方勇
合肥阳光电动力科技有限公司 安徽省合肥市230088
摘要：传统燃油车的高速发展是一把双刃剑，给人类带来便捷的同时也引发了环境污染和能源短缺问题，而纯电动汽车所具备的高效、节能、零排放等优点使其成为当前研究的热点。电机驱动系统是纯电动车的核心技术之一，高效稳定的电机控制系统能够保证其稳定、可靠运行。电动汽车电驱动系统中的电机控制器会用到功率开关器件(IGBT)。功率开关器件快速变化的电压或电流会使电机控制器出现很明显的电磁干扰，如果没有很好地设计和控制，会导致整车的EMI性能变差。本文根据集成系统发展趋势，设计了一种多功能电机控制器控制架构，突出介绍集成式电机控制器内部主要元件的选型，设计验证了优化设计方案的有效性，具有一定的工程应用价值。
关键词:电动汽车；EMI性能；电机控制器；IGBT
1引言
电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，整个驱动系统包括电机驱动系统与其机械传动机构。随着产能的增大，整车对于高压系统结构原理的设计要求越来越高，电动汽车高压电气的布置，正在一步步向着集成化的方向发展，不仅降低了整车部件布置的难度以及整车的质量，也提高了整车的可靠性，整车控制策略同时相对比较容易实现。
2电机控制器架构原理
2.1电气架构设计
动力电池提供驱动电源，正负极高压电从动力电池传到集成式电机控制器，经过控制器内部的电源分配，高压电主要分配到IGBT逆变器，把高压直流电转换成高压交流电为主驱电机提供电源，另外一部分分配到辅助高压用电器（本文示例为电除霜设备（PTC）），为其供电。接触器KM1、KM2与熔断器电阻R1组成预充电路，由于集成电机控制器内部有滤波电容C1，预充电路能够起到限制动力电池接通瞬间对滤波电容C1的充电电流，以保护IGBT逆变器不会因滤波电容C1瞬间的短路电流而损坏。电除霜设备为电感性用电器，支路电路可以直接开断，只用一个电除霜接触器KM3即可。
集成式电机控制器控制中枢是HCU（高压控制单元），对于控制器外部，HCU是直接与外部电路连接的，外部电路给HCU提供低压电源与唤醒信号，同时HCU与外部电路通过CAN通信交互传递控制命令与检测信息；对于控制器内部，HCU根据霍尔传感器（L1、L2）、电压传感器（V1、V2、V3、V4、V5、V6）、温度传感器（TH2）检测控制器电路的电气温度信息，查看电路状态，同时通过接触器控制电路开闭，已达到控制各高压用电器的目的。HCU与主驱电机内的旋转变压器RS是用EXC激励电源（EXC-N、EXC-P）、正弦信号（SIN-N、SIN-P）、余弦信号（COS-N、COS-P）这3组信号线相接，通过解调正余弦信号可以获得主驱电机的角度位置信息，同时HCU通过温度信号（temp-、temp+）线与主驱电机内的温度传感器TH1相连，收集主驱电机的温度，了解主驱电机内部温度是否异常。
2.2接线原理设计
集成式电机控制器（MCU）的低压线束包括电源线、唤醒线、CAN线，MCU的电源线接到蓄电池，由蓄电池直接供电，当开关打到ON挡时，整车控制器（VCU）通过硬线给MCU提供唤醒信号，使MCU激活并自检，让MCU处于待命状态；当开关打到ST挡时，VCU收到START信号，并将上高压指令通过CAN线发到MCU，MCU控制IGBT闭合，让整个回来处于高压通电状态。若整车有开电除霜功能的需求，只用在ON挡状态下，VCU发送开启PTC命令给MCU，MCU闭合PTC接触器就可以。
3电机控制器元件选型
集成式电机控制器（MCU）包括HCU（高压控制单元）、IGBT逆变器、PDU（电源分配单元）等3个部分，下面分别介绍。
3.1HCUHCU（高压控制器单元）主要由电源电路、控制芯片（DSP/FPGA）及其外围电路、控制电路、检测电路、I/0电路、CAN通信电路、传感器组成，负责检控三合一电机控制器内部元件，以及与外部设备通信。检测电路负责收集控制器内部霍尔传感器（L1、L2）、电压传感器（V1、V2、V3、V4、V5、V6）发出三相电流和接触器前后端电压信号，用以判断当前控制器内部元件状态，以及收集电机内部旋转变压器、温度传感器反馈过来的旋变和温度信号，了解电机当前状态。控制芯片处理检测电路收集的信号后，通过控制电路对接触器、IGBT逆变器进行控制，以达到高压配电和驱动电机的作用。
3.2IGBT逆变器
IGBT逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。逆变器内部由6个IG－BT（绝缘栅双极型晶体管）组成，每一相输出线与正负直流母线之间各连接一只IGBT功率管。为了能够将输入的直流电变成交流电，6个IGBT按照一定的顺序，依次间隔60°循环导通或者关闭，从而形成相位差为180°的UVW三相电。IGBT功率管常规选配核算根据GBT18488.1-2015，控制器应能承受电机峰值电流至少30s，IGBT峰值直流电流≥1.414倍电机最大相电流有效值，IGBT直流耐电压≥1.414倍电机峰值反电动势。
3.3PDU
PDU（高压电配电单元）负责控制器内部的高压电分配、电路保护、预充、滤波等，主要包括接触器、熔断器、电阻、滤波电容等。
3.3.1接触器
控制器选用的是直流接触器，利用线圈流过电流产生磁场，使触头断开或者闭合，从而控制负载电流通断。其中预充电接触器的作用是有效保护负载内部电容、熔断器、主接触器，防止直接上电瞬间，由于瞬间电流过大可能会造成设备损坏。选配时注意接触器主触头的额定电压≥负载额定电压，主触头的额定电流≥1.3倍负载额定电流。本控制器系统接触器包括电机主接触器KM1、电机预充接触器KM2、电除霜接触器KM3。
3.3.2熔断器
熔断器对电路起到短路和过流保护的作用，熔断器的额定电压不得低于系统工作电压，熔断器的额定电流≥2倍熔断器所在回路可允许的最大连续负载电流，本控制器系统熔断器包括主驱电机熔断器FU1、电除霜熔断器FU3。
3.3.3系统电阻与滤波电容
系统电阻包括预充电阻R1、放电电阻R0。预充电阻R1在预充电路中起限流的作用。而放电电阻R0在电源波动时防止从电容器发出的充放电电流干扰电路稳定工作，同时消耗逆变器反向导通回来的电机多余能量。滤波电容C1是用来降低交流脉动波纹系数，抑制电源电压的波动，使电路获得平滑稳定的直流电压，同时也起到储能的作用。
4结语
纯电动汽车取代传统燃油车是大势所趋，各国纷纷出台利好政策鼓励纯电动汽车的研发和生产，发展新能源汽车是我国超越国外汽车工业的绝佳机会，已上升至国家战略高度。而电控系统作为纯电动汽车的核心已成为当前研究的热点，根据新能源汽车的最新发展趋势，集成方案必定蓬勃发展，全文以较简单的二合一电机控制器（MCU+PDU）为例，详细介绍集成式电机控制器的电气原理、选型设计、控制方式，具体说明集成系统的工作原理和通信策略，以一带多，无论是三合一电机控制器（MCU+PDU+直流变压器（DCDC））、四合一电机控制器（MCU+PDU+DCDC+电动转向控制器（EHPS））、五合一电机控制器（MCU+PDU+EHPS+高压气泵控制器（ACM））等多重合一控制器，都可以借鉴本文的设计方案。
参考文献：
［1］张勇波.纯电动汽车电机控制器电路设计［J］.变频器世界，2018（2）：48-53.
［2］钱春贵.基于DSP的纯电动轻型卡车电机控制系统设计［D］.南京：南京林业大学，2014.
［3］宋俊利.电机控制器结构与控制板电路设计［D］.长春：吉林大学，2017.