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吳慶國(guó)：電機(jī)控制器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告
2019-04-24 10:52:50· 來(lái)源：驅(qū)動(dòng)視界 作者：吳慶國(guó)
一 . 電機(jī)控制器概述1.1電機(jī)控制器分類原則驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的最核心器件是IGBT，結(jié)構(gòu)工程師最關(guān)心它的尺寸和封裝形式：它的大小直接影響到外殼的尺寸以及水道的布
一 . 電機(jī)控制器概述
1.1 電機(jī)控制器分類原則
驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的最核心器件是IGBT，結(jié)構(gòu)工程師最關(guān)心它的尺寸和封裝形式：它的大小直接影響到外殼的尺寸以及水道的布置形式。
據(jù)此，我將控制器分為三代：
Ⅰ、Ⅱ代電機(jī)控制器均在市場(chǎng)上被廣泛應(yīng)用，因?yàn)槌杀净蛘邞?yīng)用環(huán)境的要求搭載在不同的車型上。
Ⅲ代控制器大多在工程樣機(jī)階段，本文中將分享Ⅲ代控制器的實(shí)物圖片。
產(chǎn)品迭代需要綜合因素的考量，控制器產(chǎn)品的迭代需求并不強(qiáng)烈，成本因素起著至關(guān)重要的作用。
本文只單純討論控制器單機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，以機(jī)械設(shè)計(jì)為主，軟硬件需求為輔進(jìn)行闡述，對(duì)于特斯拉的并聯(lián)IGBT方案，碳化硅IGBT的興起等另發(fā)文論述。
分類：1代
- 封裝形式：
- 底板造型：引線鍵合、單面冷卻
- 散熱形式：傳導(dǎo)散熱,間接水冷
- 應(yīng)用車型：商用車、部分乘用車
分類：2代
- 封裝形式：三相模塊統(tǒng)一封裝
- 底板造型：平面封裝、集成Pin-Fin冷卻
- 散熱形式：直接水冷
- 應(yīng)用車型：一般乘用車
分類：3代
- 封裝形式：三相模塊統(tǒng)一封裝
- 底板造型：集成型雙面冷卻
- 散熱形式：雙面直接水冷
- 應(yīng)用車型：新開發(fā)乘用車
二 . Ⅰ代電機(jī)控制器
2.1 Ⅰ代電機(jī)控制器概述
Ⅰ代電機(jī)控制器的顯著特點(diǎn)是金屬殼體上需要設(shè)計(jì)水道，水流與IGBT不進(jìn)行任何接觸，IGBT散發(fā)出的熱量需要通過(guò)其下部的金屬平板，依靠傳導(dǎo)方式將熱量傳遞給殼體外側(cè)的冷卻水進(jìn)行散熱。
為減少傳導(dǎo)熱阻，通常需要在 IGBT金屬底板上涂抹導(dǎo)熱硅脂再與主殼體貼合。
下圖是2010年左右，新能源汽車剛剛興起時(shí)的設(shè)計(jì)方案，薄膜電容是借用的工業(yè)常用的圓柱電容。
現(xiàn)在車用電機(jī)控制器基本已經(jīng)沒(méi)有使用圓柱電容的了。（上圖缺失了一個(gè)覆蓋除端子座外的塑料罩板，用以隔離接線出接線區(qū)域；另外還缺少一個(gè)通氣塞，用以平衡高低溫變換時(shí)殼體內(nèi)的壓強(qiáng)。）
2.2 Ⅰ代電機(jī)控制器實(shí)物范例一
▲控制器總布置
▲IGBT模塊安裝位置
▲三相單獨(dú)封裝IGBT模塊背面
▲IGBT模塊與驅(qū)動(dòng)電路板總成
▲工業(yè)電容外形的薄膜電容
▲薄膜電容參數(shù)
▲水冷蓋板外形
▲主殼體的水道造型
2.3 Ⅰ代電機(jī)控制器實(shí)物范例二
▲控制線接口
▲高壓線接口及水管接頭
▲交流母排及電流傳感器Ⅰ
▲交流母排及電流傳感器Ⅱ
▲直流母排及絕緣隔板
▲高壓線束快插接頭座
▲控制電路板
▲通氣塞位置及通氣塞
2.4 Ⅰ代電機(jī)控制器后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展概要
分享的實(shí)物電機(jī)控制器是2010年左右比較有代表性的車用控制器產(chǎn)品，隨著新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，電機(jī)控制器的各部分零部件均有不同程度的改進(jìn)和發(fā)展，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的進(jìn)展有如下幾點(diǎn)：
- IGBT自身集成Pin-fin水冷散熱結(jié)構(gòu)，由傳導(dǎo)散熱發(fā)展成單面直接水冷，主殼體無(wú)需構(gòu)造水道，降低了殼體的設(shè)計(jì)及制造難度；
- 定制的方形薄膜電容開始廣泛應(yīng)用，降低了直流銅排的設(shè)計(jì)難度，取消了電容支架，簡(jiǎn)化了裝配流程，提高了生產(chǎn)效率；
- EMC防護(hù)設(shè)計(jì)水平開始提升，部分產(chǎn)品在直流母排輸入端加入共模電感，濾波電路板等，有的公司將交流母排也加入了共模電感以加強(qiáng)系統(tǒng)的控制精度和提升系統(tǒng)效率；
- 通過(guò)細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的功率密度逐漸提升，小型化、輕量化成為發(fā)展趨勢(shì)；
- 電壓等級(jí)逐步提高，高壓控制器開始涌現(xiàn)。高壓控制器具有輸出電流小、系統(tǒng)損耗低、電壓利用率高、輸出容量大等優(yōu)勢(shì)；
- 部分機(jī)型的高壓線束系統(tǒng)開始應(yīng)用快插接頭取代傳統(tǒng)的格蘭頭，主要是整車廠為了加快生產(chǎn)效率，降低裝配風(fēng)險(xiǎn)而要求的；
- 有些廠家嘗試應(yīng)用金屬?zèng)_壓件來(lái)做控制器的上蓋，用以降低自重和制造成本，目前來(lái)看效仿者不多，推測(cè)可能是EMC防護(hù)能力太弱導(dǎo)致的失寵；
- 為適應(yīng)廠家的安全性需要，產(chǎn)品上增加了放電電路板、通氣塞、高壓互鎖開關(guān)等部件。
三 . Ⅱ代電機(jī)控制器
3.1 Ⅱ代電機(jī)控制器概述
Ⅱ代IGBT模塊集成的Pin-Fin散熱結(jié)構(gòu)與冷卻水直接接觸，換熱面積大，熱交換效率高，能有效降低控制器的溫升速度，提高控制器的輸出容量上限。同時(shí)，降低了機(jī)械設(shè)計(jì)工程師的匹配設(shè)計(jì)難度，方便搭載和應(yīng)用。目前該模塊形式廣泛應(yīng)用于乘用車車型中，應(yīng)用Ⅱ代IGBT模塊的電機(jī)控制器具有如下特點(diǎn)：
- 系統(tǒng)峰值功率遠(yuǎn)高于同參數(shù)的Ⅰ代IGBT模塊；
- 控制器體積更小、重量更輕，功率密度更高；
- 搭載Ⅱ代IGBT模塊的控制器產(chǎn)品比搭載同功率的Ⅰ代IGBT模塊的控制器造價(jià)高很多。
經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試， Ⅱ代模塊與Ⅰ代模塊相比，模塊總熱阻大大降低，如水溫約20℃、水流量4~9L/min時(shí)，模塊的總熱阻最高降低33%。另外Ⅱ代模塊內(nèi)各芯片的溫度分布更為均勻，利于模塊的均流特性。
3.2 Ⅱ代電機(jī)控制器軟硬件要求
高可靠性設(shè)計(jì)
- 控制器內(nèi)部無(wú)線纜連接的模塊式控制單元設(shè)計(jì)、單板涂敷加厚三防漆、強(qiáng)弱電分區(qū)隔離、去耦屏蔽設(shè)計(jì)；
- 車規(guī)級(jí)控制技術(shù)，軟件架構(gòu)基于Autosar架構(gòu)開發(fā)；
- 產(chǎn)品滿足 ISO26262設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；
- 全汽車級(jí)專用器件，耐溫等級(jí)105℃。
完善的保護(hù)功能
- 過(guò)壓，欠壓，過(guò)流，短路，過(guò)載，過(guò)熱（功率模塊、電機(jī)和電路板），超速，自檢，故障診斷（診斷傳感器信號(hào)開路、短路、接電源和接地故障電路，含位置傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，各種低電壓傳感器），CAN丟失、MCU監(jiān)控、高壓互鎖、開蓋互鎖、輔助電源故障、通訊故障等保護(hù);
- 符合ISO14229的UDS診斷服務(wù)及Bootloader功能，滿足整車廠對(duì)UDS的需求。
快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
- 轉(zhuǎn)速控制精度高及過(guò)沖量??；
- 力矩控制精度高和快速響應(yīng)， 為極限工況的運(yùn)行可靠性提供保障；
- 旋轉(zhuǎn)變壓器的零位自動(dòng)校正功能，可在車輛行使情況下自動(dòng)校正零位。
四 . Ⅲ代電機(jī)控制器
4.1 Ⅲ代電機(jī)控制器模塊概述
Ⅲ代IGBT模塊雙面冷卻方案是把溫度傳感器和電流傳感器功能集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行芯片級(jí)的管理，同時(shí)集成水冷流道的散熱結(jié)構(gòu)。
以散熱器內(nèi)部使用經(jīng)典的Pin-Fin散熱流道方案為例，闡述一下雙面水冷模組的優(yōu)勢(shì)。
水冷設(shè)計(jì)的重點(diǎn)包括流量的均恒，散熱流族限制下的Pin針形狀和大小的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；谕瑯拥目偭髁考僭O(shè)，雙面水冷較之單面水冷，熱阻可以減小32%，同時(shí)水路壓降跌落也只有其35%。
同時(shí)，對(duì)于雙面散熱，僅增大27.5%的壓力，就能獲得雙倍于單面水冷的總散熱流量。同等條件下，采用雙面水冷散熱后，輸出功率能夠增加30%以上。如果采用更優(yōu)化的水冷板設(shè)計(jì)，控制器的電流能力能夠增加50%甚至更多。
雙面水冷模組：功率密度提升88%：
4.2 Ⅲ代電機(jī)控制器
Ⅲ代電機(jī)控制器以高功率密度、抗過(guò)載能力強(qiáng)，深得乘用車廠的青睞，工程樣機(jī)屢見不鮮，是否已經(jīng)量產(chǎn)卻不得而知。雙面水冷方案使Si基的IGBT模塊性能發(fā)揮到了極致，是值得推廣應(yīng)用的技術(shù)方案，但模塊的高溫可靠性還需時(shí)日加以驗(yàn)證。
- 尺寸：261*204*100
- 冷卻系統(tǒng)：雙面水冷
- 工作溫度：-40~105℃
- 功率密度：40kW /L
- 電壓等級(jí)：300~750V / 150~490V
- 輸出電流：800A
- 輸出功率：120~200kW
- 重量：7kg
模塊化設(shè)計(jì)：功率覆蓋全車型
根據(jù)外形推測(cè)這兩款控制器應(yīng)用的是富士雙面水冷M653 IGBT模塊：
五 . 電機(jī)控制器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
5.1 電機(jī)控制器硬件發(fā)展趨勢(shì)
IGBT應(yīng)用雙面水冷結(jié)構(gòu)增加散熱能力，輔助結(jié)溫檢測(cè)功能強(qiáng)化溫度精確管控，增大電流通流量。
母線電容受限于材料特性，薄膜電容最高耐溫105℃，隨著IGBT散熱能力的大幅改善，母線電容成為了制約控制器整體的耐溫上限（125℃）的“最短板”，因此必須提升母線電容的散熱能力，所以集成水冷結(jié)構(gòu)的薄膜電容將會(huì)受到重用。同時(shí)在電容直流輸入端集成共模電感或?yàn)V波電路，加強(qiáng)EMC的防護(hù)能力也將會(huì)在部分產(chǎn)品中加以實(shí)施。
PCB將會(huì)以“多層、分區(qū)、合板” 的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行發(fā)展，減少連接器和線束，提升抗干擾能力。
IGBT
- 雙面水冷
- 結(jié)溫檢測(cè)
- 單晶圓設(shè)計(jì)
- 大通流量
母線電容
- 水冷薄膜電容
- 集成化封裝設(shè)計(jì)
- EMC電容集成
PCB
- 合板設(shè)計(jì)
- 連接器減少
- 抗干擾
▲IGBT結(jié)溫檢測(cè)：速度提升1倍，精度提高10%
5.2 電機(jī)控制器軟件發(fā)展趨勢(shì)
序號(hào)
特性
1
功能安全：ISO26262
2
轉(zhuǎn)矩高精度控制
3
完善的故障保護(hù)機(jī)制
4
成熟的抖動(dòng)抑制算法
5
UDS診斷與遠(yuǎn)程加載
6
穩(wěn)定的主動(dòng)放電控制
7
NEDC效率優(yōu)化
8
智能化波形控制策略
智能化波形控制策略
▲提升高速帶載能力,基于DPWM調(diào)制，減少開關(guān)次數(shù)
▲提升低頻發(fā)波工況下控制器效率
▲抖動(dòng)抑制控制拓?fù)鋱D
▲轉(zhuǎn)速、電流雙抑制模塊實(shí)現(xiàn)扭矩高效抑制。汽車啟動(dòng)過(guò)程的抖動(dòng)時(shí)間：3.5s 縮短到 0.5s。
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