電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的控制器硬件架構(gòu)

以下文章來源于SysPro系統(tǒng)工程智庫 ，作者SysPro系統(tǒng)工程

導(dǎo)語：前段時(shí)間有星友咨詢，想了解電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的控制器(逆變器)硬件架構(gòu)，今天我們借助Infineon主驅(qū)逆變器的硬件架構(gòu)說明下這個(gè)問題。

下圖是電動汽車主驅(qū)牽引逆變器系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖。牽引逆變器是電動汽車中的關(guān)鍵組件，對于車輛的性能和效率具有決定性的影響，它負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和扭矩，實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)還具備促進(jìn)再生制動功能，以便在車輛減速時(shí)為電池充電。為了提高整體系統(tǒng)性能并延長行駛里程，先進(jìn)的牽引逆變器設(shè)計(jì)特別注重三點(diǎn)：高效率、低開關(guān)損耗以及出色的熱管理。我計(jì)劃用幾篇文章，從核心組件、系統(tǒng)功能、安全特性、關(guān)鍵特征四個(gè)維度解釋下這張圖。今天我們先看看第一部分：核心組件。

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01核心組件

1.1 AURIX微控制器

我們先看看逆變器的核心控制單元：AURIX微控制器。Aurix是整個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)的中央大腦，在電機(jī)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過高性能計(jì)算與控制、精確控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、安全與可靠性、高效能源管理以及集成與可擴(kuò)展性等方面的優(yōu)勢，為電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了強(qiáng)大的支持。具體來說說：

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一、高性能計(jì)算與控制

AURIX微控制器以其高性能的CPU內(nèi)核和先進(jìn)的架構(gòu)，能夠提供強(qiáng)大的計(jì)算能力。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，這種高性能計(jì)算能力是必不可少的，因?yàn)樗枰獙?shí)時(shí)處理來自傳感器的大量數(shù)據(jù)，并快速計(jì)算出控制策略，以確保電機(jī)的精確和高效運(yùn)行。

二、精確控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

AURIX微控制器集成了多種外設(shè)和功能模塊，如GTM(Generic Timer Module)等，這些模塊專門設(shè)計(jì)用于電機(jī)控制。通過精確的時(shí)間管理和信號處理，AURIX微控制器能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的精確控制，包括轉(zhuǎn)速、扭矩和位置的精確調(diào)節(jié)。這對于提高電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

三、安全與可靠性

AURIX微控制器在安全性方面表現(xiàn)出色，它集成了硬件安全模塊和先進(jìn)的加密技術(shù)，能夠保護(hù)電機(jī)控制系統(tǒng)免受外部攻擊和內(nèi)部故障的影響。此外，AURIX微控制器還支持多種安全標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，為電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了可靠的安全保障。

四、高效能源管理

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，能源管理是一個(gè)重要的考慮因素。AURIX微控制器通過其低功耗設(shè)計(jì)和先進(jìn)的電源管理技術(shù)，能夠有效地降低系統(tǒng)的能耗，提高能源利用效率。

五、集成與可擴(kuò)展性

AURIX微控制器具有良好的集成性和可擴(kuò)展性，它支持多種通信協(xié)議和接口，如CAN、LIN、FlexRay和以太網(wǎng)等。這使得AURIX微控制器能夠輕松地與其他系統(tǒng)組件進(jìn)行集成和通信，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的整體優(yōu)化和擴(kuò)展。

1.2 Power Stage

接下來我們逆變器核心執(zhí)行單元：Power stage，它主要負(fù)責(zé)將控制器輸出的控制信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的電力信號，有些公司也稱其為Power Conversion，即DC/AC功率轉(zhuǎn)換單元。這一過程包括電壓和電流的轉(zhuǎn)換，以及電能的傳輸和分配。通過精確控制power stage中的開關(guān)器件(如IGBT、MOSFET等)，可以實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換與傳輸、精確控制電機(jī)運(yùn)行、能量回收與利用以及提高系統(tǒng)可靠性與安全性等多重作用。

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一、電力轉(zhuǎn)換與傳輸

以IGBT為例。IGBT具有高電壓、大電流和高頻率特性，使其成為電力傳遞和開關(guān)控制的理想選擇。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，IGBT能夠?qū)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓直流電(HVDC)轉(zhuǎn)換為交流電(AC)，以滿足電機(jī)的運(yùn)行需求。這一轉(zhuǎn)換過程是通過控制IGBT的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)IGBT處于開啟狀態(tài)時(shí)，電流可以從集電極流過;反之，當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電流則無法通過。

二、精確控制電機(jī)運(yùn)行

IGBT的快速開關(guān)速度使其能夠在瞬時(shí)變化的電路環(huán)境中迅速切換，結(jié)合電機(jī)本體的特性，通過一定的標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行的精確控制。電機(jī)控制系統(tǒng)通過控制IGBT的開關(guān)狀態(tài)，可以精確地調(diào)節(jié)電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)，以提升電機(jī)的運(yùn)行效率、降低能耗，并延長電機(jī)的使用壽命。

三、能量回收與利用

在電動車輛中，IGBT還負(fù)責(zé)在制動時(shí)將部分制動能量回收并存儲到動力電池中。通過控制IGBT的開關(guān)狀態(tài)，電機(jī)控制器可以將電機(jī)的發(fā)電能量轉(zhuǎn)換為直流電，并將其存儲到動力電池中，從而提高能量利用效率。這一功能有助于延長電動車輛的續(xù)航里程，并降低運(yùn)行成本。

四、提高系統(tǒng)可靠性與安全性

IGBT具有高可靠性和長壽命的特點(diǎn)，能夠在惡劣的工作環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。此外，IGBT還具備過流、過壓和過熱等保護(hù)功能，能夠在檢測到異常情況時(shí)及時(shí)切斷電源或降低功率，以保護(hù)電機(jī)和整個(gè)控制系統(tǒng)的安全。這些特性有助于提高電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，降低故障率和維修成本。

1.3 IGBT Driver IC

英飛凌IGBT Driver IC在電機(jī)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著精確控制IGBT開關(guān)、提供電氣隔離與保護(hù)、優(yōu)化開關(guān)性能與降低損耗、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性以及支持多種電機(jī)控制策略等多重作用。

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一、精確控制IGBT開關(guān)

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是電機(jī)控制系統(tǒng)中的核心功率器件，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。英飛凌IGBT Driver IC能夠精確控制IGBT的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效、精確驅(qū)動。通過調(diào)節(jié)IGBT的門極電壓和電流，Driver IC能夠確保IGBT在開通和關(guān)斷過程中具有穩(wěn)定的電氣特性，從而優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行效率和性能。

二、提供電氣隔離與保護(hù)

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，IGBT Driver IC通常具備電氣隔離功能，能夠?qū)⒖刂破髋c高壓功率電路隔離開來，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。同時(shí)，Driver IC還集成了多種保護(hù)功能，如過流保護(hù)、過壓保護(hù)和短路保護(hù)等，能夠在檢測到異常情況時(shí)及時(shí)切斷電源或降低功率，以保護(hù)IGBT和整個(gè)控制系統(tǒng)的安全。

三、優(yōu)化開關(guān)性能與降低損耗

英飛凌IGBT Driver IC采用了先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)和電路設(shè)計(jì)，能夠優(yōu)化IGBT的開關(guān)性能，降低開關(guān)損耗和電磁干擾(EMI)。通過精確控制IGBT的開通和關(guān)斷過程，Driver IC能夠減少電壓和電流的波動，從而降低功率損耗和熱量產(chǎn)生。同時(shí)，Driver IC還能夠提高IGBT的開關(guān)速度，加快電機(jī)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

四、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性

IGBT Driver IC的高度集成化和優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于提高電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過減少外部組件的數(shù)量和簡化電路設(shè)計(jì)，Driver IC能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和故障率。同時(shí)，Driver IC還具備強(qiáng)大的抗干擾能力和容錯(cuò)能力，能夠在惡劣的工作環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，確保電機(jī)的可靠運(yùn)行。

五、支持多種電機(jī)控制策略

英飛凌IGBT Driver IC能夠與多種電機(jī)控制策略相結(jié)合，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。通過精確控制IGBT的開關(guān)狀態(tài)，Driver IC能夠支持電機(jī)實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的控制，從而滿足電機(jī)控制系統(tǒng)對高性能和高精度的要求。