隨著新能源汽車和混合動力汽車的發(fā)展，電力電子在汽車上有了用武之地。目前行業(yè)里面，車用的電機大多數(shù)都是永磁同步電機，也有異步電機(Tesla)、無刷直流電機和有刷直流電機，電機均需要電機控制器進行轉矩、轉速控制。這里主要講講我最熟悉的永磁同步電機控制器，以后有機會再講講電機。由于汽車的特殊用途，車用電機控制器有著區(qū)別于普通變頻器的特點。下面遙爾泰小編給大家講講車用電機控制器的用途及其功能特點。

　　車用電機控制器高性能

　　汽車的低速起步需要較大的啟動轉矩，汽車的高速巡航需要寬范圍的功率區(qū)。這兩個特點就要求控制器在低速時具有高過載能力(通常為額定電流的2倍以上)，高速時能有較寬的弱磁恒功能力

　　車用電機控制器高轉矩

　　較大的啟動轉矩，就要求控制器在低速時能輸出較大的電流。大家都知道，低速時對應的電流頻率也很低，頻率很低帶來的問題就是某一個功率器件(IGBT或二極管)會發(fā)熱的時間較長，熱應力會大大增加，會損壞器件或降低器件的壽命。極端的情況是，汽車在開上馬路牙子時，司機會猛踩油門，但車基本不會動，這種電機堵轉的工況，控制器基本輸出的是直流，電流持續(xù)流過某一個器件，熱設計時需要全面評估。

　　車用電機控制器寬轉速

　　較高的轉速范圍，就要求驅動系統(tǒng)有較寬的恒功率區(qū)，從而要求控制器有較強的弱磁能力。因為永磁體的磁場是基本恒定的，隨著轉速的升高，反電動勢越來越大，當其值高于電池電壓后，控制器就會失控，所以需要用弱磁電流將電壓控制在可控范圍內(nèi)。簡單的弱磁就是發(fā)現(xiàn)電壓升高后，增加弱磁電流，電壓就會被壓下去。但是對于車用永磁電機來說，隨著轉速的升高，弱磁電流增加到一定值后，再增加弱磁電流反而沒有用了。此時弱磁電流減小，電壓反而能控制住。這個特點簡直反人類……這就產(chǎn)生了所謂的MTPV(Maximum Torque Per Voltage)控制策略，下圖中的H到E這一段。

　　車用電機控制器高效率

　　新能源汽車的能量來源都很寶貴，驅動系統(tǒng)的效率直接影響了續(xù)航里程，所以要求驅動系統(tǒng)的高效率，也即每一度電盡可能跑遠一點。目前行業(yè)里面，峰值效率都標到了95%，高于80%效率的區(qū)域都多于90%，不知道這里面有多少水分。下圖紅色區(qū)域就是高效區(qū)，一般電機設計時會通過優(yōu)化，把高效區(qū)設計到車輛行駛最經(jīng)常運行的區(qū)域，峰值效率一般也出現(xiàn)在這個區(qū)域的中心。在低速和高速段，效率都不高;在高轉矩段，效率也不高。電機設計好了，其效率區(qū)就基本確定了，控制器需要將其控制在最優(yōu)點。所謂的最優(yōu)點，就是驅動系統(tǒng)轉矩輸出滿足司機給定的轉矩指令前提下，盡量減小驅動系統(tǒng)的損耗。傳統(tǒng)的優(yōu)化方向，就是在同樣的轉矩輸出下，輸出最小的電流。但電流僅僅影響的是銅損，電機損耗還有鐵損、機械損耗，控制器還有開關損耗和導通損耗，如果把這些都考慮進去，工作量相當大。

　　車用電機控制器電機的非線性

　　車用永磁電機都是凸極電機，而不是表貼電機。下圖的藍色槽里面，就是裝永磁體的地方。凸極電機最大特點就是D軸電感小于Q軸電感，所以轉矩不止跟Q軸電流有關，D軸電流也會影響轉矩，所以有MTPA(Maximum Torque per Ampere)控制策略。

　　DQ軸電感不相等也就罷了，DQ軸電感還非線性。由于磁飽和的影響，DQ軸電感隨著電流的增加，還會減小。Q軸電感的變化最明顯，變化從1到1/2左右。下圖的紅線是Q軸電感，藍線是D軸電感。

　　另外，和教科書上不一樣的是，DQ軸的電感還不解耦。也就是隨著D軸電流的變化，會影響Q軸磁場，同樣Q軸電流也會影響D軸磁場。雖然DQ軸互感和自感相比小很多，但也是一個不可控因素啊。

　　電機的磁場會隨著電機溫度的增加而減小，通常和常溫下有10%到20%左右的衰減，這也會影響電機的出力。

　　電機的電阻會隨電機溫度的增加而增加，會造成電阻的壓降變大。

　　環(huán)境

　　車每天在外面跑，面對的環(huán)境各式各樣。高溫、低溫、高濕、鹽霧、海拔、震動，每一樣都是在設計階段需要考慮，后期需要反復驗證的。前兩年，北京下大雨，如果這種情況下，電動汽車在立交橋下被水淹了怎么辦?所以控制器和電機有IP67的要求，就是在水下泡著，一樣能工作。

　　安全

　　上面所說的都是只實現(xiàn)基本功能，汽車行業(yè)還有安全需求。產(chǎn)品質量好，可靠性高，并不意味著安全。因為哪怕你有那么一絲壞的概率，就可能會造成車毀人亡的慘劇。汽車行業(yè)的安全，就是你需要考慮到所有的可能風險，并對這些風險進行評估，并采集積極有效的措施，對這些可能的后果規(guī)避。就是如果失效發(fā)生了，也有安全機制避免造成不良后果。這就需要在軟硬件設計上，大量的考慮，工作相當復雜。這方面有ISO26262標準進行指導。

　　舉個例子，考慮到安全和風險，車用電機控制器的架構會分為三層。Level1是功能實現(xiàn)層，實現(xiàn)基本的電機控制功能。Level2是功能監(jiān)控層，監(jiān)控level1的執(zhí)行過程和結果，如果發(fā)現(xiàn)結果不對，就采取故障保護措施。Level3是控制器監(jiān)控層，其物理上(芯片、時鐘)完全獨立于功能控制器，其監(jiān)控功能控制器是否正常工作，如果發(fā)現(xiàn)功能控制器失控，將采取獨立的故障保護措施。