新能源汽车电机控制器

电机控制器

01 功能

（1）控制电机正反转，电机正转车辆前进，电机反转车辆倒车。

（2）控制速度，按照驾驶员指令执行加速、匀速、减速等。

（3）控制爬行，挂D挡或R挡，抬开制动踏板，不踩加速踏板，车辆缓缓行驶。

（4）能量回收，也称动能回馈，此时电动机转变为发电机。

（5）通信功能，通过CAN总线与其他控制单元和网关通信。

（6）故障诊断，当自诊断异常时存储故障码，同时发送给VCU。

（7）保护功能，保护电机控制器、驱动电机、动力电池不超过工作温度极限。

02 组成

某型号电机控制器技术参数见表1，外观如图1所示，上层元器件如图2所示，下层元器件如图3所示，电机控制器主要组件如图4所示。

电机控制器分为低压、高压两部分，低压部分包括输入／输出接口电路、控制主板、运算器、存储器、传感器等；高压部分包括IGBT模块、驱动主板、超级电容、放电电阻、直流高压插接器、UVW插接器等。

电机控制器壳体内有水道，壳体外有进、出水管接头。散热器下方的出水管连接水泵，水泵将冷却液送入电机控制器，冷却IGBT元件，然后流入电机，再流回散热器上方的回水管。

表1 某电机控制器技术参数

图1 电机控制器外观

图2 上层元器件

图3 下层元器件

图4 电机控制器主要组件

03 各元器件的作用

（1）输入／输出接口电路，负责外部输入信号与控制主板转换连接，负责控制主板输出信号与外部转换连接。

（2）控制主板，与VCU通信，对旋变传感器供电，对旋变信号分析，控制IGBT，监测高压直流母线电流，监测IGBT模块温度，监测高压插头连接情况。

（3）驱动主板，接受控制主板指令，控制每只IGBT开通或断开。

（4）IGBT，将直流电转换成三相交流电并且变频，控制电机转速和转动方向，车辆减速时回收能量，将三相交流电转换成高压直流电，对动力电池充电。

（5）超级电容，如图5所示，超级电容与高压直流母线并联，作用是在电机启动时保持电压稳定。

图5 超级电容和放电电阻

（6）放电电阻，当断开高压直流时，消耗掉超级电容放出的电流。新款车在高压下电后，电机控制器指令IGBT短暂工作，消耗掉超级电容放出的电流。

（7）电压传感器，包括动力电池电压传感器、12V电压传感器，用以检测供给电机控制器的直流高压和弱电工作电压。

（8）电流传感器，包括直流母线排电流传感器、三相交流输出电流传感器，用以检测实际电流。

（9）温度传感器，包括IGBT模块温度传感器和电路板温度传感器，用以监测IGBT模块和电路板的温度。

04  IGBT

（1）IGBT模块

电机控制器又称智能功率模块（IPM），是驱动电机系统的控制中心，以IGBT为核心，辅以控制电路、驱动电路。

IGBT译成中文是“绝缘栅双极型晶体管”，如图6所示，该模块包含6个IGBT，搭成三相桥式逆变电路。

图6 IGBT模块

（2）IGBT内部

如图7所示，IGBT内部包含2个IGBT，是一种用小电流控制大电流的开关元件，综合了电力晶体管和电力场效应晶体管的优点。

IGBT是三端器件，包括栅极、集电极、发射极，栅极无触发信号，集电极与发射极之间不导通；驱动电路对栅极发送触发信号，集电极与发射极之间导通。

图7 IGBT内部

（3）三相桥式逆变器／整流器

如图8所示，电机定子上绕有三相绕组，每相绕组的尾端连接在一起称作中性点，首端引出U相、V相、W相。三相桥式逆变器整流器由6个IGBT和与之并联的6个二极管构成，IGBT的编号为VD1-VD6。正极母线排、负极母线排之间串联两个IGBT，集电极与正极母线排相连的IGBT称上桥臂，发射极与负极母线排相连的IGBT称下桥臂。3个上、下桥臂之间的节点，分别连接U相、V相、W相。

图8 三相桥式逆变器/整流器

05  IGBT逆变工作原理

（1）逆变原理

为了能够将动力电池的直流电转变为驱动电机的三相交流电，6个IGBT模块在驱动电路的触发信号驱动下，依次间隔60°顺序导通或关断，三相绕组的相位差120°。三相绕组产生的旋转电磁场，与转子的永久磁场相互作用，转子在电磁力作用下旋转并对外做功。

IGBT工作过程如图9所示，驱动电路对VD1、VD6的栅极触发使之导通，电流由正极母线排流过VD1进入U相，然后从W相流出，再流过VD6回到负极母线排。

图9 电流由U相→W相

如图10所示，驱动电路对VD2、VD4的栅极触发使之导通，电流由正极母线排流过VD2进入V相，然后从U相流出，再流过VD4回到负极母线排。

图10 电流由V相→U相

如图11所示，驱动电路对VD3、VD5的栅极触发使之导通，电流由正极母线排流过VD3进入W相，然后从V相流出，再流过VD5回到负极母线排。

图11 电流由W相→V相

（2）输出三相交流波形

以上说的在每个瞬间，只有一个正桥臂和一个负桥臂导通，只有两相绕组流过电流，这是为了理解容易。

实际在每个瞬间，三相绕组均有电流流过（电压过零点的瞬间流过的，如图12所示，每个瞬间有两个正桥臂和一个负桥臂导通，或有一个正桥臂和两个负桥臂导通，每60°变换一次。

  图12 VD1、VD3、VD5导通

逆变器输出三相交流电波形如图13所示，横坐标是时间t，纵坐标是电压U。横坐标在0～60°，W相与U相的正桥臂导通，这两相电流流出，电压为正；V相的负桥臂导通，该相电流流入，电压为负。

图13 输出三相交流波形

06  二极管整流器工作原理

（1）整流原理

如图14所示，6个整流二极管的序号为D1～D6、D1、D2、D3称作正向二极管，D4、D5. D6称作反向二极管。二极管导通原则，哪相电压最高哪相的正向二极管导通，哪相电压最低哪相的反向二极管导通。当车辆进行能量回收时，电机工作在发电状态，D2、D6因受到正向电压而导通，此时电流由v相流过D2进入正极母线排，流过动力电池对其充电，然后流回到负极母线排，再流过D6回到W相形成回路。整流原理如同燃油汽车交流发电机的三相桥式整流电路。

图14 整流工作原理

（2）充电电流控制

电机控制器监测充电电流，不得大于动力电池允许的最大充电电流。如果大于，电机控制器执行IGBT工作状态，控制定子线圈磁场的旋转角速度，转子转速同时降低。停止回收能量，这样就保证不大于最大充电电流。当电池温度过低时，不能回收能量；当电池电量很少时，能够正常回收能量；当电池电量大于90％或95%，不能回收能量；当电池电量在很少和很多之间时，限制能量回收不大于最大充电电流。一般认为在车辆非紧急制动的普通制动情况下，约20％的能量可以回收；但是实际上，回收能量整个过程中也会产生损耗，能够回收的能量大约有续航里程的8～15%。

07  电机工作模式

（1）D位行车

挂入D位，挡位信息和加速踏板位置信息送给VCU、VCU将驾驶员操作意图通过CAN（新能源CAN）总线传给电机控制器，电机控制器结合旋变传感器信息，向电机输入三相交流电，三相绕组产生旋转磁动势，与转子的永久磁场作用，转子正方向旋转。IGBT将高压直流逆变成高压三相交流电，通过调整频率来控制电机转速。保持电压不变，就可以使电机功率恒定。VCU将电机当前功率、电流、电压通过CAN送到仪表控制单元，仪表显示当前电机功率数值。

（2）E位行车

挂入E位，加速时提速比较平缓，尽可能节省电量。当松开加速踏板，回收的能量更多，感觉降速强烈，滑行距离比D位短。不同车型的E位设有2级或3级，级数越高节省电量越多。

（3）回收能量当驾驶人松开加速踏板，此时车轮拖动电机转动，电机变为发电机。BMS计算最大充电电流，电机控制单元通过IGBT将三相交流电整流成高压直流电，对动力电池充电，馈能电流必须小于BMS计算的最大充电电流。当踩下制动踏板，VCU指令电机控制器，更多的电流充入动力电池。

（4）R位行车

挂入D位，VCU通知电机控制器改变电机旋转方向，即由u-v-w，变为w-v-u通电顺序，电机反转。