一文看懂電機控制器技術的“前世今生”（圖文並茂）

技術設計新能源汽車 EMC 工程師能源新能源旺材新能源汽車 2019-06-07

一 . 電機控制器概述

1.1 電機控制器分類原則

驅動電機控制器的最核心器件是IGBT，結構工程師最關心它的尺寸和封裝形式：它的大小直接影響到外殼的尺寸以及水道的佈置形式。

據此，我將控制器分為三代：

Ⅰ、Ⅱ代電機控制器均在市場上被廣泛應用，因為成本或者應用環境的要求搭載在不同的車型上。

Ⅲ代控制器大多在工程樣機階段，本文中將分享Ⅲ代控制器的實物圖片。

產品迭代需要綜合因素的考量，控制器產品的迭代需求並不強烈，成本因素起著至關重要的作用。

本文只單純討論控制器單機的發展趨勢，以機械設計為主，軟硬件需求為輔進行闡述，對於特斯拉的並聯IGBT方案，碳化硅IGBT的興起等另發文論述。

分類：1代

封裝形式：
底板造型：引線鍵合、單面冷卻
散熱形式：傳導散熱,間接水冷
應用車型：商用車、部分乘用車

分類：2代

封裝形式：三相模塊統一封裝
底板造型：平面封裝、集成Pin-Fin冷卻
散熱形式：直接水冷
應用車型：一般乘用車

分類：3代

封裝形式：三相模塊統一封裝
底板造型：集成型雙面冷卻
散熱形式：雙面直接水冷
應用車型：新開發乘用車

二 . Ⅰ代電機控制器

2.1 Ⅰ代電機控制器概述

Ⅰ代電機控制器的顯著特點是金屬殼體上需要設計水道，水流與IGBT不進行任何接觸，IGBT散發出的熱量需要通過其下部的金屬平板，依靠傳導方式將熱量傳遞給殼體外側的冷卻水進行散熱。

為減少傳導熱阻，通常需要在 IGBT金屬底板上塗抹導熱硅脂再與主殼體貼合。

下圖是2010年左右，新能源汽車剛剛興起時的設計方案，薄膜電容是借用的工業常用的圓柱電容。

現在車用電機控制器基本已經沒有使用圓柱電容的了。（上圖缺失了一個覆蓋除端子座外的塑料罩板，用以隔離接線出接線區域；另外還缺少一個通氣塞，用以平衡高低溫變換時殼體內的壓強。）

2.2 Ⅰ代電機控制器實物範例一

▲控制器總佈置

▲IGBT模塊安裝位置

▲三相單獨封裝IGBT模塊背面

▲IGBT模塊與驅動電路板總成

▲工業電容外形的薄膜電容

▲薄膜電容參數

▲水冷蓋板外形

▲主殼體的水道造型

2.3 Ⅰ代電機控制器實物範例二

▲控制線接口

▲高壓線接口及水管接頭

▲交流母排及電流傳感器Ⅰ

▲交流母排及電流傳感器Ⅱ

▲直流母排及絕緣隔板

▲高壓線束快插接頭座

▲控制電路板

▲通氣塞位置及通氣塞

2.4 Ⅰ代電機控制器後結構設計發展概要

分享的實物電機控制器是2010年左右比較有代表性的車用控制器產品，隨著新能源汽車市場的快速發展，電機控制器的各部分零部件均有不同程度的改進和發展，與結構設計相關的進展有如下幾點：

IGBT自身集成Pin-fin水冷散熱結構，由傳導散熱發展成單面直接水冷，主殼體無需構造水道，降低了殼體的設計及製造難度；
定製的方形薄膜電容開始廣泛應用，降低了直流銅排的設計難度，取消了電容支架，簡化了裝配流程，提高了生產效率；
EMC防護設計水平開始提升，部分產品在直流母排輸入端加入共模電感，濾波電路板等，有的公司將交流母排也加入了共模電感以加強系統的控制精度和提升系統效率；
通過細化結構設計，產品的功率密度逐漸提升，小型化、輕量化成為發展趨勢；
電壓等級逐步提高，高壓控制器開始湧現。高壓控制器具有輸出電流小、系統損耗低、電壓利用率高、輸出容量大等優勢；
部分機型的高壓線束系統開始應用快插接頭取代傳統的格蘭頭，主要是整車廠為了加快生產效率，降低裝配風險而要求的；
有些廠家嘗試應用金屬衝壓件來做控制器的上蓋，用以降低自重和製造成本，目前來看效仿者不多，推測可能是EMC防護能力太弱導致的失寵；
為適應廠家的安全性需要，產品上增加了放電電路板、通氣塞、高壓互鎖開關等部件。

三 . Ⅱ代電機控制器

3.1 Ⅱ代電機控制器概述

Ⅱ代IGBT模塊集成的Pin-Fin散熱結構與冷卻水直接接觸，換熱面積大，熱交換效率高，能有效降低控制器的溫升速度，提高控制器的輸出容量上限。同時，降低了機械設計工程師的匹配設計難度，方便搭載和應用。目前該模塊形式廣泛應用於乘用車車型中，應用Ⅱ代IGBT模塊的電機控制器具有如下特點：

系統峰值功率遠高於同參數的Ⅰ代IGBT模塊；
控制器體積更小、重量更輕，功率密度更高；
搭載Ⅱ代IGBT模塊的控制器產品比搭載同功率的Ⅰ代IGBT模塊的控制器造價高很多。

經試驗測試， Ⅱ代模塊與Ⅰ代模塊相比，模塊總熱阻大大降低，如水溫約20℃、水流量4~9L/min時，模塊的總熱阻最高降低33%。另外Ⅱ代模塊內各芯片的溫度分佈更為均勻，利於模塊的均流特性。

3.2 Ⅱ代電機控制器軟硬件要求

高可靠性設計

控制器內部無線纜連接的模塊式控制單元設計、單板塗敷加厚三防漆、強弱電分區隔離、去耦屏蔽設計；
車規級控制技術，軟件架構基於Autosar架構開發；
產品滿足 ISO26262設計標準；
全汽車級專用器件，耐溫等級105℃。

完善的保護功能

過壓，欠壓，過流，短路，過載，過熱（功率模塊、電機和電路板），超速，自檢，故障診斷（診斷傳感器信號開路、短路、接電源和接地故障電路，含位置傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，各種低電壓傳感器），CAN丟失、MCU監控、高壓互鎖、開蓋互鎖、輔助電源故障、通訊故障等保護;
符合ISO14229的UDS診斷服務及Bootloader功能，滿足整車廠對UDS的需求。

快速的動態響應

轉速控制精度高及過沖量小；
力矩控制精度高和快速響應，為極限工況的運行可靠性提供保障；
旋轉變壓器的零位自動校正功能，可在車輛行使情況下自動校正零位。

四 . Ⅲ代電機控制器

4.1 Ⅲ代電機控制器模塊概述

Ⅲ代IGBT模塊雙面冷卻方案是把溫度傳感器和電流傳感器功能集成，實現對整個模塊進行芯片級的管理，同時集成水冷流道的散熱結構。

以散熱器內部使用經典的Pin-Fin散熱流道方案為例，闡述一下雙面水冷模組的優勢。

水冷設計的重點包括流量的均恆，散熱流族限制下的Pin針形狀和大小的優化設計。基於同樣的總流量假設，雙面水冷較之單面水冷，熱阻可以減小32%，同時水路壓降跌落也只有其35%。

同時，對於雙面散熱，僅增大27.5%的壓力，就能獲得雙倍於單面水冷的總散熱流量。同等條件下，採用雙面水冷散熱後，輸出功率能夠增加30%以上。如果採用更優化的水冷板設計，控制器的電流能力能夠增加50%甚至更多。

雙面水冷模組：功率密度提升88%：

4.2 Ⅲ代電機控制器

Ⅲ代電機控制器以高功率密度、抗過載能力強，深得乘用車廠的青睞，工程樣機屢見不鮮，是否已經量產卻不得而知。雙面水冷方案使Si基的IGBT模塊性能發揮到了極致，是值得推廣應用的技術方案，但模塊的高溫可靠性還需時日加以驗證。

尺寸：261*204*100
冷卻系統：雙面水冷
工作溫度：-40~105℃
功率密度：40kW /L
電壓等級：300~750V / 150~490V
輸出電流：800A
輸出功率：120~200kW
重量：7kg

模塊化設計：功率覆蓋全車型

根據外形推測這兩款控制器應用的是富士雙面水冷M653 IGBT模塊：

五 . 電機控制器技術發展趨勢

5.1 電機控制器硬件發展趨勢

IGBT應用雙面水冷結構增加散熱能力，輔助結溫檢測功能強化溫度精確管控，增大電流通流量。

母線電容受限於材料特性，薄膜電容最高耐溫105℃，隨著IGBT散熱能力的大幅改善，母線電容成為了制約控制器整體的耐溫上限（125℃）的“最短板”，因此必須提升母線電容的散熱能力，所以集成水冷結構的薄膜電容將會受到重用。同時在電容直流輸入端集成共模電感或濾波電路，加強EMC的防護能力也將會在部分產品中加以實施。

PCB將會以“多層、分區、合板” 的設計原則進行發展，減少連接器和線束，提升抗干擾能力。