|
新能源汽車近兩年來飛速發展，國家也出臺一系列政策予以強力的支持。工信部在其《中國制造2025》中明確了節能與新能源汽車產業發展戰略目標，到2020年，動力電池、驅動電機等關鍵系統達到國際先進水平，國內市場占有率達到80%；到2025年，新能源汽車年銷量達到300萬輛。 北京晶川電子技術發展有限責任公司早在1998年就為中國自行設計生產的新能源汽車提供關鍵的IGBT模塊，用于動力系統的電機驅動�，F在，晶川電子又推出了新能源汽車動力系統的電機驅動平臺，為中國產品開發工程師提供成熟的解決方案，助力中國新能源汽車的發展。 本平臺的系統結構如圖1所示，具體實現時，將驅動部分與控制部分分開布置，驅動和驅動電源集中布置在一塊與IGBT模塊等大小的PCB板上，獨立安裝于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TC1782，具有高達160MHz全溫度范圍的總線頻率，超強浮點運算能力，32路12bitADC通道，多樣的定時器結構，使得對電機多種算法相結合控制成為可能。TC1782是一款哈弗架構且有非對稱雙核(主核Tricore和外設控制協處理器PCP)的高性能32位單片機，支持DSP算法指令，2.5M字節FLASH，176K字節RAM。TC1782與電機控制相關的重要外設主要是通用時間陣列GPTA和數模轉換ADC。GPTA提供一套靈活的定時，比較和捕獲功能，可以靈活地組合成信號檢測單元和信號發生單元，應用于電機控制時可以支持動態控制的死區時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(如GPTA)并實現同步轉換的數模轉換模塊ADC至少可以支持在電機應用中兩相電流的同時獲取。專用外設控制協處理器PCP可以承擔大部分中斷負荷，從而主核可以集中處理用于電機控制的復雜運算，如Park變換，Clarke變換和空間矢量調制等。多路信號冗余和檢測，完整全面的芯片內電源管理和檢測，更加保證處理器穩定、可靠運行。該單片機實現了空間矢量（SVPWM）控制方式，5種調制算法組合，以及優化的電機控制算法。 此外，還采用了CPLD來完成多功能窗口的擴展，并通過CPLD的精確實時性、高可靠邏輯控制和高快速響應保護處理能力，來完成對電機的高可靠、高動態響應控制。 為保證系統的安全可靠，本平臺才用了英飛凌的CIC61508芯片，監控TC1782的工作是否正常，從而使得本平臺的安全等級達到ASIL-D標準。 控制部分還具有完整快速的軟硬件故障檢測和保護設計，能夠針對傳動系統參數的動態響應標定，以及CCP在線標定等功能。 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處理模塊，如防止電源反接保護、抗干擾和降干擾處理、靜電和雷擊浪涌吸收等功能。 平臺的電源分布分布如圖3所示。
圖3 動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，確保最小系統和控制邏輯模塊供電穩定性；對外通訊模塊采用隔離電源模塊，確保強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立開關電源供電，確保供電可靠性及與控制器內部電源安全隔離和電磁兼容；IGBT驅動電源采用獨立開關電源供電，且采用全隔離方式，變壓器做到加強隔離，確保強弱電有效絕緣。 驅動部分的設計如圖4所示。
圖4 驅動芯片選用英飛凌磁隔離驅動芯片1ED020I12FA2，通過功率放大模塊驅動IGBT進行有效開關動作。經過各種工況測試驗證，可在有效滿足性能需求的同時，達到快速短路保護響應、過溫響應及過流過壓等多復雜工況策略保護功能，如快速過流保護響應，短路工況快速退飽和且不引起過壓擊穿，結溫控制精確可靠等。 在PCB設計方面，經過多重精確設計考量和驗證改進，不僅達到物理空間最小化的直觀需求，在性能方面更有所加強。電源、地及信號分層布置，地層最大面積可靠等電勢，地層面積物理包絡電源層，且六路驅動電源有效安全絕緣，滿足強弱電及強電間的耐壓要求。 關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℃超高結溫、45K次超高功率循環次數、超低寄生電感、超高使用壽命，完全汽車級產品工藝，經過嚴苛汽車級標準測試驗證。其最高峰值電輸出功率可達到150KW。 功率單元輸入直流母線側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，達到母線電容組在使用中較低溫度波動，達到高可靠性和安全性，較長使用壽命。 本平臺采用水冷結構，保證嚴苛密閉性。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/分鐘的冷卻液循環流速下，控制器性能能得到最大程度的發揮，適用的環境溫度可達-40-85℃的寬溫度范圍。 全世界電動汽車的發展正處在一個快速上升的階段，電動汽車為中國汽車行業提供了一個新的契機，中國汽車行業非常重視新能源汽車的開發，本文所介紹的電機驅動適用對永磁同步或者交流異步電機的電機驅動和控制，控制器從控制策略上進行了優化，提高了控制器的整體效率，充分考慮了電機控制方面的動力性能、弱磁性能，保證了寬的調速范圍，長的續航里程，快速的響應特性和良好的動態性能。技術成熟，工作穩定，效率高，可靠性高，達到汽車級安全標準，可以作為電動乘用車、電動商用車、電動大巴用電機驅動控制器。 |
