新能源汽車電機控制器的案例
新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望
一、前言
對新能源汽車而言，電池技術(shù)、電機技術(shù)、電機控制器技術(shù)被稱為新能源汽車關(guān)鍵三電技術(shù)。在當(dāng)前電池技術(shù)未能取得突破的前提下，提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率、功率密度、安全性與可靠性成為新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的主要研究方向，也是我國政府和企業(yè)進行政策制定和未來發(fā)展規(guī)劃的重點對象。
二、驅(qū)動控制器關(guān)鍵技術(shù)
電機驅(qū)動控制器作為新能源汽車中連接電池與電機的電能轉(zhuǎn)換單元，是電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)的核心。其中高性能功率半導(dǎo)體器件、智能門極驅(qū)動技術(shù)以及器件級集成設(shè)計方法的應(yīng)用，將有助于實現(xiàn)高功率密度、低損耗、高效率電機控制器設(shè)計；同時，高性能、高可靠電機控制器產(chǎn)品，還要求具有高標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容性（EMC）、功能安全和可靠性設(shè)計。
（一）功率半導(dǎo)體器件技術(shù)
電機控制器的發(fā)展以功率半導(dǎo)體器件為主線，正從硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、傳統(tǒng)單面冷卻封裝技術(shù)，向?qū)捊麕О雽?dǎo)體（如SiC、GaN等）、定制化模塊封裝、雙面冷卻集成等方向發(fā)展。同時，得益于成熟的技術(shù)迭代，以及相比于寬禁帶半導(dǎo)體器件更低的成本，硅基IGBT仍然是當(dāng)前與未來較長時間內(nèi)電機控制器產(chǎn)品的主要選擇。
在硅基IGBT芯片技術(shù)上，英飛凌科技公司針對新能源汽車市場高功率密度需求，已研發(fā)出EDT2芯片技術(shù)，實現(xiàn)了750V/270A IGBT芯片量產(chǎn)，富士集團等日本廠商也都相繼研發(fā)出了高功率密度IGBT芯片技術(shù)，并已批量應(yīng)用于汽車IGBT模塊產(chǎn)品。
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一、前言
對新能源汽車而言，電池技術(shù)、電機技術(shù)、電機控制器技術(shù)被稱為新能源汽車關(guān)鍵三電技術(shù)。在當(dāng)前電池技術(shù)未能取得突破的前提下，提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率、功率密度、安全性與可靠性成為新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的主要研究方向，也是我國政府和企業(yè)進行政策制定和未來發(fā)展規(guī)劃的重點對象。
二、驅(qū)動控制器關(guān)鍵技術(shù)
電機驅(qū)動控制器作為新能源汽車中連接電池與電機的電能轉(zhuǎn)換單元，是電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)的核心。其中高性能功率半導(dǎo)體器件、智能門極驅(qū)動技術(shù)以及器件級集成設(shè)計方法的應(yīng)用，將有助于實現(xiàn)高功率密度、低損耗、高效率電機控制器設(shè)計；同時，高性能、高可靠電機控制器產(chǎn)品，還要求具有高標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容性（EMC）、功能安全和可靠性設(shè)計。
（一）功率半導(dǎo)體器件技術(shù)
電機控制器的發(fā)展以功率半導(dǎo)體器件為主線，正從硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、傳統(tǒng)單面冷卻封裝技術(shù)，向?qū)捊麕О雽?dǎo)體（如SiC、GaN等）、定制化模塊封裝、雙面冷卻集成等方向發(fā)展。同時，得益于成熟的技術(shù)迭代，以及相比于寬禁帶半導(dǎo)體器件更低的成本，硅基IGBT仍然是當(dāng)前與未來較長時間內(nèi)電機控制器產(chǎn)品的主要選擇。
在硅基IGBT芯片技術(shù)上，英飛凌科技公司針對新能源汽車市場高功率密度需求，已研發(fā)出EDT2芯片技術(shù)，實現(xiàn)了750V/270A IGBT芯片量產(chǎn)，富士集團等日本廠商也都相繼研發(fā)出了高功率密度IGBT芯片技術(shù)，并已批量應(yīng)用于汽車IGBT模塊產(chǎn)品。
展開 汽車專題第七期 |新能源汽車—電機篇（三）
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9.一文了解新能源汽車常用的驅(qū)動電機類型及原理
主要內(nèi)容：交流異步電機（結(jié)構(gòu)、工作原理、優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍）、永磁同步電機（結(jié)構(gòu)、工作原理、優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍）、開關(guān)磁阻電機（結(jié)構(gòu)、工作原理、優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍）、總結(jié)...
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10.新能源車用驅(qū)動電機定子繞組技術(shù)
主要內(nèi)容：驅(qū)動電機定子繞組的定義與功能、驅(qū)動電機定子繞組技術(shù)的發(fā)展、聯(lián)合電子開發(fā)的軸向嵌裝繞組平臺...
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11.新能源汽車電機控制器
主要內(nèi)容：電機控制器原理介紹、電機控制器硬件部分介紹、電機控制器軟件部分介紹、電機控制器結(jié)構(gòu)部分...
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12.新能源汽車用軸向磁通電機設(shè)計與分析
主要內(nèi)容：軸向磁通電機結(jié)構(gòu)介紹、軸向磁通電機電磁方案設(shè)計（電機技術(shù)要求、電機主要尺寸確定、電機主要材料選型、 永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計、永磁體厚度選擇、定子沖片的設(shè)計）、電機模型的建立、電機有限元分析（ 電機磁場分析、氣隙磁密分析、空載反電動勢分析、齒槽轉(zhuǎn)矩分析、電機額定負(fù)載性能分析）、樣機試驗與仿真對比分析、結(jié)論...
展開 新能源電動汽車電動汽車驅(qū)動電機控制器結(jié)構(gòu)與功能
一、電動汽車驅(qū)動電機控制器概述
電機控制器，控制動力電源與驅(qū)動電機之間能量傳輸?shù)难b置，由控制信號接口電路、驅(qū)動電機控制電路和驅(qū)動電路組成。
圖1 某車型三合一集成式電機控制器
在電動車輛中，電機控制器的功能是根據(jù)檔位、油門、剎車等指令，將動力蓄電池所存儲的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機所需的電能，來控制電動車輛的啟動運行、進退速度、爬坡力度等行駛狀態(tài)，或者將幫助電動車輛剎車，并將部分剎車能量存儲到動力蓄電池中。
它是電動車輛的關(guān)鍵零部件之一。
電機控制器的基本功能可分為兩個部分
二、電動汽車驅(qū)動電機控制器的基本結(jié)構(gòu)
電動汽車驅(qū)動電機控制器基本結(jié)構(gòu)可分為：殼體、高低壓連接器、電子控制元件、電氣控制元件、電氣功率元件。
電氣功率元件主要為IGBT集成功率模塊，是電氣控制器關(guān)鍵零部件。
下圖為IGBT集成功率模塊。
通過電子控制元件與電氣控制元件對IGBT集成功率模塊的控制，輸出可控的三相正弦交流電流，從而控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。
如圖為 IGBT集成功率模塊原理簡圖。
IGBT集成功率模塊原理簡圖
1. 殼體與連接器
電機控制器的殼體的主要用于固定各電子控制元件、電氣控制元件、電氣功率元件及連接器，并提供密閉的防塵防水（IP67）空間保護各電子控制元件、電氣控制元件、電氣功率元件。
由于車用電機控制器IGBT集成功率模塊輸出功率高，溫升快。
殼體提供相應(yīng)冷卻水路從整車?yán)鋮s系統(tǒng)引入冷卻液以冷卻IGBT集成功率模塊。
如圖所示為電機控制器殼體。
連接器安裝于殼體外部，可分為高壓連接器與低壓連接器。
如下圖所示為高低壓連接器。
高壓連接器主要用于與外部電能的傳輸?shù)膶印?低壓連接器主要用于12V電源的供應(yīng)、與其他控制器通訊。
2.
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新能源汽車電機控制器
圖3
圖4
同時也有如圖5所示，把整個控制電路和驅(qū)動電路放在一塊PCB板上，當(dāng)然這樣也會進行高低壓區(qū)分布板，如圖5中靠近三相出線處為高壓部分，主要為驅(qū)動電路；另一端導(dǎo)熱膠墊上部為控制部分，主要為低壓電路。
圖5
下面對硬件部分主要零件關(guān)鍵技術(shù)及行業(yè)趨勢進行簡單介紹：
說到關(guān)鍵零件第一個要介紹的肯定是IGBT模塊，它作為整個功率變換中心，占整個控制器成本的一半左右。IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR（電力晶閘管）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。
IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于電機控制器、變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上；目前IGBT主要的幾種封裝形式如圖6所示，單管IGBT,表貼式IGBT,雙面水冷IGBT等，同時根據(jù)目前新能源汽車整體的發(fā)展趨勢，高功率密度，高效率，輕量化等方向，IGBT封裝也在朝雙面水冷，SiC，GaN等方向發(fā)展。
圖6
第二個要介紹的是主控板上主控芯片（DSP），它作為電機控制器整個產(chǎn)品的控制核心，在整個PCB板上單個元器件的成本也是比較高的，目前行業(yè)比較主流的幾個品牌有英飛凌、TI、飛思卡爾等，根據(jù)新能源汽車行業(yè)功能安全要求，三個品牌目前都已有滿足功能安全要求的汽車級產(chǎn)品，當(dāng)然目前乘用車行業(yè)市占率相對比較高的芯片還是英飛凌的TC 275系列，目前已有好幾家企業(yè)達到了ASIL C及以上功能安全等級。
展開 新能源汽車驅(qū)動電機及控制器解析
驅(qū)動電機系統(tǒng)是電動汽車三大核心系統(tǒng)之一，是車輛行駛的主要驅(qū)動系統(tǒng)，其特性決定了車輛的主要性能指標(biāo)，直接影響車輛動力性、經(jīng)濟性和用戶駕乘感受。驅(qū)動電機系統(tǒng)由驅(qū)動電機、驅(qū)動電機控制器(MCU)構(gòu)成，通過高低壓線束、冷卻管路與整車其他系統(tǒng)連接。
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一、電動汽車驅(qū)動電機控制器概述
電機控制器，控制動力電源與驅(qū)動電機之間能量傳輸?shù)难b置，由控制信號接口電路、驅(qū)動電機控制電路和驅(qū)動電路組成。
圖1 某車型三合一集成式電機控制器
在電動車輛中，電機控制器的功能是根據(jù)檔位、油門、剎車等指令，將動力蓄電池所存儲的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機所需的電能，來控制電動車輛的啟動運行、進退速度、爬坡力度等行駛狀態(tài)，或者將幫助電動車輛剎車，并將部分剎車能量存儲到動力蓄電池中。
它是電動車輛的關(guān)鍵零部件之一。
電機控制器的基本功能可分為兩個部分
二、電動汽車驅(qū)動電機控制器的基本結(jié)構(gòu)
電動汽車驅(qū)動電機控制器基本結(jié)構(gòu)可分為：殼體、高低壓連接器、電子控制元件、電氣控制元件、電氣功率元件。
電氣功率元件主要為IGBT集成功率模塊，是電氣控制器關(guān)鍵零部件。
下圖為IGBT集成功率模塊。
通過電子控制元件與電氣控制元件對IGBT集成功率模塊的控制，輸出可控的三相正弦交流電流，從而控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。
如圖為 IGBT集成功率模塊原理簡圖。
IGBT集成功率模塊原理簡圖
1. 殼體與連接器
電機控制器的殼體的主要用于固定各電子控制元件、電氣控制元件、電氣功率元件及連接器，并提供密閉的防塵防水（IP67）空間保護各電子控制元件、電氣控制元件、電氣功率元件。
由于車用電機控制器IGBT集成功率模塊輸出功率高，溫升快。
殼體提供相應(yīng)冷卻水路從整車?yán)鋮s系統(tǒng)引入冷卻液以冷卻IGBT集成功率模塊。
如圖所示為電機控制器殼體。
連接器安裝于殼體外部，可分為高壓連接器與低壓連接器。
如下圖所示為高低壓連接器。
高壓連接器主要用于與外部電能的傳輸?shù)膶印?低壓連接器主要用于12V電源的供應(yīng)、與其他控制器通訊。
2.
展開 新能源汽車講解丨電機控制器
新能源汽車講解丨電機控制器
新能源汽車SiC電機驅(qū)動控制器研究進展
來源
新能源汽車講解丨電機控制器的結(jié)構(gòu)與功能
新能源汽車講解丨電機控制器的結(jié)構(gòu)與功能
新能源汽車SiC電機驅(qū)動控制器研究進展
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源：
電力電子產(chǎn)業(yè)
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新能源汽車講解丨電機控制器的結(jié)構(gòu)與功能
來源：百度文庫
新能源汽車講解丨SiC電機控制器研究進展
來源 | 電子電力產(chǎn)業(yè)
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【技術(shù)】新能源汽車電機熱管理
圖新型混合型電機冷卻系統(tǒng)（更正：圖中“電池”更正為“銅管水套”）
1、風(fēng)冷
采用風(fēng)冷的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、不需要設(shè)計獨立的冷卻零件、維護方便及成本低，缺點是冷卻效果較差。為保證足夠的散熱量需求，驅(qū)動電機與控制器需要增大與氣流的接觸面積，導(dǎo)致電機和控制器體積和成本的增加；驅(qū)動電機和控制器在車輛上使用時對應(yīng)的工況較為復(fù)雜，風(fēng)冷無法在各工況下保持所需的散熱量，故僅在熱負(fù)荷小的小型車驅(qū)動電機或輔助電機采用風(fēng)冷。
氣體冷卻方式的結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低。KONDO M等對永磁同步電機設(shè)計了一個冷卻系統(tǒng)，在軸承四周布置了環(huán)形冷卻腔以隔絕電機內(nèi)部的熱空氣，在電機軸承的外側(cè)安裝了帶槽的小圓盤，通過風(fēng)扇實現(xiàn)強迫對流。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)增強了電機的冷卻性能，且平均能耗也有所減少。
2、油冷
日系車型的電機則能夠采用ATF（自動變速器油）作為冷卻介質(zhì)，與冷卻液相比，油冷電機體積更小，前機艙布置較為緊湊。
3、水冷
液體具有更高的比熱，且可以根據(jù)需要主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，故而液冷具有更好的穩(wěn)定性。對于新能源汽車的驅(qū)動電機和控制器等元件，采用液冷可以迅速帶走熱量，實現(xiàn)溫度的快速降低，提高電機和控制器的效率和壽命。現(xiàn)階段新能源汽車電機和控制器普遍使用液冷冷卻。
液體冷卻方式因其優(yōu)異的換熱性能，而廣受關(guān)注，主要研究熱點是電機外殼水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計及水道的設(shè)計。田玉冬等對一臺額定功率為21 kW的電動車的永磁同步電機優(yōu)化設(shè)計了一種C型環(huán)槽水路結(jié)構(gòu)，并運用有限元數(shù)值計算的方法，對電機水冷系統(tǒng)及電機內(nèi)部的三維溫度場進行了計算分析。研究結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)溫度分布均勻，最高溫度集中于磁鋼中部；定子區(qū)域內(nèi)繞組端部的溫度高于中部溫度。
展開 Simdroid-EC：液冷仿真新星，助力新能源汽車電機控制器高效散熱
近年來，新能源電動車的銷量呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢。據(jù)統(tǒng)計，2024 年1-10月中國新能源汽車銷量達728萬輛，同比增長37.8%。
電機控制器在新能源汽車中對于保障動力和安全性能扮演著至關(guān)重要的角色，其核心部件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管，一種電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件）在工作時會因自身的功率損耗而產(chǎn)生大量熱量，一旦溫度超出規(guī)定的安全范圍，其性能就會顯著下降，嚴(yán)重情況下甚至?xí)斐善骷挠谰眯該p壞，影響整個新能源汽車的動力輸出和行駛性能。
基于上述問題，鑒于液體的比熱容較大，能吸收大量熱量而自身溫度升高較小，因此該行業(yè)廣泛采用液冷技術(shù)實現(xiàn)IGBT的有效散熱。此外，冷卻液可直接接觸IGBT模塊，使其溫度分布更均勻，避免局部過熱，進而有效延長IGBT模塊的使用壽命。
伏圖-電子散熱模塊（Simdroid-EC）能夠精準(zhǔn)模擬IGBT在不同工況下的溫度分布情況，從而有針對性地優(yōu)化散熱方案，確保IGBT始終處于安全的溫度區(qū)間內(nèi)，保障其可靠運行。
Simdroid-EC功能亮點
Simdroid-EC是基于伏圖平臺（Simdroid）開發(fā)的針對電子元器件、設(shè)備等散熱的專用熱仿真模塊，內(nèi)置電子產(chǎn)品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子產(chǎn)品的熱分析模型，并利用成熟穩(wěn)定的算法計算流動與傳熱問題，對電子產(chǎn)品進行高效的熱可靠性分析；可廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、電力電子、半導(dǎo)體產(chǎn)品與設(shè)備、汽車、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。
本文通過某電機控制器的案例來說明Simdroid-EC的功能亮點。
1. CAD模型導(dǎo)入
通過Simdroid-EC導(dǎo)入接口，可以直接導(dǎo)入液冷流道和IGBT的.stp模型文件，無需打散，可完整還原導(dǎo)入體原貌。
導(dǎo)入模型
2.
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