纯电动汽车电机控制器电路设计

宋宗英

摘要：电动汽车驱动电机控制器跟传统的变频器和伺服驱动器有所不同，它不需要整流电路、预充电电路、能耗制动单元。只需要保留滤波电容、逆变单元、电源电路、驱动电路、控制芯片及其外围电路、少量I/O和模拟量输入输出接口、电机编码器检测电路、CAN通讯电路。

关键词：电机控制器；逆变单元；电源电路；驱动电路；CAN通讯

中图分类号：K356 文献标识码：A 文章编号：2095-3178（2018）20-0496-01

1 电动汽车电机控制器电路分析

1.1 电机控制器高压供电

目前国内纯电动汽车的电压平台范围一般有两种：200～400VDC和450～680VDC。这样其电压范围跟常规工业变频器的范围相当。部分厂家生产的电机控制器可以直接兼容200～750VDC，大大提高了产品的兼容性减少了产品数量。很多电动汽车的车架就是低压电源的负极，因此在电路设计中高低压供电必须可靠隔离。

1.2 电机控制器滤波电容

由于纯电动汽车的能量来源是电池，可理解为是一个超大容量的电容。电池直接给电机控制器供电，电机控制器内部就不再需要整流电路，同时在高容量的电池面前能耗制动单元就不再需要了。电池电压稳定、波动很少，直接跟其并联的电机控制器的滤波电容容量不需要设计太高，通常有1000μF就够。有一些厂家会并联一个聚丙烯电容，提高高频滤波效果。纯电动汽车的高压控制单元都是跟电池并联使用，算是共直流母线结构，所有工作模块是共用一套预充电电路，可设计在电池内部，电机控制器不需要单独保留预充电电路。

1.3 电机控制器逆变模块

IGBT是新能源汽车中的核心器件之一，在新能源汽车中发挥着重要的作用。新能源汽车用IGBT模块规格一般为600V～1200V/200A～800A。我国市场需求的IGBT主要被英飞凌、赛米控、三菱、三垦、富士、东芝、IXYS、ST等欧美和日本厂商所垄断，近几年来随着市场的刺激以及国家政策的扶持，国内出现了一批IGBT方面的公司，例如中车时代电气、比亚迪微电子、华微电子、斯达半导体。电动汽车控制器内部使用的IGBT封装可分为单管、双管和六管三种。单管IGBT是指一个模块封装内只有一个IGBT管芯，常见于早期400A以上的工业级IGBT模块，耐压等级是1200V，比如英飞凌FZ400R12KE3。双管IGBT是指一个模块封装内有两个IGBT管芯，常见于450A以下的工业级IGBT模块，耐压等级是有600V/650V/1200V，比如英飞凌FF450R12KT4。六管IGBT是指一个模块封装内有六个IGBT管芯，目前各厂商推出的汽车级IGBT模块都是如此，常见耐压等级范围650V～1200V，比如英飞凌FS800R07A2E3、FS400R07A1E3、FS400R12A2T4。

1.4 电机控制器内IGBT驱动电路

根据电机控制器内IGBT规格的不同其驱动电路也略有差异。总体来讲是分为驱动供电电源，隔离驱动芯片，反馈电路三部分。在电路设计中通常将跟DC+连接的三个IGBT称为上三路，其驱动管脚的地分别对应电机U、V、W，三者需要分别跟其他电路隔离；跟DC-连接的三个IGBT称为下三路，其驱动管脚的地就是DC-，这三路之间不需要隔离，但是要跟UVW和低压供电隔离。因此在设计驱动供电电源的时候至少需要4路隔离电源，部分产品为了达到高稳定性会设计6路隔离电源。这些电源每一路要分正负电压供电。当驱动芯片故障、IGBT故障、过电流输出故障的时候可通过隔离光耦反馈给主控芯片，主控芯片能够马上切断PWM输出，保护控制器避免造成更大损失。IGBT的驱动芯片常见的有HCPL-316、ACNW3190、M57962等带隔离功能的元器件。

1.5 电机控制器检测电路

1.5.1 高压直流电检测

电机控制器内部需要保留高压直流检测电路，主控芯片根据检测的直流电压来处理IGBT的PWM驱动波形输出、采取保护措施。直流电压检测电路需要将高、低压电路隔离，以保障车辆使用安全。通常可选择线性隔离光耦来使用，比如IL300之类的器件。

1.5.2 输出交流检测

电机控制器需要对输出到电机的三相交流电流进行检测，可采用开环式霍尔电流传感器或闭环式霍尔电流传感器。开环式传感器一般精度低，检测带宽窄，其反馈信号通常是电压型，比如霍尼韦尔CSCA0300A000B15B01，额定检测范围±300A，供电±15V，±300A对应反馈电压±4V。闭环式传感器带宽较宽，精度较高，其反馈信号通常是0～20mA，比如霍尼韦尔CSNS300F，额定检测范围±300A，供电±15V，300A对应反馈电流150mA。由于三相交流电是正弦波，其三相之和為零，因此有的产品设计时候只安装两路霍尔电流传感器，第三路信号可通过这两路之差进行换算得出。

1.6 电机控制器主控芯片及通讯和接口

电机控制器主控芯片可以使用DSP/FPGA/MCU等等，跟通用变频器的主控芯片要求相似但略有不同。其区别是：必须要求带有CAN2.0接口；可以通过通讯接口进行软件升级和调试；除了硬线使能信号不需要太多I/O接口，通用变频器的每种I/O接口可以预留1～2路备用。

2 结语

随着人们生活质量的不断提高，对环保要求越来越严，对电动汽车的使用要求也会越来越高。现阶段我国电动汽车进入了快速发展阶段，产业化规模越来越大。电机及其控制器作为电动汽车的核心零部件，对车辆的安全性、可靠性、舒适性、使用寿命有着至关重要的影响。广大设计人员应该围绕高安全性、高EMC等级、高电压等级、高功率密度这几个方向对电机控制器进行深入研究。

参考文献

[1]吴成家，赵圣宝.旋变解码芯片AD2S1205应用系统设计[S].合肥：安徽安凯汽车股份有限公司技术中心，国家电动客车整车系统集成工程技术研究中心.

[2]美国汽车工程师协会.SAEJ1939协议[S].