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單位：浙江巨磁智能技術有限公司 作者：周孟煒 一、電動汽車電機驅動控制器發展趨勢 隨著我國新能源汽車的高速發展，以及全球對環境保護和可持續發展的重視，新能源電動汽車市場呈現出快速增長的態勢。根據中汽協數據顯示，2023年中國新能源汽車產銷分別為958.7萬輛和949.5萬輛，同比增長35.8%和37.9%，市場占有率已經達到31.6%。新能源電動汽車市場的持續高漲，將帶動電機驅動控制器裝機量快速提升。預計到2029年，全球電動汽車電機控制器市場規模將達到數千億人民幣的規模，年復合增長率保持在較高的水平。 在中國市場，隨著新能源汽車產業政策的不斷完善和新能源汽車市場的不斷擴大，消費者對新能源汽車的續航里程、安全性能等方面要求的提高，市場對電機驅動控制器的性能和質量要求也不斷提高。 新能源電動汽車電驅動結構是電動汽車動力系統的核心部分，主要由驅動電機、控制器和變速器三大核心部件組成。電機驅動控制器接受整車控制器（VCU）的指令，通過IGBT模塊的開關狀態，將動力電池提供的直流電轉換成交流電，供給驅動電機使用。同時，通過監測傳感器信號和電路狀態，實現對電機和控制電路的實時保護。如圖1 電動汽車電驅動系統結構。 
圖1 電動汽車電驅動系統結構 二、電機驅動控制器電路結構 電機驅動控制器由低壓和高壓部分組成，通常包括功率電路、控制電路、傳感器接口和保護電路等。功率電路負責將電池的直流電轉換為電機所需的交流電，核心部件是逆變器，通常采用IGBT或SiC MOSFET等功率半導體器件。控制電路則負責實施電機控制算法，如矢量控制或直接轉矩控制，以實現精確的電機轉速和轉矩控制。傳感器接口則用于接收電機和環境變量的反饋信號，如電流、電壓、溫度等，以便于實現閉環控制。保護電路則包括過流、過壓、過熱等保護功能，確保系統的安全穩定運行。電路結構如圖2。 2.1 低壓部分 低壓部分主要包括以下模塊： 1. 輸入/輸出接口電路：負責外部輸入信號與控制器主板的轉換連接，以及控制器主板輸出信號與外部設備的轉換連接。 2. 控制主板：與整車控制器（VCU）通信，對旋變傳感器供電并分析旋變信號，控制IGBT模塊，監測高壓直流母線電流、IGBT模塊溫度及高壓插頭連接情況等。 3. 運算器與存儲器：處理控制算法和存儲相關數據。 4. 傳感器：電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，用于監測電機和控制器的工作狀態并提供保護和控制。 5. 輔助電源：為控制電路提供必要的電源支持。 2.2 高壓部分 高壓部分主要包含以下模塊： 1. IGBT模塊，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊是電機控制器的核心部件，負責將直流電轉換成三相交流電，并控制電機的轉速和轉動方向。在車輛減速時，還能回收能量，將三相交流電轉換成高壓直流電，對動力電池進行充電。 2. 超級電容：與高壓直流母線并聯，作用是在電機啟動時保持電壓穩定，確保電機平穩啟動。 3. 放電電阻：用于在需要時快速放電，保護電路安全。 4. 直流高壓插接器與UVW插接器：負責高壓電路的連接與斷開，確保電流和電壓的穩定傳輸。 2.3 三相逆變器拓撲結構 以新能源電動汽車中最常用的三相逆變橋結構為例，三相逆變器拓撲結構是交流電機驅動控制器的常用結構。它將直流電轉換為三相交流電，供給電機使用。 如圖2，三相逆變橋結構通常由六個開關元件組成（IGBT模塊），分為三組，每組控制一相輸出。通過控制這些開關元件的通斷狀態，可以產生三相交流電，其頻率和幅值可調，從而控制電機的轉速和轉矩。 三相逆變橋拓撲結構能夠產生平滑的三相交流電，適用于高性能的交流電機控制場景。比如電動汽車領域的交流電機驅動控制器。同時，隨著新能源電動汽車的發展，對電機驅動控制器的集成化要求越來越高。集成化電機驅動控制器將電機控制器、功率變換器、傳感器等原件集成在一起，形成緊湊且高效的驅動系統。
圖2 電機驅動控制器三相逆變橋結構圖 三、三相逆變結構電機驅動控制器電流檢測要求及方案 3.1三相逆變橋電機驅動控制器電流檢測要求及電流檢測點 三相逆變橋結構電機驅動控制器的電流檢測是至關重要的，它們用于實時監測和控制電機的運行狀態，確保電機能夠高效、穩定工作。在三相逆變橋結構電機驅動控制器中，通過準確檢測電機的相電流，可以實現對電機轉矩、轉速的精確控制，同時監測電流是否超過額定值，防止電機過載或短路等故障發生。 通常來說，在三相逆變橋結構電機驅動系統中，需要在三相逆變器輸出端或者直流母線側做電流檢測。 1. 三相逆變器輸出端：選擇在三相逆變器輸出端，即電機輸入端，是因為逆變后輸出電流直接反映了電機是實際運行電流，通過在每個輸出相上安裝電流傳感器，可以實時掌握電機的運行狀態，用于電機的閉環控制、故障診斷和過載保護。 2. 直流母線側：為了簡化系統結構和降低成本，也可以選擇在直流母線側進行電流檢測。這種方法需要采用特殊的電流檢測算法和信號處理技術，從而準確計算出電機的三相電流。
圖3 電機逆變器結構 3.2三相逆變橋電機驅動控制器電流檢測方案 在電機驅動控制器電路中，電流檢測常用的技術有：1.采樣電阻；2.霍爾電流傳感器；3.電流互感器；4.磁通門。在逆變電路中，通常使用是基于霍爾效應、霍爾元件的霍爾電流傳感器。霍爾電流傳感器具有測量范圍廣，響應速度快，測量精度高，動態性能好，工作頻帶寬，可靠性高等優點，使用霍爾傳感器檢測電流最大的優勢是霍爾電流傳感器通過磁場感應測量電流，無需與被測電路直接接觸，同時，原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，因此不會對被測電路造成干擾和損傷，提高了系統的安全性和可靠性。 霍爾傳感器從原理上可分為兩大類，開環霍爾元件和閉環霍爾元件，其測量原理如下圖所示：
圖4 霍爾元件原理圖 開環霍爾元件直接檢測由待測電流激發出的磁場磁感應強度；閉環霍爾元件則是在磁環上又纏繞了一組線圈，其中電流通過反饋確定，以保證最終磁環中的磁感應強度為0，這樣通過測量線圈中電流的大小即可推算出待測電流的大小。 閉環霍爾元件與開環霍爾元件相比，其檢測精度較高，并且在響應時間、帶寬等指標上也優于開環霍爾元件。 Magtron采用自主研發的的專利ifluxgate技術打造的高性價比、低零飄、高帶寬電流傳感器，可滿足實現高精度的電流采集。由公司自主研發的SoC芯片也可以為客戶提供專有的技術解決方案，基于市場實時的最新需求，不斷升級完善，致力于解決工業、電動汽車、儲能行業等各項電流、漏電流采集問題，為各行業電力設備保駕護航。 |
