一種升壓電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用研究

陳紹維，饒俊威，王川，楊洋

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

0 引言

“十五”期間，科技部針對新能源汽車的發(fā)展提出了“三縱三橫”的發(fā)展布局，“三縱”是指電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池和整車控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件；“三橫”是指純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車。新能源汽車的研究主要圍繞純電動(dòng)汽車、油電混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車進(jìn)行［1］。

混合動(dòng)力汽車融合了傳統(tǒng)燃油汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，既具有純電動(dòng)汽車節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，改善了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性能和排放性能，又繼承了傳統(tǒng)燃油汽車持續(xù)行駛里程長的優(yōu)點(diǎn)，近年來普及率穩(wěn)步提升［2］?；旌蟿?dòng)力汽車合資企業(yè)以“豐田”“本田”為代表，國內(nèi)企業(yè)以“比亞迪”“廣汽”為代表，這些企業(yè)開發(fā)的混合動(dòng)力系統(tǒng)和推出的混合動(dòng)力車型極具競爭力，獲得了良好的市場反響。

電機(jī)控制系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車的核心子系統(tǒng)，直接關(guān)系其所搭載的整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及NVH（噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度）等核心性能。本文重點(diǎn)研究一種應(yīng)用于混合動(dòng)力車型的升壓電機(jī)控制技術(shù)，闡述其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)及其搭載整車的性能表現(xiàn)。

1 升壓電機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

節(jié)能減排研究的核心是能源利用率的最大化［3］。受動(dòng)力源自身結(jié)構(gòu)的限制，動(dòng)力源的高效率區(qū)的范圍只能是一個(gè)有限的區(qū)間，而實(shí)際上外界工況變化很大，用戶場景多樣，如上坡、下坡、起步、加速、減速、制動(dòng)等，功率需求變化范圍較大，動(dòng)力源的特性場（即高效區(qū)所確定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的適應(yīng)范圍）不能滿足外界工況的功率需求。通過變速系統(tǒng)的變速、變扭作用，擴(kuò)大動(dòng)力源特性場，可以滿足外界工況的功率需求，提高動(dòng)力源在高效區(qū)工作的比例［4］。混合動(dòng)力系統(tǒng)具有2個(gè)以上的動(dòng)力源，并且動(dòng)力源的特性場（外特性、萬有特性）差別很大，例如油電混合的發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的特性場差別較大，通過優(yōu)化匹配與控制，各動(dòng)力源之間優(yōu)勢互補(bǔ)，為動(dòng)力源在實(shí)際行駛中實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行、提高能源利用效率、降低能源消耗和減少尾氣排放提供了很好的解決方案［5］。

傳統(tǒng)電機(jī)控制器連接整車動(dòng)力電池和電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)模式下將動(dòng)力電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡⒖刂齐姍C(jī)的運(yùn)行，發(fā)電時(shí)將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電整流為直流電，給動(dòng)力電池充電，其性能可影響動(dòng)力電池及電機(jī)性能水平的發(fā)揮及整車的能耗水平。在整車環(huán)境狀態(tài)中，各模塊的通信主要基于CAN（控制器局域網(wǎng)總線）通信協(xié)議，電機(jī)控制器的主要功能是接受VCU（整車控制器）的扭矩指令，并通過調(diào)制波形控制電機(jī)的輸出扭矩，進(jìn)而控制整車的運(yùn)行狀態(tài)。

電機(jī)控制器主要由主控板、驅(qū)動(dòng)板、高壓逆變模塊組成。主控板的功能是模擬采集、PWM（脈沖寬度調(diào)制）波形生成、與VCU 等通信、故障保護(hù)；驅(qū)動(dòng)板主要進(jìn)行電機(jī)相位檢測、電流檢測、電壓檢測等；逆變模塊主要由功率半導(dǎo)體元件、高壓電容、銅排、濾波組件及電流傳感器組成。電機(jī)控制器還包括冷卻水道、殼體、接插件等。車用功率半導(dǎo)體元件主要采用絕緣門極雙極型晶體管（IGBT），IGBT 為電壓型驅(qū)動(dòng)，開通和關(guān)斷所需的驅(qū)動(dòng)功率小、耐壓等級高、開關(guān)速度較快，因此廣泛應(yīng)用于車用電機(jī)控制器。車用電機(jī)控制器使用IGBT 功率逆變單元的作用是利用PWM 波形控制功率半導(dǎo)體元件的開通、關(guān)斷，將動(dòng)力電池的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行。非升壓電機(jī)控制系統(tǒng)電路拓?fù)浜唸D如圖1所示。

圖1 非升壓電機(jī)控制系統(tǒng)電路拓?fù)浜唸D

電機(jī)的工作電壓始終與動(dòng)力電池的輸出電壓保持一致，電機(jī)、電控的效率只能在電池輸出電壓的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的升壓電機(jī)控制技術(shù)，在傳統(tǒng)電機(jī)控制器電路拓?fù)渲?，增加一路Boost 模塊升壓電路，可使電機(jī)在動(dòng)力電池電壓到650 V 的范圍內(nèi)工作。在低轉(zhuǎn)速、低扭矩區(qū)間，電機(jī)在低電壓范圍內(nèi)工作；在高轉(zhuǎn)速、高扭矩區(qū)間，電機(jī)在高電壓范圍內(nèi)工作，以適應(yīng)整車在上坡、下坡、起步、加速、減速、制動(dòng)等工況下功率需求的變化［6］。此外，本設(shè)計(jì)能在任意轉(zhuǎn)速、扭矩的工況下，保證電機(jī)電控系統(tǒng)在綜合效率最優(yōu)的電壓下工作。升壓電機(jī)控制系統(tǒng)電路拓?fù)浜唸D如圖2所示。

圖2 升壓電機(jī)控制系統(tǒng)電路拓?fù)浜唸D

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

通過調(diào)整占空比，可靈活改變Boost 的輸出電壓，滿足整車在不同工況下對轉(zhuǎn)速、扭矩的需求，保證電機(jī)電控系統(tǒng)始終在高效區(qū)間工作。采用升壓電機(jī)控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢［7］。

（1）電池小型化。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓可從動(dòng)力電池電壓到650 V 之間靈活調(diào)節(jié)，因此可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)與電池電壓的解耦，更小的電池、更低電壓的平臺(tái)可驅(qū)動(dòng)更大功率的電機(jī)。電池電壓從350 V 降低到220 V，電池串?dāng)?shù)減少1/3，使電池的電量、體積、重量、成本得到降低。

（2）提升效率。不同的電壓對應(yīng)不同的電機(jī)系統(tǒng)高效區(qū)間，升壓系統(tǒng)可根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)輸出工況，選擇合適的Boost 輸出電壓，組合出各個(gè)工況下的最優(yōu)電壓，獲得更高的效率。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在不同電壓下的效率MAP 圖及最后合成的效率MAP圖如圖3 至圖14 所示。通過升變壓技術(shù)，電機(jī)系統(tǒng)在各個(gè)轉(zhuǎn)速扭矩下按照效率最優(yōu)原則優(yōu)選電壓，合成效率MAP 的高效區(qū)占比增大，可提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)350 V效率MAP

圖5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)450 V效率MAP

圖6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)550 V效率MAP

圖7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)650 V效率MAP

圖8 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)220～650 V合成效率MAP

圖9 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)220 V效率MAP

圖10 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)350 V效率MAP

圖11 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)450 V效率MAP

圖12 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)550 V效率MAP

圖13 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)650 V效率MAP

圖14 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)220～650 V優(yōu)選效率MAP

（3）減少相電流。對于電機(jī)系統(tǒng)相同的功率、扭矩需求，升壓電驅(qū)系統(tǒng)可減少電機(jī)三相電流，進(jìn)而減小連接器和銅排的尺寸，降低發(fā)熱損耗。相應(yīng)電機(jī)控制器的IGBT模塊過流需求降低，IGBT模塊芯片數(shù)量減少，電容容值降低，電機(jī)控制器成本得以降低。與350 V 系統(tǒng)相比，在相同的功率扭矩要求下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)相電流降低40%，發(fā)電機(jī)相電流降低接近50%。

（4）擴(kuò)大電機(jī)的外特性。通過升壓、提高電機(jī)三相電壓、擴(kuò)大電壓極限橢圓、提升進(jìn)入扭矩拐點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)功率得到相應(yīng)的提升。發(fā)電機(jī)扭矩拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速從5 000 rpm 提升至16 500 rpm，峰值功率從87 kW提升至143 kW；驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩拐點(diǎn)從2 000 rpm 提升至7 000 rpm，峰值功率從109 kW 提升至200 kW。如圖15 至圖18 所示，升壓技術(shù)顯著提升了系統(tǒng)的外特性區(qū)域。

圖15 不同電壓下驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩外特性曲線 （單位：V）

圖16 不同電壓下驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率外特性曲線 （單位：V）

圖17 不同電壓下發(fā)電機(jī)扭矩外特性曲線 （單位：V）

圖18 不同電壓下發(fā)電機(jī)功率外特性曲線 （單位：V）

2 升壓電機(jī)控制系統(tǒng)在不同車型上的應(yīng)用分析

2.1 在HEV車型上的應(yīng)用

混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同時(shí)裝備2種動(dòng)力源——熱動(dòng)力源（由傳統(tǒng)的汽油機(jī)或柴油機(jī)產(chǎn)生）與電動(dòng)力源（電池與電動(dòng)機(jī)）的汽車。通過在混合動(dòng)力汽車上使用電機(jī)，使動(dòng)力系統(tǒng)按照整車實(shí)際運(yùn)行工況的要求靈活調(diào)控，整車選擇最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，從而降低油耗與排放。

升壓電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用在整車不同的工況下，能根據(jù)電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速需求，自動(dòng)選擇不同的電壓，得到最優(yōu)的電機(jī)控制工作效率區(qū)間。該系統(tǒng)應(yīng)用于HEV 車型，可減少電池串?dāng)?shù)，降低電池電壓和電池成本。將系統(tǒng)在某HEV 車型（參數(shù)見表1）上進(jìn)行應(yīng)用研究。

表1 HEV車型參數(shù)

該車型在WLTC（全球輕型車測試規(guī)范）工況下運(yùn)行，折算的發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速扭矩點(diǎn)分布如圖19 和圖20 所示。發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)在扭矩50 Nm內(nèi)，轉(zhuǎn)速在10 000 rpm 內(nèi)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)在扭矩-80～120 Nm 內(nèi)，轉(zhuǎn)速在14 000 rpm 內(nèi)。按照該工況計(jì)算WLTC 油耗，對比升壓電機(jī)控制系統(tǒng)與350 V非升壓電機(jī)控制系統(tǒng)，整車油耗改善4.6%，具體數(shù)值如圖21所示。

圖19 WLTC發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速扭矩點(diǎn)分布 （單位：r/min）

圖20 WLTC驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速扭矩點(diǎn)分布 （單位：r/min）

圖21 WLTC油耗對比情況 （單位：L）

2.2 在PHEV車型上的應(yīng)用

一般具體插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in hybrid electric vehicle，簡稱PHEV）車型的續(xù)航里程在進(jìn)行產(chǎn)品定義時(shí)會(huì)優(yōu)先確定，因此應(yīng)用升壓電機(jī)控制系統(tǒng)不能降低電池電量、減少電池串?dāng)?shù)、降低電池電壓，升壓范圍為電池電壓到650 V。將升壓電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于某PHEV 車型（參數(shù)見表2）進(jìn)行相關(guān)油耗、續(xù)駛里程的研究。

表2 PHEV車型參數(shù)

經(jīng)仿真計(jì)算，WLTC工況饋電百公里油耗及純電續(xù)航里程計(jì)算結(jié)果如圖22 和圖23 所示，WLTC 油耗改善2.6%，純電續(xù)航里程基本保持不變。

圖22 PHEV車型饋電百公里油耗 （單位：L）

圖23 PHEV車型純電續(xù)航里程 （單位：km）

3 結(jié)語

升壓電機(jī)控制系統(tǒng)具有提升系統(tǒng)效率、減少相電流、擴(kuò)大電機(jī)外特性以及能讓電機(jī)系統(tǒng)與電池解耦等優(yōu)點(diǎn)，但也存在需要增加Boost 模塊和成本的問題，因此選取車型時(shí)需要綜合考慮性能、成本、純電續(xù)航里程、性價(jià)比等因素。電機(jī)控制器是決定電動(dòng)汽車動(dòng)力性和舒適性的關(guān)鍵部件，也是保證整車安全的重要部件。電機(jī)控制器的研發(fā)主要圍繞硬件和軟件2 個(gè)方面開展。將來，電機(jī)控制器硬件的發(fā)展方向如下：①IGBT（絕緣柵雙極晶體管）采用新一代SiC高功率半導(dǎo)體；②芯片封裝采用納米銀燒結(jié)工藝；③母線電容采用水冷薄膜電容。電機(jī)控制器軟件的發(fā)展趨勢如下：①基于ISO26262，不斷完善功能與安全要求；②提升轉(zhuǎn)矩高控制精度；③采用成熟的抖動(dòng)抑制算法；④采用智能化波形控制策略；⑤汽車OTA（Over-The-Air）能隨時(shí)隨地地進(jìn)行在線軟件系統(tǒng)升級、更新及修補(bǔ)漏洞。