電動汽車永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)硬件設計研究

摘要：永磁同步電機因具有高效、可靠和低噪音等優(yōu)點獲得廣泛的應用，而與其相配套的驅動系統(tǒng)對電機的性能、能效等方面的表現(xiàn)有直接的影響。基于此，探討了永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)在電動汽車中的重要性，深入分析了電動汽車永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)硬件設計難點和要點，研究結論可供同行工程人員參考。

關鍵詞：電動汽車；永磁同步電機；SiC驅動系統(tǒng)；硬件設計

中圖分類號：U462 收稿日期：2024-07-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.025

1 前言

隨著全球對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的日益關注，電動汽車作為替代傳統(tǒng)燃油車輛的清潔能源交通方式正逐漸成為主流。在電動汽車領域中，電機驅動系統(tǒng)的性能直接決定車輛的性能，而電動汽車永磁同步電機（PMSM）是電動汽車驅動電機的首選，其SiC驅動系統(tǒng)的硬件設計重點在于可靠性、效率和性能方面。硬件設計的關鍵在于如何充分發(fā)揮電機和SiC的優(yōu)勢，同時克服電動汽車驅動系統(tǒng)在高功率密度、高轉速和復雜工況下面臨的挑戰(zhàn)。在設計過程中，需要考慮電機與SiC之間的匹配性、散熱設計、電磁兼容性等方面的問題，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2 永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)在電動汽車中的重要性

電動汽車的性能和續(xù)航能力直接受到驅動系統(tǒng)電能轉換效率的影響。SiC驅動系統(tǒng)可以實現(xiàn)電能從電池到電動機的有效轉換，最大限度地減少能量損耗，從而提高車輛的能效，延長續(xù)航里程。電動汽車需要根據(jù)不同駕駛場景提供動力輸出的精確控制，以實現(xiàn)最佳性能和駕駛體驗。SiC驅動系統(tǒng)通過精密的控制算法和快速的開關切換，可以實現(xiàn)對PMSM電機的精確控制，包括轉速和扭矩等方面的調節(jié)，從而提供更加穩(wěn)定、高效的動力輸出。

在電動汽車中，對驅動系統(tǒng)的可靠性要求極高，任何故障都可能導致車輛失去動力或者發(fā)生安全隱患。SiC驅動系統(tǒng)采用先進的電力電子技術和可靠的設計，能夠確保電能的穩(wěn)定傳輸，并且具備過載保護、短路保護等功能，有效地降低了系統(tǒng)故障的風險，提高了車輛的安全性和可靠性。SiC驅動系統(tǒng)還具有體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點，可以更好地滿足電動汽車對于輕量化和高性能的要求，它們的高度集成化設計也有助于簡化系統(tǒng)的布局和安裝，提高了整車的制造效率和降低生產成本。

SiC驅動系統(tǒng)在電動汽車中扮演著至關重要的角色，不僅可以提高電能轉換效率，實現(xiàn)高性能的電機控制，而且能夠確保電力傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴ｋS著電動汽車市場的持續(xù)增長和技術的不斷進步，SiC驅動系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，推動電動汽車的發(fā)展邁向更加高效、可靠和智能的方向。

3 硬件設計難點

3.1 控制電路設計難點

由于PMSM電機是高精度電機，其轉速、轉矩的控制要求極高，控制電路需要設計高性能的電流、速度閉環(huán)控制算法，并且實現(xiàn)這些算法需要高精度的傳感器和準確的測量電路，在這方面，誤差補償、反饋延遲和系統(tǒng)響應速度是需要充分考慮和解決的問題。電動汽車中的空間和重量都是重要的考慮因素，控制電路需要在有限的空間內實現(xiàn)高功率密度，這意味著設計中需要使用更高效、更緊湊的電子元件，并且要解決散熱和電磁兼容性等問題。

SiC作為功率開關元件，在高頻率下nloVpYR0IG7epgLP3/5kCJrdxUA+maljRTryNcOJ/Is=的開關損耗、溫升和電壓波形的控制都是需要仔細考慮的難點。在動態(tài)性能方面，控制電路需要能夠快速響應各種負載和速度變化，并且能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在穩(wěn)態(tài)性能方面，控制電路需要能夠在長時間運行中保持高效率和穩(wěn)定性，同時避免因為過載、過熱等問題導致系統(tǒng)失效。電動汽車是一種高度依賴電力系統(tǒng)的交通工具，其電機驅動系統(tǒng)的可靠性直接關系到車輛的安全和可靠性，控制電路需要具備完善的故障檢測、保護和容錯機制，以確保在各種異常情況下能夠及時停止電機并保護系統(tǒng)和駕乘人員的安全。

3.2 熱管理設計難點

電動汽車的驅動系統(tǒng)通常需要輸出高功率，而高功率的輸出會產生大量的熱量。在SiC驅動系統(tǒng)中，功率晶體管的工作時會發(fā)熱，如果熱量無法有效地散發(fā)或處理，將導致系統(tǒng)過熱，進而影響整個驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，如何有效地進行熱量管理成為設計中的首要難點。電動汽車在不同的工作條件下會面臨不同的熱負荷，例如在高速行駛或者急加速時，電機工作時長和負載都會增加，從而增加了SiC驅動系統(tǒng)的熱量產生，在低速行駛或者長時間擁堵情況下，系統(tǒng)的熱量散發(fā)則會受到限制，需要在設計中考慮不同工況下的熱管理策略，確保系統(tǒng)在各種情況下都能夠有效地控制溫度。SiC驅動系統(tǒng)的集成密度較高，元器件之間的熱耦合效應也會增加熱管理的難度，當一個元器件發(fā)熱時，周圍的元器件可能會受到影響，進而形成熱點區(qū)域，導致局部溫度過高，這就需要在設計中采取合適的隔熱措施和散熱結構，以避免熱點區(qū)域的出現(xiàn)，并確保整個系統(tǒng)的溫度均勻分布。

4 硬件設計要點

4.1 SiC功率模塊選取與配置

選擇合適的SiC功率模塊應考慮到電動汽車的功率需求和工作環(huán)境條件。通常情況下，功率模塊的額定電流應大于電動汽車電機的額定電流，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。同時，應考慮到功率模塊的工作溫度范圍、散熱性能和可靠性等因素，選擇具有良好的性能指標和適用范圍的產品。例如，常用的SiC功率模塊封裝形式有HPD、半橋、單管等，它們具有不同的額定電流、耐壓和散熱形式，可根據(jù)實際需求選擇。配置SiC功率模塊應注意匹配驅動電路和散熱系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

在驅動電路方面，應選用高性能的驅動芯片，如NXP-GD3160等，以確保SiC的正常工作和保護功能，應注意驅動電路的設計和布局，減小驅動回路的寄生參數(shù)，提高驅動速度和響應性[1]。在散熱系統(tǒng)方面，應合理設計散熱器的尺寸和水道布局，確保功率模塊在高負載工況下的穩(wěn)定工作溫度，提高散熱效率。配置SiC功率模塊應注意保護和監(jiān)測功能，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，常見的保護功能包括過流保護、過壓保護、過溫保護和短路保護等，應在驅動電路中添加相應的保護電路和檢測元件，及時監(jiān)測和響應功率模塊的異常工況。

應配備完善的故障診斷和報警系統(tǒng)，提供準確的故障信息和處理建議，確保電動汽車驅動系統(tǒng)的安全運行。例如，可以通過添加電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器等元件，實時監(jiān)測功率模塊的工作狀態(tài)，并通過控制器進行故障診斷和處理。通過選擇合適的SiC封裝形式和規(guī)格，優(yōu)化驅動電路設計和熱設計，可以實現(xiàn)功率模塊的穩(wěn)定工作和高效性能，通過添加保護和監(jiān)測功能，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，為電動汽車的穩(wěn)定運行提供保障。

4.2 電路拓撲結構設計

常見的SiC驅動電路拓撲結構包括單級逆變器、雙級逆變器、三級逆變器（圖1）等，在選擇拓撲結構時，需要綜合考慮功率級別、電氣特性、成本和可靠性等因素。例如，對于電動汽車應用，通常采用雙級逆變器結構，可以提高效率和降低電磁干擾。在設計電路拓撲結構時，需要選擇適合的功率器件，如SiC、二極管等，并確定其參數(shù)，如額定電壓、額定電流、導通壓降等，這些參數(shù)直接影響著電路的性能和穩(wěn)定性。例如，選擇額定電流適當?shù)腟iC，可以提高電路的可靠性和功率密度[2]。

驅動電路是控制SiC開關的關鍵，直接影響著電路的開關速度和效率。在設計驅動電路時，需要考慮到SiC的特性和工作條件，合理選擇驅動電壓、驅動電流和保護功能。例如，采用隔離的驅動電路可以提高電路的抗干擾能力和安全性。良好的電路布局和散熱設計可以提高電路的穩(wěn)定性和可靠性，減少電路損耗并延長器件壽命。

在設計電路布局時，需要考慮到信號傳輸路徑、電源線路、地線布局等因素，盡量減小電路的電磁干擾，合理設計散熱結構和散熱系統(tǒng)，確保器件在工作過程中能夠有效散熱，防止過熱損壞。在完成電路設計后，需要進行電路仿真和實驗驗證，確保電路的性能和穩(wěn)定性符合設計要求，通過仿真軟件可以模擬電路的工作過程，分析電壓、電流、功率等參數(shù)的波形變化，發(fā)現(xiàn)潛在問題并進行優(yōu)化，還需要進行實驗驗證，驗證電路的實際工作性能，保證其在各種工況下都能正常穩(wěn)定工作。

電動汽車永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)的硬件設計涉及電路拓撲結構、功率器件選型、驅動電路設計、布局散熱設計以及仿真驗證等多個方面，只有在這些方面都考慮到位，才能夠設計出性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠的電路系統(tǒng)，滿足電動汽車的高效運行需求。

4.3 電磁兼容性（EMC）設計

需要對電動汽車永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)的各個組成部分進行分析，確定可能產生電磁干擾的元器件和模塊，這些元器件和模塊包括但不限于電機、SiC模塊、電源模塊、控制器等，針對這些可能產生電磁干擾的部分，需要采取相應的措施進行抑制和防范。對于電動汽車永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)的硬件布局和線路設計，需要遵循一定的電磁兼容性原則。例如，應該盡量減少線路長度，降低線路的阻抗和電感，減小回路面積，以減少電磁輻射和敏感性，在設計電路板時，要合理布局元器件，盡量避免產生電磁干擾的熱點區(qū)域，減少信號線和功率線的交叉和平行布置，以降低互相干擾的可能性。

在電動汽車永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)中，常見的抑制器件包括濾波電容、濾波電感、電磁屏蔽罩等，通過合理選取和配置這些器件，可以有效地抑制系統(tǒng)中產生的電磁干擾，并減小對外部環(huán)境的干擾。對電動汽車永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)進行電磁兼容性測試和驗證，這包括傳導干擾和輻射干擾兩個方面的測試，傳導干擾測試主要是針對系統(tǒng)中的各種線路和接口，檢測其傳導電磁干擾的情況；而輻射干擾測試則是檢測系統(tǒng)產生的電磁輻射是否符合國家和行業(yè)標準的要求，通過測試和驗證，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)中存在的電磁兼容性問題，確保系統(tǒng)的正常運行和穩(wěn)定性。隨著技術的不斷發(fā)展和應用環(huán)境的變化，可能會出現(xiàn)新的電磁干擾問題和挑戰(zhàn)，需要不斷地進行技術創(chuàng)新和改進，提高系統(tǒng)的電磁兼容性水平，保障電動汽車的安全性和可靠性[3]。

4.4 電路原理圖繪制

在繪制電路原理圖之前，需要明確整個系統(tǒng)的結構和功能模塊，典型的PMSM驅動系統(tǒng)包括功率電路、控制電路、保護電路等模塊，根據(jù)系統(tǒng)需求和設計規(guī)范，確定各個功能模塊的位置和連接方式，為后續(xù)的電路原理圖繪制奠定基礎。根據(jù)系統(tǒng)設計要求和性能指標，選擇適合的SiC功率模塊、電感、電容、電阻等元器件，考慮到PMSM驅動系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性要求，需要選擇質量可靠、性能優(yōu)良的器件，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，注意元器件的參數(shù)匹配和功率容量，確保電路設計符合實際需求。

根據(jù)系統(tǒng)架構和功能模塊，繪制電路連接圖，將各個功能模塊的主要器件按照功能連接起來，形成整體電路框架，逐步細化各個模塊的內部連接，包括電源輸入、信號輸入輸出、控制信號傳輸?shù)龋诶L制過程中，要注意連接線的規(guī)劃和布局，保持電路圖的清晰易讀[4]。PMSM驅動系統(tǒng)中的SiC功率模塊等器件容易受到過流、過壓、過溫等因素的影響，需要添加相應的保護電路，保護關鍵器件和電路不受損壞，常見的保護電路包括過流保護、過壓保護、過溫保護等，在電路原理圖中，將保護電路合理布局，并與主電路連接，確保保護功能的有效性。PMSM驅動系統(tǒng)的控制電路包括逆變控制、PWM控制、速度閉環(huán)控制等，根據(jù)系統(tǒng)設計要求，繪制相應的控制電路，并與功率電路連接起來，在繪制控制電路時，要注意信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準確性，確保控制系統(tǒng)的靈活性和精確性。

5 結語

電動汽車永磁同步電機SiC驅動系統(tǒng)的硬件設計在電動汽車技術發(fā)展中具有重要意義，只有通過不斷深入研究和實踐探索，才能不斷優(yōu)化系統(tǒng)設計，提高電動汽車的整體性能和可靠性，推動電動汽車技術的進步，為構建綠色、智能、可持續(xù)的交通系統(tǒng)做出貢獻。未來的電動汽車將更加智能化、高效化，電機和驅動系統(tǒng)將更加緊密地融合，新型材料和制造工藝將進一步提升系統(tǒng)性能。

參考文獻：

[1]張念忠，王冠峰，王明生.車用永磁同步電機無電流傳感器控制研究[J].汽車工程，2024，46（2）：281-289.

[2]劉顯茜，李文輝，曹軍磊.永磁同步電機機殼串并聯(lián)混合流道液冷分析[J].兵器裝備工程學報，2024，45（2）：109-116.

[3]王毅，趙軻.基于隨機梯度下降的永磁同步電機弱磁擴速控制[J].汽車電器，2024（2）：26-29.

[4]倪雙飛，戴宇辰，蔡啟程.基于擾動觀測器的電動汽車永磁同步電機預設性能控制[J].控制與信息技術，2024（1）：23-30.