電動汽車用碳化硅輪邊電機控制器高效控制技術研究

摘" 要：電動汽車的高溫、高濕、高熱量的工作環境，對碳化硅（SiC）輪邊電機控制器提出高功率密度、耐高溫的要求。而驅動系統效率的有效提升，對電機控制器發揮著重要作用。該文通過對國內外同類產品的現狀進行分析，從碳化硅電機控制器硬件研究、軟件研究及輪邊電機系統標定方法、技術路線等方面進行研究，最終確保所研究產品具有高效、精準的良好性能。

關鍵詞：電動汽車；輪邊電機；碳化硅控制器；高效控制；驅動系統效率

中圖分類號：U469.72" " " 文獻標識碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0047-04

Abstract： The working environment of electrical vehicles（EVs） with high temperature， humidity and heat has posed the requirements of high power density and high temperature resistance for silicon carbide （SiC） wheel side motor controller. The motor controller plays an important role in effectively improving the efficiency of the drive system. Based on the analysis of the current situation of similar products at home and abroad， this paper studies the SiC motor controller hardware research， software research and wheel side motor system calibration method， technical route and other aspects. Finally， it ensures that the products studied have high efficiency， accuracy and good performance.

Keywords： electric vehicle; wheel side motor; SiC controller; high efficiency control; drive system efficiency

美國能源部制定的目標是要將電機驅動控制器的功率密度提高到100 kW/L，而我國“十四五”重點研發計劃也將這一指標提高到100 kW/L。為了實現這一目標，世界各國的研究者紛紛把目光集中到碳化硅等新一代的半導體器件上。輪邊電機分布式驅動也是實現電動化、智能化、模塊化和標準化智能底盤的必然選擇。隨著車輛智能化新能源化不斷發展，電驅動系統的智能化、集成化、模塊化程度會越來越高，而汽車是一個相對狹小的空間，零部件的布局受限，基于高溫、高濕、高熱量的工作環境，對電子器件的散熱性、耐高溫性及高功率密度提出了更高的要求。而碳化硅沒有門檻電壓，在小電流階段的時候，其低損耗的優勢就會比較明顯。車規級碳化硅絕大部分應用均為小功率，因此，在整車匹配過程中非常優越。碳化硅器件在常溫和高溫下，開關特性的差異是非常小的，這也是其比較大的一個優點。碳化硅的優點從模塊層面能夠帶來更高的效率、更低的損耗。以新能源汽車為例，可以實現更低的電驅動損耗，可以提高續航里程，或者相同的續航里程可以節省電池、降低成本，所以這也是碳化硅輪邊控制器（圖1）在汽車領域越來越多被采用的原因。該方案開發出的碳化硅輪邊電機控制器，能高效精準地控制車輛轉矩、協調轉速，滿足電動車輛行駛過程中的穩定性和舒適性。

1 國內外研究現狀分析

隨著新能源汽車行業的高速發展，對電驅動系統效率、功率密度、可靠性及動態響應等方面的要求越來越嚴格[1]。而電驅動系統性能的有效提升，對電機控制器發揮著重要作用。基于第三代寬禁帶半導體-碳化硅材料的金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）具有低導通損耗、高開關頻率、高熱穩定性等優異特性（圖2），將采用SiC功率模塊的電機控制器應用到電動汽車中，可以降低電驅動系統的損耗，提升整車效率，降低電機轉矩脈動，改善電動汽車NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度，即Noise、Vibration、Harshness的英文縮寫）特性，對電動汽車的普及具有重要意義。

碳化硅的2個核心優勢，第一是開關損耗，尤其在800 V以上，開關損耗遠好于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），因為其具有更快的速度及反向恢復的特性等。第二是導通損耗，為充分展示碳化硅電機控制器良好的性能優勢，我國許多學者及領域專家進行了全面的研究，并提出了自己的見解，如貴州大學的吳欽木等[2]建立永磁同步機（PMSM）電驅動系統的損耗模型，通過對控制器參數的比較，分析出碳化硅的PMSM電驅動系統效率的影響。華中科技大學的何澤宇[3]研究了脈沖寬度調制（PWM）信號延時對基于碳化硅的感應電機驅動系統的損耗影響，并設計了一臺碳化硅感應電機控制器進行驗證。實驗結果表明，應用碳化硅可以提升感應電機的電流環控制性能，降低系統損耗。南京航空航天大學的秦海鴻[4]設計2臺基于碳化硅和硅的PMSM電機控制器，研究結論表明，在同等條件下，碳化硅控制器的性能明顯優于硅控制器，如碳化硅控制器的效率提高1%，同時溫升下降了2℃。

近年來，新能源汽車快速發展，在全球范圍內碳化硅電機控制器的生產企業主要包括ZF、Qorvo、BorgWarner、特斯拉和英搏爾等，其充分利用碳化硅功能器件的優勢，開發出具備高效率、高精度、耐高溫等優點的電機控制器，用于不同類型的驅動電機。如德國的博世公司開發出的200 kW級PMSM電機控制器，充分利用公司自身封裝的碳化硅功率模塊，并增加了諧波注入功能。研發成果表明，通過高開關頻率的諧波注入不僅使碳化硅的電機控制器效率超過98%，而且降低了電驅動系統噪聲；而德國的西門子公司和法雷奧公司聯合開發的載波頻率達到20 kHz的全新碳化硅電機控制器，通過實驗測試碳化硅電機控制器的損耗得出，碳化硅電機控制器的能耗與硅電機控制器相比，能耗損失大大降低，當能耗開關頻率提升一倍時， 碳化硅電機控制器的損耗降低了50%以上；國內的匯川動力公司開發出的150 kW級碳化硅PMSM電機控制器，經研究表明，在相同工況標準下，碳化硅電機控制器與硅電機控制器的續航里程提升5%，且控制器效率提升2%。以上結果表明，利用碳化硅材料開發出的電機控制器，具有能耗低、效率高的良好性能，從而可大幅提高輪邊電機驅動系統的效率及功率密度，將成為未來電機驅動控制器的主流選擇。

2" 主要研究內容

電機控制器作用是實現電動汽車動力電池直流電和驅動電機交流電的轉換。電機控制器的硬件、軟件、標定方法會直接影響分布式輪邊電機系統的傳動效率、可靠性、響應精度和響應時間等，因此，研究主要包括以下內容。

2.1" 碳化硅輪邊電機控制器電氣設計

碳化硅輪邊電機控制器針對車輛在復雜工況下，實現精確的轉速和轉矩輸出，來保證車輛行駛的穩定性，并最大程度地提升系統效率。新能源汽車高壓電池輸出直流電流，經過薄膜電流整容器整流，進入模塊組件的驅動電路，并通過控制板控制驅動電路將高壓電池的直流電流轉化為可直接輸入驅動機的交流電流，從而完成整個逆變過程[5-8]。碳化硅輪邊電機控制器的電氣設計原理圖如圖3所示。

2.2" 碳化硅輪邊電機控制器硬件研究

在滿足不低于功能安全ASIL C的前提下對碳化硅輪邊電機控制器硬件進行分解，研究適用于碳化硅功率半導體器件的驅動硬件、碳化硅驅動電源供電硬件、被動放電硬件、CAN FD硬件、主控芯片供電硬件及滿足800 V平臺需求的高壓電氣拓撲結構等，為碳化硅輪邊電機控制器樣機產品開發作為設計理論依據。最終開發出滿足項目需求的碳化硅輪邊電機控制器樣機產品，并搭載整車進行試驗驗證。

2.3" 碳化硅輪邊電機控制器軟件研究

基于開發出來的碳化硅輪邊電機控制器硬件產品樣機前提，進行碳化硅輪邊電機控制器軟件研發，研發出滿足整車需求的輪邊電機控制功能軟件。在此前提下，針對輪邊電機系統效率提升困難和整車低速大轉矩輸出問題，研究在傳統功率器件開關序列排布方法基礎上適用于碳化硅輪邊電機控制器的全速域最優開關序列排布方法；針對復雜工況下輪邊電機轉矩控制精度難以滿足車輛要求的前提下，研究不確定擾動作用下輪邊電機控制的高穩定高動態轉矩控制方法和研究復雜時變給定信號下的輪邊電機轉矩快速精準跟蹤技術；由于搭載整車的輪邊電驅動橋沒有機械差速模塊，因此為了保證在系統出現異常時分布式輪邊電機控制不失控，研究分布式輪邊電機控制的動態互相監控協同控制技術。碳化硅輪邊電機控制算法原理如圖4所示。

2.4" 輪邊電機系統標定方法研究

在傳統電機控制器轉矩和轉速控制精度不高問題的前提下，研究以輪邊電機繞組溫度場為基礎的電感標定和電流標定方法，形成碳化硅輪邊電機控制器需求的T、Iq、Id或T、Lq、Ld三維數據表，為解決復雜工況下輪邊電機轉矩控制精度難以滿足車輛要求的難題作為基礎依據。

通過以上的研究，基于碳化硅輪邊電機控制器高效精準動態轉矩控制技術，提高對輪邊電機轉矩控制的精準度及轉矩動態響應性能，其研究成果與國內某電驅公司的技術參數對比，具有明顯的優勢，見表1。

3" 技術路線簡析

以新能源汽車分布式輪邊電機及驅動器的研發與應用為背景，為了確保輪邊電機驅動系統在復雜運行工況下可以充分發揮其極佳的性能，實現驅動系統高效率、高散熱、高動態和高穩定性能，擬解決的關鍵技術為采用碳化硅電機控制器的全速域的最優開關序列排布方法，實現不確定擾動作用下的輪邊電機高穩定高動態轉矩控制技術和基于復雜時變給定信號的輪邊電機轉矩快速精準跟蹤技術；基于碳化硅輪邊電機控制器高效精準動態轉矩控制技術進行研究，提高對輪邊電機轉矩控制的精準度及轉矩動態響應性能。碳化硅輪邊電機高效轉矩如圖5所示。

以整車動力性與經濟性為目標，結合方案的研究目標及輪邊電機技術要求開展碳化硅輪邊電機控制器產品硬件和軟件開發，再綜合整車技術需求，進行碳化硅電機控制器與分布式輪邊電機匹配、搭載整車匹配等。反饋并優化碳化硅輪邊電機控制器樣機性能，通過樣機臺架和整車路試，支持整車完成動力性能、經濟性、可靠耐久等測試，完成整車聯調與標定。

在硬件開發過程中，擬采用主芯片為TC387和電源為TLF35584的搭配，碳化硅功率器件采用滿足800 V電壓平臺要求的全橋HPD封裝功率器件，并且支持OTA、CAN FD的硬件技術需求。在軟件開發過程中，擬采用基于A-SPICE標準模型軟件過程管理，滿足AUTOSAR軟件架構要求，利用Simulink/SCADE等模型設計工具進行軟件研發，最終實現基于碳化硅電機控制器的全速域最優開關序列排布方法前提下，在不確定擾動作用下的輪邊電機高效率、高穩定、高動態轉矩控制技術及基于復雜時變給定信號的輪邊電機轉矩快速精準跟蹤技術研究，并在產品樣機中實現，擬采用的相關研究和主要技術路線如圖6所示。

4" 結論

本文提出了開發碳化硅輪邊電機控制器高效動態轉矩控制技術研究的解決方案，通過論述國內外現狀、碳化硅輪邊電機控制器的電路設計、硬件研究和軟件研究等主要內容，過程中采用碳化硅電機控制器的全速域最優開關序列排布方法、輪邊電機高穩定高動態轉矩控制方法、電機系統的標定方法等關鍵技術。基于上述研究成果，開發出高效率、低能耗、耐高溫的碳化硅輪邊電機控制器，應用于新能源汽車輪邊電機驅動系統中，滿足整車搭載的要求。

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作者簡介：方德華（1983-），男，碩士，工程師。研究方向為電驅動系統的設計開發。