上海世博会LF620车用高功率密度电机控制器研发

（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊ ｉｎｇ １００ １ ９０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｚｈｏｎｇｋｅ Ｓｈｅｎｊ ｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２ ０ １８ ２ １，Ｃｈｉｎａ）
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３智能ＩＧＢＴ功率模块研发
ＩＧＢＴ功率模块的性能、可靠性与成本直接影响电机控制器产业化实现，因此中科院联合
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第六届中国智能交通年会暨第七届国际节能与 新能源汽车创新发展论坛优秀论文集（新能源汽车）
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门极驱动电阻影响ＩＧＢＴ模块开关开通和关断速度，直接影响ＩＧＢＴ关断尖峰电压。在 上述车用电机控制器功率主回路ＰＳｐｉｃｅ仿真模型中调整驱动电阻分别为４．７ Ｑ、８Ｑ、１ ｏＱ、 １ ２ Ｑ、１ ５ Ｑ，电机电流为９ ６Ａ时，ＩＧＢＴ尖峰电压仿真波形如图３（ａ）所示，ＩＧＢＴ尖峰电压和门 极驱动电阻的关系如图３（ｂ）所示。
＊基金项目：国家自然科学基金项目资助（５０７７７０６０） ５５
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第六届中国智能交通年会暨第七届国际节能与 新能源汽车创新发展论坛优秀论文集（新能源汽车）
ｔｈｅ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ａｔ ４ｋＷ／ｋｇ，ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｔ ６ｋＷ／ｌｉｔｅｒ．，ａｌｓｏ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ＬＦ６ ２ ０ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌｉｃｅ ｃａｒ ｓｅｒｖｉｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ２ ０ １ ０ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｗｏｒｌｄ Ｅｘｐｏ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＰＳｐｉｃｅ；ＩＰＭ；Ｆｉｌｍ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ
１引言
节能环保是当今汽车工业发展的主题，发展节能与新能源汽车已成为各国政府和汽车行 业的共识，车用电机驱动系统既是关键技术又是共性技术，因受到车辆空间限制和使用环境的 约束，车用电机驱动系统不同于普通的电传动系统，它要求更高的性能（如全速度范围的高 效）、体积／重量密度更高（１．２ｋＷ／ｋｇ）、环境温度更高（１０ ５℃）Ｅｌｉ，用于普通电传动的电力电子 与电机技术已经不能适应其要求，车用电机驱动系统技术发展趋势基本可以归纳为永磁化、数 字化和集成化。
的电压尖峰，ｕｐ和Ｌｐ值的大小、负载电流ｉ小ｉｂ、ｉｃ以及开关状态Ｓ小Ｓｂ、Ｓｃ相关，满足下式［５］：
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式（１）中：优加是由开关状态变化引起的电压尖峰，优∥是由电机相电流变化引起的电压尖 峰，电机负载电流ｉ以，ｉ６和ｉ ｃ波形应尽量为正弦波，车用电机控制器的开关频率一般在５ ｋＨｚ 和１ ０ｋＨｚ之间。
混合动力与纯电动汽车／Ｃ｝蔓ＡＰ鼍、ＥＲ Ｉｌ
上海世博会ＬＦ６２０车用高功率密度电机控制器研发 ＊
刘钧１，罗建２，顾凌云２，丁祥根２，王慧玲２，贾允２
（１．中国科学院电工研究所，北京１ ００ １ ９０； ２．上海中科深江电动车辆有限公司，上海２０ １ ８２ １）
摘 要：车用电机驱动系统是新能源汽车的三大关键技术之一，要求更高的性能 （如全速度范围的高效）、体积／重量密度更高（１．２ｋＷ／ｋｇ）、环境温度更高（１ Ｏ ５℃）， 我国与国际先进车用电驱系统发展水平相比，主要在功率密度、可靠性及成本三个方 面存在较大差距。本文开展车用电机控制器关键技术研究，主要包括考虑主要寄生 参数的功率主回路建模、智能ＩＧＢＴ模块研发和新型膜电容应用研究，力图解决车用 电机控制器技术瓶颈。在开展的研究基础上开发出高功率密度车用电机控制器，测 试结果表明，该控制器的重量比功率为４ｋＷ／ｋｇ，体积比功率为６ ｋＷ／１，并且成功搭 载在力帆ＬＦ６ ２０纯电动警务车服务于２０１ ０年上海世博会。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｒｅｑｕｉｒｉｎｇ ｈｉｇｈｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ（ｅｇ，ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｆｕｌｌ—ｓｐｅｅｄ ｒａｎｇｅ）， ｖｏｌｕｍｅ／ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｈｉｇｈｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ（１．２ｋＷ／ｋｇ），ｈｉｇｈｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（１０５℃）．Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ａｄｖａｎｃｅｄ １ｅｖｅｌ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ。 ｍａｉｎｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ。ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｓｔ ａｒｅ ｓｔｉｌｌ ａ ｗｉｄｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｉｓ ｐａ—
归结而言，当前车用电机驱动系统技术瓶颈主要包括功率密度、可靠性及成本三个方面。 本文主要研究内容重点针对车用电机控制器的几个关键技术，力图解决上述车用电机控 制器技术瓶颈；同时在研究的基础上已开发出高功率密度、高效与低成本的车用电机控制器， 成功搭载在力帆ＬＦ６２０纯电动警务车服务于２０１０年上海世博会。
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其中某下桥臂驱动波形测试结果如图５所示。
研发出能ＩＧＢＴ功率模块内部布局及实物如图４所示。
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蓄电池组电路采取常用的ＰＮＧＶ等效模型电路［３］，Ｒｐ，Ｃｂ和Ｃｐ分别是电池组内部的等 效电阻和等效电容。Ｒｃ和Ｌｃ是直流侧电容的等效电阻（ＥＳＲ）和等效电感（ＥＳＬ）ｒ－４］，Ｌ１，Ｌ２， Ｌａｂｌ，Ｌａｂ２，Ｌｂｃｌ和Ｌｂｃ２是叠层母线排的ＥＳＬ，Ｌａｉ，Ｌｂｉ，Ｌｃｉ，ｉ一１，２，３，４是ＩＧＢＴ内部的寄生电感。 功率主回路中的各种寄生参数对功率主回路换流暂态过程影响很大。
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关键词：电机控制器；ＰＳｐｉｃｅ；智能ＩＧＢＴ功率模块；膜电容
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ
Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｆ ＬＦ６２０ ＥＶ ｆｏｒ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｗｏｒｌｄ Ｅｘｐｏ
Ｊｕｎ Ｌｉｕ １，Ｊａｎ Ｌｕｏ ２，Ｌｉｎｇｙｕｎ Ｇｕ ２，Ｘｉａｎｇｇｅｎ Ｄｉｎｇ ２，Ｈｕｉｌｉｎｇ Ｗａｎｇ ２，Ｙｕｎ Ｊｉａ ２
ｄｄｅｅｓｓｃｃｒｒｌｉｂｂｅｅｓｓ ｓｏｍｅ ｋｅｅｙ ｔｔｅｅｃｃｌｈｌｎｎｏｏｌｌｏ ｇ＂ｌｅｓ ， ● ＩｉｎｎｃｃｌｌｕｕｄｄＩｉｎｎｇ ｔｔ ｈｅｅ ＰＳＩＤ＂ｉｃｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＶＶＳｌ ｗｉｔｈ１１ ｍａｊ ｏｒ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ＩＧＢＴ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ（ＩＰＭ）ａｎｄ ａｐ— ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ｆｉｌｍ ｃａｐａｃｉｔｏｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｈａｖｅ
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图２车用电机控制器功率主回路ＰＳｐｉｃｅ仿真模型
国内功率模块封装企业开展具备自主知识产权的国产智能ＩＧＢＴ功率模块研发工作。借助计 算机ＣＡＤ仿真技术，优化模块内部芯片布局和布线，减少模块内部杂散电感；优化底板设计 技术，控制底板弧度，降低芯片应力；采用氮化铝ＤＢＣ基板，降低热阻；应用专有干法大面积焊 接免清洗技术，减少焊接空洞率，减少热阻；研究应力控制的压焊技术，提高电流浪涌能力，减 少引线的杂散电感等。
为了详细分析车用电机控制器功率主回路换流暂态过程，搭建了基于ＰＳｐｉｃｅ环境的ＵＳ 级时问尺度上功率主回路仿真模型，如图２所示，同时模型中考虑了回路中各部分主要的寄生 参数，建立带寄生参数的功率主回路精确模型有利于提高仿真分析的准确性。
由图２可见，仿真模型主要包括了带有寄生参数的主回路、控制电路、驱动电路和电机等 效电路四部分。主回路模型中ＩＧＢＴ为自主研发的六合一６００Ｖ／４５ ｏＡ模块，根据器件 ｄａｔａｓｈｅｅｔ参数，使用Ｐｓｐｉｃｅ的模型编辑器ＭＯＤＥＬＥＤＩＴＯＲ对其进行建模；直流侧支撑电容 为新型一体化膜电容组件，采用ＲＬＣ等效电路建模，模型中的寄生参数采用ＭＡＸＷＥＬＬ Ｑ３Ｄ寄生参数抽取方法进行抽取，并利用实验测试进行验证和修正；控制电路部分，结合实际 控制电路原理，采用ＳＶＰＷＭ控制方法并考虑死区。
功率主回路换流过程产生的电压尖峰直接影响驱动器工作可靠性，实际工作中应尽量减
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混合动力与纯电动汽车／Ｃ｝蔓ＡＰ鼍、ＥＲ Ｉｌ
图１ 车用驱动器三相全桥功率主回路电路图
小该电压尖峰的幅值，其幅值与换流回路中的寄生参Leabharlann Baidu和电机负载电流变化率相关，以ａ相桥
臂为例，换流回路总寄生电感Ｌｐ－－Ｌｃ－＋－Ｌ１＋Ｌａｌ＋ｋ＋Ｌａ３＋Ｌａ４－＋－Ｌ２，ｕｐ为寄生电感上Ｌｐ产生
２功率主回路建模
车用电机控制器主要采用典型的三相全桥电压型逆变电路，考虑到寄生参数的功率主回 路电路如图１所示。从图１可见控制器功率主回路主要包括ＩＧＢＴ功率模块、直流侧支撑电 容和叠层母线排［２１。
ＩＧＢＴ功率模块是车用电机控制器的最为重要的部件，其成本大多占电机控制器成本的 ３０％以上，功率模块的性能、可靠性与成本直接影响电机控制器产业化实现；直流侧支撑电容 是控制器中最重要的无源器件，主要作用是吸收功率模块开关造成的直流侧脉动电流从而稳 定直流侧输出电流，提高蓄电池组使用寿命，是影响控制器功率密度、可靠性及成本的关键部 件之一。
同时，智能ＩＧＢＴ功率模块内部集成驱动保护电路，该电路不仅与功率器件之间直接电 气 连接，进行控制ＰＷＭ信号的驱动放大，而且实现功率器件与控制电路的隔离，直接影 响 ＩＧＢＴ的使用安全可靠性。
本文一方面研究了分段驱动方式，在常规推挽驱动原理电路中加入可控辅助充放电电 流 源，在缩短器件开关时间的同时，降低开通过程中集电极电流尖峰和关断过程中集一射电压尖 峰，减小开关应力、损耗和噪声；另一方面研究集一射电压检测方式和短路保护实现电路，短路 发生后无延时地箝制由米勒效应造成的门电压抬升、避免误导通；第三方面建立基于ＰＳｐｉｃｅ 环境下的驱动电路与ＩＧＢＴ模块联合仿真平台，匹配驱动电路相关参数，实现高性能与高可靠 驱动与保护的功能。
经过“十五’’与“十一五’’的技术攻关，我国在车用电机驱动系统某些单项指标中已经接近 或达到国际先进水平，但是与国际先进的电动汽车发展水平相比，我国在机电一体化系统集成 设计能力，系统功率密度、系统重量比功率、功率ＩＧＢＴ模块研制与生产，产品可靠性、耐久性、 成熟度的考核和分析，面向系列化、规格化、高度可靠耐久性的产品系统开发和低成本、高质 量、大批量工艺流程和制造装备开发等方面，仍存在较大的差距。随着电动汽车产业化的推 进，这些技术差距体现在我们产品的性能与成本上，必将影响我国相关产业的市场竞争力。