帶你認識電動汽車電機控制器
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，經過自身逆變器的調製，獲得控制電機需要的電流和電壓，提供給電動機，使得電機的轉速和轉矩滿足整車的要求。
本文帶你初步了解，這個小盒子，都搞什麼鬼。
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介面。一對輸入介面，用於連接動力電池包高壓介面；另外一對是高壓輸出介面，連接電機，提供控制電源。
至少具備一隻低壓接頭，所有通訊、感測器、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。
下圖是一個典型的純電動汽車動力系統電氣圖，其中藍色線是低壓通訊線，紅色線為高壓動力線。最右側第一列第二個是電機控制器。與電機控制器有強電連接關係的部件是電機和動力電池包；電機控制器連接到整車的CAN匯流排上，可以與整車控制器，數字儀錶板，動力電池管理系統通訊，交換數據，接受指令。
1.2 工作過程
1.2.1 指令和響應
電機控制器，調速指令的觸發信號，來自整車控制器的命令。整車控制器一方面體現駕駛員意圖，另一方面從安全和車輛電氣系統運行狀態出發，評估對駕駛員的響應是否合理，最後執行或打折執行。駕駛員的意圖通過加速踏板和制動踏板表達並傳遞給整車控制器。
整車控制器給到電機控制器的具體指令，與動力系統相關的有以下幾種，加速，減速，制動，停車。電機控制器做出的響應為，改變電源電流、電壓、頻率等參數，使得電機的運行狀態符合整車控制器的需要。
1.2.2 閉環
電機控制器自身是一套閉環控制系統，調節目標參數，檢測受控函數值是否到達預期，若不相符，反饋給控制器，再次調整目標參數。經過反覆的閉環反饋，實現高精確度的控制。
整車控制器採集車速感測器，各個電氣部件溫度、電壓等重要狀態參數，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的健康狀況。這個過程，是整車層面的閉環控制。
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速度產生重要影響，因而是研發人員投入精力的重要領域。
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
電機控制器系統構成，中央控制模塊，功率模塊，驅動控制模塊，各種感測器。
2.1 中央控制模塊
包括，PWM波生成電路，複位電路，感測器信號處理電路，交互電路。中央控制模塊，對外，通過對外介面，得到整車上其他部件的指令和狀態信息。對內，把翻譯過的指令傳遞給逆變器驅動電路，並檢測控制效果。
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。經常選用的功率器件主要有MOSFET, GTO， IGBT等。
2.3 驅動控制模塊
將中央控制模塊的指令轉換成對逆變器中可控硅的通斷指令，並作為保護裝置，具備過壓、過流等故障的監測保護功能。
2.4 感測器
系統應用到的感測器包括電流感測器，電壓感測器，溫度感測器，電機轉軸角位置感測器等，根據設計要求增減。
3 好的電機控制器應該什麼樣
3.1 好的電機控制器特點
電機工作原理的不同，直接影響調控過程的複雜程度和精確性。
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，開關磁阻電機，非同步電動機。
電控的難易，既包括硬體系統設計的規模大小、造價高低，也包括軟體演算法實現的控制精度高低和為了達到這個精度所採用的策略和方法的魯棒性的好壞。
人們期待得到的是硬體結構簡單，軟體演算法簡潔，控制精度高，系統穩定性好的控制系統。
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境性。而電機的技術參數，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
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中的調壓調頻技術，將動力電池中存儲的直流電，調製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，進而改變電機轉速、轉矩，達到控制整車速度、加速度的目的。
電力電子電路設計，根據不同的調速需求，做出複雜程度不同，造價也不同的設計。
4.2 舉個栗子
例如針對直流電機的控制。若採用單管斬波器電路，只能單向調速，電流不能換向；若採用雙管斬波器電路，可以實現能量回饋動作，但是還是不能使得直流電機換向；若採用H橋型斬波電路，可以直流電機調速，可以能量回饋，可以勵磁電流可以反轉。
但是以上的三個選擇，一個比一個複雜，一個比一個造價高。需要設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 熱設計
5.1 熱量來源
功率模塊是整個控制器的主要熱源，其採用的MOSFET或者IGBT，是發熱部件。
可控硅的發熱主要來自於下面這幾個部分：導通損耗、開關損耗、漏電流和驅動損耗，其中前兩者佔大頭。
5.1.1 導通損耗
可控硅在被觸發，正常通流的狀態下，其自身內阻產生的損耗。與通流的時間，電流的平方以及自身內阻大小成正比。
5.1.2 開關損耗
可控硅的開通和關斷雖然時間很短，但客觀上是存在延續時間的，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熱。其發熱量與器件電壓成正比，與開通和關斷過程中的最大電流的一半成正比，與開通和關斷時間成正比，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，一般做熱設計的時候，可以忽略不計。
5.1.4 驅動損耗
可控硅通斷的控制電路，提供觸發和維持電壓，屬於二次控制迴路，與強電迴路並排比較，有量級上的差距。
5.2 散熱器基本設計過程
5.2.1 確定熱傳導路徑
先介紹一個概念，熱阻，即熱在介質和介質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 繪製等效熱組圖
根據模型中規劃的路徑，抽象出熱阻，如同電阻一樣的考慮方式，繪製成等效熱阻圖；
根據系統允許的最大溫升和傳遞的最大熱功率，前者除以後者，得到系統總體熱阻。
找到逆變器中選擇的功率可控硅參數表，可以找到其中的管芯到外殼，外殼到環境，外殼到散熱器的熱阻值。最後，就可以用總熱阻減去熱量傳遞路徑上的已知熱阻，最後得到散熱器與環境的熱阻。
5.2.3 散熱器選取
選擇散熱器的主要依據，除了散熱器的結構形式以外，最主要的參數就是它的熱阻。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，必須小於這個計算值，理論上系統就不會過熱。當然，系統需要一定餘量，可以給散熱器熱阻打個折扣以後作為選取散熱器的標準。
5.3 器件布置要點
並聯的可控硅最好貼在同一個散熱器上，使得並聯器件溫度一致，進而確保柵極電阻一致性。並聯的可控硅，柵極內阻差距過大，內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，電機控制器的領先技術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、日立，都有自己的代表性產品。電機控制器向集成化方向發展，最高功率密度已經提高到60 kW/L，新的電力電子器件比如SiC，已經在新產品中得到應用。
參考
純電動汽車電機控制器的研究
電動汽車驅動電機控制器的可靠性研究
電機控制器控制參數計算_傳遞與監測系統
純電動汽車電機控制器傳導性電磁干擾的抑制
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