純電動(dòng)客車電機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案

1、純電動(dòng)客車電機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案摘要：依思普林產(chǎn)品采用自主開發(fā)的1200V/400-800A六單元 IPM模塊，電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)完全針對(duì)電動(dòng)客車應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕、功率密度高、溫升低（控制器內(nèi)部溫升比市場同類產(chǎn)品低30以上）、長期可靠性高的特點(diǎn)，產(chǎn)品性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。關(guān)鍵詞：純電動(dòng)客車；電機(jī)控制器；設(shè)計(jì)方案早在2010年，我在一次去瑞士考察時(shí)，走在蘇黎世大街上，整潔的大街上幾乎看不到燃油車，簡直就是有軌電車的天下，恍惚間讓我看到八九十年代老北京什剎海的景色，干凈的空氣讓我流連！在回來不久后我就成立了深圳市依思普林科技有限公司，專注從事新能源汽車核心部件的研發(fā)。依思普林目前擁有

2、多名IGBT模塊及電機(jī)控制器開發(fā)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)人員，團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的電機(jī)控制器，性能覆蓋540V/200kW以內(nèi)所有新能源電動(dòng)客車車型，功率范圍在80kw-200kw。產(chǎn)品采用自主開發(fā)的1200V/400-800A六單元 IPM模塊，電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)完全針對(duì)電動(dòng)客車應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕、功率密度高、溫升低（控制器內(nèi)部溫升比市場同類產(chǎn)品低30以上）、長期可靠性高的特點(diǎn)，產(chǎn)品性能國內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到國際先進(jìn)水平。一、控制器外觀結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)圖1-1 電機(jī)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1-2 電機(jī)控制器外形圖電機(jī)控制器技術(shù)參數(shù)如下表：表1-1 電機(jī)控制器技術(shù)參數(shù)二、電動(dòng)客車電控整體解

3、決方案三、主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：1、造型新穎依思普林電機(jī)控制器的箱體是鋁合金一體壓鑄，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67。體積小，重量輕，造型新穎，突出了 “綠色、環(huán)保”的主題。2、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)汽車級(jí)大功率IGBT模塊技術(shù)目前國內(nèi)市場上電機(jī)控制器多采用標(biāo)準(zhǔn)封裝的工業(yè)級(jí)的IGBT模塊，由于模塊不是針對(duì)電動(dòng)客車應(yīng)用設(shè)計(jì)，IGBT模塊采用的材料、結(jié)構(gòu)及長期可靠性均無法滿足電動(dòng)客車的應(yīng)用要求，依思普林自主開發(fā)的1200V/400A800A六單元 IGBT模塊完全針對(duì)電動(dòng)客車應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有小體積、高功率密度、低熱阻（熱阻相比傳統(tǒng)模塊降低33%以上）、高長期可靠性的特點(diǎn)，模塊性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。圖3-1

4、 IGBT模塊（1200V/400A800A）結(jié)構(gòu)圖(1)為提高模塊抗機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械沖擊能力，模塊內(nèi)部連接均采用鋁線進(jìn)行軟連接，避免了傳統(tǒng)模塊的焊接方式，同時(shí)電極均采用注塑的方式埋入塑料外殼中，保證了模塊內(nèi)部連接的長期可靠性，滿足電動(dòng)大巴長期振動(dòng)的應(yīng)用要求；(2)模塊采用三相全橋設(shè)計(jì)，使模塊更加緊湊，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用需求，優(yōu)化安裝和連接方式，便于電容、驅(qū)動(dòng)電路等布置，幫助用戶降低應(yīng)用系統(tǒng)體積。(3)采用IGBT模塊和電機(jī)控制器散熱器一體化設(shè)計(jì)，直接水冷，有效降低系統(tǒng)熱阻，提高系統(tǒng)功率密度。3、驅(qū)動(dòng)板結(jié)構(gòu)方案依思普林不僅自主研發(fā)了汽車級(jí)IGBT模塊，還開發(fā)了與之相匹配的驅(qū)動(dòng)板，兩者結(jié)合形成

5、了真正意義上的IPM。 圖3-2依思普林IGBT驅(qū)動(dòng)電路板本驅(qū)動(dòng)板是專門為自主研發(fā)的IGBT模塊配套研發(fā)的一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖3-2）。它具有高可靠性和寬的溫度（-40-125）適用范圍，其使用器件均為汽車級(jí)產(chǎn)品，使其非常適合汽車級(jí)的應(yīng)用；驅(qū)動(dòng)板采用優(yōu)化的EMC設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)芯片采用先進(jìn)的Coreless Transrormer技術(shù)，使其傳輸延遲更短，共模抑制能力更強(qiáng)；可靠的IGBT短路保護(hù)和有源米勒鉗位，具有上下橋互鎖功能，使IGBT工作更加安全；具有兩級(jí)關(guān)斷功能，更好的抑制關(guān)斷時(shí)的dv/dt；直接焊接在自主研發(fā)的IGBT模塊上，結(jié)構(gòu)緊湊，最大限度的節(jié)省了空間，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型

6、化。驅(qū)動(dòng)板與IGBT模塊采取PIN-FIN的方式直接安裝，同時(shí)為了提高電路板的EMI性能，在其上面設(shè)計(jì)了接地端，在安裝好IGBT模塊和驅(qū)動(dòng)板后，接地端與散熱箱體進(jìn)行良好的電氣連接。4、IPM模塊散熱技術(shù)4.1 PIN-FIN直接水冷新能源電動(dòng)客車需求的驅(qū)動(dòng)功率大，同時(shí)產(chǎn)生的熱損耗也較大，這給控制器中IGBT模塊的散熱提出了新的挑戰(zhàn)。大功率IGBT模塊是電機(jī)控制器中的核心器件，也是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)溫度最高的器件。我們知道，隨著工作結(jié)溫的上升，電子器件的壽命呈指數(shù)下降，而目前國內(nèi)外在電動(dòng)客車電機(jī)控制器中普遍采用的大功率IGBT模塊為傳統(tǒng)平基板結(jié)構(gòu)，且為工業(yè)產(chǎn)品，該結(jié)構(gòu)除散熱面積小外，不足之處還

7、在于需在該平基板與散熱器之間涂一層導(dǎo)熱硅脂，這會(huì)大大增加熱阻，而采用我司自行研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的汽車級(jí)pin-fin直接水冷IGBT模塊，該結(jié)構(gòu)不僅大大增加了散熱面積，而且省去了一層導(dǎo)熱硅脂，使用時(shí)IGBT模塊直接泡在冷卻液中，大大減小熱阻。經(jīng)實(shí)際測試，在低速大扭矩試驗(yàn)中，汽車級(jí)pin-fin直接水冷IGBT模塊的結(jié)溫要比傳統(tǒng)平基板模塊低將近30，Rj-h降低33%，從而保證系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行，壽命可長達(dá)10年。圖3-3 IPM模塊底板設(shè)計(jì)圖3-4 依思普林散熱設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)比4.2 IPM模塊熱匹配設(shè)計(jì)圖3-5 IPM模塊熱匹配設(shè)計(jì)采用AlSiC底板，AlN

8、 DBC,封裝材料熱膨脹系數(shù)匹配良好，模塊耐溫度循環(huán)能力增強(qiáng)，可達(dá)到1000次循環(huán)以上（-40150）。同等測試條件，工業(yè)模塊低于100次循環(huán)壽命。5、驅(qū)動(dòng)控制軟硬件技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器通過CAN總線與整車控制器進(jìn)行通訊，并根據(jù)整車控制器所發(fā)出的指令決定工作模式以及輸出轉(zhuǎn)矩。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)方面依思普林研發(fā)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)突破了以下關(guān)鍵技術(shù)：基于DSP的多功能全數(shù)字控制技術(shù)硬件方面：重點(diǎn)研究DC/DC、母排與電解電容（薄膜電容）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、電力電子集成控制器的熱管理技術(shù)；軟件方面：重點(diǎn)研究矢量控制技術(shù)、弱磁調(diào)速控制技術(shù)以及制動(dòng)回饋?zhàn)顑?yōu)控制技術(shù)等。驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的電磁兼容性分析與系統(tǒng)

9、設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過程中應(yīng)用數(shù)字建模和仿真技術(shù)，對(duì)電磁噪聲產(chǎn)生與傳播路徑進(jìn)行預(yù)測、分析及測試；并研究電磁波傳導(dǎo)、耦合、輻射干擾的防治技術(shù)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障診斷及失效控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)是新能源汽車行駛的原動(dòng)力，一旦出現(xiàn)故障，輕則使車輛性能嚴(yán)重下降或者不能啟動(dòng)，重則導(dǎo)致重大安全事故。驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障診斷及失效控制技術(shù)就是通過電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并通過CAN總線將自身工作狀態(tài)實(shí)時(shí)的傳輸給整車控制器，以便整車控制器根據(jù)電機(jī)及控制系統(tǒng)所上傳的信息對(duì)車輛的工作狀態(tài)做出及時(shí)的調(diào)整，或者通過報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)的警告車輛駕駛?cè)藛T，從而保證車輛行駛的安全。5.1、硬件電路設(shè)計(jì)技術(shù)系統(tǒng)采用：雙電源冗余

10、設(shè)計(jì)、多重隔離、多級(jí)過流保護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果控制電路突然掉電，IGBT模塊柵極就會(huì)失去控制，電池的母線電壓會(huì)將IGBT芯片擊穿，造成嚴(yán)重的損失。本公司系統(tǒng)方案采用雙輔助電源冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)車載12V/24V電源異常斷電后，電源部分會(huì)不間斷啟用動(dòng)力電池電源，從而避免IGBT模塊擊穿損壞。系統(tǒng)工作電源采用獨(dú)立寬范圍開關(guān)電源設(shè)計(jì)，系統(tǒng)電源與車載12V/24V電源以及高壓蓄電池組電氣隔離，既保證電路絕緣隔離安全要求，降低相互干擾，同時(shí)優(yōu)異的輸入寬范圍特性，讓系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。系統(tǒng)工作過流保護(hù)在常規(guī)的硬件及軟件檢測上，還配置IGBT飽和導(dǎo)通壓降檢測保護(hù)，異常狀態(tài)時(shí)快速動(dòng)作，大幅縮短故障響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)可靠性。圖3-6依思普林雙輔助電源冗余示意圖5.2電機(jī)控制軟件算法創(chuàng)新設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的電機(jī)矢量控制算法和SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，系統(tǒng)最高效率可達(dá)95%以上，具有適合數(shù)字化實(shí)現(xiàn)、諧波少、電壓利用率高等特點(diǎn) ，在電機(jī)控制行業(yè)得到大量應(yīng)用。另外，軟件具有智能弱磁控制策略，控制電機(jī)在全轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)行平穩(wěn)可靠；死區(qū)補(bǔ)償策略可以有效減少三相電流諧波，提高系統(tǒng)效率；過調(diào)制技術(shù)在最大化利用直流側(cè)電壓的同時(shí)保證電機(jī)控制平穩(wěn)。軟件具有過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)等防護(hù)策略，可以有效保證控制器的長期可靠性。四、主流產(chǎn)品對(duì)比報(bào)告圖4-1&#