電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)

新能源汽車近兩年來飛速發(fā)展，國家也出臺(tái)一系列政策予以強(qiáng)力的支持。工信部在其《中國制造2025》中明確了節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，到2020年，動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等關(guān)鍵系統(tǒng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，國內(nèi)市場占有率達(dá)到80%；到2025年，新能源汽車年銷量達(dá)到300萬輛。

北京晶川電子技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司早在1998年就為中國自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的新能源汽車提供關(guān)鍵的IGBT模塊，用于動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在，晶川電子又推出了新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，為中國產(chǎn)品開發(fā)工程師提供成熟的解決方案，助力中國新能源汽車的發(fā)展。

本平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，將驅(qū)動(dòng)部分與控制部分分開布置，驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電源集中布置在一塊與IGBT模塊等大小的PCB板上，獨(dú)立安裝于IGBT模塊上方，此方式盡最大可能的減小了空間需求。


圖1

在控制部分，主控核心采用英飛凌汽車級32位單片機(jī)TC1782，具有高達(dá)160MHz全溫度范圍的總線頻率，超強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算能力，32路12bitADC通道，多樣的定時(shí)器結(jié)構(gòu)，使得對電機(jī)多種算法相結(jié)合控制成為可能。TC1782是一款哈弗架構(gòu)且有非對稱雙核(主核Tricore和外設(shè)控制協(xié)處理器PCP)的高性能32位單片機(jī)，支持DSP算法指令，2.5M字節(jié)FLASH，176K字節(jié)RAM。TC1782與電機(jī)控制相關(guān)的重要外設(shè)主要是通用時(shí)間陣列GPTA和數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC。GPTA提供一套靈活的定時(shí)，比較和捕獲功能，可以靈活地組合成信號(hào)檢測單元和信號(hào)發(fā)生單元，應(yīng)用于電機(jī)控制時(shí)可以支持動(dòng)態(tài)控制的死區(qū)時(shí)間和不同于邊沿對齊和中央對齊的非對稱PWM輸出。由硬件觸發(fā)(如GPTA)并實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADC至少可以支持在電機(jī)應(yīng)用中兩相電流的同時(shí)獲取。專用外設(shè)控制協(xié)處理器PCP可以承擔(dān)大部分中斷負(fù)荷，從而主核可以集中處理用于電機(jī)控制的復(fù)雜運(yùn)算，如Park變換，Clarke變換和空間矢量調(diào)制等。多路信號(hào)冗余和檢測，完整全面的芯片內(nèi)電源管理和檢測，更加保證處理器穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。該單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了空間矢量（SVPWM）控制方式，5種調(diào)制算法組合，以及優(yōu)化的電機(jī)控制算法。

此外，還采用了CPLD來完成多功能窗口的擴(kuò)展，并通過CPLD的精確實(shí)時(shí)性、高可靠邏輯控制和高快速響應(yīng)保護(hù)處理能力，來完成對電機(jī)的高可靠、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制。

為保證系統(tǒng)的安全可靠，本平臺(tái)才用了英飛凌的CIC61508芯片，監(jiān)控TC1782的工作是否正常，從而使得本平臺(tái)的安全等級達(dá)到ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)。

控制部分還具有完整快速的軟硬件故障檢測和保護(hù)設(shè)計(jì)，能夠針對傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)標(biāo)定，以及CCP在線標(biāo)定等功能。

電源端口處理如圖2所示。


圖2

控制器采用車身14V輔助蓄電池電源供電。在控制器輸入電源入口，我們加入多級多通道保護(hù)處理模塊，如防止電源反接保護(hù)、抗干擾和降干擾處理、靜電和雷擊浪涌吸收等功能。

平臺(tái)的電源分布分布如圖3所示。


圖3

動(dòng)力直流母線電壓范圍是150-380VDC。

控制電源采用英飛凌汽車級專用電源模塊，多路輸出，確保最小系統(tǒng)和控制邏輯模塊供電穩(wěn)定性；對外通訊模塊采用隔離電源模塊，確保強(qiáng)電與弱電有效可靠電氣隔離和安全絕緣；控制器對外故障診斷及用戶界面接口部分采用獨(dú)立開關(guān)電源供電，確保供電可靠性及與控制器內(nèi)部電源安全隔離和電磁兼容；IGBT驅(qū)動(dòng)電源采用獨(dú)立開關(guān)電源供電，且采用全隔離方式，變壓器做到加強(qiáng)隔離，確保強(qiáng)弱電有效絕緣。

驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)如圖4所示。


圖4

驅(qū)動(dòng)芯片選用英飛凌磁隔離驅(qū)動(dòng)芯片1ED020I12FA2，通過功率放大模塊驅(qū)動(dòng)IGBT進(jìn)行有效開關(guān)動(dòng)作。經(jīng)過各種工況測試驗(yàn)證，可在有效滿足性能需求的同時(shí)，達(dá)到快速短路保護(hù)響應(yīng)、過溫響應(yīng)及過流過壓等多復(fù)雜工況策略保護(hù)功能，如快速過流保護(hù)響應(yīng)，短路工況快速退飽和且不引起過壓擊穿，結(jié)溫控制精確可靠等。

在PCB設(shè)計(jì)方面，經(jīng)過多重精確設(shè)計(jì)考量和驗(yàn)證改進(jìn)，不僅達(dá)到物理空間最小化的直觀需求，在性能方面更有所加強(qiáng)。電源、地及信號(hào)分層布置，地層最大面積可靠等電勢，地層面積物理包絡(luò)電源層，且六路驅(qū)動(dòng)電源有效安全絕緣，滿足強(qiáng)弱電及強(qiáng)電間的耐壓要求。

關(guān)鍵的功率輸出單元功率器件采用英飛凌汽車級IGBT功率模塊FS800R07A2E3，具有超高功率密度、175℃超高結(jié)溫、45K次超高功率循環(huán)次數(shù)、超低寄生電感、超高使用壽命，完全汽車級產(chǎn)品工藝，經(jīng)過嚴(yán)苛汽車級標(biāo)準(zhǔn)測試驗(yàn)證。其最高峰值電輸出功率可達(dá)到150KW。

功率單元輸入直流母線側(cè)吸收支撐電容采用高性能高壽命的EPCOS金屬膜電容，具有大紋波電流、低漏電流、低等效阻抗和低等效電感等特性，達(dá)到母線電容組在使用中較低溫度波動(dòng)，達(dá)到高可靠性和安全性，較長使用壽命。

本平臺(tái)采用水冷結(jié)構(gòu)，保證嚴(yán)苛密閉性。使用特殊比例的高純凈度冷卻液，正常工作情況下，在8-12升/分鐘的冷卻液循環(huán)流速下，控制器性能能得到最大程度的發(fā)揮，適用的環(huán)境溫度可達(dá)-40-85℃的寬溫度范圍。

全世界電動(dòng)汽車的發(fā)展正處在一個(gè)快速上升的階段，電動(dòng)汽車為中國汽車行業(yè)提供了一個(gè)新的契機(jī)，中國汽車行業(yè)非常重視新能源汽車的開發(fā)，本文所介紹的電機(jī)驅(qū)動(dòng)適用對永磁同步或者交流異步電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制，控制器從控制策略上進(jìn)行了優(yōu)化，提高了控制器的整體效率，充分考慮了電機(jī)控制方面的動(dòng)力性能、弱磁性能，保證了寬的調(diào)速范圍，長的續(xù)航里程，快速的響應(yīng)特性和良好的動(dòng)態(tài)性能。技術(shù)成熟，工作穩(wěn)定，效率高，可靠性高，達(dá)到汽車級安全標(biāo)準(zhǔn)，可以作為電動(dòng)乘用車、電動(dòng)商用車、電動(dòng)大巴用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。