純電動汽車電機控制器的案例
電動汽車電機驅動控制器功能安全架構研究
0 引言
伴隨著新能源汽車產業的發展，車用電子電氣系統的功能也日趨復雜，如何確保電子電氣系統的功能安全已成為行業關注的重點和研究的熱點。國際標準化組織（ISO）于2011年正式發布了ISO26262《道路車輛功能安全》標準，其提供了一套涵蓋系統（包括硬件和軟件）及其生產制造的完整功能安全設計流程與認證制度，以確保汽車行駛的安全性，并已成為汽車行業目前普遍接受的一套完整的評估并降低風險的方法，獲得了全球主要汽車制造商以及零部件供應商的廣泛認可和采用。盡管該標準針對功能安全性給出了完整的設計流程，對功能安全理念的引入發揮了至關重要的作用，但由于其并不涉及特定產品的具體設計，同時國內外的相關文獻也鮮有介紹，因此如何正確地實現產品級的功能安全，對設計人員而言仍然具有一定的難度。
作為純電動汽車核心動力部件，電機驅動控制器其功能安全的正確實施顯得尤為重要。本文將從純電動汽車電機驅動控制器的安全目標出發，詳細闡述針對不同微處理器結構如何實現系統架構設計層面的功能安全。
1 電動汽車電機驅動控制器安全完整性等級分析
1.1 安全目標及安全完整性等級ASIL
產品安全性開發的最終目的是為了符合安全目標。安全目標是系統最高層面的安全要求，是危害分析和風險評估（HARA）的結果?；贖ARA分析可以得出針對安全目標的汽車安全完整性等級（ASIL）。根據文獻可知，ASIL等級的確定需要針對危害事件綜合考慮嚴重度（S）、暴露概率（E）和可控性（C）的因素，如表1所示，其中D代表最高等級，A代表最低等級，QM表示質量管理。
對于S，E，C指標，文獻中均有明確定義，本文不再贅述。需要說明的是，一個安全目標可能與多種危害相關，而多個安全目標也可能與某種單一的危害有關。
展開 淺析純電動汽車驅動電機控制系統的控制過程
純電動汽車的使用已經走進我們的生活，它已成為當前這一時期汽車的典型轉型。純電動汽車從結構上來說主要體現在動力總成控制系統、電機控制系統和電池及其管理系統三個方面。從工作原理上來講，純電動汽車主要是通過高壓蓄電池直接供電，再由驅動電機控制模塊控制汽車驅動電機起動運轉。本文主要對純電動汽車電機的結構、電機控制系統過程進行分析。
燃油汽車在使用過程中燃燒排放出熱量，同時廢氣排放也在同步增加，這就讓我們的環境持續受到污染，空氣指數也受到嚴重影響，隨著我們對燃油的使用，燃油能源也在逐漸的減少，人類將會面對能源危機所帶來的影響。為了我們的生存環境不再受到污染，為了讓生態資源與人類需求保持平衡，純電動汽車的發展逐漸取代現在使用的燃油汽車，將成為我們的迫切需要。
純電汽車與傳統汽車相比，主要是用蓄電池取代傳統汽車的發動機。電動汽車電動機驅動系統所需要的電能由車載蓄電池提供，并將車載蓄電池輸出的電能轉化為電動汽車所需要的機械能，而驅動電機的輸出軸便連接至該電 動汽車的驅動系統，經過驅動系統基本結構的傳動裝置， 傳動裝置把驅動電機傳來的力轉化為驅動力，從而驅動汽車驅動輪，完成行駛。
純電動汽車的核心部件主要由驅動電機和電機的控制模塊組成，驅動電機模塊主要是根據駕駛員的操作，把電動汽車動力電池所產生的電能最大化的轉化為車輪旋轉所需要的動能，或者是在制動時，車輪上所產生的動能 反饋給電動車電池。電動汽車的動力性、經濟性和舒適性直接受驅動電機的特性影響，驅動電機的特性也就成為評價汽車性能的主要指標。
汽車驅動電機系統主要通過驅動電機、各種傳感器、 驅動電機控制模塊、高壓線束、低壓線束、冷卻系統與電動汽車的其它系統連在一起。
純電動汽車電機廣泛采用三相交流永磁電動機。
展開 新能源電動汽車電動汽車驅動電機控制器結構與功能
一、電動汽車驅動電機控制器概述
電機控制器，控制動力電源與驅動電機之間能量傳輸的裝置，由控制信號接口電路、驅動電機控制電路和驅動電路組成。
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檔位、油門、剎車等指令，將動力蓄電池所存儲的電能轉化為驅動電機所需的電能，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，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、電動汽車驅動電機控制器的基本結構
電動汽車驅動電機控制器基本結構可分為：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，從而控制電機的轉速、轉矩。
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。
殼體提供相應冷卻水路從整車冷卻系統引入冷卻液以冷卻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的對接。
低壓連接器主要用于12V電源的供應、與其他控制器通訊。
2.
展開 新能源電動汽車電動汽車驅動電機控制器結構與功能
一、電動汽車驅動電機控制器概述
電機控制器，控制動力電源與驅動電機之間能量傳輸的裝置，由控制信號接口電路、驅動電機控制電路和驅動電路組成。
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檔位、油門、剎車等指令，將動力蓄電池所存儲的電能轉化為驅動電機所需的電能，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，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、電動汽車驅動電機控制器的基本結構
電動汽車驅動電機控制器基本結構可分為：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，從而控制電機的轉速、轉矩。
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。
殼體提供相應冷卻水路從整車冷卻系統引入冷卻液以冷卻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的對接。
低壓連接器主要用于12V電源的供應、與其他控制器通訊。
2.
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純電動汽車電機NVH控制
純電動汽車電機NVH控制
用于無刷直流電機的汽車電動直流電機控制器的工作原理
用于無刷直流電機的汽車電動直流電機控制器的工作原理-博揚智能
直流電機控制器的具體細節取決于電機類型（有刷、無刷、步進）和使用該電機的設備的功能。例如，與有刷電機的工業直流電機控制器相比，用于無刷直流(BLDC)電機的電動汽車直流電機控制器具有不同的設計和工作原理。
控制器分為數字和模擬版本。數字直流電機控制器與其模擬變體之間的主要區別在于前者包括基于微控制器(MCU)的硬件和固件。
一些直流電機控制器類型可以接收來自電機的反饋、檢測錯誤并糾正它們，使值與設定值一致。它們被稱為閉環或反饋控制器。
或者，即使發生故障，開環或非反饋控制器也不會影響這種情況，因為它不會檢測到故障。您可以在不需要自動控制的簡單系統中找到此類控制器。
開環和閉環系統是控制理論的基本概念。根據電子設備的要求或復雜性，您可以實施帶或不帶反饋的控制系統。例如，步進電機可以與開環控制器一起運行。用于高性能應用中精確定位的伺服直流電機控制器是一個閉環系統。
圖中顯示了閉環和開環控制系統的示例。在第一種情況下，機器人的電機控制器接收反饋并根據景觀條件調節速度。在非反饋系統的情況下，電機控制器得不到反饋。因此，機器人的速度在到達平臺時會降低。
展開 電動汽車驅動電機控制器結構與功能
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純電動汽車整車控制器原理及功能解析
整車控制器是電動汽車正常行駛的控制中樞，是整車控制系統的核心部件，是純電動汽車的正常行駛、再生制動能量回收、故障診斷處理和車輛狀態監視等功能的主要控制部件。
整車控制器包括硬件和軟件兩大組成部分，它的核心軟件和程序一般由生產廠商研發，而汽車零部件供應商能夠提供整車控制器硬件和底層驅動程序?，F階段國外對純電動汽車整車控制器的研究主要集中在以輪轂電機驅動的純電動汽車。對于只有一個電機的純電動汽車通常不配備整車控制器，而是利用電機控制器進行整車控制。國外很多大企業都能夠提供成熟的整車控制器方案，如大陸、博世、德爾福等。
1. 整車控制器組成與原理
純電動汽車整車控制系統主要分為集中式控制和分布式控制兩種方案。
集中式控制系統的基本思想是整車控制器獨自完成對輸入信號的采集，并根據控制策略對數據進行分析和處理，然后直接對各執行機構發出控制指令，驅動純電動汽車的正常行駛。集中式控制系統的優點是處理集中、響應快和成本低；缺點是電路復雜，并且不易散熱。
分布式控制系統的基本思想是整車控制器采集一些駕駛員信號，同時通過CAN總線與電機控制器和電池管理系統通信，電機控制器和電池管理系統分別將各自采集的整車信號通過CAN總線傳遞給整車控制器。整車控制器根據整車信息，并結合控制策略對數據進行分析和處理，電機控制器和電池管理系統收到控制指令后，根據電機和電池當前的狀態信息，控制電機運轉和電池放電。分布式控制系統的優點是模塊化和復雜度低；缺點是成本相對較高。
展開 電動汽車電機控制工作原理及優化方案
新能源汽車的三電是指：動力電池、驅動電機、整車電控。
三電是新能源汽車的核心，在動力電池技術的發展上，不時有新技術與新熱點出現。在電控領域，我們的發展一直處于比較初級的階段。
電控效率的提升，能顯著提升純電動汽車的整車經濟性。
電控，廣義上電控有整車控制器、電機控制器與電池管理系統。
本文介紹電機控制的的工作原理及優化方案。
01
電機控制器
電機控制器是連接電機與電池的神經中樞，用來調校整車各項性能，足夠智能的電控不僅能保障車輛的基本安全及精準操控，還能讓電池和電機發揮出充足的實力。
02
電機控制器的工作過程
電機控制器單元的核心，便是對驅動電機的控制。動力單元的提供者--動力電池所提供的是直流電，而驅動電機所需要的，則是三項交流電。因此，電控單元所要實現的，便是在電力電子技術上稱之為逆變的一個過程，即將動力電池端的直流電轉換成電機輸入側的交流電。
為實現逆變過程，電控單元需要直流母線電容，IGBT等組件來配合一起工作。當電流從動力電池端輸出之后，首先需要經過直流母線電容用以消除諧波分量，之后，通過控制IGBT的開關以及其他控制單元的配合，直流電被最終逆變成交流電，并最終作為動力電機的輸入電流。如前文所述，通過控制動力電機三項輸入電流的頻率以及配合動力電機上轉速傳感器與溫度傳感器的反饋值，電控單元最終實現對電機的控制。
下圖是一個典型的純電動汽車動力系統電氣圖，其中藍色線是低壓通訊線，所有通訊、傳感器、低壓電源等等都要通過這個低壓接頭引出，連接到整車控制器和動力電池管理系統。
紅色線為高壓動力線。
展開 純電動汽車電機嘯叫噪聲優化
作者：李彬，鄧建交丨中國第一汽車股份有限公司
摘 要：
純電動汽車在整車NVH性能開發過程中，驅動電機存在8階嘯叫噪聲，嚴重影響整車NVH性能品質。通過整車試驗、主觀評價及CAE仿真分析手段，驗證出空氣傳播為車內8階嘯叫噪聲大的主要路徑，鎖定驅動電機逆變器殼體共振及電機懸置支架振動是造成8階嘯叫噪聲大的關鍵因素。
本文作者基于某純電動汽車電機嘯叫噪聲表現，通過整車測試評價及電機本體CAE仿真分析的手段提出結構改進方案，優化后電機嘯叫噪聲降低明顯，對純電動汽車電機嘯叫噪聲優化提供了一定的依據及相關經驗。
1 電機8階嘯叫問題
1.1 整車電機8階嘯叫噪聲
根據整車測試數據，加速工況車內電機8階嘯叫噪聲凸顯，測試結果如圖1所示。對應主觀評價結果為車速在60km/h～80km/h范圍，車內存在明顯電機嘯叫噪聲，主觀評分6分。
展開 純電動汽車雙電機驅動構型大盤點
1 單電機方案與雙電機方案的對比
對于電動汽車來說，雙電機相對于單電機加主減速器或變速箱的方案在提高驅動效率方面的優勢：
第一，單電機在低速、高速輕載等情況下，效率降低比較嚴重。
電動機的高效區間雖然比內燃機大得多，但是汽車的轉速和轉矩要求太寬了：強大的加速性能和爬坡能力需要大的扭矩，而速度從零到上百km/h則對轉速范圍有非常高的要求。
雖然大部分中高速工況下電動機的效率都能很高，但是在低速重載、高速輕載等情況下，電動機的效率會比高效率的區間下降20-30%。
雙電機則可以通過不同的搭配，讓系統的高效區擴大，提升效率。
第二，雙電機可以提高制動能量回收的效率。
在雙電機耦合驅動系統中，有四個可能的操作模式：單電機驅動模式、雙電機驅動模式、單電機再生制動模式、雙電機再生制動模式。
驅動效率和回收效率其實是一回事，當電動機工作在電動模式的時候就是驅動效率，工作在發電模式的時候就是回收效率，兩臺電機擁有更多的高回收效率空間，可以提高制動能量回收的效率。
第三，雙電機無動力中斷。
單個電機要想達到更高的效率可以通過搭配多檔位變速箱實現，但是如果搭配變速箱，就會有換檔動力中斷的問題，而使用雙電機協調控制則不會出現動力中斷。
第四，單個電機如果要滿足高性能（高扭矩）和高轉速范圍，設計制造難度大，總重量也大。
通過把單個電機分解為兩個電機，可以讓電機的制造難度降低，總重量也可以降低。
實際上，一臺100kW的電機性能不需要由一臺60kW的電機和另一臺40kW的電機加起來提供，一般情況下，一臺40kW左右和一臺30kW左右的電機組成的雙電機系統就可以提供甚至超過一臺100kW電機的性能，同時總重量一般可以降低30%甚至更多。
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純電動汽車電機嘯叫噪聲優化
作者：李彬，鄧建交丨中國第一汽車股份有限公司
摘 要：
純電動汽車在整車NVH性能開發過程中，驅動電機存在8階嘯叫噪聲，嚴重影響整車NVH性能品質。通過整車試驗、主觀評價及CAE仿真分析手段，驗證出空氣傳播為車內8階嘯叫噪聲大的主要路徑，鎖定驅動電機逆變器殼體共振及電機懸置支架振動是造成8階嘯叫噪聲大的關鍵因素。
本文作者基于某純電動汽車電機嘯叫噪聲表現，通過整車測試評價及電機本體CAE仿真分析的手段提出結構改進方案，優化后電機嘯叫噪聲降低明顯，對純電動汽車電機嘯叫噪聲優化提供了一定的依據及相關經驗。
1 電機8階嘯叫問題
1.1 整車電機8階嘯叫噪聲
根據整車測試數據，加速工況車內電機8階嘯叫噪聲凸顯，測試結果如圖1所示。對應主觀評價結果為車速在60km/h～80km/h范圍，車內存在明顯電機嘯叫噪聲，主觀評分6分。
展開 純電動汽車電機嘯叫噪聲優化
作者：李彬，鄧建交丨中國第一汽車股份有限公司
摘 要：
純電動汽車在整車NVH性能開發過程中，驅動電機存在8階嘯叫噪聲，嚴重影響整車NVH性能品質。通過整車試驗、主觀評價及CAE仿真分析手段，驗證出空氣傳播為車內8階嘯叫噪聲大的主要路徑，鎖定驅動電機逆變器殼體共振及電機懸置支架振動是造成8階嘯叫噪聲大的關鍵因素。
本文作者基于某純電動汽車電機嘯叫噪聲表現，通過整車測試評價及電機本體CAE仿真分析的手段提出結構改進方案，優化后電機嘯叫噪聲降低明顯，對純電動汽車電機嘯叫噪聲優化提供了一定的依據及相關經驗。
展開 純電動汽車驅動電機NVH開發
【免責聲明】文章為作者個人觀點，不代表EDC電驅未來立場。如因作品內容、版權等存在問題，請于本文布30日內聯系EDC電驅未來進行刪除或洽談版權使用事宜。
純電動汽車電機噪聲測試與分析方法研究
3.2.3主觀評價方法
主觀評價是電機階次噪聲客觀評價方法的依據，也是最終的接受標準，打分標準見表1。
按照表3的打分標準對圖11 涉及到的四種車型進行主觀評價并打分，得到表4的主觀評價結果，結果和圖11 的客觀測量數據吻合。
4 結語
基于純電動汽車電機噪聲在整車上的聲學特征，首先介紹了電動汽車電機噪聲的測試方法，包含測點布置和測試工況然后介紹了電機噪聲的分析方法，包含電機噪聲的識別，電機噪聲的客觀評價和主觀評價方法。本文介紹的電機噪聲的測試和分析方法可應用于電機的開發和驗證工作。
作者：嚴小俊，趙要珍，曹誠，馬扎根
作者單位：上汽大眾汽車有限公司
來源：2018汽車NVH控制技術國際研討會論文集
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