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吴庆国：电机控制器技术发展趋势报告
2019-04-24 10:52:50· 来源：驱动视界 作者：吴庆国
一 . 电机控制器概述1.1电机控制器分类原则驱动电机控制器的最核心器件是IGBT，结构工程师最关心它的尺寸和封装形式：它的大小直接影响到外壳的尺寸以及水道的布
一 . 电机控制器概述
1.1 电机控制器分类原则
驱动电机控制器的最核心器件是IGBT，结构工程师最关心它的尺寸和封装形式：它的大小直接影响到外壳的尺寸以及水道的布置形式。
据此，我将控制器分为三代：
Ⅰ、Ⅱ代电机控制器均在市场上被广泛应用，因为成本或者应用环境的要求搭载在不同的车型上。
Ⅲ代控制器大多在工程样机阶段，本文中将分享Ⅲ代控制器的实物图片。
产品迭代需要综合因素的考量，控制器产品的迭代需求并不强烈，成本因素起着至关重要的作用。
本文只单纯讨论控制器单机的发展趋势，以机械设计为主，软硬件需求为辅进行阐述，对于特斯拉的并联IGBT方案，碳化硅IGBT的兴起等另发文论述。
分类：1代
- 封装形式：
- 底板造型：引线键合、单面冷却
- 散热形式：传导散热,间接水冷
- 应用车型：商用车、部分乘用车
分类：2代
- 封装形式：三相模块统一封装
- 底板造型：平面封装、集成Pin-Fin冷却
- 散热形式：直接水冷
- 应用车型：一般乘用车
分类：3代
- 封装形式：三相模块统一封装
- 底板造型：集成型双面冷却
- 散热形式：双面直接水冷
- 应用车型：新开发乘用车
二 . Ⅰ代电机控制器
2.1 Ⅰ代电机控制器概述
Ⅰ代电机控制器的显著特点是金属壳体上需要设计水道，水流与IGBT不进行任何接触，IGBT散发出的热量需要通过其下部的金属平板，依靠传导方式将热量传递给壳体外侧的冷却水进行散热。
为减少传导热阻，通常需要在 IGBT金属底板上涂抹导热硅脂再与主壳体贴合。
下图是2010年左右，新能源汽车刚刚兴起时的设计方案，薄膜电容是借用的工业常用的圆柱电容。
现在车用电机控制器基本已经没有使用圆柱电容的了。（上图缺失了一个覆盖除端子座外的塑料罩板，用以隔离接线出接线区域；另外还缺少一个通气塞，用以平衡高低温变换时壳体内的压强。）
2.2 Ⅰ代电机控制器实物范例一
▲控制器总布置
▲IGBT模块安装位置
▲三相单独封装IGBT模块背面
▲IGBT模块与驱动电路板总成
▲工业电容外形的薄膜电容
▲薄膜电容参数
▲水冷盖板外形
▲主壳体的水道造型
2.3 Ⅰ代电机控制器实物范例二
▲控制线接口
▲高压线接口及水管接头
▲交流母排及电流传感器Ⅰ
▲交流母排及电流传感器Ⅱ
▲直流母排及绝缘隔板
▲高压线束快插接头座
▲控制电路板
▲通气塞位置及通气塞
2.4 Ⅰ代电机控制器后结构设计发展概要
分享的实物电机控制器是2010年左右比较有代表性的车用控制器产品，随着新能源汽车市场的快速发展，电机控制器的各部分零部件均有不同程度的改进和发展，与结构设计相关的进展有如下几点：
- IGBT自身集成Pin-fin水冷散热结构，由传导散热发展成单面直接水冷，主壳体无需构造水道，降低了壳体的设计及制造难度；
- 定制的方形薄膜电容开始广泛应用，降低了直流铜排的设计难度，取消了电容支架，简化了装配流程，提高了生产效率；
- EMC防护设计水平开始提升，部分产品在直流母排输入端加入共模电感，滤波电路板等，有的公司将交流母排也加入了共模电感以加强系统的控制精度和提升系统效率；
- 通过细化结构设计，产品的功率密度逐渐提升，小型化、轻量化成为发展趋势；
- 电压等级逐步提高，高压控制器开始涌现。高压控制器具有输出电流小、系统损耗低、电压利用率高、输出容量大等优势；
- 部分机型的高压线束系统开始应用快插接头取代传统的格兰头，主要是整车厂为了加快生产效率，降低装配风险而要求的；
- 有些厂家尝试应用金属冲压件来做控制器的上盖，用以降低自重和制造成本，目前来看效仿者不多，推测可能是EMC防护能力太弱导致的失宠；
- 为适应厂家的安全性需要，产品上增加了放电电路板、通气塞、高压互锁开关等部件。
三 . Ⅱ代电机控制器
3.1 Ⅱ代电机控制器概述
Ⅱ代IGBT模块集成的Pin-Fin散热结构与冷却水直接接触，换热面积大，热交换效率高，能有效降低控制器的温升速度，提高控制器的输出容量上限。同时，降低了机械设计工程师的匹配设计难度，方便搭载和应用。目前该模块形式广泛应用于乘用车车型中，应用Ⅱ代IGBT模块的电机控制器具有如下特点：
- 系统峰值功率远高于同参数的Ⅰ代IGBT模块；
- 控制器体积更小、重量更轻，功率密度更高；
- 搭载Ⅱ代IGBT模块的控制器产品比搭载同功率的Ⅰ代IGBT模块的控制器造价高很多。
经试验测试， Ⅱ代模块与Ⅰ代模块相比，模块总热阻大大降低，如水温约20℃、水流量4~9L/min时，模块的总热阻最高降低33%。另外Ⅱ代模块内各芯片的温度分布更为均匀，利于模块的均流特性。
3.2 Ⅱ代电机控制器软硬件要求
高可靠性设计
- 控制器内部无线缆连接的模块式控制单元设计、单板涂敷加厚三防漆、强弱电分区隔离、去耦屏蔽设计；
- 车规级控制技术，软件架构基于Autosar架构开发；
- 产品满足 ISO26262设计标准；
- 全汽车级专用器件，耐温等级105℃。
完善的保护功能
- 过压，欠压，过流，短路，过载，过热（功率模块、电机和电路板），超速，自检，故障诊断（诊断传感器信号开路、短路、接电源和接地故障电路，含位置传感器、电流传感器、电压传感器和温度传感器，各种低电压传感器），CAN丢失、MCU监控、高压互锁、开盖互锁、辅助电源故障、通讯故障等保护;
- 符合ISO14229的UDS诊断服务及Bootloader功能，满足整车厂对UDS的需求。
快速的动态响应
- 转速控制精度高及过冲量小；
- 力矩控制精度高和快速响应， 为极限工况的运行可靠性提供保障；
- 旋转变压器的零位自动校正功能，可在车辆行使情况下自动校正零位。
四 . Ⅲ代电机控制器
4.1 Ⅲ代电机控制器模块概述
Ⅲ代IGBT模块双面冷却方案是把温度传感器和电流传感器功能集成，实现对整个模块进行芯片级的管理，同时集成水冷流道的散热结构。
以散热器内部使用经典的Pin-Fin散热流道方案为例，阐述一下双面水冷模组的优势。
水冷设计的重点包括流量的均恒，散热流族限制下的Pin针形状和大小的优化设计。基于同样的总流量假设，双面水冷较之单面水冷，热阻可以减小32%，同时水路压降跌落也只有其35%。
同时，对于双面散热，仅增大27.5%的压力，就能获得双倍于单面水冷的总散热流量。同等条件下，采用双面水冷散热后，输出功率能够增加30%以上。如果采用更优化的水冷板设计，控制器的电流能力能够增加50%甚至更多。
双面水冷模组：功率密度提升88%：
4.2 Ⅲ代电机控制器
Ⅲ代电机控制器以高功率密度、抗过载能力强，深得乘用车厂的青睐，工程样机屡见不鲜，是否已经量产却不得而知。双面水冷方案使Si基的IGBT模块性能发挥到了极致，是值得推广应用的技术方案，但模块的高温可靠性还需时日加以验证。
- 尺寸：261*204*100
- 冷却系统：双面水冷
- 工作温度：-40~105℃
- 功率密度：40kW /L
- 电压等级：300~750V / 150~490V
- 输出电流：800A
- 输出功率：120~200kW
- 重量：7kg
模块化设计：功率覆盖全车型
根据外形推测这两款控制器应用的是富士双面水冷M653 IGBT模块：
五 . 电机控制器技术发展趋势
5.1 电机控制器硬件发展趋势
IGBT应用双面水冷结构增加散热能力，辅助结温检测功能强化温度精确管控，增大电流通流量。
母线电容受限于材料特性，薄膜电容最高耐温105℃，随着IGBT散热能力的大幅改善，母线电容成为了制约控制器整体的耐温上限（125℃）的“最短板”，因此必须提升母线电容的散热能力，所以集成水冷结构的薄膜电容将会受到重用。同时在电容直流输入端集成共模电感或滤波电路，加强EMC的防护能力也将会在部分产品中加以实施。
PCB将会以“多层、分区、合板” 的设计原则进行发展，减少连接器和线束，提升抗干扰能力。
IGBT
- 双面水冷
- 结温检测
- 单晶圆设计
- 大通流量
母线电容
- 水冷薄膜电容
- 集成化封装设计
- EMC电容集成
PCB
- 合板设计
- 连接器减少
- 抗干扰
▲IGBT结温检测：速度提升1倍，精度提高10%
5.2 电机控制器软件发展趋势
序号
特性
1
功能安全：ISO26262
2
转矩高精度控制
3
完善的故障保护机制
4
成熟的抖动抑制算法
5
UDS诊断与远程加载
6
稳定的主动放电控制
7
NEDC效率优化
8
智能化波形控制策略
智能化波形控制策略
▲提升高速带载能力,基于DPWM调制，减少开关次数
▲提升低频发波工况下控制器效率
▲抖动抑制控制拓扑图
▲转速、电流双抑制模块实现扭矩高效抑制。汽车启动过程的抖动时间：3.5s 缩短到 0.5s。
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