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          車用電機控制器的用途及其功能特點

          文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2018-03-15 09:35:00【

           隨著新能源汽車和混合動力汽車的發展,電力電子在汽車上有了用武之地。目前行業里面,車用的電機大多數都是永磁同步電機,也有異步電機(Tesla)、無刷直流電機和有刷直流電機,電機均需要電機控制器進行轉矩、轉速控制。這里主要講講我最熟悉的永磁同步電機控制器,以后有機會再講講電機。由于汽車的特殊用途,車用電機控制器有著區別于普通變頻器的特點。下面遙爾泰小編給大家講講車用電機控制器的用途及其功能特點。

           

          車用電機控制器

           

            車用電機控制器高性能

            汽車的低速起步需要較大的啟動轉矩,汽車的高速巡航需要寬范圍的功率區。這兩個特點就要求控制器在低速時具有高過載能力(通常為額定電流的2倍以上),高速時能有較寬的弱磁恒功能力

            車用電機控制器高轉矩

            較大的啟動轉矩,就要求控制器在低速時能輸出較大的電流。大家都知道,低速時對應的電流頻率也很低,頻率很低帶來的問題就是某一個功率器件(IGBT或二極管)會發熱的時間較長,熱應力會大大增加,會損壞器件或降低器件的壽命。極端的情況是,汽車在開上馬路牙子時,司機會猛踩油門,但車基本不會動,這種電機堵轉的工況,控制器基本輸出的是直流,電流持續流過某一個器件,熱設計時需要全面評估。

            車用電機控制器寬轉速

            較高的轉速范圍,就要求驅動系統有較寬的恒功率區,從而要求控制器有較強的弱磁能力。因為永磁體的磁場是基本恒定的,隨著轉速的升高,反電動勢越來越大,當其值高于電池電壓后,控制器就會失控,所以需要用弱磁電流將電壓控制在可控范圍內。簡單的弱磁就是發現電壓升高后,增加弱磁電流,電壓就會被壓下去。但是對于車用永磁電機來說,隨著轉速的升高,弱磁電流增加到一定值后,再增加弱磁電流反而沒有用了。此時弱磁電流減小,電壓反而能控制住。這個特點簡直反人類……這就產生了所謂的MTPV(Maximum Torque Per Voltage)控制策略,下圖中的H到E這一段。

            車用電機控制器高效率

            新能源汽車的能量來源都很寶貴,驅動系統的效率直接影響了續航里程,所以要求驅動系統的高效率,也即每一度電盡可能跑遠一點。目前行業里面,峰值效率都標到了95%,高于80%效率的區域都多于90%,不知道這里面有多少水分。下圖紅色區域就是高效區,一般電機設計時會通過優化,把高效區設計到車輛行駛最經常運行的區域,峰值效率一般也出現在這個區域的中心。在低速和高速段,效率都不高;在高轉矩段,效率也不高。電機設計好了,其效率區就基本確定了,控制器需要將其控制在最優點。所謂的最優點,就是驅動系統轉矩輸出滿足司機給定的轉矩指令前提下,盡量減小驅動系統的損耗。傳統的優化方向,就是在同樣的轉矩輸出下,輸出最小的電流。但電流僅僅影響的是銅損,電機損耗還有鐵損、機械損耗,控制器還有開關損耗和導通損耗,如果把這些都考慮進去,工作量相當大。

            車用電機控制器電機的非線性

            車用永磁電機都是凸極電機,而不是表貼電機。下圖的藍色槽里面,就是裝永磁體的地方。凸極電機最大特點就是D軸電感小于Q軸電感,所以轉矩不止跟Q軸電流有關,D軸電流也會影響轉矩,所以有MTPA(Maximum Torque per Ampere)控制策略。

            DQ軸電感不相等也就罷了,DQ軸電感還非線性。由于磁飽和的影響,DQ軸電感隨著電流的增加,還會減小。Q軸電感的變化最明顯,變化從1到1/2左右。下圖的紅線是Q軸電感,藍線是D軸電感。

            另外,和教科書上不一樣的是,DQ軸的電感還不解耦。也就是隨著D軸電流的變化,會影響Q軸磁場,同樣Q軸電流也會影響D軸磁場。雖然DQ軸互感和自感相比小很多,但也是一個不可控因素啊。

            電機的磁場會隨著電機溫度的增加而減小,通常和常溫下有10%到20%左右的衰減,這也會影響電機的出力。

            電機的電阻會隨電機溫度的增加而增加,會造成電阻的壓降變大。

            環境

            車每天在外面跑,面對的環境各式各樣。高溫、低溫、高濕、鹽霧、海拔、震動,每一樣都是在設計階段需要考慮,后期需要反復驗證的。前兩年,北京下大雨,如果這種情況下,電動汽車在立交橋下被水淹了怎么辦?所以控制器和電機有IP67的要求,就是在水下泡著,一樣能工作。

            安全

            上面所說的都是只實現基本功能,汽車行業還有安全需求。產品質量好,可靠性高,并不意味著安全。因為哪怕你有那么一絲壞的概率,就可能會造成車毀人亡的慘劇。汽車行業的安全,就是你需要考慮到所有的可能風險,并對這些風險進行評估,并采集積極有效的措施,對這些可能的后果規避。就是如果失效發生了,也有安全機制避免造成不良后果。這就需要在軟硬件設計上,大量的考慮,工作相當復雜。這方面有ISO26262標準進行指導。

            舉個例子,考慮到安全和風險,車用電機控制器的架構會分為三層。Level1是功能實現層,實現基本的電機控制功能。Level2是功能監控層,監控level1的執行過程和結果,如果發現結果不對,就采取故障保護措施。Level3是控制器監控層,其物理上(芯片、時鐘)完全獨立于功能控制器,其監控功能控制器是否正常工作,如果發現功能控制器失控,將采取獨立的故障保護措施。

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