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 、体积，重量密度及环境温 度 。 与国际先进车用电驱系统发展水平相比 ，我国在功率密度 、可靠性及成本三方面仍存在较大差距 。 这里对车用电机控制器关键技术进行研究 ，包括考虑主要寄生参数的功率主回路建模 、智能功率模块(IPM )研发和新型膜电容应用研究 ，着力解决车用电机控制器技术瓶颈 。 在上述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 8 kW · kg～，体积 比功率为10 kW · L～。

 

l 引 言

 

发展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 ，因受车辆空间限制和使用环境的约束 ，车用电机驱动系统比普通电传动系统要求高…，用于普通电传动的电力电子与电机技术已不能适应其要求。 车用电机驱动系统技术发展趋势基本

可归纳为永磁化 、数字化和集成化 。

 

与国际先进电动汽车发展水平相比， 当前我国车用电机驱动系统的技术差距主要体现在功率密度 、可靠性及成本三方面。此处着力减小上述技术差距 ，研发出高功率密度 、高效与低成本的车用电机控制器， 驱动峰值功率 60 kW永磁同步电机 ，功率密度达10 kW · L～，最高效率达 97％。

 

2 功率主回路建模

 

车用 电机控制器主要采用 典型的三相桥式电压 型逆变电路．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~ [ 2-31。 考 虑到寄生参数 的功率主回路电路如图 1 所示 。

 

 

 

 

 

 

3 国产IPM功率模块研发

 

IGBT功率模块是车用电机控制器的核心部件 ， 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 。 因此中科院联合国内功率模块封装企业共同开展国产IPM功率模块研发工作 。

 

该模块采用六合一紧凑封装形式．电气规格为600 V ／ 450 A ，采用使用了先进沟槽栅加场终 止技术的IGBT芯片和低热阻DBC ： 同时借助计算机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 ；应用真空焊接减少焊接空洞率 ，从而减 少热阻提 高可靠性 。

 

另一 方面 ，IPM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 。 该 IPM 功率模块采用了当前较为常用的方形截面的排针作为控 制 PWM信号与驱动电源信号的接插件 ， 两接插件在空间上隔离以减小相互之间电磁干扰 ． 该IPM模块集成了控制电源欠压保护 、过流／短路保护 和过温保护 ，共输出一路故障信号。

 

4 膜电容应用研究

 

直流侧支撑电容是控制器中最重要的无源器件 ，其体积大都占控制器 的 30％以上 ．是影响控制

器功率密度 、可靠性及成本的关键部件之一 。相比于传统电解电容 ，采用聚合物膜 (聚丙烯 )作为电介质的膜 电容非常适合 电动汽车的应用条件。为获得控制器理想的电气性能 。必须选择合适的直流侧电容 ，在蓄电池组供电的条件下 ，直流侧电容的选取主要是考虑它能提供的纹波 电流有效值的大小 。 经理论分析得出直流侧 电容纹波电流有效值表达式为 ：

 

 

 

 

该膜电容10kHz时能够提供有效值为100A的峰值 纹波电流 ，可见，开关频率即使在20kHz时，其相位角仍基本保持为一 90。，也就是仍保持容性阻抗特性。膜电容具有低感、高频特性好和大电流提供能力等优点 ，非常适用于较高频率条件下。

 

 

 

5 样机研制及实验

 

研发出 60kW高功率密度电机控制器 ． 其重量 比功率为8kw · ～，体积比功率为10 kW · L ～，

额 定输入直流电压为320V 。 60kW车用电机驱动系统外特性 曲线及效率MAP图如图4所示。

 

 

6 结论

 

车用电机驱动系统作为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(1．2 kW · kg ) 、环境温度更高(105 。C ) 。 IGBT功率模块是车用电机控制器中最重要的部件 ． 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 的产业化实现 ： 直流侧支撑电容是控制器 中最重要 的无源器件 ， 其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 。

 

此处重点研究了包括考虑主要寄生参数的功率主回路建模技术 、 国产IPM模块研发以及新型膜电容应用 ，并研发一台高功率密度电机控制器 ，测试结果表明该控制器可驱动峰值功率60kW永磁电机 ．额定直流输入电压 320V ，重量比功率为 8 kW · kg～，体积 比功率为 10 kW · L～。