各位同仁，大家好!我今天带来的是HEV混合动力车型配套电控的解决方案，分享之前我先介绍一下我们公司。我们公司全名叫“华域汽车电动系统有限公司”，是华域汽车系统股份有限公司旗下和航天科工合资成立的，我们公司总部在浦东金闻路88号，主要产品是做新能源汽车，汽车用的驱动电机以及配套的电机控制器。产品的覆盖范围电机在40-350kW，扭矩80-450Nm，电压低电压100V到高电压800V，转速覆盖到2万转。电控产品完全覆盖我们的电机产品，和电机配套。我今天分享双电控分为五部分，背景、基本架构、关键技术、难点技术、双电控产品介绍。
双电控产品背景
本方案主要是针对的混合动力车型，混合动力车型国家2020年10月27日发布了《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，把混合动力整车做了一个定义。其中针对混合动力乘用车这块，专门有一个技术架构。然后政策发布了之后肯定有一个引导，所以在这个里面进一步明确了定义了混合动力汽车的发展趋势。到最终到2035年节能汽车与新能源汽车的销量各占50%，全面电动化。混合动力新车占传统新能源乘用车的100%。
这个是政策里面提炼出来的，标红的是针对混合动力车型，大概分三个时间节点。2025年混合动力汽车占到传统能源乘用车的50%以上，2030年混合动力新车占传统能源乘用车的75%以上，2035年就是100%。混合动力乘用车发展路线作了明确的规定，目标有重度混合、轻度混合、中度混合都作了定义。所以我们今天主要是针对混合动力，油电混合HEV车型的电控的配套作了一个方案的解决。
双电控的基本架构
从传统来说按照实现方式有三种架构：
第一种独立式，也就是MG1(电动机控制)和MG2(发电机控制)电控是独立的两套系统：MG1分别有主控板、驱动模块来做一个箱子;MG2也是一样的，是独立式的产品，集成度不高，成本优势也比较差，技术实现也比较容易。体积优势肯定是比较差。
第二种是搞一个箱子，用两块主控板加两个驱动模块组装完成，主要集成方式是物理集成，水道共用，有一定的集成度，比独立式的肯定有成本优势，技术实现难度主要是在集合设计上还有水道设计上，体积也具有一定的优势。
第三种是一块主控板，用一个MCU完成两个驱动模块的驱动。是一个软硬件的集成方式，各方面集成度、成本优势、技术难度、体积在这块都比较占优，今天主要分享的就是第三种高集成的解决方案。
基本架构这边有一个比较简易的系统架构，选用的芯片是使用英飞凌的TC387，后面会就这个芯片作进一步的说明。主要是单主控芯片加一个独立的低压电源的芯片，实现了扭矩功能安全的要求。软件的架构我们按照AURIX架构搭建，主要是包含基础软件以及应用层，同时也按照混动技术中的安全的要求来做。
双电控的关键技术
这部分分为四大块：关键器件应用技术、系统效率提升技术、高效热管理技术、低成本设计技术。
关键器件应用技术，先来看看核心的主控芯片。选用的AURIX TC38x，处理速度和关键的参数这块都有列。最主要是ISO26262 ASIL D等级的安全芯片。分为四个核：Cpu0和Cpu1是锁步核。Cpu0有bootloader、初始化运行程序及LV3级别的处理器监控，Cpu1是LV2功能监控层，即针对双电机扭矩级监控，Cpu2是LV1功能实现层，主要是实现MG1控制，Cpu3也是一个功能层实现MG2的控制。右边这块是使用芯片的一个系统架构图。
芯片选完了接下来该选功率模块，功率模块既可以选用普通硅的IGBT也可以选碳化硅(SiC模块)，特征就是要使用封装一致的模块，这样方便互换使用。碳化硅主要的优势体现在它的开通关断速度，通过双脉冲测试对比，主要是SiC开通关断所形成的反冲电压的尖峰比Si-IGBT小很多。还有效率，我们这里有福特汽车就Si-IGBT与SiC控制器EPA工况效率对比，使用了SiC的效能比Si-IGBT的效能要明显占优势：相同的城市工况下，SiC MOSFET损耗为2.12%，而Si-IGBT是9.1%;城郊工况下，SiC MOSFET损耗为0.34%，而Si-IGBT是2.29%。所以，应用SiC具备更低的损耗、更高的功率密度、更高的耐电压等优势。
最后是膜电容选型，因为常见的膜电容有陶瓷、电解、薄膜，汽车应用主要是大电流、低感量、高纹波、耐高温。设计重点膜厚及规格、芯包热设计、固定方式，这块提供了一个支撑膜电容的电流波形。这些都是我们在应用时需要注意的，一般通过计算和电路仿真来确定膜电容的参数。
高效热管理技术，双面控的散热尤为重要，因为双电控产品配套的整车有一个发动机，发动机的散热使得环境温度都在90度左右。我们在散热考虑的重点主要是机壳、水道设计材料选取，还有水道面积、材料重量之类的。水道设计这块肯定是有一些独特的设计方式，使得和功率模块的接触面积最大化。这块是提供了一个比较简易的水道的实现方式，做了一个仿真。针对电容的散热可能大概有不同的实现方式，这块是做了一个导热垫，电容跟它接触形成一个散热的渠道。
系统效率提升技术，存在比较多的解决方案和策略，这里抽取了几个关键点分享。
第一个是MTPA区域拓展技术，我们都知道永磁同步电机有拐点，在拐点之前可以用MTPA实现最小电流输出最大的扭矩以保证效率，拐点之后就需要弱磁，大家的弱磁算法肯定有差异，所以我们尽量要把MTPA这个区域进行拓展，基本原理就是MTPA根据电压极限圆和电流极限圆的交叉点做策略，可以在控制过程中尽量沿着这些交叉点进行拓展控制，这样可以实现MTAP的拓展，对比下来效率基本上能提升3%。
第二个技术变频控制技术的应用，我们都知道功率模块的开关损耗比较大，从图上可以看到为什么存在和功率器件的开关频率存在关系，在开关瞬间电流和电压有重叠期，根据开关损耗的公式能看到这个频率对它的影响比较大。所以我们在应用控制的整个过程当中我们要做一个变频控制，可能在低转速的时候我们选用2KHz的主频，在高转速时主控频率我们选用12KHz。这样，在整车全工况运行中根据电机转速来选取合适的控制频率，一般变频的范围是在2KHz~12KHz区间，同时，当出现电机堵转的工况的时候，也要快速的应用变频技术将主频降至2KHz或者合适的控制频率范围，以防止电机烧掉。
第三个是过调制技术。这个技术目前行业的大部分都在用，该技术也比较成熟，从应用情况来看，控制器的效率在弱磁区域得到大幅的提升，从试验测试对比数据看，没有过调制的话控制器效率在98.16%;使用过调制技术后控制器效率达到了98.55%。
最后是PWM综合控制策略技术，我们都知道在PWM控制的过程当中有一个最小脉宽的设置，会影响到效率。还有我们在控制过程当中选用不同的控制方式，比如说五段式、七段式，整个控制过程当中都是对效率有影响，五段式较七段式减少三分之一的开关次数，可以达到降低开关损耗的目的，调节比较高时，两者谐波含量比较相近，所以可以根据最小脉宽、五段式级七段式进行综合控制，在软件算法上可以作一个综合性的策略来实现PWM的综合控制，从而提升系统效率。
低成本设计技术，双电控低成本话的话肯定是要做一个平台化的开发，主要考虑到模块可以复用。相对于传统的独立控制部分需要传感器、MCU、驱动、电源都是×2，我们这里只有一个MCU，只有一个低压供电电路，达到复用的效果，对用主控芯片复用，在设计过程中芯片的选型要依据靠资源数、引脚数、功能及安全相关需求;同时在设计中要简化最小系统的电路架构，减少器件数量;复用好处在软件方面只需要考虑维护一个代码，量产时只需烧写一次。电源电路复用要简化电源拓扑，降低成本，减少PCB面积，做一些多层、合板设计，设计过程当中充分考虑电源的带载能力和散热的能力。最后是传感器的复用：有母线电压采样，控制器板温的检测都是要充分考虑的。
低成本还有一个软解码，大部分厂家也都在做这块，并且都已经成熟应用，这块主要是通过硬件电路的设计以及软件的策略来实现，将旋变解码芯片替代掉，直接通过硬件传过来的信号实现旋变位置的解析和故障的处理。优势是架构简洁，成本低，可靠性高，可更好满足功能安全：客户若有功能安全需求，则这就是一种冗余设计;若没有功能安全需求则就是一种降低成本的实现方式。
接下来是电机定转子温度在线估算，永磁同步电机转子温度主要是根据温度和磁链的线性关系来实现估算。还有电机定子绕组温度估算主要是通过热网的模型来实现，这个图片是根据我们做的一个仿真和实测的对比。
最后一块是功率模块结温估算，我们在IGBT埋热电阻比较容易实现，但是在SiC应用后这个封装比较小，想要在埋的话比较困难，所以就更需要做结温的估算了。我们这个是基于IGBT的结温估算，这个估算也是采用热网模型建立一个功率模块的热学传导的模型，一般通过仿真和实验对模型参数进行标定，在软件中建立功耗模型和热阻模型，实现对IGBT结温实时估算。下图是实测的温度和仿真的估算做的对比，目前做下来基本能达到±10℃以内。
双电控的难点技术
双电控因为有较高的集成设计，面临两大难点，一个是EMC的要求，一个是针对NVH问题。
EMC主要是从功率部分面临的难点：双逆变器干扰大。可以考虑增加一些滤波器的设计，同时也需要考虑体积与可靠性。还有通过软件算法策略做一些规避，将开关相位错开，还有载波频率错开。电源部分主要难点是电源功率大，用电设备多，设计初期需要进行EMC设计，主要实现的手段可能有电路仿真这类的。减小环路面积与地平面设计相匹配，放置滤波器件，降低干扰的传递。接插件的设计，低压接插件直接连接PCB为了节约成本，要考虑接压件的可靠性还有滤波处理。高压接插件要考虑接地以及做一些屏蔽。
关于电驱系统NVH优化改善，我们这边主要从软件上采用低成本的思路来做一些优化设计，主要采取的措施有三块，一个采用抖频控制改善电机高频啸叫，第二个采用谐波注入技术抑制，第三个采用主动阻尼技术，当然还有变频控制也会相应的改善NVH。
双电控产品介绍
我们公司设计的一款双电控平台，主要是针对油电混合HEV车型推出双电控控制器平台，兼容多种混动拓扑，控制器参数在这块，功率模块主要有普通IGBT和比较热门的SiC，电压范围普通Si-IGBT覆盖到400多伏，SiC覆盖到800多伏。 额定功率100kW，峰值功率覆盖到210kW，主要是可根据需求进行拓展，可以集成一些其他的模块，如DC/DC，DC/AC，双向OBC，PDU，EPS/EHPS控制P档控制，泵电机控制等功能模块，安全级别可以达到ASIL C。 产品的关键特点是基于平台化设计，肯定要做充分的验证，功能肯定要覆盖好多。 国内的，比如说主流车型，功能肯定要足够强大，成本一定要占据优势，基于平台化开发可以缩短开发周期，可选用不同的模块规格，实现不同功率等级的选型，可以应用普通Si-IGBT，也可以用SiC，包括大部分零件的通用性我们都有考虑。 可定制的功能： 这里面有温度估算、软解码、OTA、驻坡助手，ASC、防腾飞保护、CANFD、主动防抖、ASIL B/C，还有其他的一些功能可供大家选择，这里不再赘述。
今天就分享这些，谢谢大家!
