华域电动蒋县宏:高度集成的双电控设计要点及挑战

NE时代新能源

阅读 1501    更新于2022-10-03 20:10:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

华域电动技术中心软件设计经理蒋县宏以“高度集成的双电控设计要点及挑战”为主题做了一系列分享。

各位同仁下午好!我们又见面了,今天我分享的主题是《高度集成的双电控设计要点及挑战》 ,先介绍一下我们公司。我们公司,华域汽车电动系统有限公司,简称华域电动,是华域汽车下属全资控股公司,主要致力于新能源汽车的驱动电机和电机控制器的研发和制造,总部在上海浦东。

今天分享分为四部分:

双电控技术背景

技术背景首先国家的政策层面,基于3060“双碳”目标下,国务院下发了很多文件,目前大家都在基于这些政策引导做布局。然后从电控技术趋势看,围绕:一是《中国制造2025》;二是《节能与新能源汽车技术路线2.0》。今天主要讲的是针对高度集成的双电控技术。

双电控主要针对乘用车的混动车型。混动车目前市场上的配置主要是基于P0~P4的布置,有串联、并联、串并联,还有基于功率分流的串并联架构,也有主机厂推出了自己的混动平台,如比亚迪的DMi、长城的柠檬系统。我们的双电控主要基于P1+P3的架构,当然也有Ps+P4的架构,可以去配置和应用。

当然双电控不但在混动乘用车上使用,也可以在纯电商用车上也使用,因为纯电商用车功率配置都比较高,一般重在矿车大概在250千瓦以上的需求。矿卡一般都在400千瓦的功率,所以双电控可以基于大功率的需求做这方面的应用。

高集成双电控设计

如图所示是双电控基本架构。第一种是分布式的,第二种是集成在机箱里面,但是主控板、功率模块都是独立的,第三种是今天要介绍的,主控板是合板设计,主控芯片也只用一片。从集成度、成本、难度、体积优势方面,我们也做了一个横向对比。可以明确地看出,第三种是具备优势的。

一般的双电控正向设计首先要搭一个系统架构,如图所示是双电控比较详细的系统架构,这种系统架构满足功能安全,同时也满足多合一的集成度。芯片、元器件的使用都是采用车规级的,符合ASIL-D的要求设计。

这个是简易的硬件架构图。这里面要满足一个扭矩安全、高压安全和温度安全的基本要求,我们的主控芯片使用英飞凌的Aurix系列多核芯片,以后要做集成,肯定要使用多核芯片的。我们集成了两套IGBT功率驱动模块分别驱动MG1、MG2,实现驱动和发电的功能。

如图所示是双控的软件架构图。比较经典的是符合AUTOSAR的架构,还有中间的RTE层,特别要强调的是这里面有两个模块可以支撑我们实现信息安全,加密算法模块和SecOC模块。

关键器件应用方面,我们是一个四核芯片,如图所示是多核芯片的架构图,怎么用我们也大概罗列了一下四核怎么分配的,这些核大概都罗列了一下怎么分配,主要基于客户的功能安全的考虑,可能还要涉及到一些集成,我们要集成VCU、DC/DC的东西,这些核的分配肯定是重点。

功率器件到底怎么用?我们有基于硅的IGBT的方案,也有基于碳化硅模块的方案,根据不同客户需求可以选配。这些图主要描述了碳化硅的优势,基于普通硅的IGBT大家都比较熟悉了,我这边放了一些碳化硅它的一些优势。里面涉及到开通关断的对比,整车使用的话,提升效率还是比较明显的。所以针对碳化硅的性能特点,我们是比较能够满足整车的需求。

基于硅基IGBT,目前比较网红的方案是使用NXP的GD3100的驱动芯片。一般情况下,我们要采用“菊花链链接”的方案,它可以大幅降低SPI接口数量,也可以提高写入效率。

基于碳化硅的方案,用GD3100匹配它的优势就体现不出来了。我们做过一些测试对比,用GD3100最高的频率到16khz就上不去了,推荐GD3160,符合碳化硅驱动。碳化硅驱动电路推荐桥臂串绕拟制驱动电路,主要解决上午有专家提到的开关振铃影响,当然前提我们要把整个回路杂散电感要做低。

如图所示,我们在IGBT都有配套的成熟方案,对于薄膜电容怎么选取我们也有一些常见的方案,要考虑到它的滤波吸收以及应用回路、散热等方面。现在功率越来越大,对膜电容的考验也是比较重要的,针对可靠性方面,我们对电容的散热也是设计的一个要点。

对于碳化硅的双控电容怎么设计?因为碳化硅的耐温会提高到200多度,但是我们现在膜电容的材料基本上都是在110度左右,所以怎么发挥碳化硅的优势,要从整个方案上或者联合电容供应商做系统优化。这边推荐一些低感、热管理集成技术。要将膜电容和叠层母排做集成化设计,这样可以优化它的寄生电感,又可以考虑它的散热。

在热管理方面,因为控制器散热是很关键的环节。控制器可靠性的好与不好散热很重要,所以我们在散热方面,一方面我们从材料选取上、水道面积设计上都要做一些工作。电容方面,我们要考虑电容的散热,一方面把电容布置在水道上,另一方面要在电容底端增加导热材料。另外软件上,我们要对控制器功率模块做结温估算,因为IGBT可以部署一些温度传感器,但是碳化硅模块,因为芯片本身比较小,温度传感器NTC很难进行布置,所以要做结温估算。我们推荐采用热网络模型,建立RC模型,通过仿真实验对比,可能要做相当大的一些参数标定工作,才能把这个模型搞准。

网络安全方面,今年信息安全也是大家比较关注的一个点。到底信息安全怎么做?首先要有硬件的环境,针对信息安全ISO21434要求,一要有加速算法模块,二要有存储KEY模块。我们基于芯片的HSM模块来实现,底层有一个SeCOC实现了通信加密。针对诊断、标定、刷写都可以启用0x27服务来实现安全访问。板子量产后上面的JATG口通过芯片配置,达到安全访问。

高集成化的挑战

(一)大电流散热挑战。现在电机控制器功率密度越来越追求高,以前是25kW/L,现在30~35kW/L,已经再往40~45kW/L。而且集成度也越来越高,可能不但要实现电机控制,还要增加其它功能,如升压、OBC、DC/DC等。针对使用车况,现在双电控基本上都用在混动车上,它有发动机,温度一般要求在零下40~105度的范围,耐温到底怎么做?

我这边推荐从以下几点可以考虑做一些优化。因为功率模块是固定的,要么是单面带pin散热,要么是双面水冷,在设计上针对模块本身的结构做水道设计。针对碳化硅功率模块,大部分沿用HPD封装,当然有条件可以做单管并联,这样可优化散热。在母线电容方面,受制于结构布局,一般电容都是定制化,可以跟叠层母排做一些集成,充分考虑散热的问题。

(二)双控EMC挑战。对于硅基IGBT模块,从以下几个方面:功率部分,因为是双模块逆变所以干扰比较大。一是增加滤波器;还有软件,把两个驱动机和发电机的载波频率做一个区分,做一个错位。上午有专家提到全域动态变频,变频技术对EMC也有较好的改善效果。针对电源部分,因为电源功率比较大,用电设备也比较多,可能在设计之初就要做一个正向的EMC设计。其次要减少环路面积,与地面要匹配。其次是滤波器的方案,加一些滤波器,降低干扰传递。针对接插件设计,低压接插件直接连接PCB,且铝壳包围,高压接插件接地设计和屏蔽效果。

碳化硅的EMC的设计问题,EMI去除设计方法,一般采用一些栅级电阻来实现,其次是降低环路的杂散电感。还有增加滤波器来实现。推荐可以使用RC缓冲器的方案。

(三)系统的NVH的挑战。电驱系统有发动机的NVH,还有减速器齿轴、电机的,针对减速器就是轮齿敲击、TCU耦合。电机的NVH是重点,它有一个多激励耦合、电磁径向力、斜槽、斜级、高频啸叫。所以双电控在振动方面,搭配发动机的振动等级最少要求10G,最高要求50G。怎么设计呢?我们从材料上可以考虑合金,PCBA从焊接技术上要做一些把控,还有一些点胶技术,用胶进行固定。从电控软件控制上,针对NVH做一些改善。随机PWM技术可以改善电机高频啸叫,谐波注入技术抑制电机转矩谐波,其次是主动阻尼技术,可以充分地实现NVH的改善。

整车双电控解决方案

我们的双电控设计在2018年启动,2019年完成第一代产品,2020年完成第二代。第二代产品有一个特点,加入了DC/DC的功能,也得到了充分的验证。去年又拓展了一个功能,主要是把客户的一些其他需求,比如PDU、高压配电、电子驻车功能、泵力的控制也加进去了,包括TCU也都加到里面了。今年我们主要是针对第三代的高集成的双电控的开发,今年基于ASIL C需求信息安全需求方面,进行了升级。

我们主要针对混动车型,还有一些需求功率比较大的纯电的商用车。刚提到有两款产品,一款是常规电压下的,一款是高电压下的,这边有一些参数图,不详细赘述。需要特别说明的是有一些集成功能的,如果有其他需要我们可以做一些集成,比如DC/DC、TCU、OBC之类的我们都可以做进去。

我们公司双电控产品优势我总结了一下,一个是深度化集成技术,我们这边的集成不是简单的物理集成,软件上都是一些深度集成。我们的软件要把所有的功能深度绑定做集成。其次,硬件我们都是平台化、积木化的设计,这种设计主要是为了自动化生产考虑的,因为自动化生产的积木化设计是非常必要的。最后是高性能的一些技术,我们的产品里面都是车规级的一些器件,芯片也包含信息安全、HSM模块,配套了信息安全技术、耐振动按20G设计并做测试的。功率密度目前达到了35千瓦/升,EMC等级是CLASS 4。

以上就是我今天的分享,就跟大家讲这么多,谢谢大家!

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