全性、高EMC等級(jí)、高電壓等級(jí)、高功率密度這幾個(gè)方向?qū)﹄姍C(jī)控制器進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]吳成家，趙圣寶.旋變解碼芯片AD2S1205應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[S].合肥：安徽安凱汽車股份有限公司技術(shù)中心，國(guó)家電動(dòng)客車整車系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心.

[2]美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì).SAEJ1939協(xié)議[S].