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！