針對控制器來講，主要的組成部分就是三個方面，功率器件、主控晶片、薄膜電容。功率器件變成雙面水冷，從普通的IGBT遷移到碳化矽。主控晶片主要發展方向是更快速、更智慧。薄膜電容這一塊考慮到後面怎麼匹配高頻碳化矽的需求。
本文為勵展博覽集團及NE時代於8月28-29日聯合主辦的 “第二屆AWC2019新能源汽車關鍵元器件技術大會” 演講嘉賓的現場實錄。
演講嘉賓：馬嶺
華域汽車電動系統有限公司硬體設計經理
演講主題：電機控制器及其關鍵技術
馬嶺：各位領導、各位專家下午好。我來自華域電動，大家聽到華域電動想到的還是電機這一塊，其實控制器我們也做。
今天和大家分享的話題是電機控制器和關鍵技術。內容包含四部分，整車系統、控制器系統功能、控制器關鍵技術、控制器發展。
這是新能源汽車動力系統的組成部分。
電池組
，是所有動力來源。國內的車沒有加雙向DC/DC，實現升壓，提升效能或者實現反向充電功能。
逆變器
就是常說的電機控制器，驅動電機，給整車提供動力。
DC/DC
透過高壓電池給所有弱電進行供電，車載充電機就是對電池組做充電用的。
後面關於控制器的系統功能。這是爆炸圖，硬體載體包括機殼，IGBT模組及驅動板，膜電容起到吸收逆變器產生紋波電流的功能。主控板是控制部分，實現各個訊號的採集和處理，透過演算法把相應的輸出指令給到驅動板，驅動板完成功能的執行。這個爆炸圖是一個控制器整合DC/DC，最右邊的是DC/DC的一部分。
紫色的是控制器的內容，
對外有一個功率連線和訊號連線
。動力就是透過電池包，輸出一個交流電給電機，做相應的扭矩輸出。需要一個指令，指令透過整車網路接受整車指令輸出相應扭矩和轉速。也會做碰撞訊號採集，和電機互動訊號比如旋變，旋變實現位置和轉速訊號的傳輸，還有電機溫度的檢測，這些都是為了方便控制器能夠對電機實現更加精確的控制，採集一些訊號。
剛才說的是控制器對外的連線，
對內有通訊模組、高壓電源管理模組、低壓電源管理模組、母線電流取樣、母線電壓取樣，這些都是為電機控制演算法做服務的。
有主動和被動方面的功能，主動控制有的是透過電機實現的，也有些客戶提出主動放電透過電阻實現，也有被動放電功能，轉矩控制和轉速控制。
電感代表的是電機，其實
逆變器主要功能透過各種各樣訊號採集，控制演算法運算包括採集電機訊號，實現如何給電機輸出想要的正弦波，給到扭矩指令，實現扭矩輸出。
這些是控制器主要效能指標，一般
控制器效能體現在母線電壓範圍。控制器一般不是講控制器功率多大，主要體現的是能承受的電壓等方面。
還有診斷的功能都是一般情況下必須要具備的功能，包括防護等級是IP67，這也是整車特別強調的。
這是控制器一些主要技術特點，比如四象限執行控制，
功率密度國內做到45千瓦/升，碳化矽一旦應用的情況下，可能做到100千瓦/升
。最高效率是98。5%。還有電壓範圍比較寬，從200到450V的工作電壓。EMC在等級3，現在整車已經提出等級4、等級5的水平。還有保護功能，比如過壓、過流等保護功能。還有是防護等級IP67。
這是控制器常見解決方案，比如低壓解決方案，144V或者96V的，考慮整車要走市場化趨勢，怎麼樣把成本做得更低。把電壓做低，成本會更低。但是電壓低，充電速度就變慢，相等續航里程，充電時間會達到10個小時。高壓就是常見的單體解決方案，還有整合解決方案。
接下來介紹一下控制器關鍵技術。作為控制器來講，技術實在是太多了，重點講一下這幾個內容。現在炒得比較火的功能安全，
怎麼樣讓車安全可靠執行
，出故障的時候不會出現車突然加速或者急減速導致人員傷亡，另外就是
控制器效率，
提升效率就是提升續航里程，提升效率意味著可以做相應成本降低，以後新能源沒有補貼，方便新能源汽車更好做市場化。
IGBT的驅動，這是很關鍵的點，所有控制器輸出都是透過IGBT驅動執行。
要輸出什麼樣的功能透過演算法執行，執行單位也是IGBT的一塊。簡單說一下DC-Link。位置和轉速訊號處理，現在很多新能源汽車特別容易出現旋變故障停車的問題，對於客戶來講，報旋變故障，但是車沒有什麼損傷，重新啟一下電就正常了，這對客戶來講體驗糟糕。東西沒有壞的情況下，希望這個車可以一直行駛下去。還有是電源管理。EMC，新能源汽車突然停車重啟電又能跑了，這些問題產生比較多的都是EMC相關。最後就是碳化矽，對我們來講是碳化矽的應用方面。
功能安全有兩個標準，國際標準26262，國內也出了34590標準。26262標準內容很多，我自己也沒有完全看過，我們只要知道是做什麼用的，目標就是保證扭矩可靠，做一些相應的梳理就知道要做哪些內容。功能安全需求一般來源於整車，要輸出扭矩不能大於給定指令扭矩的百分之多少。或者扭矩不能反向、突變。還有怎麼在扭矩出現異常時進入安全模式？安全模式就是常說的ASC模式，一般有兩種實驗方式，一個是把IGBT全部關了，一個是透過上下橋的短路實現。MCU就是內部主控晶片，軟體要發一個PWM波，要形成一個閉環系統。主控晶片是不是正常狀態，怎麼樣做一個正常監控？還有MCU，本身可能會失效。MCU失效了，怎麼進入安全模式，包括控制電也失效了，怎麼能夠實現安全模式，這都是要考慮的點。要實現想要的扭矩輸出，如果出現失效，要考慮各種情況下的失效，做相應的處理，怎麼能夠完成安全模式的實現。還有就是轉速訊號處理機制，以及電機位置取樣訊號處理機制，怎麼樣保證這兩個訊號是準確的，也是你想要的，當報錯的時候能判斷是真的錯誤還是假的錯誤。儘量要避免失效，首要的目的就是不要產生共因失效，另外就是有失效怎麼樣解決。
和大家分享一下怎麼做MCU的監控。
這是一個三層架構的實現，第一層是功能層，第二層和第三層是監控層。
因為MCU一般都是多核晶片，第一個核做功能層實現，實現扭矩的功能包括監控以及故障策略的實施。另外就是L2，這也是放在MCU內部，監控L1。L3也是監控層，做高安全等級的話不能自己監控自己，L3就是透過外部的監控，監控MCU，主要透過問答的形式，給你一個指令，讓你在規定時間以規定的方式給我一個反饋，這樣判斷你是不是處於正常工作的狀態。
對位置採用這一塊，現在目前新能源汽車其中一個痛點就是關於旋變故障。旋變故障可以恢復，重上電就好了，這樣對客戶體驗非常糟糕。涉及到旋變故障是真故障還是假故障，一般產生原因比較多的就是和電磁相容相關，還有接觸不良、抖動。怎麼避免因為旋變故障導致的突然停車，這裡需要做一個旋變硬解碼和軟解碼。比如硬解碼作為主要解碼方式，硬解碼報故障可以透過軟解碼校驗。還可以透過軟解碼讓車繼續運營，等硬解碼恢復再切換，避免突然停車，產生危險。告訴突然停車危險係數還是比較高的。
第二點是控制器效率。最高效率就是很少的一部分，整車執行的時候都是低速和低扭轉情況下，這一塊效率提升也是續航里程提升一個很重要的點。本身這一塊最高效率就是98%，頂多提升到99%。
最關鍵的是低扭矩轉速下的效率提升，一般影響關鍵因素就是電壓利用率。
還有死區時間，影響電壓利用率，還會影響諧波含量，一旦諧波高了的話，系統效率都會下降。在不同工況下采用合適的頻率，不是頻率越低越好，頻率越低電機損耗會增加，這都是需要做相應的標定，在各個工況點選擇一個比較理想的頻率進行控制。
第三個是IGBT驅動。理論計算或者理論分級設計，最終還是驗證，因為基本引數是不可控的。驅動需要做這些工作，比如損耗計算和整個NEDC是相關的，對壽命影響的關鍵因素就是熱。還有雙脈衝實驗，測多了會發現模組會有相應變動的點。還有短路實驗，可靠性實驗，可以進行壽命的分析。
IGBT驅動設計要考慮的點，比如驅動功率有多大。有一個驅動功率建議計算公式，後面加了一個點，考慮在靜態情況下，工作時也有一個損耗，這一塊損耗也要考慮進去。還有就是驅動電流有多大，和驅動電壓都是相關的。一般驅動電壓設定在15V，關斷-8V。選擇-8V考慮IGBT二次開通。還有驅動電阻和門級電容，匹配也是很關鍵的，影響到你的效率。還有驅動保護，還有門級嵌位，還有短路保護、軟關斷，
在驅動的時候都有相應的圖表，給我們提供一些參考，我們要多關注這樣的點。最終結果希望大家做一個實際損耗測試。還有一個點就是關斷損耗，相對來講關斷電阻可以稍微大一點。這一塊是驅動電路佈局，線要越粗越好，門級電阻儘可能放在IGBT模組上。另外IGBT和GE之間建立跨接電阻。我們可以得到很多引數的評估，以及IGBT和二極體恢復電應力方面的評估，都能透過雙脈衝測試看得到。我們做雙脈衝測試的時候確保各個點的情況下滿足SOA要求。另外就是確定死區時間，又可靠又合理。後面也會講到死區時間怎麼設定的。這是從IGBT雜散電感是怎樣的數量範圍，雜散電感對於效率和可靠性都有相關重要的影響。死區時間也是透過雙脈衝標識的。後面還有×（1。2-1。5）倍確保更可靠的餘量。
楊總講過DC-Link，怎麼用好DC-Link我們還是傾向於做應用。主要可以儲存一定的能量，可以吸收紋波電流，如果流到電池包會影響電池包壽命。還可以吸收一部分電壓紋波，如果太大的話，可能影響DC/DC、空調部件的正常工作。另外關注的電容主要引數有容值，額定耐壓值，耐壓預量，有效電流值。吸收電流紋波體現最終結果就是熱，和內部ESR匹配起來產生相應的熱，
影響膜電容關鍵點就是熱
。熱就是和膜電容壽命息息相關。還有ESR，工作溫度和溼度都有相應的需求。
這是怎麼評估電壓紋波和電流紋波。目前來講，沒有一個特別有效的方式能夠把電流紋波算得很準，建議做一個相應的模擬。電壓紋波也可以做相應的模擬。有個文章介紹經驗公式，可以採取有效電流的0。5倍作為電流紋波評估方式。這種公式也是考慮電流紋波會被電池包吃掉。
位置和轉速訊號的處理，主要是針對旋變故障處理這一塊，比如訊號丟失、訊號降級。訊號丟失，整車是要停車的。訊號降級還可以正常執行。怎麼樣確定報訊號丟失和訊號降級是產生真實的故障，這就是我們要做的點。針對旋變做一些冗餘，現在比較熱的就是做軟解碼，也做一些硬解碼。最終軟解碼如果做得好，不用搭載硬解碼就可以實現相應的旋變解碼。軟硬解碼可以做一個冗餘，更能防止錯誤的判斷。現在也有做滑膜控制的，透過演算法來預估電機位置。
電源管理主要作用是對12V蓄電池進行穩壓，把12V蓄電池轉換為穩定的5V、3。3V，對12V蓄電池電壓進行隔離，從而為驅動提供供電。滿足各個功能所需要的供電能力，電源是高頻模組，也會干擾別人。另外對抗感染也提出比較高的需求，不能老是被幹擾，不能正常工作。基本對低壓電源模組有一些特別技術要求，比如低壓電源模組需要診斷漂移、振盪、過壓、欠壓、電壓尖峰等故障。低壓電源模組需要診斷自身硬體故障。低壓電源模組診斷出故障時應能禁止三相橋驅動模組使能。
下面講一下碳化矽的應用，我們還是偏向於應用，
碳化矽優點可以高頻、耐高溫、損耗低，提升控制器各個工況下的效率。
我們也在摸索這一塊，目前做的工作不是特別多，在混合模組做了摸索，開關管還是用普通矽。基於碳化矽的二極體，在電動模式下，最高情況下可以將效率提升4%，有些點可以提升到8%。很多模組效率提升還是很明顯的，全套模組提升效果可能更好更可觀。還有碳化矽快速保護、碳化矽多管並聯技術，碳化矽高速驅動技術，這都是可以探索的。目前晶圓封裝還是普通矽模組，體積相對比較大，沒有充分發揮碳化矽優勢。還有電磁相容，與高頻碳化矽匹配膜電容開發，對膜電容也會提出相應的需求。
EMC一些原理性的東西大家都比較瞭解，解決方式就是切斷路徑、降低干擾源，提升抗干擾能力，這也是需要探索的。重點需要講一下在軟體這一塊，主要工作可能會在硬體，軟體上也可以實現相應的措施。上午也有提到，軟體原來演算法是七段式，現在改成五段式，開關頻率次數降低，原來是定頻的控制是不是可以改成抖頻控制演算法，原來是10K改成小載波變頻控制，把能量進行分開，EMC都會做一個有效的改善。
最後和大家探討一下控制器的發展，整車要考慮佈局、可靠性、安全性。另外就是成本，新能源車最終要走市場化，2012年一臺控制器賣到10萬塊的水平，目前降到1/10的水平。還有就是效率，考慮到整車補貼退坡，效率的提升可以少用電池包，也可以節省成本。還有程式碼模擬驗證、基於AUTOSAR底層開發、功率模組的自主開發、功能安全產品認證相關設計、基於碳化矽功率模組的產品開發，這都是需要做的工作。另外就是以後未來產品怎麼考慮用碳化矽開發相應的控制器。
針對控制器來講，主要的組成部分就是三個方面，功率器件、主控晶片、薄膜電容。功率器件變成雙面水冷，從普通的IGBT遷移到碳化矽。主控晶片，最早用的是TC1797，主要發展方向還是更快速、更智慧，比如原來是兩核到三核，未來可能到五核、六核。程式碼怎麼做到單週期運算，這也是對軟體演算法都提出相應的需求。另外就是在薄膜電容這一塊，考慮到後面怎麼匹配高頻碳化矽的需求。
即使頻率提升100k，對現有薄膜電容材料也是匹配的，價效比也是比較好的，可能薄膜電容材質也會做相應的變化。怎麼樣把膜做得越來越薄，怎麼樣把功率密度做得更高，適應整車需求，這是後面需要重點探索的。
