电动汽车的电机驱动平台

新能源汽车近两年来飞速发展，国家也出台一系列政策予以强力的支持。工信部在其《中国制造2025》中明确了节能与新能源汽车产业发展战略目标，到2020年，动力电池、驱动电机等关键系统达到国际先进水平，国内市场占有率达到80%；到2025年，新能源汽车年销量达到300万辆。

北京晶川电子技术发展有限责任公司早在1998年就为中国自行设计生产的新能源汽车提供关键的IGBT模块，用于动力系统的电机驱动。现在，晶川电子又推出了新能源汽车动力系统的电机驱动平台，为中国产品开发工程师提供成熟的解决方案，助力中国新能源汽车的发展。

本平台的系统结构如图1所示，具体实现时，将驱动部分与控制部分分开布置，驱动和驱动电源集中布置在一块与IGBT模块等大小的PCB板上，独立安装于IGBT模块上方，此方式尽最大可能的减小了空间需求。


图1

在控制部分，主控核心采用英飞凌汽车级32位单片机TC1782，具有高达160MHz全温度范围的总线频率，超强浮点运算能力，32路12bitADC通道，多样的定时器结构，使得对电机多种算法相结合控制成为可能。TC1782是一款哈弗架构且有非对称双核(主核Tricore和外设控制协处理器PCP)的高性能32位单片机，支持DSP算法指令，2.5M字节FLASH，176K字节RAM。TC1782与电机控制相关的重要外设主要是通用时间阵列GPTA和数模转换ADC。GPTA提供一套灵活的定时，比较和捕获功能，可以灵活地组合成信号检测单元和信号发生单元，应用于电机控制时可以支持动态控制的死区时间和不同于边沿对齐和中央对齐的非对称PWM输出。由硬件触发(如GPTA)并实现同步转换的数模转换模块ADC至少可以支持在电机应用中两相电流的同时获取。专用外设控制协处理器PCP可以承担大部分中断负荷，从而主核可以集中处理用于电机控制的复杂运算，如Park变换，Clarke变换和空间矢量调制等。多路信号冗余和检测，完整全面的芯片内电源管理和检测，更加保证处理器稳定、可靠运行。该单片机实现了空间矢量（SVPWM）控制方式，5种调制算法组合，以及优化的电机控制算法。

此外，还采用了CPLD来完成多功能窗口的扩展，并通过CPLD的精确实时性、高可靠逻辑控制和高快速响应保护处理能力，来完成对电机的高可靠、高动态响应控制。

为保证系统的安全可靠，本平台才用了英飞凌的CIC61508芯片，监控TC1782的工作是否正常，从而使得本平台的安全等级达到ASIL-D标准。

控制部分还具有完整快速的软硬件故障检测和保护设计，能够针对传动系统参数的动态响应标定，以及CCP在线标定等功能。

电源端口处理如图2所示。


图2

控制器采用车身14V辅助蓄电池电源供电。在控制器输入电源入口，我们加入多级多通道保护处理模块，如防止电源反接保护、抗干扰和降干扰处理、静电和雷击浪涌吸收等功能。

平台的电源分布分布如图3所示。


图3

动力直流母线电压范围是150-380VDC。

控制电源采用英飞凌汽车级专用电源模块，多路输出，确保最小系统和控制逻辑模块供电稳定性；对外通讯模块采用隔离电源模块，确保强电与弱电有效可靠电气隔离和安全绝缘；控制器对外故障诊断及用户界面接口部分采用独立开关电源供电，确保供电可靠性及与控制器内部电源安全隔离和电磁兼容；IGBT驱动电源采用独立开关电源供电，且采用全隔离方式，变压器做到加强隔离，确保强弱电有效绝缘。

驱动部分的设计如图4所示。


图4

驱动芯片选用英飞凌磁隔离驱动芯片1ED020I12FA2，通过功率放大模块驱动IGBT进行有效开关动作。经过各种工况测试验证，可在有效满足性能需求的同时，达到快速短路保护响应、过温响应及过流过压等多复杂工况策略保护功能，如快速过流保护响应，短路工况快速退饱和且不引起过压击穿，结温控制精确可靠等。

在PCB设计方面，经过多重精确设计考量和验证改进，不仅达到物理空间最小化的直观需求，在性能方面更有所加强。电源、地及信号分层布置，地层最大面积可靠等电势，地层面积物理包络电源层，且六路驱动电源有效安全绝缘，满足强弱电及强电间的耐压要求。

关键的功率输出单元功率器件采用英飞凌汽车级IGBT功率模块FS800R07A2E3，具有超高功率密度、175℃超高结温、45K次超高功率循环次数、超低寄生电感、超高使用寿命，完全汽车级产品工艺，经过严苛汽车级标准测试验证。其最高峰值电输出功率可达到150KW。

功率单元输入直流母线侧吸收支撑电容采用高性能高寿命的EPCOS金属膜电容，具有大纹波电流、低漏电流、低等效阻抗和低等效电感等特性，达到母线电容组在使用中较低温度波动，达到高可靠性和安全性，较长使用寿命。

本平台采用水冷结构，保证严苛密闭性。使用特殊比例的高纯净度冷却液，正常工作情况下，在8-12升/分钟的冷却液循环流速下，控制器性能能得到最大程度的发挥，适用的环境温度可达-40-85℃的宽温度范围。

全世界电动汽车的发展正处在一个快速上升的阶段，电动汽车为中国汽车行业提供了一个新的契机，中国汽车行业非常重视新能源汽车的开发，本文所介绍的电机驱动适用对永磁同步或者交流异步电机的电机驱动和控制，控制器从控制策略上进行了优化，提高了控制器的整体效率，充分考虑了电机控制方面的动力性能、弱磁性能，保证了宽的调速范围，长的续航里程，快速的响应特性和良好的动态性能。技术成熟，工作稳定，效率高，可靠性高，达到汽车级安全标准，可以作为电动乘用车、电动商用车、电动大巴用电机驱动控制器。