電驅(qū)動系統(tǒng)域控制融合技術(shù)綜述

【摘" 要】在電動化時代的大背景下，電驅(qū)動系統(tǒng)正朝著高壓化與集成化的方向不斷發(fā)展。動力域控集成已然成為未來的技術(shù)趨勢，而電驅(qū)動控制與充電及熱管理的功能融合更是有望形成新的技術(shù)突破。文章聚焦于電驅(qū)動與升壓充電融合技術(shù)以及電驅(qū)動與余熱管理融合技術(shù)，展開全面的綜述研究。通過深入分析，提煉出工程研究中的重點(diǎn)問題，并提出相應(yīng)的研究思路與解決辦法。這對于推動后續(xù)系統(tǒng)產(chǎn)品化的開發(fā)及應(yīng)用具有重大的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】電驅(qū)動系統(tǒng);域控;升壓充電;電機(jī)余熱管理

中圖分類號：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0054-04

A Review of Domain Control Technology for Integrated Electric Drive Systems*

【Abstract】In the era of electrification，the electric drive system is developing towards higher voltage and system integration，especially the integration of power domain control is the technology trend，and the functional integration of electric drive control，boost charging and thermal management will form a new technological breakthrough. In this paper，we summarize and study the fusion technology of electric drive with boost charging and motor thermal management，extract the key problems of engineering research，and put forward research ideas and solutions，which are of guiding significance for promoting the development and application.

【Key words】electric drive systems;domain control;boost charging;motor thermal management

0" 引言

近年來，中國新能源汽車邁入飛速發(fā)展階段，其滲透率已超過30%，全面電動化時代已然開啟。與此同時，在國家能源“雙碳”目標(biāo)的政策壓力下，電動汽車的能耗目標(biāo)愈發(fā)苛刻，整車能效技術(shù)的提升逐步成為研究熱點(diǎn)。對整車、系統(tǒng)及零部件的品質(zhì)、成本、性能要求也更加嚴(yán)格，尤其在電機(jī)驅(qū)動及充電技術(shù)領(lǐng)域，系統(tǒng)朝著高壓化、集成化趨勢發(fā)展。2023年第20屆上海國際汽車工業(yè)展覽會上，共展出6款高壓電驅(qū)多合一產(chǎn)品。其中，比亞迪八合一（圖1）、舍弗勒四合一、匯川七合一（圖1）、長安六合一與凱迪拉克七合一均為物理集成，而華為十合一（圖1）則實現(xiàn)了將電驅(qū)、電源、熱管理等多域融合，做到一芯多用、域控集成，引領(lǐng)了行業(yè)發(fā)展方向。

從各主流企業(yè)展出的技術(shù)來看，電驅(qū)動系統(tǒng)動力域集成是未來技術(shù)趨勢。如圖2所示，從三合一到多合一的物理集成，再到深度集成的多域融合，技術(shù)的迭代正加速進(jìn)行。將主驅(qū)、電源、空調(diào)輔驅(qū)、高壓加熱等進(jìn)行控制集成，實現(xiàn)驅(qū)動控制、高壓充電、熱管理等功能融合，已成為當(dāng)前行業(yè)研究熱點(diǎn)。為此，開展對電驅(qū)動控制與充電、熱管理的融合技術(shù)綜述研究，具有重要的意義。

1" 電驅(qū)與充電融合技術(shù)

為提高充電性能和充電效率，電動汽車朝著高壓800V技術(shù)發(fā)展，然而主流基礎(chǔ)設(shè)施的充電樁仍以400V電壓等級為主。為解決高壓平臺對低壓充電樁的適應(yīng)性問題，一種技術(shù)路線是在800V直流充電系統(tǒng)外增加單獨(dú)的車載DC/DC轉(zhuǎn)換模塊對低壓輸入電源進(jìn)行升壓。但此方案需要額外升壓電路，不僅增加了整車布置的復(fù)雜度，還額外增加了軟硬件成本。將傳統(tǒng)Boost變換器與電機(jī)及電機(jī)控制器相結(jié)合，在現(xiàn)有電驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上組成多相并聯(lián)Boost電路，從而實現(xiàn)升壓充電功能，成為當(dāng)前研究的主流方案。這種電驅(qū)與充電融合技術(shù)的關(guān)鍵在于如何復(fù)用電驅(qū)繞組和功率變換來實現(xiàn)大功率的升壓充電。目前大功率升壓充電有兩種主流技術(shù)方案，一種是從中性點(diǎn)引出充電線的共模方案，另一種是從三相線圈某一相引出充電線的差模方案，如圖3所示。

對于中性點(diǎn)出線的方案，優(yōu)點(diǎn)在于只有零序電流在充電時不產(chǎn)生扭矩，電機(jī)和電控三相溫度分布均勻且容量更大。然而，其缺點(diǎn)也較為明顯，電機(jī)的共模電感較小，需要額外增加外置電感和冷卻回路，從而增加了成本。2014年李成群[1]提出一種采用直流電機(jī)繞組線圈作為升壓電路的儲能電感，逆變橋電路作為開關(guān)電源的功率開關(guān)管的升壓充電電路，并通過試驗證明了其有效性。李春杰[2]對電動汽車的充電與驅(qū)動集成化技術(shù)進(jìn)行研究，提出一種新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但所需功率器件過多，成本高且不便使用。胡鵬博[3]對中性點(diǎn)出線的升壓充電電路進(jìn)行小信號模型分析，設(shè)計了電壓電流雙閉環(huán)控制交錯并聯(lián)運(yùn)行。Xiaokang Zhang[4]等人提出了一種驅(qū)動模式升壓的結(jié)構(gòu)和控制方法，通過一定的繼電器開關(guān)切換也能實現(xiàn)充放電集成。Sebastian Rivera[5]等人提出了一種三電平AC/DC變換器的升壓拓?fù)浜涂刂品椒ǎ瑸樵擃I(lǐng)域提供了新的方向。

對于單相出線的方案，優(yōu)點(diǎn)是無需額外器件，成本較低。缺點(diǎn)是充電時有持續(xù)扭矩，在充電樁停止供電或故障時有抖動。整車企業(yè)從工程應(yīng)用角度也開展了一系列專利布局。比亞迪專利[6-7]中分別介紹了一種利用電機(jī)中性點(diǎn)出線的升壓電路。小米專利[8]基于電機(jī)中性點(diǎn)出線電路，提出在升壓充電模式下接收碰撞信號后如何快速放電，實現(xiàn)碰撞安全。華為專利[9]基于電機(jī)中性點(diǎn)出線電路，結(jié)合開關(guān)組合，能實現(xiàn)升壓、降壓和升降壓，拓?fù)涓屿`活，但涉及開關(guān)器件組合較多，實用性不強(qiáng)。針對單相出線升壓充電技術(shù)，小鵬[10]和廣汽埃安[11]均有布局和應(yīng)用。對于單相出線升壓充電的抖動問題，小鵬和阿維塔都有相關(guān)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

主流方案1，電機(jī)中性點(diǎn)出線技術(shù)，如圖4～圖6所示。主流方案2，單相出線技術(shù)，如圖7～圖8所示。

電驅(qū)與充電融合技術(shù)對比如下。

1）方案1：無抖動問題，需增加電感（若無電感，轉(zhuǎn)子溫升大），成本增加，電感需要冷卻。

2）方案2：成本較低，無需電感，存在持續(xù)扭矩，在開啟和關(guān)閉升壓功能時有抖動問題。

當(dāng)前主流車企均已開展布局電驅(qū)與充電融合技術(shù)，復(fù)用電機(jī)繞組的大功率升壓充電技術(shù)成為解決充電樁兼容性問題的最有利方案。研究電驅(qū)與升壓充電控制融合技術(shù)，重點(diǎn)是解決升壓充電的平臺兼容性及性價比問題。

2" 電驅(qū)與電驅(qū)余熱管理融合技術(shù)

整車熱管理和余熱回收方興未艾，是目前的熱門研究方向。電驅(qū)主動生熱AHF（Active Heating Function）技術(shù)是整車余熱回收的關(guān)鍵一環(huán)，可以為余熱回收提供更高的靈活性，并降低部分成本。特別是在低溫環(huán)境下，通過電驅(qū)主動生熱AHF技術(shù)，能替代整車加熱器，實現(xiàn)降本增效，給整車賦能，提高電動汽車的低溫續(xù)航里程。特斯拉是這一技術(shù)的開創(chuàng)者，在MODEL Y和MODEL 3上，通過熱管理系統(tǒng)集成化設(shè)計，建立了縝密的熱能產(chǎn)生與熱能收集系統(tǒng)，充分利用電池產(chǎn)熱+電機(jī)電控余熱產(chǎn)能，通過軟件的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)熱能最大化利用。國內(nèi)各主機(jī)廠在此領(lǐng)域均有專利布局，區(qū)別在考慮的工況差異。長城汽車[14]提出了一種靜態(tài)時的加熱方法;精進(jìn)電機(jī)[15]提出了一種行駛時的加熱方法;吉利汽車[16]提出了一種將升壓充電和充電加熱整合在一起的控制策略;比亞迪[17]提出了一種直軸電流振蕩的加熱方法。AHF技術(shù)原理如圖9所示。

現(xiàn)有技術(shù)路線要兼顧不同工況，但各自工況下控制策略本身差異較大。如在充電和怠速工況下，電機(jī)堵轉(zhuǎn)三相電流不均衡，發(fā)熱功率較小;而在行車工況，高溫度情況下電機(jī)的動力性會受影響，大電流情況下還會帶來扭矩波動和NVH惡化的問題。如圖10～圖15所示。

電控關(guān)鍵技術(shù)如下。

1）連續(xù)可調(diào)低效驅(qū)動技術(shù)：轉(zhuǎn)矩精度、轉(zhuǎn)矩波動、NVH問題、配套降額保護(hù)。

2）開關(guān)頻率提升：倍頻PWM、欠驅(qū)動控制、驅(qū)動電路熱點(diǎn)溫度估計。

3）電流矢量180°掃描：過零沖擊、扭矩波動、電流控制穩(wěn)定性。

低溫環(huán)境下整車熱管理如何優(yōu)化提升整車?yán)m(xù)航是行業(yè)面臨的共同挑戰(zhàn)。如何將電機(jī)余熱納入到整車熱管理環(huán)節(jié)，提高能效，研究電驅(qū)動系統(tǒng)在不同工況下的產(chǎn)熱差異較大問題，研究不同的調(diào)控控制策略，提升主動生熱AHF技術(shù)的應(yīng)用場景，實現(xiàn)低溫下的整車賦能，具有重大意義。

3" 工程問題提煉

基于以上，電驅(qū)動域控融合技術(shù)的工程研究重點(diǎn)描述如下。

3.1" 電驅(qū)與充電融合

1）研究重點(diǎn)：解決電驅(qū)與充電融合下如何復(fù)用電驅(qū)實現(xiàn)大功率升壓充電的平臺兼容性及性價比問題。

2）核心技術(shù)瓶頸：大功率升壓充電的技術(shù)路線存在抖動（如單相出線方案）和附加電感需加冷卻方案（如中性點(diǎn)出線方案）之間的矛盾。

3）科學(xué)研究重點(diǎn)任務(wù)：針對升壓充電結(jié)構(gòu)進(jìn)行“電磁拓?fù)?冷卻結(jié)構(gòu)-機(jī)械響應(yīng)”耦合分析。

3.2" 電驅(qū)與熱管理融合

1）研究重點(diǎn)：充分利用電機(jī)余熱，通過電驅(qū)主動升熱給整車賦能。

2）核心技術(shù)瓶頸：電驅(qū)主動升熱技術(shù)路線要兼顧不同工況帶來的控制策略差異較大問題。

3）科學(xué)研究重點(diǎn)任務(wù)：針對全域工況、不同控制策略開展“電-磁-熱-噪”多場耦合分析。

工程問題總結(jié)見表1。

4" 研究思路及方法

圍繞域控融合技術(shù)這一科學(xué)問題，遵循“機(jī)理建模-耦合仿真-協(xié)同設(shè)計”原則開展分析研究，研究思路及方法如圖16所示，具體內(nèi)容闡述如下。

圍繞大功率升壓充電平臺兼容性問題，需要開展以下工作：①對Boost升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)機(jī)理建模，建立大功率升壓電磁模型，研究單相和三相中電磁擾動影響扭矩和抖動的機(jī)理;②針對電氣拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行電氣和熱仿真分析，形成EMC仿真優(yōu)化方案;③進(jìn)一步開展系統(tǒng)方案設(shè)計，重點(diǎn)開展大功率充電控制的研究，包括充電控制時序優(yōu)化、功能智能調(diào)節(jié)管理，研究扭矩脈動抑制的調(diào)控策略。

圍繞全域工況下的主動升熱AHF技術(shù)難題，需要開展以下工作：①電磁熱機(jī)理建模，建立熱管理模型和熱管理方法，研究極端工況下磁場畸變對加熱性能的影響機(jī)理;②針對系統(tǒng)開展“電-磁-機(jī)-熱”多場耦合聯(lián)合仿真，開發(fā)溫度場估算仿真策略，優(yōu)化扭矩波動;③進(jìn)一步開展高效換熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，重點(diǎn)對全域工況策略展開研究，開發(fā)連續(xù)可調(diào)低效驅(qū)動策略、倍頻調(diào)制策略、諧波注入算法，抑制NVH性能。

5" 結(jié)語

伴隨汽車電動化、輕量化的發(fā)展趨勢，新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)朝著高度集成化的方向發(fā)展。動力域集成是未來技術(shù)趨勢，而圍繞電驅(qū)動控制、充電及熱管理的功能融合將形成新的技術(shù)突破。開展對電驅(qū)動控制與充電、熱管理的融合技術(shù)綜述研究，針對學(xué)術(shù)和企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀及專利布局進(jìn)行前期分析研究，提出工程問題研究重點(diǎn)及研究思路，對推動后續(xù)系統(tǒng)產(chǎn)品化的開發(fā)及應(yīng)用具有重要的意義。

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