某款新能源客车用集成多合一控制器的测试与优化

厦门金龙旅行车有限公司赖志艺新能源客车取消发动机后，发动机辅件功能由电动部件取代，如空压机、转向助力、发电机等，分别由单独控制器控制使得整车布置困难，零部件控制器的集成成为技术发展的必然。因此集成多合一控制器在新能源客车上的应用越来越广泛。本文基于某款新能源客车集成多合一控制器的测试分析，研究集成多合一控制器在整车搭载匹配中的电磁兼容性、抗振动能力、散热能力、系统效率等方面的设计和优化，对提高控制器性能发挥了重要作用。我国2021年10月出台的《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》，简称中国“双碳”目标，预示着常规动力的车辆会逐步退出，发展电动汽车是实现“双碳”战略目标的重要途径。因此电动汽车会越来越普遍。为减小电动汽车高压动力系统的体积、重量，提高布置空间利用率，同时减少高压部件间的线束连接、降低成本，电动汽车多采用集成多合一控制器的方案。因此集成多合一控制器是电动汽车的关键零部件，需要对其进行多方面的测试及评价。本文基于某款新能源集成多合一控制器的测试分析，研究集成多合一控制器在整车搭载匹配中的电磁兼容性、抗振动能力、散热能力、系统效率等方面的设计和优化。1一种新能源集成多合一控制器系统结构及原理本文介绍的新能源客车用集成多合一控制器，集成驱动电机控制模块、DC/DC、高压配电、转向油泵电机控制模块、气泵电机控制模块等，各模块通过CAN总线与整车交互控制指令和状态信息，图1为多合一控制器的系统结构图。本文以某款纯电动公交车为集成多合一控制器搭载对象，研究多合一控制器的搭载测试内容及目的如下：2.1电磁兼容能力测试通过车辆搭载测试，评估多合一控制器对整车电磁环境的影响，收集整车运行时的电磁兼容数据，分析产生EMI的主要干扰源与传播路径，为适用于整车环境下的控制器电磁兼容优化设计提供2.3散热能力测试通过车辆搭载测试，评估多合一控制器各部件温升情况，为多合一控制器的空间结构及散热方式优化设计提供依据。2.4系统效率测试通过车辆搭载测试，评估集成控制器驱动系统效率情况，为电机控制器的控制优化设计提供依据。整车根据《GB/T18387电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法宽带，9kHz～30MHz》对电磁场发射强度进行检测。从车辆右电场垂直极化峰值扫描曲线（车辆以64km/h车速稳定运行）上看，超标频率主要在3M-30MHZ的高频段。3.1检测超标分析电磁干扰的形成需要三个要素的共同作用：“干扰源”“敏感设备”“传播途径”。目前电动车上主要在干扰源与传播途径上力求减小电磁干扰，即要求各个部件、高压线束的电磁辐射尽可能的小。因超标频率主要在3M-30MHZ的高频段，分析主要需从电磁干扰的耦合途径，分为空间耦合和传导性耦合。空间耦合主要是天线辐射，而传导性耦合主要通过地线和电源影响。因此从以下方面进行分析：①系统架构布局;②高低压线缆布置;③高压部件外壳、高压线缆屏蔽层接地点方案。3.2设计优化3.2.1整车系统布置优化由于存在车内的线束传导、空间耦合、电源和地电位串扰等问题，这些整车上电气零部件所产生的电磁干扰会影响车辆其它电子电气产品的正常工作。因此整车部件的布局、布线、线缆、接地等3.2.2高低压线缆布置为防止高压线缆产生的电磁干扰，对多合一控制器的信号传输造成电磁干扰而发生控制异常的隐患，整车高低压线缆布置采用分整车高低压线缆在布置走线上进行优化，避免形成大磁环。高低压平行走线间隔在400mm以上，在无法达到该距离的情况下，高低压线缆相互垂直走线。3.2.3高压部件外壳、高压线缆屏蔽层接地方案集成控制器、驱动电机、电辅件外壳均有单独的搭铁点，采用专用搭铁线就近搭铁。集成控制器接地点处有一条金属编织带就近密度大于85%，编织带总体阻抗不大于20mΩ,控制器接地电阻小于100mΩ。驱动电机三相线的屏蔽层，集成控制器端的接插件采用屏蔽层压接方式进行处理。而驱动电机端，屏蔽层与格兰头屏蔽环连接。屏蔽接地通常采用两种方式：屏蔽层单端接地和屏蔽层两端接地。①屏蔽层单端接地是在线束的一端将金属屏蔽层直接接地，另一端悬空不接地。在屏蔽层单端接地情况下，非接地端的金属屏蔽层对地之间有感应电压存在，感应电压与电缆的长度成正比，但屏蔽层无电势环流通过。单端接地就是利用抑制电势电位差达到消除电磁干扰的目的，这种接地方式适合长度较短的线路。②两端接地是将高压线束的金属屏蔽层的两端均连接接地。在屏蔽层两端接地情况下，金属屏蔽层不会产生感应电压，但金属屏蔽层受干扰磁通影响将产生屏蔽环流通过，如果两端的电势不相等，将形成很大的电势环流，而环流会在屏蔽层中产生干扰电压。经以上分析，取消驱动电机端的屏蔽层压接。3.3优化后测试整改后对车辆电磁场发射强度进行测试。右电场垂直极化峰值扫描曲线（车辆以64km/h车速稳定运行），见图2所示。整车依据《GB/T28046.3-2011道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验第3部分：机械负荷》进行集成多合一控制器的抗振能力测试。多合一控制器装车后在颠簸路况进行模拟振动测试。试验后集成控制器外观无紧固件松脱、无松动等异常现象，内部的电路板、线束连接无脱落、无松动、无损坏，所有功能正常工作。集成控制器在振动环境下稳定性良好。振动会使材料承受周期应力，当应力大于疲劳极限时，根据疲劳累积损伤理论可知，每一个循环的应力作用会使材料内部产生一定量的损伤，这些损伤可以不断累积，当累积到一定程度后会产生疲劳断裂，疲劳断裂是常见的振动失效。因此，如果设计不当可能导致控制板上出现断裂失效或者信号接插件引线断裂。集成多合一控制器的抗振防振设计，在如下几方面的措施保障了装车运行的稳定性：4.1内部防振设计①集成控制器采用一体式压铸而成，提高了整机刚性；②加强了内部PCB电路板的强度，采用刚性好质量轻的材料；③控制器采用的螺钉都有弹簧垫圈，提高减振作用。4.2控制器安装方面采用三孔定位支脚安装方式，增强了集成控制器稳定性。同时支脚与车架之间安装采用具有弹性的胶垫，对颠簸路况起到缓冲作整车依据《GB/T18488.2-2015电动汽车用驱动电机系统第2部分：试验方法》进行集成多合一控制器的系统效率测试。电机电控总成通过台架标定测试，得出电动系统效率曲线和馈电系统效率曲线。在DC540V驱动工况下系统最高效率为94.6%。5.1系统效率分析电机控制器是将直流逆变为交流的一种电机控制装置，其逆变原理基于PWM技术。电机控制器的效率提升对电机电控系统效率及整车经济性都很关键。电控系统的效率提升主要从以下几个方面进行分析：5.1.1直流母线电压的选择直流母线电压等级是电机控制器参数设计的基础，直流电压的大小合理选择直接影响电机端电压。直流电压过高，可能产生大量谐波，另外动力电池成本增加；直流电压过低，弱磁控制难度大，影响电机效率和性能。5.1.2动态载波频率控制电机电控系统最主要的损耗来源是逆变器部分，逆变器损耗70%来自开关部分。从开关损耗角度降低损耗，研究了载频动态调整技术。通过仿真试验发现，调整开关频率后，控制器效率最大可以提升2%左右，使用动态载频率技术，尤其是在低转速，对载频要求不那么高的时候，调整载频可以有效降低控制器的损耗，提高控制器的效率，载频不能无限制下调，还需要考虑整车噪音和电机控制的需要。5.2系统效率提升通过以上分析，将集成控制器母线电压提升至DC650V，在500rpm以下电机控制器采用固定4kHZ载波频率，500rpm以上电机控制器采用动态载波频率，同时采用DPWM发波技术和过调制技术，电机电控系统效率得到提升。电机电控系统效率从最高效率94.6%提升至95.8%。高效比例（高于90%）从68.5%提升至81.2%。提高控制器母线电压有利于电机性能的提升，提高系统效率。推荐直流母线电压450V~750V。母线电压的提高，控制器内元器件耐压等级需同时提升。集成控制器的主要散热点在主驱电机控制器的IGBT模块，模块的尺寸和封装形式直接影响控制器设计尺寸和水道设计。通过电机电控系统散热量进行冷却系统的匹配计算，选择合适散热面积的散热器。整车冷却系统中冷却水通过循环水泵，先经过集成控制器，再到驱动电机，最后到散热水箱。集成多合一控制器内驱动电机控制器、转向油泵电机控制器、空压机电机控制器及DCDC均有温度监测传感器，能通过实时CAN报文将温度信息发送至整车仪表显示。搭载车辆在转榖试验台进行中国典型城市公交循环工况，循环测试。通过CAN记录盒实时记录集成多合一控制器各控制器的温度，并形成曲线（如图5所示）。驱动电机控制器温度最高69℃,转向油泵电机控制器温度在38-41℃,空压机电机控制器温度最高44℃,DCDC温度稳定在