新能源汽車(chē)智能功率模塊的運(yùn)用研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7 收稿日期：2025-03-13 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.014

Abstract：Curretlyntellgentpowermodulesaregenerallydevelopingtowardsmultinoneintegration.Thispapertakeacer tainnewenergyvehiclemodelasanexampletoexplaintheapplicationofintellgentpowermodulesinnewenergyvehiclesandanalyze theaplicationtechnologofinteligentpowermodulesinnewenergyvehicles.Itemphasizes thatnewenergyvehiclesnedtobeguidedbythenatioalneweergstrategyinreasesinvestmentintecholgesearchndevelopment，uilsasetygarat tem，andoptimizeintellgentpowermoduletechnologyTheresearchimstopromoteteaplicationofitelligentpowermodulesin newenergyvehicles，andcreatemodernelectricvehicleswithdistictiveenvironmentalcharacteristicsandtrongtechicalsuprtcapabilities.

Keywords：New energyvehicles;Intelligent powermodule;Applied research

1前言

新能源汽車(chē)是現(xiàn)代交通領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，是推動(dòng)綠色出行的中堅(jiān)力量，更是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵陣地。在加速推進(jìn)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新時(shí)期，智能功率模塊的應(yīng)用能夠提升車(chē)輛性能和能源利用效率，以創(chuàng)新引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展，不斷提升新能源汽車(chē)的技術(shù)水平。本文將從電機(jī)控制技術(shù)、轉(zhuǎn)速控制技術(shù)、再生制動(dòng)技術(shù)和整車(chē)控制技術(shù)等4個(gè)方面，探討智能功率模塊在新能源汽車(chē)中的高質(zhì)量應(yīng)用路徑。

2案例概況

某純電動(dòng)新能源車(chē)輛配備編號(hào)為T(mén)Z20S02的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，搭載了29/135/220-80A·h規(guī)格的動(dòng)力電池組，系統(tǒng)標(biāo)稱運(yùn)行電壓達(dá) 320V ，整車(chē)編碼為BJ7000B3D5-BEV。該車(chē)輛的智能功率模塊融合了多個(gè)高功率開(kāi)關(guān)單元與保護(hù)組件，整合了功率驅(qū)動(dòng)裝置、防護(hù)與濾波系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)及電氣隔離等核心單元，將其統(tǒng)一封裝于同一模塊框架，契合現(xiàn)代大功率變頻設(shè)備向高頻化方向演進(jìn)的需求。模塊整合了功率芯片與驅(qū)動(dòng)電路，配備包含過(guò)壓、短路、過(guò)溫等故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等監(jiān)測(cè)裝置，信號(hào)可直接與微處理器進(jìn)行通信。

3新能源汽車(chē)中智能功率模塊運(yùn)用分析

3.1電機(jī)控制技術(shù)

智能功率模塊（IPM）集成IGBT（絕緣柵雙極型晶體管，或SiC（碳化硅）等先進(jìn)半導(dǎo)體器件，實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該車(chē)型的電機(jī)控制器是驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的控制中心，驅(qū)控裝置作為動(dòng)力系統(tǒng)的中樞部件，通常被稱為智能動(dòng)力單元（MCU）。電機(jī)邏輯算法以減速裝置輸出的動(dòng)力參數(shù)如角速度與扭矩等信息為請(qǐng)求輸人，控制系統(tǒng)依據(jù)內(nèi)置的電動(dòng)機(jī)特性曲線進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，查找優(yōu)化后的MAP圖譜獲取所需能量數(shù)值，將計(jì)算所得功率需求傳送至儲(chǔ)能單元。

驅(qū)控裝置管理主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)還負(fù)責(zé)發(fā)電裝置的調(diào)節(jié)，構(gòu)成雙電機(jī)管理單元。裝置中IGBT為核心部件，其構(gòu)成包含調(diào)節(jié)板、散熱通道、三相高壓接口、直流高壓連接器以及IGBT模組和其配套的驅(qū)動(dòng)電路板。系統(tǒng)內(nèi)置有異常監(jiān)測(cè)電路，檢測(cè)到運(yùn)行異常后能夠?qū)⑸上鄳?yīng)的故障信息并傳送至整車(chē)管理系統(tǒng)，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)與故障碼存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中[1]。

該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是器件具有高頻開(kāi)關(guān)特性，最高達(dá)100kHz ，能降低開(kāi)關(guān)損耗，提升功率密度。該技術(shù)不僅優(yōu)化了電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，還支持寬范圍調(diào)速，為新能源汽車(chē)提供更強(qiáng)的動(dòng)力輸出、續(xù)航能力[2]。

3.2轉(zhuǎn)速控制技術(shù)

基于IPM的轉(zhuǎn)速控制技術(shù)通過(guò)閉環(huán)反饋系統(tǒng)（如旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器等）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合PID算法或模型預(yù)測(cè)控制（MPC）。

在轉(zhuǎn)速控制方面，PWM信號(hào)中的占空比反映了高電平在整個(gè)周期中的時(shí)間占比[3]。直流電機(jī)的輸入端收到高電平信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)子開(kāi)始緩慢加速運(yùn)轉(zhuǎn)；而當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，由于電感具有阻止電流突變的特性，電機(jī)并不會(huì)立即停止，而是延續(xù)原有轉(zhuǎn)速狀態(tài)。通過(guò)周期性高低電平切換，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度取決于單個(gè)周期內(nèi)的平均電壓值，使電機(jī)處于一種介于靜止與滿速之間的中間狀態(tài)，其瞬時(shí)速度在動(dòng)態(tài)變化中，電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與PWM信號(hào)的占空比呈正相關(guān)關(guān)系，占空比越大，平均轉(zhuǎn)速越高。

在動(dòng)力系統(tǒng)中，施加電壓與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，借助PWM技術(shù)輸出的各級(jí)模擬電壓能夠控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，不同型號(hào)的電機(jī)都有其最佳工作頻率范圍，若頻率設(shè)置過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。

在車(chē)輛舵機(jī)控制方面，依靠穩(wěn)定頻率下不同占空比的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)。該車(chē)型的舵機(jī)運(yùn)作采用50Hz 頻率，即 20ms 周期的基準(zhǔn)脈沖，其中高電平區(qū)間在 0.5～2.5ms 之間波動(dòng)，借此達(dá)成角度變化。 180^° 舵機(jī)中， 500～2500μs 的高電平時(shí)長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)0＼～180的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上是對(duì)供給電流強(qiáng)度的調(diào)控過(guò)程。從物理學(xué)角度分析，導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的安培力如公式計(jì)算：

F=BIL

式中， F 為力的大小； I 為電流強(qiáng)度； L 則為導(dǎo)體長(zhǎng)度。在其他參數(shù)恒定的情況下，電流值的變化直接影響電場(chǎng)的強(qiáng)度。根據(jù)歐姆定律，在電機(jī)內(nèi)阻 R 固定條件下，電流 I 與電壓 U 呈正比關(guān)系，即 I=U/R ，進(jìn)而推導(dǎo)出 F=BLU/R 。當(dāng) R，B，L 保持不變時(shí)，安培力大小取決于供電電壓的變化。

該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能夠支持對(duì)電機(jī)弱磁擴(kuò)速技術(shù)，使永磁同步電機(jī)（PMSM）的恒功率運(yùn)行范圍擴(kuò)展至基速的2＼～3倍，通過(guò)諧波抑制技術(shù)減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提升車(chē)輛平順性，解決了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率低、響應(yīng)慢的問(wèn)題。

3.3再生制動(dòng)技術(shù)

IPM通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化、智能門(mén)極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)等，能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)時(shí)電機(jī)發(fā)電工況的快速切換。該車(chē)型的再生制動(dòng)系統(tǒng)集成制動(dòng)踏板裝置、加速度傳感器、組合制動(dòng)啟動(dòng)模塊、壓力源模塊、輪速傳感器等部件，配備動(dòng)力源模塊、四輪速度探測(cè)器、制動(dòng)器夾持機(jī)構(gòu)、摩擦盤(pán)等輔助設(shè)備。整套裝置總重達(dá) 7.9kg ，置于引擎艙左后側(cè)位置，實(shí)現(xiàn)了液壓制動(dòng)、能量回收、電子穩(wěn)定系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)。動(dòng)力源模塊依靠低壓電源驅(qū)動(dòng)，可生成 18MPa 的制動(dòng)壓力并具備能量存儲(chǔ)功能。集成式制動(dòng)器起動(dòng)單元整合了壓力調(diào)節(jié)、踏板模擬反饋、能量回收控制等基礎(chǔ)功能，還包含防抱死系統(tǒng)、牽引力控制、車(chē)身穩(wěn)定以及自動(dòng)駐車(chē)等高級(jí)輔助功能，具有結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、運(yùn)行可靠等優(yōu)勢(shì)。再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

再生制動(dòng)技術(shù)通過(guò)智能功率模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)在減速過(guò)程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換，將其儲(chǔ)存至動(dòng)力電池，使車(chē)輛減速的同時(shí)完成電能存儲(chǔ)。再生制動(dòng)采用車(chē)輛慣性運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)能驅(qū)使驅(qū)動(dòng)裝置逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電力，并儲(chǔ)存至蓄電池中延長(zhǎng)續(xù)航，搭載此類(lèi)系統(tǒng)的車(chē)型已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行[4]。主控單元MCU是AHB裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的核心，通過(guò)解析腳踏模擬裝置反饋數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估駕乘人員的制動(dòng)意圖。系統(tǒng)借助與組合制動(dòng)啟動(dòng)模塊的數(shù)據(jù)交互調(diào)控制動(dòng)管路中的各類(lèi)閥門(mén)，達(dá)到能量復(fù)用的效果。

通過(guò)再生制動(dòng)，能在行駛中持續(xù)回收動(dòng)能提升續(xù)航，降低常規(guī)制動(dòng)使用頻率，既能減輕液壓制動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷，也能降低操作者的控制壓力，還能有效延長(zhǎng)制動(dòng)元件的使用周期。再生制動(dòng)裝置可將車(chē)輛運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)能儲(chǔ)存，把能量存儲(chǔ)于蓄電系統(tǒng)中，為車(chē)輛提供額外續(xù)航里程。

3.4整車(chē)控制技術(shù)

IPM是整車(chē)控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，通過(guò)CAN/FlexRay總線與整車(chē)控制器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力、能量、熱管理共同控制。該車(chē)型的智能功率模塊用于整車(chē)邏輯算法，通過(guò)力學(xué)動(dòng)態(tài)平衡公式對(duì)系統(tǒng)中上級(jí)發(fā)出的速度指令進(jìn)行計(jì)算分析，可獲得車(chē)輛所需的牽引能力5。參數(shù)將傳遞至輪轂系統(tǒng)，輪轂會(huì)將實(shí)際可達(dá)到的最大牽引力數(shù)值反饋至整車(chē)控制單元，用于系統(tǒng)判定。

智能功率模塊用于整車(chē)控制如下：車(chē)輛管控系統(tǒng)負(fù)責(zé)判斷駕駛意圖，通過(guò)實(shí)時(shí)采集行駛參數(shù)與動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)，配置能源輸出；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊主要包含電機(jī)及其控制裝置，該模塊負(fù)責(zé)能量形式轉(zhuǎn)換，依據(jù)總控制器下發(fā)的扭矩指令實(shí)現(xiàn)行進(jìn)、轉(zhuǎn)向等功能，同時(shí)具備能量回收機(jī)制，并配備故障監(jiān)測(cè)預(yù)警功能。

智能功率模塊用于實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制功能，行駛參數(shù)采集系統(tǒng)的行駛數(shù)據(jù)獲取機(jī)制通過(guò)配置如速度檢測(cè)器、擋位監(jiān)測(cè)儀等傳感設(shè)備，依據(jù)差異化的信號(hào)采樣間隔，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)行駛工況參數(shù)；動(dòng)力輸出管理基于既定運(yùn)轉(zhuǎn)模式，結(jié)合儲(chǔ)能裝置與驅(qū)動(dòng)單元的工況參數(shù)，計(jì)算所需扭矩?cái)?shù)值；扭矩優(yōu)化控制通過(guò)對(duì)當(dāng)前及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的綜合評(píng)估，測(cè)算實(shí)際輸出能力上限，并依據(jù)需求量，合理調(diào)節(jié)最終執(zhí)行扭矩值[6]。

智能功率模塊用于整車(chē)系統(tǒng)監(jiān)控與異常管理方面，系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)各類(lèi)傳感裝置及執(zhí)行單元的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，建立故障標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，保證各功能單元在異常狀況下正常工作。外部設(shè)備管控依據(jù)核心運(yùn)算結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)總線調(diào)控空調(diào)等周邊功能模塊。智能功率模塊用于輔助體系方面，行車(chē)安全保障系統(tǒng)配備電子助力轉(zhuǎn)向裝置，電力系統(tǒng)維持系統(tǒng)搭載DCDC變換器、循環(huán)制冷系統(tǒng)、溫控設(shè)備等，車(chē)載智能設(shè)施配置多媒體影音系統(tǒng)等便捷功能[7]。

該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)IPM數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提前預(yù)判電機(jī)軸承磨損風(fēng)險(xiǎn)，提升故障預(yù)警準(zhǔn)確率，大幅提升系統(tǒng)的可靠性[8]。

4結(jié)語(yǔ)

新能源汽車(chē)中智能功率模塊具有重要作用，新能源汽車(chē)的發(fā)展中應(yīng)優(yōu)化智能功率模塊系統(tǒng)布局，貫徹安全

通過(guò)表2可知，動(dòng)比位能從優(yōu)化前的 264mm 變?yōu)閮?yōu)化后的 400mm ，負(fù)重輪動(dòng)行程從 72mm 變?yōu)閮?yōu)化后

優(yōu)先的發(fā)展思維，構(gòu)建安全檢測(cè)保障體系，加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵組件技術(shù)的創(chuàng)新投入，為推動(dòng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入持續(xù)動(dòng)力，以技術(shù)創(chuàng)新助力綠色交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

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作者簡(jiǎn)介：陳潤(rùn)，男，1986年生，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)零部件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。