【摘要】电机控制器、电池及电机是电动汽车的三大核心部件，而电机控制器好比人的大脑，车子运行是否协调、高效与稳定，完全由电机控制器来决定。本文详细介绍了一款高性能、高可靠电动大巴电机控制器设计方案及产品，并与国内同类产品的技术水平进行对比分析。
关键字：电动大巴；电机控制器；直接水冷散热；IGBT模块
0前言
当今石油资源匮乏与环境保护的紧迫需求，对汽车工业的发展提出了新的要求，那就是：低噪声.零排放和节能等，电动汽车正是当今汽车工业籍以解决能源.环保等问题可持续发展的最重要途径，而在电动汽车中，电机控制器作为衔接电池与电机的中间部件，对电动汽车的性能发挥及安全行驶起着很关键的作用。目前国内外电动大巴主要会出现过温保护、过流保护、掉电、过充及误动作等故障，导致车子失控。下面就介绍一款高性能、高可靠电动大巴电机控制器设计方案。
1电机控制器系统构成
在电机控制器系统中，包括以下几个重要的关键技术：
l 功率IGBT模块设计封装技术
l IGBT模块散热技术
l IGBT驱动及控制硬件技术
l 电机控制软件技术
图一为电机控制器设计方案原理框图
图一 电机控制器设计原理框图
2功率IGBT模块设计封装及散热技术——采用自主设计、封装汽车级pin-fin直接水冷IGBT模块
大功率IGBT模块是电机控制器中的核心器件，也是系统运行时温度最高的器件。众所周知，随着工作结温的上升，电子器件的寿命呈指数下降，新能源汽车电动大巴需求的驱动功率大，同时产生的热损耗也较大，这给IGBT模块的散热提出了新的挑战。
目前，国内外在电动大巴电机控制器中普遍使用传统的IGBT模块，采用涂覆导热硅脂安装于平板散热器上的间接水冷散热方式（如二所示），由于热阻较大，为了保证散热的良好，必须增大散热面积或者增加功率IGBT芯片面积，这必将导致应用系统体积增加、成本提高，性价比下降。
我公司通过采用创新的散热设计，底板采用带Pin-fin设计，应用IGBT模块直接水冷散热方式，将IGBT模块与散热器一体化（如图三所示）。系统工作时，底板直接浸泡于冷却液中，再冷却液流过底板Pin-fin时，强迫冷却液在流动过程中产生湍流（如图四所示），进一步提升换热效率，将IGBT模块产生的热量直接快速地带走，降低IGBT的工作结温。
图二 传统IGBT结构 图三 依思普林直接水冷散热IGBT模块
图四 Pin-fin散热器流态仿真图
经软件仿真及实验测试证明，Pin-fin直接水冷IGBT模块应用系统与传统间接水冷散热IGBT模块应用系统相比，热阻降低40%以上。在当前IGBT芯片最高结温175℃条件下，热阻的降低意味的同样面积的IGBT芯片可以输出更大的电流，即同等输出功率的应用系统可以采用更少面积的IGBT芯片，IGBT模块的功率密度可提升40%，可有效低降低系统体积、重量，实现小型化和轻量化，同时芯片面积的减小降低系统成本，具有优异的性能、极高性价比和市场竞争力。
3驱动及控制硬件电路设计
系统采用双电源冗余设计、多重隔离、多级过流保护。
系统运行过程中，如果控制电路突然掉电，IGBT模块栅极就会失去控制，电池的母线电压会将IGBT芯片击穿，造成严重的损失。本公司系统方案采用双辅助电源冗余设计，当车载12V/24V电源异常断电后，电源部分会不间断启用动力电池电源，从而避免IGBT模块击穿损坏。
系统工作电源采用独立宽范围开关电源设计，系统电源与车载12V/24V电源以及高压蓄电池组电气隔离，既保证电路绝缘隔离安全要求，降低相互干扰，同时优异的输入宽范围特性，让系统工作更加稳定。
系统工作过流保护在常规的硬件及软件检测上，还配置IGBT饱和导通压降检测保护，异常状态时快速动作，大幅缩短故障响应时间，提高系统可靠性！
4电机控制软件算法
采用先进的电机矢量控制算法，系统最高效率可达95%以上
采用先进的电机矢量控制算法和SVPWM（空间矢量脉宽调制）调制技术系统最高效率可达95%以上，具有适合数字化实现、谐波少、电压利用率高等特点 ，在电机控制行业得到大量应用。另外，软件具有智能弱磁控制策略，控制电机在全转速区运行平稳可靠；死区补偿策略可以有效减少三相电流谐波，提高系统效率；过调制技术在最大化利用直流侧电压的同时保证电机控制平稳。软件具有过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护等防护策略，可以有效保证控制器的长期可靠性。
5与国内同类产品的技术水平对比分析
本系统在性能方面，无论从体积、重量、性能及核心技术的掌握方面，均优于现有国内同类产品，达到国际先进水平。图五为本系统与国内同类产品的性能对比。
图五 与国内同类产品的技术性能对比
6结论
系统电机控制器设计采用完全自主设计封装大功率汽车级IGBT模块，掌握IGBT模块散热技术、IGBT驱动及控制硬件技术及高效电机控制软件技术，电机控制器具有体积小、重量轻、功率密度高及长期可靠性高等特点，系统技术水平处于国内领先水平。
