一种升压电机控制系统的设计及其在混合动力汽车上的应用研究

陈绍维，饶俊威，王川，杨洋

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

0 引言

“十五”期间，科技部针对新能源汽车的发展提出了“三纵三横”的发展布局，“三纵”是指电动机、动力电池和整车控制系统等关键部件；“三横”是指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。新能源汽车的研究主要围绕纯电动汽车、油电混合动力汽车和燃料电池汽车进行［1］。

混合动力汽车融合了传统燃油汽车和纯电动汽车的优点，既具有纯电动汽车节能环保的特点，改善了整车的燃油经济性能和排放性能，又继承了传统燃油汽车持续行驶里程长的优点，近年来普及率稳步提升［2］。混合动力汽车合资企业以“丰田”“本田”为代表，国内企业以“比亚迪”“广汽”为代表，这些企业开发的混合动力系统和推出的混合动力车型极具竞争力，获得了良好的市场反响。

电机控制系统作为混合动力汽车的核心子系统，直接关系其所搭载的整车的动力性、经济性及NVH（噪声、振动、声振粗糙度）等核心性能。本文重点研究一种应用于混合动力车型的升压电机控制技术，阐述其优点和缺点及其搭载整车的性能表现。

1 升压电机控制系统

1.1 系统设计原理

节能减排研究的核心是能源利用率的最大化［3］。受动力源自身结构的限制，动力源的高效率区的范围只能是一个有限的区间，而实际上外界工况变化很大，用户场景多样，如上坡、下坡、起步、加速、减速、制动等，功率需求变化范围较大，动力源的特性场（即高效区所确定的转速和转矩的适应范围）不能满足外界工况的功率需求。通过变速系统的变速、变扭作用，扩大动力源特性场，可以满足外界工况的功率需求，提高动力源在高效区工作的比例［4］。混合动力系统具有2个以上的动力源，并且动力源的特性场（外特性、万有特性）差别很大，例如油电混合的发动机与电动机的特性场差别较大，通过优化匹配与控制，各动力源之间优势互补，为动力源在实际行驶中实现高效运行、提高能源利用效率、降低能源消耗和减少尾气排放提供了很好的解决方案［5］。

传统电机控制器连接整车动力电池和电机，在驱动模式下将动力电池的直流电逆变为交流电，并控制电机的运行，发电时将发电机产生的交流电整流为直流电，给动力电池充电，其性能可影响动力电池及电机性能水平的发挥及整车的能耗水平。在整车环境状态中，各模块的通信主要基于CAN（控制器局域网总线）通信协议，电机控制器的主要功能是接受VCU（整车控制器）的扭矩指令，并通过调制波形控制电机的输出扭矩，进而控制整车的运行状态。

电机控制器主要由主控板、驱动板、高压逆变模块组成。主控板的功能是模拟采集、PWM（脉冲宽度调制）波形生成、与VCU 等通信、故障保护；驱动板主要进行电机相位检测、电流检测、电压检测等；逆变模块主要由功率半导体元件、高压电容、铜排、滤波组件及电流传感器组成。电机控制器还包括冷却水道、壳体、接插件等。车用功率半导体元件主要采用绝缘门极双极型晶体管（IGBT），IGBT 为电压型驱动，开通和关断所需的驱动功率小、耐压等级高、开关速度较快，因此广泛应用于车用电机控制器。车用电机控制器使用IGBT 功率逆变单元的作用是利用PWM 波形控制功率半导体元件的开通、关断，将动力电池的直流电逆变为三相交流电，进而控制电机的运行。非升压电机控制系统电路拓扑简图如图1所示。

图1 非升压电机控制系统电路拓扑简图

电机的工作电压始终与动力电池的输出电压保持一致，电机、电控的效率只能在电池输出电压的范围内调节。本文设计的升压电机控制技术，在传统电机控制器电路拓扑中，增加一路Boost 模块升压电路，可使电机在动力电池电压到650 V 的范围内工作。在低转速、低扭矩区间，电机在低电压范围内工作；在高转速、高扭矩区间，电机在高电压范围内工作，以适应整车在上坡、下坡、起步、加速、减速、制动等工况下功率需求的变化［6］。此外，本设计能在任意转速、扭矩的工况下，保证电机电控系统在综合效率最优的电压下工作。升压电机控制系统电路拓扑简图如图2所示。

图2 升压电机控制系统电路拓扑简图

1.2 系统优势

通过调整占空比，可灵活改变Boost 的输出电压，满足整车在不同工况下对转速、扭矩的需求，保证电机电控系统始终在高效区间工作。采用升压电机控制系统具有如下优势［7］。

（1）电池小型化。由于驱动电机的电压可从动力电池电压到650 V 之间灵活调节，因此可实现电机系统与电池电压的解耦，更小的电池、更低电压的平台可驱动更大功率的电机。电池电压从350 V 降低到220 V，电池串数减少1/3，使电池的电量、体积、重量、成本得到降低。

（2）提升效率。不同的电压对应不同的电机系统高效区间，升压系统可根据电机系统输出工况，选择合适的Boost 输出电压，组合出各个工况下的最优电压，获得更高的效率。驱动电机系统和发电机系统在不同电压下的效率MAP 图及最后合成的效率MAP图如图3 至图14 所示。通过升变压技术，电机系统在各个转速扭矩下按照效率最优原则优选电压，合成效率MAP 的高效区占比增大，可提升驱动系统的效率。

图4 驱动电机系统350 V效率MAP

图5 驱动电机系统450 V效率MAP

图6 驱动电机系统550 V效率MAP

图7 驱动电机系统650 V效率MAP

图8 驱动电机系统220～650 V合成效率MAP

图9 发电机系统220 V效率MAP

图10 发电机系统350 V效率MAP

图11 发电机系统450 V效率MAP

图12 发电机系统550 V效率MAP

图13 发电机系统650 V效率MAP

图14 发电机系统220～650 V优选效率MAP

（3）减少相电流。对于电机系统相同的功率、扭矩需求，升压电驱系统可减少电机三相电流，进而减小连接器和铜排的尺寸，降低发热损耗。相应电机控制器的IGBT模块过流需求降低，IGBT模块芯片数量减少，电容容值降低，电机控制器成本得以降低。与350 V 系统相比，在相同的功率扭矩要求下，驱动电机相电流降低40%，发电机相电流降低接近50%。

（4）扩大电机的外特性。通过升压、提高电机三相电压、扩大电压极限椭圆、提升进入扭矩拐点的转速，电机功率得到相应的提升。发电机扭矩拐点转速从5 000 rpm 提升至16 500 rpm，峰值功率从87 kW提升至143 kW；驱动电机扭矩拐点从2 000 rpm 提升至7 000 rpm，峰值功率从109 kW 提升至200 kW。如图15 至图18 所示，升压技术显著提升了系统的外特性区域。

图15 不同电压下驱动电机扭矩外特性曲线 （单位：V）

图16 不同电压下驱动电机功率外特性曲线 （单位：V）

图17 不同电压下发电机扭矩外特性曲线 （单位：V）

图18 不同电压下发电机功率外特性曲线 （单位：V）

2 升压电机控制系统在不同车型上的应用分析

2.1 在HEV车型上的应用

混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同时装备2种动力源——热动力源（由传统的汽油机或柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使动力系统按照整车实际运行工况的要求灵活调控，整车选择最优的驱动模式，发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。

升压电机控制系统应用在整车不同的工况下，能根据电机扭矩、转速需求，自动选择不同的电压，得到最优的电机控制工作效率区间。该系统应用于HEV 车型，可减少电池串数，降低电池电压和电池成本。将系统在某HEV 车型（参数见表1）上进行应用研究。

表1 HEV车型参数

该车型在WLTC（全球轻型车测试规范）工况下运行，折算的发电机和驱动电机运行转速扭矩点分布如图19 和图20 所示。发电机工作点在扭矩50 Nm内，转速在10 000 rpm 内；驱动电机工作点在扭矩-80～120 Nm 内，转速在14 000 rpm 内。按照该工况计算WLTC 油耗，对比升压电机控制系统与350 V非升压电机控制系统，整车油耗改善4.6%，具体数值如图21所示。

图19 WLTC发电机运行转速扭矩点分布 （单位：r/min）

图20 WLTC驱动电机运行转速扭矩点分布 （单位：r/min）

图21 WLTC油耗对比情况 （单位：L）

2.2 在PHEV车型上的应用

一般具体插电式混合动力汽车（Plug-in hybrid electric vehicle，简称PHEV）车型的续航里程在进行产品定义时会优先确定，因此应用升压电机控制系统不能降低电池电量、减少电池串数、降低电池电压，升压范围为电池电压到650 V。将升压电机控制系统应用于某PHEV 车型（参数见表2）进行相关油耗、续驶里程的研究。

表2 PHEV车型参数

经仿真计算，WLTC工况馈电百公里油耗及纯电续航里程计算结果如图22 和图23 所示，WLTC 油耗改善2.6%，纯电续航里程基本保持不变。

图22 PHEV车型馈电百公里油耗 （单位：L）

图23 PHEV车型纯电续航里程 （单位：km）

3 结语

升压电机控制系统具有提升系统效率、减少相电流、扩大电机外特性以及能让电机系统与电池解耦等优点，但也存在需要增加Boost 模块和成本的问题，因此选取车型时需要综合考虑性能、成本、纯电续航里程、性价比等因素。电机控制器是决定电动汽车动力性和舒适性的关键部件，也是保证整车安全的重要部件。电机控制器的研发主要围绕硬件和软件2 个方面开展。将来，电机控制器硬件的发展方向如下：①IGBT（绝缘栅双极晶体管）采用新一代SiC高功率半导体；②芯片封装采用纳米银烧结工艺；③母线电容采用水冷薄膜电容。电机控制器软件的发展趋势如下：①基于ISO26262，不断完善功能与安全要求；②提升转矩高控制精度；③采用成熟的抖动抑制算法；④采用智能化波形控制策略；⑤汽车OTA（Over-The-Air）能随时随地地进行在线软件系统升级、更新及修补漏洞。