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(chǎng)同類產(chǎn)品低30C以上）、長(zhǎng)期可靠性高的特點(diǎn)，產(chǎn)品性能達(dá) 到國(guó)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(jiǎn)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(lái)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(chǎng)同類產(chǎn)品低30C以上）、長(zhǎng)期可靠性高的特點(diǎn)，產(chǎn)品性能國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。、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:電規(guī)揑制淞型號(hào)額定 功率(KI)最大 功率<Kf)超定電 H(V)蛍<i)紡護(hù)

3、外理 尺寸 (MI)*3(Kg)適用車EKC06O-54(I>f<P/ISO120540400Kit水冷IP67330+340*13713米中巴 車EIC080-336DfCP/I)SO120336450直接水梅IP6715.5ElC100-33Df<P/I)LOO150336+50水冷IP6715.5E1C1OO4CMWI)100150540450宜揍水冷IF6715.5EIC15O54CD*(p7l)150200540600水冷IP6718812 米大巴 奏源網(wǎng) tneir comEIC20Q-54a)W<F/l)200300540800水靜IP67側(cè)汽百nr>

4、;H evpar表1-1電機(jī)控制器技術(shù)參數(shù)、電動(dòng)客車電控整體解決方案汽車級(jí)0BT模塊電機(jī)擰制器三、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)?！钡闹黝}。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(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(zhǎng)期可靠性均無(wú)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

5、33%以上)、高長(zhǎng)期可靠性的特點(diǎn)，模塊性 能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。圖 3-1 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(zhǎng)期可 靠性，滿足電動(dòng)大巴長(zhǎng)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

6、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 C -125 °C) 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)

7、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(guó)內(nèi)外在電動(dòng)客車

8、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(cè)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30C, Rj-h降低33%從而保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，壽命可 長(zhǎng)達(dá)10年。®電動(dòng)汽車資源網(wǎng)wwh1COfli圖3-3 IPM模塊底

9、板設(shè)計(jì)IGBT芯片Cu散熱Cu散熱 底板咲"國(guó)匝旺列更旺泄緣基板泄緣基板Cu baseCuCuICeramicFsolderAlSiC 散熱底 板/AlSiCbase plate亠i"< *張廠 丄玄：孚二丿齊irhr 4 nir-r i»L tr' rir w4 w4 jr r廠才.亠丁 廠- r,* ,- w-.,.-，- ,4產(chǎn) 嚴(yán)十4滬子于 嚴(yán)"產(chǎn)4產(chǎn)亍滬孑彳嚴(yán)T<嚴(yán) 2 產(chǎn)嚴(yán) 上 嚴(yán) 一 j 卄產(chǎn)亠“傳統(tǒng)間接散熱控制器截面圖 通過(guò)導(dǎo)熱硅脂傳導(dǎo)散創(chuàng)新直接散熱控制器截面圖圖3-4依思普林散熱設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)比4.2IPM模塊熱匹

10、配設(shè)計(jì)930fl（塊內(nèi)棉祐補(bǔ)M優(yōu)異的攜匹圧圖3-5 IPM模塊熱匹配設(shè)計(jì)采用AlSiC底板，AIN DBC封裝材料熱膨脹系數(shù)匹配良好，5、驅(qū)動(dòng)控制軟硬件技術(shù)l*->iA1N模塊耐溫度循環(huán)能力增強(qiáng)，可達(dá)到1000次循環(huán)以上（-40 C150C）。同等測(cè)試條件，工業(yè)模塊低于100次循環(huán)壽命。AlSiCe 呼汽車資源網(wǎng)wwir cvpartnor. comICu Si AISlC驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器通過(guò) 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)

11、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)設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過(guò)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(cè)、分析及測(cè)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(guò)電機(jī)控制系 統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)， 并通過(guò)CAN總線將自身工

12、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(guò)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：雙電源冗余設(shè)計(jì)、多重隔離、多級(jí)過(guò)流保護(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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

13、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(guò)流保護(hù)在常規(guī)的硬件及軟件檢測(cè)上，還配置IGBT飽和導(dǎo)通壓降檢測(cè)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。DC/DCj1低壓電源自皆軸鋅資源網(wǎng) cwpa? tner caff控制板和驅(qū)動(dòng)板圖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 SVPW空間矢量脈寬調(diào)制技 術(shù)，系統(tǒng)最高效率可達(dá)95濃上，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(guò)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(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等防護(hù)策略， 可以有效保證控制器的長(zhǎng)期可靠性。四、主流產(chǎn)品對(duì)比報(bào)告圖4-1國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品對(duì)比報(bào)告分析圖五、總結(jié)與展望在2015年4月29日，四部委發(fā)布了關(guān)于 2016-2020年新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政支持策的通知，指出將繼續(xù)在全