電機控制器，作為電動汽車的核心部件之一，是汽車動力性能的決定性因素。它從整車控制器獲得整車的需求，從動力電池包獲得電能，經(jīng)過自身逆變器的調(diào)制，獲得控制電機需要的電流和電壓，提供給電動機，使得電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足整車的要求。

本文帶你初步了解，這個小盒子，都搞什么鬼。

1電機控制器在電動汽車中的位置和作用

1.1 位置

從外部看，一般的電機控制器最少具備兩對高壓接口。一對輸入接口，用于連接動力電池包高壓接口；另外一對是高壓輸出接口，連接電機，提供控制電源。

至少具備一只低壓接頭，所有通訊、傳感器、低壓電源等等都要通過這個低壓接頭引出，連接到整車控制器和動力電池管理系統(tǒng)。

下圖是一個典型的純電動汽車動力系統(tǒng)電氣圖，其中藍色線是低壓通訊線，紅色線為高壓動力線。最右側(cè)第一列第二個是電機控制器。與電機控制器有強電連接關(guān)系的部件是電機和動力電池包；電機控制器連接到整車的CAN總線上，可以與整車控制器，數(shù)字儀表板，動力電池管理系統(tǒng)通訊，交換數(shù)據(jù)，接受指令。

1.2 工作過程

1.2.1 指令和響應(yīng)

電機控制器，調(diào)速指令的觸發(fā)信號，來自整車控制器的命令。整車控制器一方面體現(xiàn)駕駛員意圖，另一方面從安全和車輛電氣系統(tǒng)運行狀態(tài)出發(fā)，評估對駕駛員的響應(yīng)是否合理，最后執(zhí)行或打折執(zhí)行。駕駛員的意圖通過加速踏板和制動踏板表達并傳遞給整車控制器。

整車控制器給到電機控制器的具體指令，與動力系統(tǒng)相關(guān)的有以下幾種，加速，減速，制動，停車。電機控制器做出的響應(yīng)為，改變電源電流、電壓、頻率等參數(shù)，使得電機的運行狀態(tài)符合整車控制器的需要。

1.2.2 閉環(huán)

電機控制器自身是一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)目標參數(shù)，檢測受控函數(shù)值是否到達預期，若不相符，反饋給控制器，再次調(diào)整目標參數(shù)。經(jīng)過反復的閉環(huán)反饋，實現(xiàn)高精確度的控制。

整車控制器采集車速傳感器，各個電氣部件溫度、電壓等重要狀態(tài)參數(shù)，判斷整車的綜合情況，是否符合駕駛員提出的需求，同時不妨礙整個系統(tǒng)的健康狀況。這個過程，是整車層面的閉環(huán)控制。

1.2.3 改善的方向

一方面，好的控制策略，會對控制精度和響應(yīng)速度產(chǎn)生重要影響，因而是研發(fā)人員投入精力的重要領(lǐng)域。

另一方面，隨著各個部件控制運算能力的提升，電動汽車的駕乘感受將越來越“隨心所欲”。

2 電機控制器基本組成

電機控制器系統(tǒng)構(gòu)成，中央控制模塊，功率模塊，驅(qū)動控制模塊，各種傳感器。

2.1 中央控制模塊

包括，PWM波生成電路，復位電路，傳感器信號處理電路，交互電路。中央控制模塊，對外，通過對外接口，得到整車上其他部件的指令和狀態(tài)信息。對內(nèi)，把翻譯過的指令傳遞給逆變器驅(qū)動電路，并檢測控制效果。

2.2功率模塊

電機控制器的主題是一部逆變器，對電機電流電壓進行控制。經(jīng)常選用的功率器件主要有MOSFET, GTO， IGBT等。

2.3 驅(qū)動控制模塊

將中央控制模塊的指令轉(zhuǎn)換成對逆變器中可控硅的通斷指令，并作為保護裝置，具備過壓、過流等故障的監(jiān)測保護功能。

2.4 傳感器

系統(tǒng)應(yīng)用到的傳感器包括電流傳感器，電壓傳感器，溫度傳感器，電機轉(zhuǎn)軸角位置傳感器等，根據(jù)設(shè)計要求增減。

3 好的電機控制器應(yīng)該什么樣

3.1 好的電機控制器特點

電機工作原理的不同，直接影響調(diào)控過程的復雜程度和精確性。

按照控制從易到難排列，分別是直流無刷電機，永磁同步電機，開關(guān)磁阻電機，異步電動機。

電控的難易，既包括硬件系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)模大小、造價高低，也包括軟件算法實現(xiàn)的控制精度高低和為了達到這個精度所采用的策略和方法的魯棒性的好壞。

人們期待得到的是硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件算法簡潔，控制精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好的控制系統(tǒng)。

3.2 電機控制器有國標

電動汽車電機和控制器標準，已有國家標準：

GB /T 18488.1—2015《電動汽車用電機及其控制器第1 部分: 技術(shù)條件》；

GB /T 18488.2—2015《電動汽車用電機及其控制器第2 部分: 試驗方法》。

2015版為最新版本。

標準里主要針對安全性和耐環(huán)境性提出了具體要求，比如各部分的絕緣性耐壓性能以及各種耐環(huán)境性。而電機的技術(shù)參數(shù)，作為驗證項目，只要符合廠家自己的聲明即可。

4 電機控制器主電路選擇

4.1 選擇依據(jù)

電機控制器作為一部特定功能的逆變器，它利用電力電子技術(shù)中的調(diào)壓調(diào)頻技術(shù)，將動力電池中存儲的直流電，調(diào)制成控制電機所需的矩形波或者正玄波交流電，改變輸出電力的電壓、電流幅值或者頻率，進而改變電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，達到控制整車速度、加速度的目的。

電力電子電路設(shè)計，根據(jù)不同的調(diào)速需求，做出復雜程度不同，造價也不同的設(shè)計。

4.2 舉個栗子

例如針對直流電機的控制。若采用單管斬波器電路，只能單向調(diào)速，電流不能換向；若采用雙管斬波器電路，可以實現(xiàn)能量回饋動作，但是還是不能使得直流電機換向；若采用H橋型斬波電路，可以直流電機調(diào)速，可以能量回饋，可以勵磁電流可以反轉(zhuǎn)。

但是以上的三個選擇，一個比一個復雜，一個比一個造價高。需要設(shè)計者在性能和成本之間做出選擇，最貴的不一定是最好的，最適合的才好。

5 熱設(shè)計

5.1 熱量來源

功率模塊是整個控制器的主要熱源，其采用的MOSFET或者IGBT，是發(fā)熱部件。

可控硅的發(fā)熱主要來自于下面這幾個部分：導通損耗、開關(guān)損耗、漏電流和驅(qū)動損耗，其中前兩者占大頭。

5.1.1 導通損耗

可控硅在被觸發(fā)，正常通流的狀態(tài)下，其自身內(nèi)阻產(chǎn)生的損耗。與通流的時間，電流的平方以及自身內(nèi)阻大小成正比。

5.1.2 開關(guān)損耗

可控硅的開通和關(guān)斷雖然時間很短，但客觀上是存在延續(xù)時間的，器件上的電流和電壓完全沒有向外傳導，而是在自身上做功發(fā)熱。其發(fā)熱量與器件電壓成正比，與開通和關(guān)斷過程中的最大電流的一半成正比，與開通和關(guān)斷時間成正比，與通斷頻率成正比。

5.1.3 漏電流損耗

可控硅在關(guān)斷時，依然有小電流通過，其耗散的能量稱為漏電流損耗。但這部分的損耗極其微小，一般做熱設(shè)計的時候，可以忽略不計。

5.1.4 驅(qū)動損耗

可控硅通斷的控制電路，提供觸發(fā)和維持電壓，屬于二次控制回路，與強電回路并排比較，有量級上的差距。

5.2 散熱器基本設(shè)計過程

5.2.1 確定熱傳導路徑

先介紹一個概念，熱阻，即熱在介質(zhì)和介質(zhì)之間傳遞的難易程度，單位是°C/W。熱阻的大小，會影響熱的傳遞路徑和傳遞的快慢。

以上面圖示為例，熱量從管芯到外殼，從外殼到環(huán)境是一條傳播路徑；從管芯到外殼，從外殼到散熱器是另外一條路徑。計算熱阻，需要針對具體路徑進行。

5.2.2 繪制等效熱組圖

根據(jù)模型中規(guī)劃的路徑，抽象出熱阻，如同電阻一樣的考慮方式，繪制成等效熱阻圖；

根據(jù)系統(tǒng)允許的最大溫升和傳遞的最大熱功率，前者除以后者，得到系統(tǒng)總體熱阻。

找到逆變器中選擇的功率可控硅參數(shù)表，可以找到其中的管芯到外殼，外殼到環(huán)境，外殼到散熱器的熱阻值。最后，就可以用總熱阻減去熱量傳遞路徑上的已知熱阻，最后得到散熱器與環(huán)境的熱阻。

5.2.3 散熱器選取

選擇散熱器的主要依據(jù)，除了散熱器的結(jié)構(gòu)形式以外，最主要的參數(shù)就是它的熱阻。通過前面的計算，推導出需要的散熱器熱阻，最終選取的散熱器熱阻，必須小于這個計算值，理論上系統(tǒng)就不會過熱。當然，系統(tǒng)需要一定余量，可以給散熱器熱阻打個折扣以后作為選取散熱器的標準。

5.3 器件布置要點

并聯(lián)的可控硅最好貼在同一個散熱器上，使得并聯(lián)器件溫度一致，進而確保柵極電阻一致性。并聯(lián)的可控硅，柵極內(nèi)阻差距過大，內(nèi)阻值最小的器件容易因為電流過大而燒毀。

6 電機控制器廠商

目前，電機控制器的領(lǐng)先技術(shù)依然掌握在國外廠商的手中。

博世集團，大陸集團，日本豐田、日產(chǎn)、日立，都有自己的代表性產(chǎn)品。電機控制器向集成化方向發(fā)展，最高功率密度已經(jīng)提高到60 kW/L，新的電力電子器件比如SiC，已經(jīng)在新產(chǎn)品中得到應(yīng)用。