隨著(zhù)新能源汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展，電力電子在汽車(chē)上有了用武之地。目前行業(yè)里面，車(chē)用的電機大多數都是永磁同步電機，也有異步電機(Tesla)、無(wú)刷直流電機和有刷直流電機，電機均需要電機控制器進(jìn)行轉矩、轉速控制。這里主要講講我最熟悉的永磁同步電機控制器，以后有機會(huì )再講講電機。由于汽車(chē)的特殊用途，車(chē)用電機控制器有著(zhù)區別于普通變頻器的特點(diǎn)。下面遙爾泰小編給大家講講車(chē)用電機控制器的用途及其功能特點(diǎn)。

　　車(chē)用電機控制器高性能

　　汽車(chē)的低速起步需要較大的啟動(dòng)轉矩，汽車(chē)的高速巡航需要寬范圍的功率區。這兩個(gè)特點(diǎn)就要求控制器在低速時(shí)具有高過(guò)載能力(通常為額定電流的2倍以上)，高速時(shí)能有較寬的弱磁恒功能力

　　車(chē)用電機控制器高轉矩

　　較大的啟動(dòng)轉矩，就要求控制器在低速時(shí)能輸出較大的電流。大家都知道，低速時(shí)對應的電流頻率也很低，頻率很低帶來(lái)的問(wèn)題就是某一個(gè)功率器件(IGBT或二極管)會(huì )發(fā)熱的時(shí)間較長(cháng)，熱應力會(huì )大大增加，會(huì )損壞器件或降低器件的壽命。極端的情況是，汽車(chē)在開(kāi)上馬路牙子時(shí)，司機會(huì )猛踩油門(mén)，但車(chē)基本不會(huì )動(dòng)，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(guò)某一個(gè)器件，熱設計時(shí)需要全面評估。

　　車(chē)用電機控制器寬轉速

　　較高的轉速范圍，就要求驅動(dòng)系統有較寬的恒功率區，從而要求控制器有較強的弱磁能力。因為永磁體的磁場(chǎng)是基本恒定的，隨著(zhù)轉速的升高，反電動(dòng)勢越來(lái)越大，當其值高于電池電壓后，控制器就會(huì )失控，所以需要用弱磁電流將電壓控制在可控范圍內。簡(jiǎn)單的弱磁就是發(fā)現電壓升高后，增加弱磁電流，電壓就會(huì )被壓下去。但是對于車(chē)用永磁電機來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)轉速的升高，弱磁電流增加到一定值后，再增加弱磁電流反而沒(méi)有用了。此時(shí)弱磁電流減小，電壓反而能控制住。這個(gè)特點(diǎn)簡(jiǎn)直反人類(lèi)……這就產(chǎn)生了所謂的MTPV(Maximum Torque Per Voltage)控制策略，下圖中的H到E這一段。

　　車(chē)用電機控制器高效率

　　新能源汽車(chē)的能量來(lái)源都很寶貴，驅動(dòng)系統的效率直接影響了續航里程，所以要求驅動(dòng)系統的高效率，也即每一度電盡可能跑遠一點(diǎn)。目前行業(yè)里面，峰值效率都標到了95%，高于80%效率的區域都多于90%，不知道這里面有多少水分。下圖紅色區域就是高效區，一般電機設計時(shí)會(huì )通過(guò)優(yōu)化，把高效區設計到車(chē)輛行駛最經(jīng)常運行的區域，峰值效率一般也出現在這個(gè)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(yōu)點(diǎn)。所謂的最優(yōu)點(diǎn)，就是驅動(dòng)系統轉矩輸出滿(mǎn)足司機給定的轉矩指令前提下，盡量減小驅動(dòng)系統的損耗。傳統的優(yōu)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(kāi)關(guān)損耗和導通損耗，如果把這些都考慮進(jìn)去，工作量相當大。

　　車(chē)用電機控制器電機的非線(xiàn)性

　　車(chē)用永磁電機都是凸極電機，而不是表貼電機。下圖的藍色槽里面，就是裝永磁體的地方。凸極電機最大特點(diǎn)就是D軸電感小于Q軸電感，所以轉矩不止跟Q軸電流有關(guān)，D軸電流也會(huì )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(xiàn)性。由于磁飽和的影響，DQ軸電感隨著(zhù)電流的增加，還會(huì )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(xiàn)是Q軸電感，藍線(xiàn)是D軸電感。

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

　　電機的磁場(chǎng)會(huì )隨著(zhù)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(huì )影響電機的出力。

　　電機的電阻會(huì )隨電機溫度的增加而增加，會(huì )造成電阻的壓降變大。

　　環(huán)境

　　車(chē)每天在外面跑，面對的環(huán)境各式各樣。高溫、低溫、高濕、鹽霧、海拔、震動(dòng)，每一樣都是在設計階段需要考慮，后期需要反復驗證的。前兩年，北京下大雨，如果這種情況下，電動(dòng)汽車(chē)在立交橋下被水淹了怎么辦?所以控制器和電機有IP67的要求，就是在水下泡著(zhù)，一樣能工作。

　　安全

　　上面所說(shuō)的都是只實(shí)現基本功能，汽車(chē)行業(yè)還有安全需求。產(chǎn)品質(zhì)量好，可靠性高，并不意味著(zhù)安全。因為哪怕你有那么一絲壞的概率，就可能會(huì )造成車(chē)毀人亡的慘劇。汽車(chē)行業(yè)的安全，就是你需要考慮到所有的可能風(fēng)險，并對這些風(fēng)險進(jìn)行評估，并采集積極有效的措施，對這些可能的后果規避。就是如果失效發(fā)生了，也有安全機制避免造成不良后果。這就需要在軟硬件設計上，大量的考慮，工作相當復雜。這方面有ISO26262標準進(jìn)行指導。

　　舉個(gè)例子，考慮到安全和風(fēng)險，車(chē)用電機控制器的架構會(huì )分為三層。Level1是功能實(shí)現層，實(shí)現基本的電機控制功能。Level2是功能監控層，監控level1的執行過(guò)程和結果，如果發(fā)現結果不對，就采取故障保護措施。Level3是控制器監控層，其物理上(芯片、時(shí)鐘)完全獨立于功能控制器，其監控功能控制器是否正常工作，如果發(fā)現功能控制器失控，將采取獨立的故障保護措施。