電機(jī)控制器，作為電動汽車的核心部件之一，是汽車動力性能的決定性因素。它從整車控制器獲得整車的需求，從動力電池包獲得電能，經(jīng)過自身逆變器的調(diào)制，獲得控制電機(jī)需要的電流和電壓，提供給電動機(jī)，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足整車的要求。

本文帶你初步了解，這個(gè)小盒子，都搞什么鬼。

1電機(jī)控制器在電動汽車中的位置和作用

1.1 位置

從外部看，一般的電機(jī)控制器最少具備兩對高壓接口。一對輸入接口，用于連接動力電池包高壓接口；另外一對是高壓輸出接口，連接電機(jī)，提供控制電源。

至少具備一只低壓接頭，所有通訊、傳感器、低壓電源等等都要通過這個(gè)低壓接頭引出，連接到整車控制器和動力電池管理系統(tǒng)。

下圖是一個(gè)典型的純電動汽車動力系統(tǒng)電氣圖，其中藍(lán)色線是低壓通訊線，紅色線為高壓動力線。最右側(cè)第一列第二個(gè)是電機(jī)控制器。與電機(jī)控制器有強(qiáng)電連接關(guān)系的部件是電機(jī)和動力電池包；電機(jī)控制器連接到整車的CAN總線上，可以與整車控制器，數(shù)字儀表板，動力電池管理系統(tǒng)通訊，交換數(shù)據(jù)，接受指令。

1.2 工作過程

1.2.1 指令和響應(yīng)

電機(jī)控制器，調(diào)速指令的觸發(fā)信號，來自整車控制器的命令。整車控制器一方面體現(xiàn)駕駛員意圖，另一方面從安全和車輛電氣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出發(fā)，評估對駕駛員的響應(yīng)是否合理，最后執(zhí)行或打折執(zhí)行。駕駛員的意圖通過加速踏板和制動踏板表達(dá)并傳遞給整車控制器。

整車控制器給到電機(jī)控制器的具體指令，與動力系統(tǒng)相關(guān)的有以下幾種，加速，減速，制動，停車。電機(jī)控制器做出的響應(yīng)為，改變電源電流、電壓、頻率等參數(shù)，使得電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)符合整車控制器的需要。

1.2.2 閉環(huán)

電機(jī)控制器自身是一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)目標(biāo)參數(shù)，檢測受控函數(shù)值是否到達(dá)預(yù)期，若不相符，反饋給控制器，再次調(diào)整目標(biāo)參數(shù)。經(jīng)過反復(fù)的閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)高精確度的控制。

整車控制器采集車速傳感器，各個(gè)電氣部件溫度、電壓等重要狀態(tài)參數(shù)，判斷整車的綜合情況，是否符合駕駛員提出的需求，同時(shí)不妨礙整個(gè)系統(tǒng)的健康狀況。這個(gè)過程，是整車層面的閉環(huán)控制。

1.2.3 改善的方向

一方面，好的控制策略，會對控制精度和響應(yīng)速度產(chǎn)生重要影響，因而是研發(fā)人員投入精力的重要領(lǐng)域。

另一方面，隨著各個(gè)部件控制運(yùn)算能力的提升，電動汽車的駕乘感受將越來越“隨心所欲”。

2 電機(jī)控制器基本組成

電機(jī)控制器系統(tǒng)構(gòu)成，中央控制模塊，功率模塊，驅(qū)動控制模塊，各種傳感器。

2.1 中央控制模塊

包括，PWM波生成電路，復(fù)位電路，傳感器信號處理電路，交互電路。中央控制模塊，對外，通過對外接口，得到整車上其他部件的指令和狀態(tài)信息。對內(nèi)，把翻譯過的指令傳遞給逆變器驅(qū)動電路，并檢測控制效果。

2.2功率模塊

電機(jī)控制器的主題是一部逆變器，對電機(jī)電流電壓進(jìn)行控制。經(jīng)常選用的功率器件主要有MOSFET, GTO， IGBT等。

2.3 驅(qū)動控制模塊

將中央控制模塊的指令轉(zhuǎn)換成對逆變器中可控硅的通斷指令，并作為保護(hù)裝置，具備過壓、過流等故障的監(jiān)測保護(hù)功能。

2.4 傳感器

系統(tǒng)應(yīng)用到的傳感器包括電流傳感器，電壓傳感器，溫度傳感器，電機(jī)轉(zhuǎn)軸角位置傳感器等，根據(jù)設(shè)計(jì)要求增減。

3 好的電機(jī)控制器應(yīng)該什么樣

3.1 好的電機(jī)控制器特點(diǎn)

電機(jī)工作原理的不同，直接影響調(diào)控過程的復(fù)雜程度和精確性。

按照控制從易到難排列，分別是直流無刷電機(jī)，永磁同步電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)，異步電動機(jī)。

電控的難易，既包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)模大小、造價(jià)高低，也包括軟件算法實(shí)現(xiàn)的控制精度高低和為了達(dá)到這個(gè)精度所采用的策略和方法的魯棒性的好壞。

人們期待得到的是硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件算法簡潔，控制精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好的控制系統(tǒng)。

3.2 電機(jī)控制器有國標(biāo)

電動汽車電機(jī)和控制器標(biāo)準(zhǔn)，已有國家標(biāo)準(zhǔn)：

GB /T 18488.1—2015《電動汽車用電機(jī)及其控制器第1 部分: 技術(shù)條件》；

GB /T 18488.2—2015《電動汽車用電機(jī)及其控制器第2 部分: 試驗(yàn)方法》。

2015版為最新版本。

標(biāo)準(zhǔn)里主要針對安全性和耐環(huán)境性提出了具體要求，比如各部分的絕緣性耐壓性能以及各種耐環(huán)境性。而電機(jī)的技術(shù)參數(shù)，作為驗(yàn)證項(xiàng)目，只要符合廠家自己的聲明即可。

4 電機(jī)控制器主電路選擇

4.1 選擇依據(jù)

電機(jī)控制器作為一部特定功能的逆變器，它利用電力電子技術(shù)中的調(diào)壓調(diào)頻技術(shù)，將動力電池中存儲的直流電，調(diào)制成控制電機(jī)所需的矩形波或者正玄波交流電，改變輸出電力的電壓、電流幅值或者頻率，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制整車速度、加速度的目的。

電力電子電路設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的調(diào)速需求，做出復(fù)雜程度不同，造價(jià)也不同的設(shè)計(jì)。

4.2 舉個(gè)栗子

例如針對直流電機(jī)的控制。若采用單管斬波器電路，只能單向調(diào)速，電流不能換向；若采用雙管斬波器電路，可以實(shí)現(xiàn)能量回饋動作，但是還是不能使得直流電機(jī)換向；若采用H橋型斬波電路，可以直流電機(jī)調(diào)速，可以能量回饋，可以勵磁電流可以反轉(zhuǎn)。

但是以上的三個(gè)選擇，一個(gè)比一個(gè)復(fù)雜，一個(gè)比一個(gè)造價(jià)高。需要設(shè)計(jì)者在性能和成本之間做出選擇，最貴的不一定是最好的，最適合的才好。

5 熱設(shè)計(jì)

5.1 熱量來源

功率模塊是整個(gè)控制器的主要熱源，其采用的MOSFET或者IGBT，是發(fā)熱部件。

可控硅的發(fā)熱主要來自于下面這幾個(gè)部分：導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、漏電流和驅(qū)動損耗，其中前兩者占大頭。

5.1.1 導(dǎo)通損耗

可控硅在被觸發(fā)，正常通流的狀態(tài)下，其自身內(nèi)阻產(chǎn)生的損耗。與通流的時(shí)間，電流的平方以及自身內(nèi)阻大小成正比。

5.1.2 開關(guān)損耗

可控硅的開通和關(guān)斷雖然時(shí)間很短，但客觀上是存在延續(xù)時(shí)間的，器件上的電流和電壓完全沒有向外傳導(dǎo)，而是在自身上做功發(fā)熱。其發(fā)熱量與器件電壓成正比，與開通和關(guān)斷過程中的最大電流的一半成正比，與開通和關(guān)斷時(shí)間成正比，與通斷頻率成正比。

5.1.3 漏電流損耗

可控硅在關(guān)斷時(shí)，依然有小電流通過，其耗散的能量稱為漏電流損耗。但這部分的損耗極其微小，一般做熱設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以忽略不計(jì)。

5.1.4 驅(qū)動損耗

可控硅通斷的控制電路，提供觸發(fā)和維持電壓，屬于二次控制回路，與強(qiáng)電回路并排比較，有量級上的差距。

5.2 散熱器基本設(shè)計(jì)過程

5.2.1 確定熱傳導(dǎo)路徑

先介紹一個(gè)概念，熱阻，即熱在介質(zhì)和介質(zhì)之間傳遞的難易程度，單位是°C/W。熱阻的大小，會影響熱的傳遞路徑和傳遞的快慢。

以上面圖示為例，熱量從管芯到外殼，從外殼到環(huán)境是一條傳播路徑；從管芯到外殼，從外殼到散熱器是另外一條路徑。計(jì)算熱阻，需要針對具體路徑進(jìn)行。

5.2.2 繪制等效熱組圖

根據(jù)模型中規(guī)劃的路徑，抽象出熱阻，如同電阻一樣的考慮方式，繪制成等效熱阻圖；

根據(jù)系統(tǒng)允許的最大溫升和傳遞的最大熱功率，前者除以后者，得到系統(tǒng)總體熱阻。

找到逆變器中選擇的功率可控硅參數(shù)表，可以找到其中的管芯到外殼，外殼到環(huán)境，外殼到散熱器的熱阻值。最后，就可以用總熱阻減去熱量傳遞路徑上的已知熱阻，最后得到散熱器與環(huán)境的熱阻。

5.2.3 散熱器選取

選擇散熱器的主要依據(jù)，除了散熱器的結(jié)構(gòu)形式以外，最主要的參數(shù)就是它的熱阻。通過前面的計(jì)算，推導(dǎo)出需要的散熱器熱阻，最終選取的散熱器熱阻，必須小于這個(gè)計(jì)算值，理論上系統(tǒng)就不會過熱。當(dāng)然，系統(tǒng)需要一定余量，可以給散熱器熱阻打個(gè)折扣以后作為選取散熱器的標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 器件布置要點(diǎn)

并聯(lián)的可控硅最好貼在同一個(gè)散熱器上，使得并聯(lián)器件溫度一致，進(jìn)而確保柵極電阻一致性。并聯(lián)的可控硅，柵極內(nèi)阻差距過大，內(nèi)阻值最小的器件容易因?yàn)殡娏鬟^大而燒毀。

6 電機(jī)控制器廠商

目前，電機(jī)控制器的領(lǐng)先技術(shù)依然掌握在國外廠商的手中。

博世集團(tuán)，大陸集團(tuán)，日本豐田、日產(chǎn)、日立，都有自己的代表性產(chǎn)品。電機(jī)控制器向集成化方向發(fā)展，最高功率密度已經(jīng)提高到60 kW/L，新的電力電子器件比如SiC，已經(jīng)在新產(chǎn)品中得到應(yīng)用。