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單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：周孟煒 一、電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)控制器發(fā)展趨勢 隨著(zhù)我國新能源汽車(chē)的高速發(fā)展，以及全球對環(huán)境保護和可持續發(fā)展的重視，新能源電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)呈現出快速增長(cháng)的態(tài)勢。根據中汽協(xié)數據顯示，2023年中國新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別為958.7萬(wàn)輛和949.5萬(wàn)輛，同比增長(cháng)35.8%和37.9%，市場(chǎng)占有率已經(jīng)達到31.6%。新能源電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的持續高漲，將帶動(dòng)電機驅動(dòng)控制器裝機量快速提升。預計到2029年，全球電動(dòng)汽車(chē)電機控制器市場(chǎng)規模將達到數千億人民幣的規模，年復合增長(cháng)率保持在較高的水平。 在中國市場(chǎng)，隨著(zhù)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)政策的不斷完善和新能源汽車(chē)市場(chǎng)的不斷擴大，消費者對新能源汽車(chē)的續航里程、安全性能等方面要求的提高，市場(chǎng)對電機驅動(dòng)控制器的性能和質(zhì)量要求也不斷提高。 新能源電動(dòng)汽車(chē)電驅動(dòng)結構是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統的核心部分，主要由驅動(dòng)電機、控制器和變速器三大核心部件組成。電機驅動(dòng)控制器接受整車(chē)控制器（VCU）的指令，通過(guò)IGBT模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將動(dòng)力電池提供的直流電轉換成交流電，供給驅動(dòng)電機使用。同時(shí)，通過(guò)監測傳感器信號和電路狀態(tài)，實(shí)現對電機和控制電路的實(shí)時(shí)保護。如圖1 電動(dòng)汽車(chē)電驅動(dòng)系統結構。 
圖1 電動(dòng)汽車(chē)電驅動(dòng)系統結構 二、電機驅動(dòng)控制器電路結構 電機驅動(dòng)控制器由低壓和高壓部分組成，通常包括功率電路、控制電路、傳感器接口和保護電路等。功率電路負責將電池的直流電轉換為電機所需的交流電，核心部件是逆變器，通常采用IGBT或SiC MOSFET等功率半導體器件�？刂齐娐穭t負責實(shí)施電機控制算法，如矢量控制或直接轉矩控制，以實(shí)現精確的電機轉速和轉矩控制。傳感器接口則用于接收電機和環(huán)境變量的反饋信號，如電流、電壓、溫度等，以便于實(shí)現閉環(huán)控制。保護電路則包括過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護功能，確保系統的安全穩定運行。電路結構如圖2。 2.1 低壓部分 低壓部分主要包括以下模塊： 1. 輸入/輸出接口電路：負責外部輸入信號與控制器主板的轉換連接，以及控制器主板輸出信號與外部設備的轉換連接。 2. 控制主板：與整車(chē)控制器（VCU）通信，對旋變傳感器供電并分析旋變信號，控制IGBT模塊，監測高壓直流母線(xiàn)電流、IGBT模塊溫度及高壓插頭連接情況等。 3. 運算器與存儲器：處理控制算法和存儲相關(guān)數據。 4. 傳感器：電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，用于監測電機和控制器的工作狀態(tài)并提供保護和控制。 5. 輔助電源：為控制電路提供必要的電源支持。 2.2 高壓部分 高壓部分主要包含以下模塊： 1. IGBT模塊，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊是電機控制器的核心部件，負責將直流電轉換成三相交流電，并控制電機的轉速和轉動(dòng)方向。在車(chē)輛減速時(shí)，還能回收能量，將三相交流電轉換成高壓直流電，對動(dòng)力電池進(jìn)行充電。 2. 超級電容：與高壓直流母線(xiàn)并聯(lián)，作用是在電機啟動(dòng)時(shí)保持電壓穩定，確保電機平穩啟動(dòng)。 3. 放電電阻：用于在需要時(shí)快速放電，保護電路安全。 4. 直流高壓插接器與UVW插接器：負責高壓電路的連接與斷開(kāi)，確保電流和電壓的穩定傳輸。 2.3 三相逆變器拓撲結構 以新能源電動(dòng)汽車(chē)中最常用的三相逆變橋結構為例，三相逆變器拓撲結構是交流電機驅動(dòng)控制器的常用結構。它將直流電轉換為三相交流電，供給電機使用。 如圖2，三相逆變橋結構通常由六個(gè)開(kāi)關(guān)元件組成（IGBT模塊），分為三組，每組控制一相輸出。通過(guò)控制這些開(kāi)關(guān)元件的通斷狀態(tài)，可以產(chǎn)生三相交流電，其頻率和幅值可調，從而控制電機的轉速和轉矩。 三相逆變橋拓撲結構能夠產(chǎn)生平滑的三相交流電，適用于高性能的交流電機控制場(chǎng)景。比如電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的交流電機驅動(dòng)控制器。同時(shí)，隨著(zhù)新能源電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，對電機驅動(dòng)控制器的集成化要求越來(lái)越高。集成化電機驅動(dòng)控制器將電機控制器、功率變換器、傳感器等原件集成在一起，形成緊湊且高效的驅動(dòng)系統。
圖2 電機驅動(dòng)控制器三相逆變橋結構圖 三、三相逆變結構電機驅動(dòng)控制器電流檢測要求及方案 3.1三相逆變橋電機驅動(dòng)控制器電流檢測要求及電流檢測點(diǎn) 三相逆變橋結構電機驅動(dòng)控制器的電流檢測是至關(guān)重要的，它們用于實(shí)時(shí)監測和控制電機的運行狀態(tài)，確保電機能夠高效、穩定工作。在三相逆變橋結構電機驅動(dòng)控制器中，通過(guò)準確檢測電機的相電流，可以實(shí)現對電機轉矩、轉速的精確控制，同時(shí)監測電流是否超過(guò)額定值，防止電機過(guò)載或短路等故障發(fā)生。 通常來(lái)說(shuō)，在三相逆變橋結構電機驅動(dòng)系統中，需要在三相逆變器輸出端或者直流母線(xiàn)側做電流檢測。 1. 三相逆變器輸出端：選擇在三相逆變器輸出端，即電機輸入端，是因為逆變后輸出電流直接反映了電機是實(shí)際運行電流，通過(guò)在每個(gè)輸出相上安裝電流傳感器，可以實(shí)時(shí)掌握電機的運行狀態(tài)，用于電機的閉環(huán)控制、故障診斷和過(guò)載保護。 2. 直流母線(xiàn)側：為了簡(jiǎn)化系統結構和降低成本，也可以選擇在直流母線(xiàn)側進(jìn)行電流檢測。這種方法需要采用特殊的電流檢測算法和信號處理技術(shù)，從而準確計算出電機的三相電流。
圖3 電機逆變器結構 3.2三相逆變橋電機驅動(dòng)控制器電流檢測方案 在電機驅動(dòng)控制器電路中，電流檢測常用的技術(shù)有：1.采樣電阻；2.霍爾電流傳感器；3.電流互感器；4.磁通門(mén)。在逆變電路中，通常使用是基于霍爾效應、霍爾元件的霍爾電流傳感器�；魻栯娏鱾鞲衅骶哂袦y量范圍廣，響應速度快，測量精度高，動(dòng)態(tài)性能好，工作頻帶寬，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使用霍爾傳感器檢測電流最大的優(yōu)勢是霍爾電流傳感器通過(guò)磁場(chǎng)感應測量電流，無(wú)需與被測電路直接接觸，同時(shí)，原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，因此不會(huì )對被測電路造成干擾和損傷，提高了系統的安全性和可靠性。 霍爾傳感器從原理上可分為兩大類(lèi)，開(kāi)環(huán)霍爾元件和閉環(huán)霍爾元件，其測量原理如下圖所示：
圖4 霍爾元件原理圖 開(kāi)環(huán)霍爾元件直接檢測由待測電流激發(fā)出的磁場(chǎng)磁感應強度；閉環(huán)霍爾元件則是在磁環(huán)上又纏繞了一組線(xiàn)圈，其中電流通過(guò)反饋確定，以保證最終磁環(huán)中的磁感應強度為0，這樣通過(guò)測量線(xiàn)圈中電流的大小即可推算出待測電流的大小。 閉環(huán)霍爾元件與開(kāi)環(huán)霍爾元件相比，其檢測精度較高，并且在響應時(shí)間、帶寬等指標上也優(yōu)于開(kāi)環(huán)霍爾元件。 Magtron采用自主研發(fā)的的專(zhuān)利ifluxgate技術(shù)打造的高性?xún)r(jià)比、低零飄、高帶寬電流傳感器，可滿(mǎn)足實(shí)現高精度的電流采集。由公司自主研發(fā)的SoC芯片也可以為客戶(hù)提供專(zhuān)有的技術(shù)解決方案，基于市場(chǎng)實(shí)時(shí)的最新需求，不斷升級完善，致力于解決工業(yè)、電動(dòng)汽車(chē)、儲能行業(yè)等各項電流、漏電流采集問(wèn)題，為各行業(yè)電力設備保駕護航。 |
