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车用电机控制器

2016-11-14 9:42:46      点击:

随着新能源汽车和混合动力汽车的发展,电力电子在汽车上有了用武之地。目前行业里面,车用的电机大多数都是永磁同步电机,也有异步电机(Tesla)、无刷直流电机和有刷直流电机,电机均需要电机控制器进行转矩、转速控制。这里主要讲讲我最熟悉的永磁同步电机控制器,以后有机会再讲讲电机。由于汽车的特殊用途,车用控制器有着区别于普通变频器的特点。


高性能

汽车的低速起步需要较大的启动转矩,汽车的高速巡航需要宽范围的功率区。这两个特点就要求控制器在低速时具有高过载能力(通常为额定电流的2倍以上),高速时能有较宽的弱磁恒功能力


高转矩
较大的启动转矩,就要求控制器在低速时能输出较大的电流。大家都知道,低速时对应的电流频率也很低,频率很低带来的问题就是某一个功率器件(IGBT或二极管)会发热的时间较长,热应力会大大增加,会损坏器件或降低器件的寿命。极端的情况是,汽车在开上马路牙子时,司机会猛踩油门,但车基本不会动,这种电机堵转的工况,控制器基本输出的是直流,电流持续流过某一个器件,热设计时需要全面评估。

宽转速
较高的转速范围,就要求驱动系统有较宽的恒功率区,从而要求控制器有较强的弱磁能力。因为永磁体的磁场是基本恒定的,随着转速的升高,反电动势越来越大,当其值高于电池电压后,控制器就会失控,所以需要用弱磁电流将电压控制在可控范围内。简单的弱磁就是发现电压升高后,增加弱磁电流,电压就会被压下去。但是对于车用永磁电机来说,随着转速的升高,弱磁电流增加到一定值后,再增加弱磁电流反而没有用了。此时弱磁电流减小,电压反而能控制住。这个特点简直反人类……这就产生了所谓的MTPV(Maximum Torque Per Voltage)控制策略,下图中的H到E这一段。


高效率
新能源汽车的能量来源都很宝贵,驱动系统的效率直接影响了续航里程,所以要求驱动系统的高效率,也即每一度电尽可能跑远一点。目前行业里面,峰值效率都标到了95%,高于80%效率的区域都多于90%,不知道这里面有多少水分。下图红色区域就是高效区,一般电机设计时会通过优化,把高效区设计到车辆行驶最经常运行的区域,峰值效率一般也出现在这个区域的中心。在低速和高速段,效率都不高;在高转矩段,效率也不高。电机设计好了,其效率区就基本确定了,控制器需要将其控制在最优点。所谓的最优点,就是驱动系统转矩输出满足司机给定的转矩指令前提下,尽量减小驱动系统的损耗。传统的优化方向,就是在同样的转矩输出下,输出最小的电流。但电流仅仅影响的是铜损,电机损耗还有铁损、机械损耗,控制器还有开关损耗和导通损耗,如果把这些都考虑进去,工作量相当大。


电机的非线性

车用永磁电机都是凸极电机,而不是表贴电机。下图的蓝色槽里面,就是装永磁体的地方。凸极电机最大特点就是D轴电感小于Q轴电感,所以转矩不止跟Q轴电流有关,D轴电流也会影响转矩,所以有MTPA(Maximum Torque per Ampere)控制策略。



DQ轴电感不相等也就罢了,DQ轴电感还非线性。由于磁饱和的影响,DQ轴电感随着电流的增加,还会减小。Q轴电感的变化最明显,变化从1到1/2左右。下图的红线是Q轴电感,蓝线是D轴电感。



另外,和教科书上不一样的是,DQ轴的电感还不解耦。也就是随着D轴电流的变化,会影响Q轴磁场,同样Q轴电流也会影响D轴磁场。虽然DQ轴互感和自感相比小很多,但也是一个不可控因素啊。


电机的磁场会随着电机温度的增加而减小,通常和常温下有10%20%左右的衰减,这也会影响电机的出力。


电机的电阻会随电机温度的增加而增加,会造成电阻的压降变大。


环境

车每天在外面跑,面对的环境各式各样。高温、低温、高湿、盐雾、海拔、震动,每一样都是在设计阶段需要考虑,后期需要反复验证的。前两年,北京下大雨,如果这种情况下,电动汽车在立交桥下被水淹了怎么办?所以控制器和电机有IP67的要求,就是在水下泡着,一样能工作。大家可去www.jjecn.com/网站首页看他们的浸水试验视频(我不是精进的,也不是广告,实在找不到其他视频了)。


安全

上面所说的都是只实现基本功能,汽车行业还有安全需求。产品质量好,可靠性高,并不意味着安全。因为哪怕你有那么一丝坏的概率,就可能会造成车毁人亡的惨剧。汽车行业的安全,就是你需要考虑到所有的可能风险,并对这些风险进行评估,并采集积极有效的措施,对这些可能的后果规避。就是如果失效发生了,也有安全机制避免造成不良后果。这就需要在软硬件设计上,大量的考虑,工作相当复杂。这方面有ISO26262标准进行指导。
举个例子,考虑到安全和风险,控制器的架构会分为三层。Level 1 是功能实现层,实现基本的电机控制功能。Level2是功能监控层,监控level 1的执行过程和结果,如果发现结果不对,就采取故障保护措施。Level 3 是控制器监控层,其物理上(芯片、时钟)完全独立于功能控制器,其监控功能控制器是否正常工作,如果发现功能控制器失控,将采取独立的故障保护措施。