車用電機控制器

隨著新能源汽車和混合動力汽車的發展，電力電子在汽車上有了用武之地。目前行業裡面，車用的電機大多數都是永磁同步電機，也有非同步電機（Tesla）、無刷直流電機和有刷直流電機，電機均需要電機控制器進行轉矩、轉速控制。這裡主要講講我最熟悉的永磁同步電機控制器，以後有機會再講講電機。由於汽車的特殊用途，車用控制器有著區別於普通變頻器的特點。

高性能

汽車的低速起步需要較大的啟動轉矩，汽車的高速巡航需要寬範圍的功率區。這兩個特點就要求控制器在低速時具有高過載能力（通常為額定電流的2倍以上），高速時能有較寬的弱磁恆功能力。下圖是摘自諸自強的Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles。

高轉矩

較大的啟動轉矩，就要求控制器在低速時能輸出較大的電流。大家都知道，低速時對應的電流頻率也很低，頻率很低帶來的問題就是某一個功率器件（IGBT或二極體）會發熱的時間較長，熱應力會大大增加，會損壞器件或降低器件的壽命。極端的情況是，汽車在開上馬路牙子時，司機會猛踩油門，但車基本不會動，這種電機堵轉的工況，控制器基本輸出的是直流，電流持續流過某一個器件，熱設計時需要全面評估。

寬轉速

較高的轉速範圍，就要求驅動系統有較寬的恆功率區，從而要求控制器有較強的弱磁能力。因為永磁體的磁場是基本恆定的，隨著轉速的升高，反電動勢越來越大，當其值高於電池電壓後，控制器就會失控，所以需要用弱磁電流將電壓控制在可控範圍內。簡單的弱磁就是發現電壓升高後，增加弱磁電流，電壓就會被壓下去。但是對於車用永磁電機來說，隨著轉速的升高，弱磁電流增加到一定值後，再增加弱磁電流反而沒有用了。此時弱磁電流減小，電壓反而能控制住。這個特點簡直反人類……這就產生了所謂的MTPV（Maximum Torque Per Voltage）控制策略，下圖中的H到E這一段。

高效率

新能源汽車的能量來源都很寶貴，驅動系統的效率直接影響了續航里程，所以要求驅動系統的高效率，也即每一度電儘可能跑遠一點。目前行業裡面，峰值效率都標到了95%，高於80%效率的區域都多於90%，不知道這裡面有多少水分。下圖紅色區域就是高效區，一般電機設計時會通過優化，把高效區設計到車輛行駛最經常運行的區域，峰值效率一般也出現在這個區域的中心。在低速和高速段，效率都不高；在高轉矩段，效率也不高。電機設計好了，其效率區就基本確定了，控制器需要將其控制在最優點。所謂的最優點，就是驅動系統轉矩輸出滿足司機給定的轉矩指令前提下，盡量減小驅動系統的損耗。傳統的優化方向，就是在同樣的轉矩輸出下，輸出最小的電流。但電流僅僅影響的是銅損，電機損耗還有鐵損、機械損耗，控制器還有開關損耗和導通損耗，如果把這些都考慮進去，工作量相當大。

電機的非線性

車用永磁電機都是凸極電機，而不是表貼電機。下圖的藍色槽裡面，就是裝永磁體的地方。凸極電機最大特點就是D軸電感小於Q軸電感，所以轉矩不止跟Q軸電流有關，D軸電流也會影響轉矩，所以有MTPA（Maximum Torque per Ampere）控制策略。

DQ軸電感不相等也就罷了，DQ軸電感還非線性。由於磁飽和的影響，DQ軸電感隨著電流的增加，還會減小。Q軸電感的變化最明顯，變化從1到1/2左右。下圖的紅線是Q軸電感，藍線是D軸電感。

另外，和教科書上不一樣的是，DQ軸的電感還不解耦。也就是隨著D軸電流的變化，會影響Q軸磁場，同樣Q軸電流也會影響D軸磁場。雖然DQ軸互感和自感相比小很多，但也是一個不可控因素啊。

電機的磁場會隨著電機溫度的增加而減小，通常和常溫下有10%到20%左右的衰減，這也會影響電機的出力。

電機的電阻會隨電機溫度的增加而增加，會造成電阻的壓降變大。

環境

車每天在外面跑，面對的環境各式各樣。高溫、低溫、高濕、鹽霧、海拔、震動，每一樣都是在設計階段需要考慮，後期需要反覆驗證的。前兩年，北京下大雨，如果這種情況下，電動汽車在立交橋下被水淹了怎麼辦？所以控制器和電機有IP67的要求，就是在水下泡著，一樣能工作。大家可去www.jjecn.com/網站首頁看他們的浸水試驗視頻（我不是精進的，也不是廣告，實在找不到其他視頻了）。

安全

上面所說的都是只實現基本功能，汽車行業還有安全需求。產品質量好，可靠性高，並不意味著安全。因為哪怕你有那麼一絲壞的概率，就可能會造成車毀人亡的慘劇。汽車行業的安全，就是你需要考慮到所有的可能風險，並對這些風險進行評估，並採集積極有效的措施，對這些可能的後果規避。就是如果失效發生了，也有安全機制避免造成不良後果。這就需要在軟硬體設計上，大量的考慮，工作相當複雜。這方面有ISO26262標準進行指導。

舉個例子，考慮到安全和風險，控制器的架構會分為三層。Level 1 是功能實現層，實現基本的電機控制功能。Level2是功能監控層，監控level 1的執行過程和結果，如果發現結果不對，就採取故障保護措施。Level 3 是控制器監控層，其物理上（晶元、時鐘）完全獨立於功能控制器，其監控功能控制器是否正常工作，如果發現功能控制器失控，將採取獨立的故障保護措施。

簡要的說了一些，每個點都沒深入，後期在慢慢細講。

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