一種升壓電機控制系統的設計及其在混合動力汽車上的應用研究

陳紹維，饒俊威，王川，楊洋

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

0 引言

“十五”期間，科技部針對新能源汽車的發展提出了“三縱三橫”的發展布局，“三縱”是指電動機、動力電池和整車控制系統等關鍵部件；“三橫”是指純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。新能源汽車的研究主要圍繞純電動汽車、油電混合動力汽車和燃料電池汽車進行［1］。

混合動力汽車融合了傳統燃油汽車和純電動汽車的優點，既具有純電動汽車節能環保的特點，改善了整車的燃油經濟性能和排放性能，又繼承了傳統燃油汽車持續行駛里程長的優點，近年來普及率穩步提升［2］?；旌蟿恿ζ嚭腺Y企業以“豐田”“本田”為代表，國內企業以“比亞迪”“廣汽”為代表，這些企業開發的混合動力系統和推出的混合動力車型極具競爭力，獲得了良好的市場反響。

電機控制系統作為混合動力汽車的核心子系統，直接關系其所搭載的整車的動力性、經濟性及NVH（噪聲、振動、聲振粗糙度）等核心性能。本文重點研究一種應用于混合動力車型的升壓電機控制技術，闡述其優點和缺點及其搭載整車的性能表現。

1 升壓電機控制系統

1.1 系統設計原理

節能減排研究的核心是能源利用率的最大化［3］。受動力源自身結構的限制，動力源的高效率區的范圍只能是一個有限的區間，而實際上外界工況變化很大，用戶場景多樣，如上坡、下坡、起步、加速、減速、制動等，功率需求變化范圍較大，動力源的特性場（即高效區所確定的轉速和轉矩的適應范圍）不能滿足外界工況的功率需求。通過變速系統的變速、變扭作用，擴大動力源特性場，可以滿足外界工況的功率需求，提高動力源在高效區工作的比例［4］?；旌蟿恿ο到y具有2個以上的動力源，并且動力源的特性場（外特性、萬有特性）差別很大，例如油電混合的發動機與電動機的特性場差別較大，通過優化匹配與控制，各動力源之間優勢互補，為動力源在實際行駛中實現高效運行、提高能源利用效率、降低能源消耗和減少尾氣排放提供了很好的解決方案［5］。

傳統電機控制器連接整車動力電池和電機，在驅動模式下將動力電池的直流電逆變為交流電，并控制電機的運行，發電時將發電機產生的交流電整流為直流電，給動力電池充電，其性能可影響動力電池及電機性能水平的發揮及整車的能耗水平。在整車環境狀態中，各模塊的通信主要基于CAN（控制器局域網總線）通信協議，電機控制器的主要功能是接受VCU（整車控制器）的扭矩指令，并通過調制波形控制電機的輸出扭矩，進而控制整車的運行狀態。

電機控制器主要由主控板、驅動板、高壓逆變模塊組成。主控板的功能是模擬采集、PWM（脈沖寬度調制）波形生成、與VCU 等通信、故障保護；驅動板主要進行電機相位檢測、電流檢測、電壓檢測等；逆變模塊主要由功率半導體元件、高壓電容、銅排、濾波組件及電流傳感器組成。電機控制器還包括冷卻水道、殼體、接插件等。車用功率半導體元件主要采用絕緣門極雙極型晶體管（IGBT），IGBT 為電壓型驅動，開通和關斷所需的驅動功率小、耐壓等級高、開關速度較快，因此廣泛應用于車用電機控制器。車用電機控制器使用IGBT 功率逆變單元的作用是利用PWM 波形控制功率半導體元件的開通、關斷，將動力電池的直流電逆變為三相交流電，進而控制電機的運行。非升壓電機控制系統電路拓撲簡圖如圖1所示。

圖1 非升壓電機控制系統電路拓撲簡圖

電機的工作電壓始終與動力電池的輸出電壓保持一致，電機、電控的效率只能在電池輸出電壓的范圍內調節。本文設計的升壓電機控制技術，在傳統電機控制器電路拓撲中，增加一路Boost 模塊升壓電路，可使電機在動力電池電壓到650 V 的范圍內工作。在低轉速、低扭矩區間，電機在低電壓范圍內工作；在高轉速、高扭矩區間，電機在高電壓范圍內工作，以適應整車在上坡、下坡、起步、加速、減速、制動等工況下功率需求的變化［6］。此外，本設計能在任意轉速、扭矩的工況下，保證電機電控系統在綜合效率最優的電壓下工作。升壓電機控制系統電路拓撲簡圖如圖2所示。

圖2 升壓電機控制系統電路拓撲簡圖

1.2 系統優勢

通過調整占空比，可靈活改變Boost 的輸出電壓，滿足整車在不同工況下對轉速、扭矩的需求，保證電機電控系統始終在高效區間工作。采用升壓電機控制系統具有如下優勢［7］。

（1）電池小型化。由于驅動電機的電壓可從動力電池電壓到650 V 之間靈活調節，因此可實現電機系統與電池電壓的解耦，更小的電池、更低電壓的平臺可驅動更大功率的電機。電池電壓從350 V 降低到220 V，電池串數減少1/3，使電池的電量、體積、重量、成本得到降低。

（2）提升效率。不同的電壓對應不同的電機系統高效區間，升壓系統可根據電機系統輸出工況，選擇合適的Boost 輸出電壓，組合出各個工況下的最優電壓，獲得更高的效率。驅動電機系統和發電機系統在不同電壓下的效率MAP 圖及最后合成的效率MAP圖如圖3 至圖14 所示。通過升變壓技術，電機系統在各個轉速扭矩下按照效率最優原則優選電壓，合成效率MAP 的高效區占比增大，可提升驅動系統的效率。

圖4 驅動電機系統350 V效率MAP

圖5 驅動電機系統450 V效率MAP

圖6 驅動電機系統550 V效率MAP

圖7 驅動電機系統650 V效率MAP

圖8 驅動電機系統220～650 V合成效率MAP

圖9 發電機系統220 V效率MAP

圖10 發電機系統350 V效率MAP

圖11 發電機系統450 V效率MAP

圖12 發電機系統550 V效率MAP

圖13 發電機系統650 V效率MAP

圖14 發電機系統220～650 V優選效率MAP

（3）減少相電流。對于電機系統相同的功率、扭矩需求，升壓電驅系統可減少電機三相電流，進而減小連接器和銅排的尺寸，降低發熱損耗。相應電機控制器的IGBT模塊過流需求降低，IGBT模塊芯片數量減少，電容容值降低，電機控制器成本得以降低。與350 V 系統相比，在相同的功率扭矩要求下，驅動電機相電流降低40%，發電機相電流降低接近50%。

（4）擴大電機的外特性。通過升壓、提高電機三相電壓、擴大電壓極限橢圓、提升進入扭矩拐點的轉速，電機功率得到相應的提升。發電機扭矩拐點轉速從5 000 rpm 提升至16 500 rpm，峰值功率從87 kW提升至143 kW；驅動電機扭矩拐點從2 000 rpm 提升至7 000 rpm，峰值功率從109 kW 提升至200 kW。如圖15 至圖18 所示，升壓技術顯著提升了系統的外特性區域。

圖15 不同電壓下驅動電機扭矩外特性曲線 （單位：V）

圖16 不同電壓下驅動電機功率外特性曲線 （單位：V）

圖17 不同電壓下發電機扭矩外特性曲線 （單位：V）

圖18 不同電壓下發電機功率外特性曲線 （單位：V）

2 升壓電機控制系統在不同車型上的應用分析

2.1 在HEV車型上的應用

混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同時裝備2種動力源——熱動力源（由傳統的汽油機或柴油機產生）與電動力源（電池與電動機）的汽車。通過在混合動力汽車上使用電機，使動力系統按照整車實際運行工況的要求靈活調控，整車選擇最優的驅動模式，發動機保持在綜合性能最佳的區域內工作，從而降低油耗與排放。

升壓電機控制系統應用在整車不同的工況下，能根據電機扭矩、轉速需求，自動選擇不同的電壓，得到最優的電機控制工作效率區間。該系統應用于HEV 車型，可減少電池串數，降低電池電壓和電池成本。將系統在某HEV 車型（參數見表1）上進行應用研究。

表1 HEV車型參數

該車型在WLTC（全球輕型車測試規范）工況下運行，折算的發電機和驅動電機運行轉速扭矩點分布如圖19 和圖20 所示。發電機工作點在扭矩50 Nm內，轉速在10 000 rpm 內；驅動電機工作點在扭矩-80～120 Nm 內，轉速在14 000 rpm 內。按照該工況計算WLTC 油耗，對比升壓電機控制系統與350 V非升壓電機控制系統，整車油耗改善4.6%，具體數值如圖21所示。

圖19 WLTC發電機運行轉速扭矩點分布 （單位：r/min）

圖20 WLTC驅動電機運行轉速扭矩點分布 （單位：r/min）

圖21 WLTC油耗對比情況 （單位：L）

2.2 在PHEV車型上的應用

一般具體插電式混合動力汽車（Plug-in hybrid electric vehicle，簡稱PHEV）車型的續航里程在進行產品定義時會優先確定，因此應用升壓電機控制系統不能降低電池電量、減少電池串數、降低電池電壓，升壓范圍為電池電壓到650 V。將升壓電機控制系統應用于某PHEV 車型（參數見表2）進行相關油耗、續駛里程的研究。

表2 PHEV車型參數

經仿真計算，WLTC工況饋電百公里油耗及純電續航里程計算結果如圖22 和圖23 所示，WLTC 油耗改善2.6%，純電續航里程基本保持不變。

圖22 PHEV車型饋電百公里油耗 （單位：L）

圖23 PHEV車型純電續航里程 （單位：km）

3 結語

升壓電機控制系統具有提升系統效率、減少相電流、擴大電機外特性以及能讓電機系統與電池解耦等優點，但也存在需要增加Boost 模塊和成本的問題，因此選取車型時需要綜合考慮性能、成本、純電續航里程、性價比等因素。電機控制器是決定電動汽車動力性和舒適性的關鍵部件，也是保證整車安全的重要部件。電機控制器的研發主要圍繞硬件和軟件2 個方面開展。將來，電機控制器硬件的發展方向如下：①IGBT（絕緣柵雙極晶體管）采用新一代SiC高功率半導體；②芯片封裝采用納米銀燒結工藝；③母線電容采用水冷薄膜電容。電機控制器軟件的發展趨勢如下：①基于ISO26262，不斷完善功能與安全要求；②提升轉矩高控制精度；③采用成熟的抖動抑制算法；④采用智能化波形控制策略；⑤汽車OTA（Over-The-Air）能隨時隨地地進行在線軟件系統升級、更新及修補漏洞。