隨著新能源汽車和混合動(dòng)力汽車的發(fā)展，電力電子在汽車上有了用武之地。目前行業(yè)里面，車用的電機(jī)大多數(shù)都是永磁同步電機(jī)，也有異步電機(jī)(Tesla)、無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)，電機(jī)均需要電機(jī)控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制。這里主要講講我最熟悉的永磁同步電機(jī)控制器，以后有機(jī)會(huì)再講講電機(jī)。由于汽車的特殊用途，車用電機(jī)控制器有著區(qū)別于普通變頻器的特點(diǎn)。下面遙爾泰小編給大家講講車用電機(jī)控制器的用途及其功能特點(diǎn)。

　　車用電機(jī)控制器高性能

　　汽車的低速起步需要較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，汽車的高速巡航需要寬范圍的功率區(qū)。這兩個(gè)特點(diǎn)就要求控制器在低速時(shí)具有高過載能力(通常為額定電流的2倍以上)，高速時(shí)能有較寬的弱磁恒功能力

　　車用電機(jī)控制器高轉(zhuǎn)矩

　　較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，就要求控制器在低速時(shí)能輸出較大的電流。大家都知道，低速時(shí)對(duì)應(yīng)的電流頻率也很低，頻率很低帶來的問題就是某一個(gè)功率器件(IGBT或二極管)會(huì)發(fā)熱的時(shí)間較長，熱應(yīng)力會(huì)大大增加，會(huì)損壞器件或降低器件的壽命。極端的情況是，汽車在開上馬路牙子時(shí)，司機(jī)會(huì)猛踩油門，但車基本不會(huì)動(dòng)，這種電機(jī)堵轉(zhuǎn)的工況，控制器基本輸出的是直流，電流持續(xù)流過某一個(gè)器件，熱設(shè)計(jì)時(shí)需要全面評(píng)估。

　　車用電機(jī)控制器寬轉(zhuǎn)速

　　較高的轉(zhuǎn)速范圍，就要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有較寬的恒功率區(qū)，從而要求控制器有較強(qiáng)的弱磁能力。因?yàn)橛来朋w的磁場是基本恒定的，隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電動(dòng)勢越來越大，當(dāng)其值高于電池電壓后，控制器就會(huì)失控，所以需要用弱磁電流將電壓控制在可控范圍內(nèi)。簡單的弱磁就是發(fā)現(xiàn)電壓升高后，增加弱磁電流，電壓就會(huì)被壓下去。但是對(duì)于車用永磁電機(jī)來說，隨著轉(zhuǎn)速的升高，弱磁電流增加到一定值后，再增加弱磁電流反而沒有用了。此時(shí)弱磁電流減小，電壓反而能控制住。這個(gè)特點(diǎn)簡直反人類……這就產(chǎn)生了所謂的MTPV(Maximum Torque Per Voltage)控制策略，下圖中的H到E這一段。

　　車用電機(jī)控制器高效率

　　新能源汽車的能量來源都很寶貴，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率直接影響了續(xù)航里程，所以要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效率，也即每一度電盡可能跑遠(yuǎn)一點(diǎn)。目前行業(yè)里面，峰值效率都標(biāo)到了95%，高于80%效率的區(qū)域都多于90%，不知道這里面有多少水分。下圖紅色區(qū)域就是高效區(qū)，一般電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)通過優(yōu)化，把高效區(qū)設(shè)計(jì)到車輛行駛最經(jīng)常運(yùn)行的區(qū)域，峰值效率一般也出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域的中心。在低速和高速段，效率都不高;在高轉(zhuǎn)矩段，效率也不高。電機(jī)設(shè)計(jì)好了，其效率區(qū)就基本確定了，控制器需要將其控制在最優(yōu)點(diǎn)。所謂的最優(yōu)點(diǎn)，就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸出滿足司機(jī)給定的轉(zhuǎn)矩指令前提下，盡量減小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損耗。傳統(tǒng)的優(yōu)化方向，就是在同樣的轉(zhuǎn)矩輸出下，輸出最小的電流。但電流僅僅影響的是銅損，電機(jī)損耗還有鐵損、機(jī)械損耗，控制器還有開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，如果把這些都考慮進(jìn)去，工作量相當(dāng)大。

　　車用電機(jī)控制器電機(jī)的非線性

　　車用永磁電機(jī)都是凸極電機(jī)，而不是表貼電機(jī)。下圖的藍(lán)色槽里面，就是裝永磁體的地方。凸極電機(jī)最大特點(diǎn)就是D軸電感小于Q軸電感，所以轉(zhuǎn)矩不止跟Q軸電流有關(guān)，D軸電流也會(huì)影響轉(zhuǎn)矩，所以有MTPA(Maximum Torque per Ampere)控制策略。

　　DQ軸電感不相等也就罷了，DQ軸電感還非線性。由于磁飽和的影響，DQ軸電感隨著電流的增加，還會(huì)減小。Q軸電感的變化最明顯，變化從1到1/2左右。下圖的紅線是Q軸電感，藍(lán)線是D軸電感。

　　另外，和教科書上不一樣的是，DQ軸的電感還不解耦。也就是隨著D軸電流的變化，會(huì)影響Q軸磁場，同樣Q軸電流也會(huì)影響D軸磁場。雖然DQ軸互感和自感相比小很多，但也是一個(gè)不可控因素啊。

　　電機(jī)的磁場會(huì)隨著電機(jī)溫度的增加而減小，通常和常溫下有10%到20%左右的衰減，這也會(huì)影響電機(jī)的出力。

　　電機(jī)的電阻會(huì)隨電機(jī)溫度的增加而增加，會(huì)造成電阻的壓降變大。

　　環(huán)境

　　車每天在外面跑，面對(duì)的環(huán)境各式各樣。高溫、低溫、高濕、鹽霧、海拔、震動(dòng)，每一樣都是在設(shè)計(jì)階段需要考慮，后期需要反復(fù)驗(yàn)證的。前兩年，北京下大雨，如果這種情況下，電動(dòng)汽車在立交橋下被水淹了怎么辦?所以控制器和電機(jī)有IP67的要求，就是在水下泡著，一樣能工作。

　　安全

　　上面所說的都是只實(shí)現(xiàn)基本功能，汽車行業(yè)還有安全需求。產(chǎn)品質(zhì)量好，可靠性高，并不意味著安全。因?yàn)槟呐履阌心敲匆唤z壞的概率，就可能會(huì)造成車毀人亡的慘劇。汽車行業(yè)的安全，就是你需要考慮到所有的可能風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并采集積極有效的措施，對(duì)這些可能的后果規(guī)避。就是如果失效發(fā)生了，也有安全機(jī)制避免造成不良后果。這就需要在軟硬件設(shè)計(jì)上，大量的考慮，工作相當(dāng)復(fù)雜。這方面有ISO26262標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)。

　　舉個(gè)例子，考慮到安全和風(fēng)險(xiǎn)，車用電機(jī)控制器的架構(gòu)會(huì)分為三層。Level1是功能實(shí)現(xiàn)層，實(shí)現(xiàn)基本的電機(jī)控制功能。Level2是功能監(jiān)控層，監(jiān)控level1的執(zhí)行過程和結(jié)果，如果發(fā)現(xiàn)結(jié)果不對(duì)，就采取故障保護(hù)措施。Level3是控制器監(jiān)控層，其物理上(芯片、時(shí)鐘)完全獨(dú)立于功能控制器，其監(jiān)控功能控制器是否正常工作，如果發(fā)現(xiàn)功能控制器失控，將采取獨(dú)立的故障保護(hù)措施。