某款新能源客車用集成多合一控制器的測試與優化

摘 要：新能源客車取消發動機后，發動機輔件功能由電動部件取代，如空壓機、轉向助力、發電機等，分別由單獨控制器控制使得整車布置困難，零部件控制器的集成成為技術發展的必然。因此集成多合一控制器在新能源客車上的應用越來越廣泛。本文基于某款新能源客車集成多合一控制器的測試分析，研究集成多合一控制器在整車搭載匹配中的電磁兼容性、抗振動能力、散熱能力、系統效率等方面的設計和優化，對提高控制器性能發揮了重要作用。

關鍵詞：新能源客車 多合一控制器 測試與優化

我國2021年10月出臺的《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達峰行動方案》，簡稱中國“雙碳”目標，預示著常規動力的車輛會逐步退出，發展電動汽車是實現“雙碳”戰略目標的重要途徑[1-2]。因此電動汽車會越來越普遍。

為減小電動汽車高壓動力系統的體積、重量，提高布置空間利用率，同時減少高壓部件間的線束連接、降低成本，電動汽車多采用集成多合一控制器的方案。因此集成多合一控制器是電動汽車的關鍵零部件，需要對其進行多方面的測試及評價。

本文基于某款新能源集成多合一控制器的測試分析，研究集成多合一控制器在整車搭載匹配中的電磁兼容性、抗振動能力、散熱能力、系統效率等方面的設計和優化。

1 一種新能源集成多合一控制器系統結構及原理

本文介紹的新能源客車用集成多合一控制器，集成驅動電機控制模塊、DC/DC、高壓配電、轉向油泵電機控制模塊、氣泵電機控制模塊等，各模塊通過CAN總線與整車交互控制指令和狀態信息，圖1為多合一控制器的系統結構圖。

2 多合一控制器整車搭載測試

本文以某款純電動公交車為集成多合一控制器搭載對象，研究多合一控制器的搭載測試內容及目的如下：

2.1 電磁兼容能力測試

通過車輛搭載測試，評估多合一控制器對整車電磁環境的影響，收集整車運行時的電磁兼容數據，分析產生EMI的主要干擾源與傳播路徑，為適用于整車環境下的控制器電磁兼容優化設計提供依據。

2.2 抗振動能力測試

通過車輛搭載測試，評估多合一控制器各部件在振動環境下的穩定性，為控制器的結構優化設計提供依據。

2.3 散熱能力測試

通過車輛搭載測試，評估多合一控制器各部件溫升情況，為多合一控制器的空間結構及散熱方式優化設計提供依據。

2.4 系統效率測試

通過車輛搭載測試，評估集成控制器驅動系統效率情況，為電機控制器的控制優化設計提供依據。

3 電磁兼容能力測試

整車根據《GB/T 18387電動車輛的電磁場發射強度的限值和測量方法寬帶，9kHz～30MHz》對電磁場發射強度進行檢測。從車輛右電場垂直極化峰值掃描曲線（車輛以64km/h車速穩定運行）上看，超標頻率主要在3M-30MHZ的高頻段。

3.1 檢測超標分析

電磁干擾的形成需要三個要素的共同作用：“干擾源”“敏感設備”“傳播途徑”。目前電動車上主要在干擾源與傳播途徑上力求減小電磁干擾，即要求各個部件、高壓線束的電磁輻射盡可能的小。因超標頻率主要在3M-30MHZ的高頻段，分析主要需從電磁干擾耦合途徑上處理。

電磁干擾的耦合途徑，分為空間耦合和傳導性耦合。空間耦合主要是天線輻射，而傳導性耦合主要通過地線和電源影響。因此從以下方面進行分析：

①系統架構布局;

②高低壓線纜布置;

③高壓部件外殼、高壓線纜屏蔽層接地點方案。

3.2 設計優化

3.2.1 整車系統布置優化

由于存在車內的線束傳導、空間耦合、電源和地電位串擾等問題，這些整車上電氣零部件所產生的電磁干擾會影響車輛其它電子電氣產品的正常工作。因此整車部件的布局、布線、線纜、接地等至關重要。

3.2.2 高低壓線纜布置

為防止高壓線纜產生的電磁干擾，對多合一控制器的信號傳輸造成電磁干擾而發生控制異常的隱患，整車高低壓線纜布置采用分開分層布置。

整車高低壓線纜在布置走線上進行優化，避免形成大磁環。高低壓平行走線間隔在400mm以上，在無法達到該距離的情況下，高低壓線纜相互垂直走線[3]。

3.2.3 高壓部件外殼、高壓線纜屏蔽層接地方案

集成控制器、驅動電機、電輔件外殼均有單獨的搭鐵點，采用專用搭鐵線就近搭鐵。集成控制器接地點處有一條金屬編織帶就近連接至車體搭鐵螺栓，長不超過500mm，寬大于30mm，編織密度大于85%，編織帶總體阻抗不大于20mΩ，控制器接地電阻小于100mΩ。

驅動電機三相線的屏蔽層，集成控制器端的接插件采用屏蔽層壓接方式進行處理。而驅動電機端，屏蔽層與格蘭頭屏蔽環連接。

屏蔽接地通常采用兩種方式：屏蔽層單端接地和屏蔽層兩端接地。

①屏蔽層單端接地是在線束的一端將金屬屏蔽層直接接地，另一端懸空不接地。

在屏蔽層單端接地情況下，非接地端的金屬屏蔽層對地之間有感應電壓存在，感應電壓與電纜的長度成正比，但屏蔽層無電勢環流通過[4]。單端接地就是利用抑制電勢電位差達到消除電磁干擾的目的，這種接地方式適合長度較短的線路。

②兩端接地是將高壓線束的金屬屏蔽層的兩端均連接接地。

在屏蔽層兩端接地情況下，金屬屏蔽層不會產生感應電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產生屏蔽環流通過，如果兩端的電勢不相等，將形成很大的電勢環流，而環流會在屏蔽層中產生干擾電壓。

經以上分析，取消驅動電機端的屏蔽層壓接。

3.3 優化后測試

整改后對車輛電磁場發射強度進行測試。右電場垂直極化峰值掃描曲線（車輛以64km/h車速穩定運行），見圖2所示。

4 抗振能力測試

整車依據《GB/T 28046.3-2011 道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗 第3部分：機械負荷》進行集成多合一控制器的抗振能力測試。多合一控制器裝車后在顛簸路況進行模擬振動測試。試驗后集成控制器外觀無緊固件松脫、無松動等異常現象，內部的電路板、線束連接無脫落、無松動、無損壞，所有功能正常工作。集成控制器在振動環境下穩定性良好。

振動會使材料承受周期應力，當應力大于疲勞極限時，根據疲勞累積損傷理論可知，每一個循環的應力作用會使材料內部產生一定量的損傷，這些損傷可以不斷累積，當累積到一定程度后會產生疲勞斷裂，疲勞斷裂是常見的振動失效[5]。因此，如果設計不當可能導致控制板上出現斷裂失效或者信號接插件引線斷裂。

集成多合一控制器的抗振防振設計，在如下幾方面的措施保障了裝車運行的穩定性：

4.1 內部防振設計

①集成控制器采用一體式壓鑄而成，提高了整機剛性；

②加強了內部PCB電路板的強度，采用剛性好質量輕的材料；

③控制器采用的螺釘都有彈簧墊圈，提高減振作用。

4.2 控制器安裝方面

采用三孔定位支腳安裝方式， 增強了集成控制器穩定性。同時支腳與車架之間安裝采用具有彈性的膠墊，對顛簸路況起到緩沖作用。

5 系統效率測試

整車依據《GB/T 18488.2-2015 電動汽車用驅動電機系統 第2部分：試驗方法》進行集成多合一控制器的系統效率測試。

電機電控總成通過臺架標定測試，得出電動系統效率曲線和饋電系統效率曲線。在DC540V驅動工況下系統最高效率為94.6%。

5.1 系統效率分析

電機控制器是將直流逆變為交流的一種電機控制裝置，其逆變原理基于PWM技術。電機控制器的效率提升對電機電控系統效率及整車經濟性都很關鍵。電控系統的效率提升主要從以下幾個方面進行分析：

5.1.1 直流母線電壓的選擇

直流母線電壓等級是電機控制器參數設計的基礎，直流電壓的大小合理選擇直接影響電機端電壓。直流電壓過高，可能產生大量諧波，另外動力電池成本增加；直流電壓過低，弱磁控制難度大，影響電機效率和性能。

5.1.2 動態載波頻率控制

電機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損耗，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，提高控制器的效率，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。

5.2 系統效率提升

通過以上分析，將集成控制器母線電壓提升至DC650V，在500rpm以下電機控制器采用固定4kHZ載波頻率，500rpm以上電機控制器采用動態載波頻率，同時采用DPWM發波技術和過調制技術，電機電控系統效率得到提升。

電機電控系統效率從最高效率94.6%提升至95.8%。高效比例（高于90%）從68.5%提升至81.2%。

提高控制器母線電壓有利于電機性能的提升，提高系統效率。推薦直流母線電壓450V～750V。母線電壓的提高，控制器內元器件耐壓等級需同時提升。

6 散熱能力測試

集成控制器的主要散熱點在主驅電機控制器的IGBT模塊，模塊的尺寸和封裝形式直接影響控制器設計尺寸和水道設計。通過電機電控系統散熱量進行冷卻系統的匹配計算，選擇合適散熱面積的散熱器。整車冷卻系統中冷卻水通過循環水泵，先經過集成控制器，再到驅動電機，最后到散熱水箱。

集成多合一控制器內驅動電機控制器、轉向油泵電機控制器、空壓機電機控制器及DCDC均有溫度監測傳感器，能通過實時CAN報文將溫度信息發送至整車儀表顯示。

搭載車輛在轉榖試驗臺進行中國典型城市公交循環工況，循環測試。通過CAN記錄盒實時記錄集成多合一控制器各控制器的溫度，并形成曲線（如圖5所示）。驅動電機控制器溫度最高69℃，轉向油泵電機控制器溫度在38-41℃，空壓機電機控制器溫度最高44℃，DCDC溫度穩定在39℃。從曲線上看，各控制器溫度較穩定，均未超過報警閥值。

7 結語

本文基于某款新能源客車集成多合一控制器，研究其在整車搭載匹配中的電磁兼容性、抗振動、散熱、系統效率等方面的性能，通過對測試結果進行分析，并針對性的進行了優化，取得一定成果。通過以上研究有助于企業掌握新能源商用車的核心技術，建立健全集成控制器開發流程及測試評價體系，對集成控制器在新能源客車應用發揮了重要作用。

參考文獻：

[1]李洪慶，韓超，劉磊.我國電動汽車發展現狀及存在問題[J].汽車文摘，2023（09）：36-41.

[2]張振麗.“雙碳”背景下新能源汽車的機遇與挑戰[J].專用汽車，2023（03）：10-12.

[3]苑懷志，沈博識，李堃愷，等.淺談新能源汽車線束應用布置[J].汽車電器，2023（04）：8-10+14.

[4]蔡少飛.高壓及控制電纜屏蔽層接地方式探析[J].黑龍江電力，2019，41（04）：324-328.

[5]盧鋼，陳建明，沈丁建，等.新能源汽車電機控制器振動疲勞耐久性能優化[J].機械強度，2020，42（04）：1000-1006.