电动汽车用碳化硅轮边电机控制器高效控制技术研究

摘" 要：电动汽车的高温、高湿、高热量的工作环境，对碳化硅（SiC）轮边电机控制器提出高功率密度、耐高温的要求。而驱动系统效率的有效提升，对电机控制器发挥着重要作用。该文通过对国内外同类产品的现状进行分析，从碳化硅电机控制器硬件研究、软件研究及轮边电机系统标定方法、技术路线等方面进行研究，最终确保所研究产品具有高效、精准的良好性能。

关键词：电动汽车；轮边电机；碳化硅控制器；高效控制；驱动系统效率

中图分类号：U469.72" " " 文献标识码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）19-0047-04

Abstract： The working environment of electrical vehicles（EVs） with high temperature， humidity and heat has posed the requirements of high power density and high temperature resistance for silicon carbide （SiC） wheel side motor controller. The motor controller plays an important role in effectively improving the efficiency of the drive system. Based on the analysis of the current situation of similar products at home and abroad， this paper studies the SiC motor controller hardware research， software research and wheel side motor system calibration method， technical route and other aspects. Finally， it ensures that the products studied have high efficiency， accuracy and good performance.

Keywords： electric vehicle; wheel side motor; SiC controller; high efficiency control; drive system efficiency

美国能源部制定的目标是要将电机驱动控制器的功率密度提高到100 kW/L，而我国“十四五”重点研发计划也将这一指标提高到100 kW/L。为了实现这一目标，世界各国的研究者纷纷把目光集中到碳化硅等新一代的半导体器件上。轮边电机分布式驱动也是实现电动化、智能化、模块化和标准化智能底盘的必然选择。随着车辆智能化新能源化不断发展，电驱动系统的智能化、集成化、模块化程度会越来越高，而汽车是一个相对狭小的空间，零部件的布局受限，基于高温、高湿、高热量的工作环境，对电子器件的散热性、耐高温性及高功率密度提出了更高的要求。而碳化硅没有门槛电压，在小电流阶段的时候，其低损耗的优势就会比较明显。车规级碳化硅绝大部分应用均为小功率，因此，在整车匹配过程中非常优越。碳化硅器件在常温和高温下，开关特性的差异是非常小的，这也是其比较大的一个优点。碳化硅的优点从模块层面能够带来更高的效率、更低的损耗。以新能源汽车为例，可以实现更低的电驱动损耗，可以提高续航里程，或者相同的续航里程可以节省电池、降低成本，所以这也是碳化硅轮边控制器（图1）在汽车领域越来越多被采用的原因。该方案开发出的碳化硅轮边电机控制器，能高效精准地控制车辆转矩、协调转速，满足电动车辆行驶过程中的稳定性和舒适性。

1 国内外研究现状分析

随着新能源汽车行业的高速发展，对电驱动系统效率、功率密度、可靠性及动态响应等方面的要求越来越严格[1]。而电驱动系统性能的有效提升，对电机控制器发挥着重要作用。基于第三代宽禁带半导体-碳化硅材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）具有低导通损耗、高开关频率、高热稳定性等优异特性（图2），将采用SiC功率模块的电机控制器应用到电动汽车中，可以降低电驱动系统的损耗，提升整车效率，降低电机转矩脉动，改善电动汽车NVH（噪声、振动与声振粗糙度，即Noise、Vibration、Harshness的英文缩写）特性，对电动汽车的普及具有重要意义。

碳化硅的2个核心优势，第一是开关损耗，尤其在800 V以上，开关损耗远好于绝缘栅双极型晶体管（IGBT），因为其具有更快的速度及反向恢复的特性等。第二是导通损耗，为充分展示碳化硅电机控制器良好的性能优势，我国许多学者及领域专家进行了全面的研究，并提出了自己的见解，如贵州大学的吴钦木等[2]建立永磁同步机（PMSM）电驱动系统的损耗模型，通过对控制器参数的比较，分析出碳化硅的PMSM电驱动系统效率的影响。华中科技大学的何泽宇[3]研究了脉冲宽度调制（PWM）信号延时对基于碳化硅的感应电机驱动系统的损耗影响，并设计了一台碳化硅感应电机控制器进行验证。实验结果表明，应用碳化硅可以提升感应电机的电流环控制性能，降低系统损耗。南京航空航天大学的秦海鸿[4]设计2台基于碳化硅和硅的PMSM电机控制器，研究结论表明，在同等条件下，碳化硅控制器的性能明显优于硅控制器，如碳化硅控制器的效率提高1%，同时温升下降了2℃。

近年来，新能源汽车快速发展，在全球范围内碳化硅电机控制器的生产企业主要包括ZF、Qorvo、BorgWarner、特斯拉和英搏尔等，其充分利用碳化硅功能器件的优势，开发出具备高效率、高精度、耐高温等优点的电机控制器，用于不同类型的驱动电机。如德国的博世公司开发出的200 kW级PMSM电机控制器，充分利用公司自身封装的碳化硅功率模块，并增加了谐波注入功能。研发成果表明，通过高开关频率的谐波注入不仅使碳化硅的电机控制器效率超过98%，而且降低了电驱动系统噪声；而德国的西门子公司和法雷奥公司联合开发的载波频率达到20 kHz的全新碳化硅电机控制器，通过实验测试碳化硅电机控制器的损耗得出，碳化硅电机控制器的能耗与硅电机控制器相比，能耗损失大大降低，当能耗开关频率提升一倍时， 碳化硅电机控制器的损耗降低了50%以上；国内的汇川动力公司开发出的150 kW级碳化硅PMSM电机控制器，经研究表明，在相同工况标准下，碳化硅电机控制器与硅电机控制器的续航里程提升5%，且控制器效率提升2%。以上结果表明，利用碳化硅材料开发出的电机控制器，具有能耗低、效率高的良好性能，从而可大幅提高轮边电机驱动系统的效率及功率密度，将成为未来电机驱动控制器的主流选择。

2" 主要研究内容

电机控制器作用是实现电动汽车动力电池直流电和驱动电机交流电的转换。电机控制器的硬件、软件、标定方法会直接影响分布式轮边电机系统的传动效率、可靠性、响应精度和响应时间等，因此，研究主要包括以下内容。

2.1" 碳化硅轮边电机控制器电气设计

碳化硅轮边电机控制器针对车辆在复杂工况下，实现精确的转速和转矩输出，来保证车辆行驶的稳定性，并最大程度地提升系统效率。新能源汽车高压电池输出直流电流，经过薄膜电流整容器整流，进入模块组件的驱动电路，并通过控制板控制驱动电路将高压电池的直流电流转化为可直接输入驱动机的交流电流，从而完成整个逆变过程[5-8]。碳化硅轮边电机控制器的电气设计原理图如图3所示。

2.2" 碳化硅轮边电机控制器硬件研究

在满足不低于功能安全ASIL C的前提下对碳化硅轮边电机控制器硬件进行分解，研究适用于碳化硅功率半导体器件的驱动硬件、碳化硅驱动电源供电硬件、被动放电硬件、CAN FD硬件、主控芯片供电硬件及满足800 V平台需求的高压电气拓扑结构等，为碳化硅轮边电机控制器样机产品开发作为设计理论依据。最终开发出满足项目需求的碳化硅轮边电机控制器样机产品，并搭载整车进行试验验证。

2.3" 碳化硅轮边电机控制器软件研究

基于开发出来的碳化硅轮边电机控制器硬件产品样机前提，进行碳化硅轮边电机控制器软件研发，研发出满足整车需求的轮边电机控制功能软件。在此前提下，针对轮边电机系统效率提升困难和整车低速大转矩输出问题，研究在传统功率器件开关序列排布方法基础上适用于碳化硅轮边电机控制器的全速域最优开关序列排布方法；针对复杂工况下轮边电机转矩控制精度难以满足车辆要求的前提下，研究不确定扰动作用下轮边电机控制的高稳定高动态转矩控制方法和研究复杂时变给定信号下的轮边电机转矩快速精准跟踪技术；由于搭载整车的轮边电驱动桥没有机械差速模块，因此为了保证在系统出现异常时分布式轮边电机控制不失控，研究分布式轮边电机控制的动态互相监控协同控制技术。碳化硅轮边电机控制算法原理如图4所示。

2.4" 轮边电机系统标定方法研究

在传统电机控制器转矩和转速控制精度不高问题的前提下，研究以轮边电机绕组温度场为基础的电感标定和电流标定方法，形成碳化硅轮边电机控制器需求的T、Iq、Id或T、Lq、Ld三维数据表，为解决复杂工况下轮边电机转矩控制精度难以满足车辆要求的难题作为基础依据。

通过以上的研究，基于碳化硅轮边电机控制器高效精准动态转矩控制技术，提高对轮边电机转矩控制的精准度及转矩动态响应性能，其研究成果与国内某电驱公司的技术参数对比，具有明显的优势，见表1。

3" 技术路线简析

以新能源汽车分布式轮边电机及驱动器的研发与应用为背景，为了确保轮边电机驱动系统在复杂运行工况下可以充分发挥其极佳的性能，实现驱动系统高效率、高散热、高动态和高稳定性能，拟解决的关键技术为采用碳化硅电机控制器的全速域的最优开关序列排布方法，实现不确定扰动作用下的轮边电机高稳定高动态转矩控制技术和基于复杂时变给定信号的轮边电机转矩快速精准跟踪技术；基于碳化硅轮边电机控制器高效精准动态转矩控制技术进行研究，提高对轮边电机转矩控制的精准度及转矩动态响应性能。碳化硅轮边电机高效转矩如图5所示。

以整车动力性与经济性为目标，结合方案的研究目标及轮边电机技术要求开展碳化硅轮边电机控制器产品硬件和软件开发，再综合整车技术需求，进行碳化硅电机控制器与分布式轮边电机匹配、搭载整车匹配等。反馈并优化碳化硅轮边电机控制器样机性能，通过样机台架和整车路试，支持整车完成动力性能、经济性、可靠耐久等测试，完成整车联调与标定。

在硬件开发过程中，拟采用主芯片为TC387和电源为TLF35584的搭配，碳化硅功率器件采用满足800 V电压平台要求的全桥HPD封装功率器件，并且支持OTA、CAN FD的硬件技术需求。在软件开发过程中，拟采用基于A-SPICE标准模型软件过程管理，满足AUTOSAR软件架构要求，利用Simulink/SCADE等模型设计工具进行软件研发，最终实现基于碳化硅电机控制器的全速域最优开关序列排布方法前提下，在不确定扰动作用下的轮边电机高效率、高稳定、高动态转矩控制技术及基于复杂时变给定信号的轮边电机转矩快速精准跟踪技术研究，并在产品样机中实现，拟采用的相关研究和主要技术路线如图6所示。

4" 结论

本文提出了开发碳化硅轮边电机控制器高效动态转矩控制技术研究的解决方案，通过论述国内外现状、碳化硅轮边电机控制器的电路设计、硬件研究和软件研究等主要内容，过程中采用碳化硅电机控制器的全速域最优开关序列排布方法、轮边电机高稳定高动态转矩控制方法、电机系统的标定方法等关键技术。基于上述研究成果，开发出高效率、低能耗、耐高温的碳化硅轮边电机控制器，应用于新能源汽车轮边电机驱动系统中，满足整车搭载的要求。

参考文献：

[1] 马伟明，王东，程思为，等.高性能电机系统的共性基础科学问题与技术发展前沿[J].中国电机工程报，2016，36（8）：2025-2035.

[2] 吴钦木，韦书龙，李捍东，等.永磁同步电机驱动系统效率优化控制参数变化影响研究[J].电机与控制应用，2012，39（6）：18-23，42.

[3] 何泽宇.基于碳化硅功率器件的感应电机控制系统研究[D].武汉：华中科技大学，2020.

[4] 秦海鸿.混合励磁双凸极电机基本性能研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.

[5] 张舟云，贡俊.新能源汽车电机技术与应用[M].上海：上海科学技术出版社，2013.

[6] 袁新枚，范涛，王宏宇.车用电机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2016.

[7] 袁登科，徐延东，李秀涛.永磁同步电动机变频调速系统及其控制[M].北京：机械工业出版社，2015.

[8] 张舟云，徐国卿，沈祥林.牵引逆变器散热系统的分析与设计[J].同济大学学报（自然科学版），2014（6）：775-778.

作者简介：方德华（1983-），男，硕士，工程师。研究方向为电驱动系统的设计开发。