汽车|车用高性能永磁电机驱动系统的研发
来源 |前瞻EV
本文重点介绍高性能车用永磁电机驱动系统中的高功率密度车用电机控制器、广域高效混合励磁电机和全数字化高性能电机控制软件平台3 项关键技术 ， 提出了在功率密度、全范围效率、可靠性、维护性和成本等方面均优于传统的车用永磁电机驱动系统的解决方案 。 在此基础上开发出高功率密度车用电机驱动系统样机 ， 成功应用于力帆LF620纯电动警务车 。
关键词: 永磁电机驱动系统; 电机控制器; 混合励磁电机; 全数字化控制
前言
车用电机驱动系统是电动汽车的关键和共性技术 。 因受到车辆空间限制和使用环境的约束 ， 车用电机驱动系统不同于普通的电传动系统 ， 它要求具有更高的运行性能( 如全速度范围的高效率)、更高的比功率(不低于1. 2k W/kg) 以及更严酷的工作环境(环境温度达到105℃) 等等［1］ ， 为满足这些要求 ， 车用电机驱动系统的技术发展趋势基本上可以归纳为电机永磁化、控制数字化和系统集成化 。
与国际先进水平相比 ， 我国在面向车辆工况的电机系统优化设计能力 ， 满足产业化需求的全数字化电机控制软件平台建设 ， 机电一体化系统集成设计能力 ， 以及高集成度功率电子模块研制与生产、产品可靠性、耐久性和成熟度的考核与分析等方面 ， 仍存在较大差距 。 随着我国电动汽车产业化进程的推进 ， 这些技术差距必将影响相关行业的市场竞争力 。
本文中重点介绍了高性能车用永磁电机驱动系统中高功率密度、高效率与低成本的车用电机控制器、广域高效混合励磁电机和满足可重复性、可移植性和易使用性要求的全数字化高性能电机控制软件平台3项关键技术 ， 提出了在功率密度、全范围效率、可靠性、维护性及成本等方面均优于传统的车用永磁电机驱动系统的解决方案 。 并开发出新型混合励磁电机驱动系统和高功率密度、高效与低成本的车用电机控制器样机 ， 后者已成功应用于力帆LF620纯电动警务车 ， 服务于2010年上海世博会 。
1 高功率密度车用电机控制器
电动汽车中主驱动电机控制器一般采用典型的三相桥式电压源逆变电路 ， 其主要部件包括功率模块、直流侧支撑电容和叠层母线排［2］ 。 根据车辆对控制器的功率等级需求 ， 功率模块大多采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor ， IG-BT)， 其成本一般占到电机控制器总成本的30% 以上 ， 功率模块的性能、可靠性与成本直接影响电机控制器产业化的实现; 直流侧支撑电容是控制器中最重要的无源器件 ， 主要作用是吸收功率模块开关造成的直流侧脉动电流 ， 稳定直流侧输出电压电流 ， 从而提高蓄电池使用寿命 ， 其体积和质量对控制器的功率密度有很大影响 。 因此 ， IGBT功率模块和直流侧支撑电容是提高控制器性能和控制成本的关键 。
1. 1 智能IGBT功率模块的研发
为提高IGBT功率模块的运行性能和可靠性 ， 降低成本 ， 中国科学院电工研究所联合国内功率模块封装企业进行具备自主知识产权的国产智能IGBT功率模块的研发 。 在IGBT设计方面进行了大量分析优化和工艺设计工作 。
首先 ， 借助计算机仿真分析技术 ， 优化模块内部芯片布局和布线 ， 从而减少了模块内部的杂散电感; 优化底板设计、控制底板弧度 ， 降低了芯片应力; 采用氮化铝DBC基板 ， 降低了热阻 。
其次 ， 应用专有干法大面积焊接免清洗技术 ， 减少了焊接空洞率 ， 减少热阻; 研究应力控制的压焊技术 ， 提高了电流浪涌能力 ， 减少了引线的杂散电感 。 研发出的智能IGBT功率模块内部布局及实物见图1(a) 和图1(b)。
同时 ， 进一步提高系统集成度 ， 在智能IGBT功率模块内部集成了驱动保护电路 。 在驱动技术方面 ， 采用分段驱动方式 ， 在常规推挽驱动原理电路中加入可控辅助充放电电流源 ， 在缩短器件开关时间的同时 ， 降低开通过程中集电极电流尖峰和关断过程中集射电压尖峰 ， 减小开关应力、损耗和噪声; 在保护技术方面 ， 采用了集射电压检测方式和短路保护实现电路 ， 在短路发生后无延时地箝制由米勒效应造成的门电压抬升 ， 避免误导通 。
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