純電動客車電機控制器設計方案

摘要：依思普林產品採用自主開發的1200V/400-800A六單元 IPM模塊，電機控制器結構完全針對電動客車應用設計，具有體積小、重量輕、功率密度高、溫升低（控制器內部溫升比市場同類產品低30℃以上）、長期可靠性高的特點，產品性能達到國際先進水平。

關鍵詞：純電動客車；電機控制器；設計方案

早在2010年，我在一次去瑞士考察時，走在蘇黎世大街上，整潔的大街上幾乎看不到燃油車，簡直就是有軌電車的天下，恍惚間讓我看到八九十年代老北京什剎海的景色，乾淨的空氣讓我流連！在回來不久後我就成立了深圳市依思普林科技有限公司，專註從事新能源汽車核心部件的研發。

依思普林目前擁有多名IGBT模塊及電機控制器開發經驗技術人員，團隊所研發的電機控制器，性能覆蓋540V/200kW以內所有新能源電動客車車型，功率範圍在80kw-200kw。產品採用自主開發的1200V/400-800A六單元 IPM模塊，電機控制器結構完全針對電動客車應用設計，具有體積小、重量輕、功率密度高、溫升低（控制器內部溫升比市場同類產品低30℃以上）、長期可靠性高的特點，產品性能國內領先，達到國際先進水平。

一、控制器外觀結構及技術參數

圖1-1 電機控制器內部結構

圖1-2 電機控制器外形圖

電機控制器技術參數如下表：

表1-1 電機控制器技術參數

二、電動客車電控整體解決方案

三、主要技術創新點：

1、造型新穎

依思普林電機控制器的箱體是鋁合金一體壓鑄，防護等級達到IP67。體積小，重量輕，造型新穎，突出了「綠色、環保」的主題。

2、自主知識產權汽車級大功率IGBT模塊技術

目前國內市場上電機控制器多採用標準封裝的工業級的IGBT模塊，由於模塊不是針對電動客車應用設計，IGBT模塊採用的材料、結構及長期可靠性均無法滿足電動客車的應用要求，依思普林自主開發的1200V/400A～800A六單元 IGBT模塊完全針對電動客車應用設計，具有小體積、高功率密度、低熱阻（熱阻相比傳統模塊降低33%以上）、高長期可靠性的特點，模塊性能達到國際先進水平。

圖3-1 IGBT模塊（1200V/400A～800A）結構圖

(1)為提高模塊抗機械振動和機械衝擊能力，模塊內部連接均採用鋁線進行軟連接，避免了傳統模塊的焊接方式，同時電極均採用注塑的方式埋入塑料外殼中，保證了模塊內部連接的長期可靠性，滿足電動大巴長期振動的應用要求；

(2)模塊採用三相全橋設計，使模塊更加緊湊，同時根據應用需求，優化安裝和連接方式，便於電容、驅動電路等布置，幫助用戶降低應用系統體積。

(3)採用IGBT模塊和電機控制器散熱器一體化設計，直接水冷，有效降低系統熱阻，提高系統功率密度。

3、驅動板結構方案

依思普林不僅自主研發了汽車級IGBT模塊，還開發了與之相匹配的驅動板，兩者結合形成了真正意義上的IPM。

圖3-2依思普林IGBT驅動電路板

本驅動板是專門為自主研發的IGBT模塊配套研發的一套驅動系統（圖3-2）。它具有高可靠性和寬的溫度（-40℃-125℃）適用範圍，其使用器件均為汽車級產品，使其非常適合汽車級的應用；驅動板採用優化的EMC設計，驅動晶元採用先進的Coreless Transrormer技術，使其傳輸延遲更短，共模抑制能力更強；可靠的IGBT短路保護和有源米勒鉗位，具有上下橋互鎖功能，使IGBT工作更加安全；具有兩級關斷功能，更好的抑制關斷時的dv/dt；直接焊接在自主研發的IGBT模塊上，結構緊湊，最大限度的節省了空間，實現驅動系統的小型化。

驅動板與IGBT模塊採取PIN-FIN的方式直接安裝，同時為了提高電路板的EMI性能，在其上面設計了接地端，在安裝好IGBT模塊和驅動板後，接地端與散熱箱體進行良好的電氣連接。

4、IPM模塊散熱技術

4.1 PIN-FIN直接水冷

新能源電動客車需求的驅動功率大，同時產生的熱損耗也較大，這給控制器中IGBT模塊的散熱提出了新的挑戰。大功率IGBT模塊是電機控制器中的核心器件，也是系統運行時溫度最高的器件。我們知道，隨著工作結溫的上升，電子器件的壽命呈指數下降，而目前國內外在電動客車電機控制器中普遍採用的大功率IGBT模塊為傳統平基板結構，且為工業產品，該結構除散熱面積小外，不足之處還在於需在該平基板與散熱器之間塗一層導熱硅脂，這會大大增加熱阻，而採用我司自行研發設計生產的汽車級pin-fin直接水冷IGBT模塊，該結構不僅大大增加了散熱面積，而且省去了一層導熱硅脂，使用時IGBT模塊直接泡在冷卻液中，大大減小熱阻。經實際測試，在低速大扭矩試驗中，汽車級pin-fin直接水冷IGBT模塊的結溫要比傳統平基板模塊低將近30℃，Rj-h降低33%，從而保證系統長期可靠運行，壽命可長達10年。

圖3-3 IPM模塊底板設計

圖3-4 依思普林散熱設計與傳統技術對比

4.2 IPM模塊熱匹配設計

圖3-5 IPM模塊熱匹配設計

採用AlSiC底板，AlN DBC,封裝材料熱膨脹係數匹配良好，模塊耐溫度循環能力增強，可達到1000次循環以上（-40℃～150℃）。同等測試條件，工業模塊低於100次循環壽命。

5、驅動控制軟硬體技術

驅動電機控制器通過CAN匯流排與整車控制器進行通訊，並根據整車控制器所發出的指令決定工作模式以及輸出轉矩。

在驅動電機控制器設計方面依思普林研發團隊重點突破了以下關鍵技術：

基於DSP的多功能全數字控制技術

硬體方面：重點研究DC/DC、母排與電解電容（薄膜電容）模塊化結構設計技術、電力電子集成控制器的熱管理技術；

軟體方面：重點研究矢量控制技術、弱磁調速控制技術以及制動回饋最優控制技術等。

驅動與控制系統的電磁兼容性分析與系統設計

在驅動電機系統開發過程中應用數字建模和模擬技術，對電磁雜訊產生與傳播路徑進行預測、分析及測試；並研究電磁波傳導、耦合、輻射干擾的防治技術。

驅動電機故障診斷及失效控制技術

驅動電機及控制系統是新能源汽車行駛的原動力，一旦出現故障，輕則使車輛性能嚴重下降或者不能啟動，重則導致重大安全事故。驅動電機故障診斷及失效控制技術就是通過電機控制系統實時監測系統的工作狀態，並通過CAN匯流排將自身工作狀態實時的傳輸給整車控制器，以便整車控制器根據電機及控制系統所上傳的信息對車輛的工作狀態做出及時的調整，或者通過報警系統及時的警告車輛駕駛人員，從而保證車輛行駛的安全。

5.1、硬體電路設計技術

系統採用：雙電源冗餘設計、多重隔離、多級過流保護。

系統運行過程中，如果控制電路突然掉電，IGBT模塊柵極就會失去控制，電池的母線電壓會將IGBT晶元擊穿，造成嚴重的損失。本公司系統方案採用雙輔助電源冗餘設計，當車載12V/24V電源異常斷電後，電源部分會不間斷啟用動力電池電源，從而避免IGBT模塊擊穿損壞。

系統工作電源採用獨立寬範圍開關電源設計，系統電源與車載12V/24V電源以及高壓蓄電池組電氣隔離，既保證電路絕緣隔離安全要求，降低相互干擾，同時優異的輸入寬範圍特性，讓系統工作更加穩定。

系統工作過流保護在常規的硬體及軟體檢測上，還配置IGBT飽和導通壓降檢測保護，異常狀態時快速動作，大幅縮短故障響應時間，提高系統可靠性。

圖3-6依思普林雙輔助電源冗餘示意圖

5.2電機控制軟體演算法創新設計

採用先進的電機矢量控制演算法和SVPWM空間矢量脈寬調製技術，系統最高效率可達95%以上，具有適合數字化實現、諧波少、電壓利用率高等特點，在電機控制行業得到大量應用。另外，軟體具有智能弱磁控制策略，控制電機在全轉速區運行平穩可靠；死區補償策略可以有效減少三相電流諧波，提高系統效率；過調製技術在最大化利用直流側電壓的同時保證電機控制平穩。軟體具有過壓保護、欠壓保護、過流保護、過溫保護等防護策略，可以有效保證控制器的長期可靠性。

四、主流產品對比報告