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基于碳化硅的电动汽车电机控制器研究

基于碳化硅的电动汽车电机控制器研究

作者：纪竹童浙江大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术的发展,以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料技术和工艺趋于成熟。与传统的硅（Si）材料功率器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等相比,SiC功率器件具有高耐压、低损耗、高... 详细信息

随着电力电子技术的发展,以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料技术和工艺趋于成熟。与传统的硅（Si）材料功率器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等相比,SiC功率器件具有高耐压、低损耗、高热导率、高开关频率的优势。目前电动汽车的电机控制器中主要使用Si模块作为逆变电路的功率器件,由于Si材料本身特性的限制,电机控制器的效率提升遇到瓶颈,因此在电动汽车中迫切的需要使用SiC功率器件来替代Si功率器件,来提升电机控制器效率,由此可以带来续驶里程提升或者可降低电池用量;同时SiC功率器件的高开关频率可有效降低电机电流的高次谐波含量,从而降低电机转矩脉动,改善电动汽车的噪声、振动、声振粗糙度（NVH）特性,实现电动汽车的经济性和驾驶性舒适性提升。本文首先对功率器件的损耗组成进行研究,对比SiC与Si器件因特性不同带来的损耗差异;搭建了基于Matlab的损耗计算仿真模型,根据功率器件的标称参数,计算出SiC和Si在给定工况下的损耗;同时分析了影响功率器件损耗的因素,研究了驱动电路中驱动电阻的取值对SiC功率器件损耗的影响,为电机控制器的驱动电路设计提供理论依据。其次,根据电动汽车行业对电机控制器的高效率、高可靠性、高集成的需求,制定了电机控制器的参数指标,规划了电机控制器系统的总体方案和关键器件选型。针对驱动电路的设计,通过对SiC器件的开关波形测试确定驱动电阻的选型;并在驱动电路中增加了主动短路保护功能;在结构设计中使用“三明治”结构实现共壳体的一体化水道;完成了一台适用于电动汽车行业的150k W电机控制器样机研制。再次,在实现永磁同步电机控制算法时,较低的开关频率会产生较大的谐波电流,谐波电流会带来电机转矩波动和噪声。由于SiC相比于Si器件具有快速开关特性,使得需要高开关频率的谐波电流补偿算法成为可能。为了提升汽车电驱动系统的NVH特性,在永磁同步电机矢量控制原理的基础上引入谐波电流补偿算法来降低转矩波动和噪声。建立了Matlab/simulink仿真模型,对谐波电流补偿算法进行仿真验证,对比分析了开关频率在8k Hz和20k Hz下转矩脉动幅值的大小,验证了SiC电机控制器可通过高开关频率的谐波电流补偿算法,更有效地抑制转矩波动和降低噪声。最后,对SiC电机控制器进行了双脉冲测试、台架效率MAP测试和整车试验验证。搭建了双脉冲测试平台,通过双脉冲测试,测得功率器件的开通和关断时间在150ns以内,开关瞬间的电压尖峰在设计范围内,验证了驱动电路设计的合理性;通过电机台架的效率MAP测试,SiC电机控制器的最大效率达99.4%,相比于Si IGBT的电机控制器,最高效率提升超过1%,其中在低速低扭区域效率最高提升5.1%,具有明显的效率提升效果;通过整车性能测试,电机谐波电流补偿对于整车NVH有明显的提升效果,其中电机转速低于4000rpm时,谐波电流补偿功能可以使电驱动系统的近场噪声降低18-25dB。

关键词：电动汽车碳化硅（SiC）电机控制器开关损耗永磁同步电机矢量控制谐波补偿转矩波动噪声

车用永磁同步电机控制器硬件在环测试系统设计与开发

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车用永磁同步电机控制器硬件在环测试系统设计与开发

作者：苏建华吉林大学

学位级别：硕士

推广新能源汽车是解决能源匮乏与环境污染问题的有效手段,电机控制器作为新能源汽车电机驱动系统的核心部件,其性能不仅决定着整车的驱动性能,而且还会影响到车辆驾驶得安全性和可靠性,因此对电机控制器的测试是电驱系统开发中的重要环... 详细信息

推广新能源汽车是解决能源匮乏与环境污染问题的有效手段,电机控制器作为新能源汽车电机驱动系统的核心部件,其性能不仅决定着整车的驱动性能,而且还会影响到车辆驾驶得安全性和可靠性,因此对电机控制器的测试是电驱系统开发中的重要环节。传统的基于台架测试的方法成本高、无法进行自动化测试,且对特殊故障工况的测试存在危险性。硬件在环测试作为一种基于模型的先进测试方法,已被广泛应用于汽车控制器的开发环节。由于电机控制器工作基于高频电力电子开关动作,所以输入输出信号频率显著高于其他常见汽车控制器,其硬件在环系统的软硬件开发也相对困难,目前主要被ds PACE,OPAL-RT等国外公司所垄断。在以上背景下,本文基于Vector公司的VT system通用硬件平台,设计开发了一套车用永磁同步电机控制器硬件在环测试系统,通过完全自主的软件模型设计,为车用电机硬件在环测试提供了一套低成本合理有效的硬件在环系统方案。基于对当下电动汽车电机控制器测试需求的分析,完成了对硬件在环测试系统整体方案的设计,并搭建了硬件在环测试平台。本文利用ds PACE的快速控制原型工具完成了永磁同步电机控制器的初步开发,所开发电机控制器功能包括:控制器工作模式的切换、CAN总线通讯功能、转矩闭环控制算法、空间矢量调制算法以及故障诊断算法。对于逆变器开路故障的诊断算法是基于对电流矢量瞬时频率的分析来实现的;通过坐标变化法完成对电流传感器故障的诊断,并实现了对故障相电流的重构;以及通过设定合理阈值来诊断母线电压故障以及CAN通讯故障。本文中测试在环系统的模型开发涵盖了电机驱动系统中关键的执行器与传感器。对于逆变器模型的开发,本文分析了寄生电容对逆变器端电压输出的影响,搭建了含有死区特性逆变器模型。在永磁同步电机的模型应用中,分析了不同FPGA运算频率对模型误差的影响,在误差相差极小的前提下为了提升系统稳定性选择了较低的基频。本文中实现的传感器模型包括霍尔电流传感器与旋转变压器,传感器信号将通过VT板卡的I/O端口输出到被测控制器。为满足控制器开发对故障诊断算法的测试需求,本文还搭建了不同类型的故障注入模型,通过分析常见电流传感器失效形式,构造了电流传感器断线、增益、偏移故障注入模型;基于对逆变器开路故障的机理分析,通过重构电机的电压与电流来实现故障注入。使用电机控制器的快速控制原型与硬件在环测试系统进行联合仿真测试,通过硬件在环系统对被测电机控制器功能进行逐一测试。借助上位机软件Control desk与CANoe记录测试结果并进行分析。根据对测试结果的分析,认为本文所开发的车用永磁同步电机控制器硬件在环测试系统可满足控制器的开发需求。

关键词：硬件在环电机模型故障诊断电机控制器

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电机控制器中电流采样电路的分析与设计

微电机 2022年第5期55卷 36-39页

作者：梁宵山东大学控制科学与工程学院济南250061

随着社会发展,作为工业化动力源的电机领域也朝着高效节能的方向不断进步。特别是近些年以矢量控制技术为代表的现代电机控制技术,为各领域的电机应用注入新的活力。电机控制技术的变革也引发电机控制器设计理念的改变,现代电机控制器... 详细信息

随着社会发展,作为工业化动力源的电机领域也朝着高效节能的方向不断进步。特别是近些年以矢量控制技术为代表的现代电机控制技术,为各领域的电机应用注入新的活力。电机控制技术的变革也引发电机控制器设计理念的改变,现代电机控制器中电流采样电路的设计与研究变得越发重要。因此本文结合现代电机控制技术特点,从电流采样方案选择、采样电路频域特性、滤波网络设计、PCB设计等几个方面,对电机控制器中电流采样电路进行分析,并探究相关电路的设计方法。

关键词：现代电机控制技术电机控制器电流采样电路

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基于PWM整流器的电机控制器老化测试系统

电机与控制学报 2013年第11期17卷 8-12页

作者：潘再平芦思晨刘峙飞浙江大学电气工程学院浙江杭州310027 卧龙杭州电气研究院浙江杭州310051

针对传统电机控制器老化测试系统能耗高,使用不便的问题,提出一种新型电机控制器老化测试系统解决方案。结合电机控制器内部结构与PWM整流器控制算法,利用三相PWM整流器作为电机控制器的电子负载,代替真实电机。建立了系统数学模型,并... 详细信息

针对传统电机控制器老化测试系统能耗高,使用不便的问题,提出一种新型电机控制器老化测试系统解决方案。结合电机控制器内部结构与PWM整流器控制算法,利用三相PWM整流器作为电机控制器的电子负载,代替真实电机。建立了系统数学模型,并进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果表明,新系统能够满足电机控制器老化测试的要求,工作正常。与传统老化测试系统相比,无电机运行损耗,节能30%左右。

关键词： PWM整流器电机控制器老化测试空间矢量脉宽调制谐波

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纯电动汽车电机控制器传导性电磁干扰的抑制

汽车工程 2013年第11期35卷 996-999页

作者：宋保林陶银鹏河南交通职业技术学院郑州450005 郑州精益达汽车零部件有限公司郑州450016

某纯电动汽车电机控制器在工作时产生过大的无功功率和纹波电流,形成传导性电磁干扰,进而导致电动空调控制器烧毁。本文在理论分析和试验测试的基础上,采用增大电机控制器输入端滤波电容容量的方法,补偿电机控制器产生的无功功率,抑制... 详细信息

某纯电动汽车电机控制器在工作时产生过大的无功功率和纹波电流,形成传导性电磁干扰,进而导致电动空调控制器烧毁。本文在理论分析和试验测试的基础上,采用增大电机控制器输入端滤波电容容量的方法,补偿电机控制器产生的无功功率,抑制纹波电流的产生,消除传导性电磁干扰。试验验证的结果表明,故障得到圆满解决。

关键词：纯电动汽车电机控制器传导性电磁干扰纹波电流

一种基于AUTOSAR的电机控制器软件架构设计

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微特电机 2022年第6期50卷 1-9页

作者：崔淑梅张玉琦杜博超姚凯程远哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001

随电动汽车控制器和软件功能数量急剧增加,构建分层架构体系以提高产品在不同平台的可扩展性、软件的安全可靠性、可移植性和生命周期已是大势所趋。而电机控制器作为电动汽车ECU之一,对通讯及功能安全、匹配整车架构、适应系统特性的... 详细信息

随电动汽车控制器和软件功能数量急剧增加,构建分层架构体系以提高产品在不同平台的可扩展性、软件的安全可靠性、可移植性和生命周期已是大势所趋。而电机控制器作为电动汽车ECU之一,对通讯及功能安全、匹配整车架构、适应系统特性的需求和重要性和电机控制算法已并驾齐驱。针对电机控制器软件分层架构的研究中,功能覆盖不够全面,分层体系不够系统成熟,提出一种基于AUTOSAR驱动电机系统软件架构。在简析AUTOSAR概念和分层架构标准体系,分析电机控制器的各部分功能模块、硬软件资源的占用及其交互关系的基础上,提出分层原则和整体构架体系;给出包含运行控制算法和功能安全模块的基于AUTOSAR的电机控制器软件架构各层实现与描述;以具体实例的软件流程图进行分析说明,并通过实验验证该理论设计的可行性与先进性。

关键词：电机控制器软硬件耦合汽车开放系统构架软件分层架构

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电动汽车电机控制器功率器件热管理技术

上海汽车 2022年第4期 4-10页

作者：王东萃崔宇航张晓春上海捷能汽车技术有限公司上海201804

随着新能源汽车行业的发展,电驱系统的功率密度越来越高,进而对电驱系统的热管理能力提出了更高的要求,尤其是针对电机控制器中的关键功率器件——IGBT。文章介绍了电驱系统中IGBT的温度估算和热管理技术,该技术既能够满足最大能力输出... 详细信息

随着新能源汽车行业的发展,电驱系统的功率密度越来越高,进而对电驱系统的热管理能力提出了更高的要求,尤其是针对电机控制器中的关键功率器件——IGBT。文章介绍了电驱系统中IGBT的温度估算和热管理技术,该技术既能够满足最大能力输出,又能够实现电机控制器安全稳定的运行,对新能源汽车功率器件热管理技术的应用有较好的借鉴和推广意义。

关键词： IGBT温度保护电机控制器热管理电动汽车

基于CAN通信的电动汽车驱动电机控制器主芯片固件升级系统设计

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内燃机与动力装置 2023年第4期40卷 101-106页

作者：刘宝岩李军伟许金鹏汪志莹李连强山东理工大学交通与车辆工程学院山东淄博255049 一汽解放青岛汽车有限公司山东青岛266217

为解决电动汽车驱动电机控制器主控芯片TMS320F28377S应用程序升级维护操作困难的问题,设计开发一种基于控制器局域网络(controller area network,CAN)通信技术的固件升级系统。通过配置CAN模块及Flash模块,解析HEX文件,结合汉明码校验... 详细信息

为解决电动汽车驱动电机控制器主控芯片TMS320F28377S应用程序升级维护操作困难的问题,设计开发一种基于控制器局域网络(controller area network,CAN)通信技术的固件升级系统。通过配置CAN模块及Flash模块,解析HEX文件,结合汉明码校验算法,实现对引导程序及应用程序的设计;选用PyQt应用架构设计上位机操作界面,制定通信协议,实现对上位机软件的设计;在新能源汽车电机测试台架上,将开发的固件升级系统应用到电机控制器,进行电机电流加载闭环控制试验验证。试验结果表明:基于CAN通信的TMS320F28377S芯片固件升级系统能完成上位机和电机控制器的数据传输,系统快捷方便、稳定性高,可广泛应用于电机控制器应用程序的升级。

关键词：电机控制器 TMS320F28377S芯片固件升级 CAN通信

基于FPGA的车载电机控制器故障保护机制的研究

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电子元器件与信息技术 2023年第9期7卷 230-235页

作者：秦辉合肥工业大学微电子学院

根据新能源电动汽车对故障安全保护模式的要求，结合故障工况和故障模式介入条件，针对故障保护对时效性的特殊要求，提出一种使用FPGA芯片构建故障处理的方案。基于对故障保护机制的判断和系统进入主动短路故障保护模式的选择条件，本... 详细信息

根据新能源电动汽车对故障安全保护模式的要求，结合故障工况和故障模式介入条件，针对故障保护对时效性的特殊要求，提出一种使用FPGA芯片构建故障处理的方案。基于对故障保护机制的判断和系统进入主动短路故障保护模式的选择条件，本文详细介绍了使用FPGA构建的故障处理单元进行故障检测和故障处理的流程，通过流程图的方式清晰地呈现故障处理机制逻辑过程，分模块介绍各处理单元之间的逻辑关系。结合实际工况，分别对硬件单板的故障处理逻辑和台架系统故障处理逻辑功能进行验证，满足整车要求并实现在整车系统的批量使用。

关键词：电动汽车电机控制器 FPGA 主动短路