电机控制器模块化设计浅谈

知识点：电机控制器模块化

随着新能源汽车发展逐步完善，各个类型的比较完整的纯电动汽车产品线已经逐步形成，同时各大主机厂也在不断规划和完善自己公司的车型平台，希望在电动浪潮中占据一席之地。

图1

通过对国内纯电动乘用车动力系统匹配数据进行统计与分析，可以看出趋势比较明显的乘用车纯电驱动系统平台，如图1所示，这也同时引导着各零部件厂家对公司产品进行平台化、模块化设计，以便自己公司的产品像一个标准品，能适用各个主机厂的要求，或者即使不能完全满足也可以通过模块重新组合设计快速满足客户的需求。

电机控制器作为大三电之一，在零部件厂家的平台化、模块化规划如何？下面我们来对此进行简单介绍。

一、平台化

平台化是每个控制器厂家的“梦想”，大家也都在朝这个方向发展，当然这个也是根据整车车型平台来定的，一般控制器厂家根据行业整车车型平台需求规划以下几个平台：

1.1 针对低速车或A00级车，规划30KW以下MOS平台控制器，由于整车电压平台以及MOS管耐压等级，此平台电压等级一般在200VDC以下，如下图2所示为某公司MOS平台产品，由于此平台控制器适用对应车型为国民代步车，价格相对比较低，所以该平台产品在满足客户需求及产品品质要求的前提下，对成本控制也是相当关键，相关元器件选型及主控DSP芯片与其它平台选型也会稍有区别；

图2

图3

1.2 针对个别高压A00、A0级以及2.5T以下面包车、轻卡等车型，以及控制器本身用IGBT电流输出能力，规划了80KW以下平台产品，此平台电压等级一般为400VDC以下，如上图3所示为某公司该平台产品，因为此平台最开始也是根据乘用车需求打造，所有软硬件平台都按功能安全要求设计，元器件都选用满足汽车级器件；

1.3 针对A级车、SUV及以上乘用车车型，同时也根据现有IGBT电流输出能力，一般规划了100-200KW平台产品，此平台电压等级一般为400VDC以下,此平台功率范围跨度较大能同时满足A级车及以上平台，主要跟所用的IGBT模块（如下图4所示）强相关，最大输出电流为820A和950A的IGBT模块外形封装尺寸完全兼容，同时其它相关元器件选型按大功率尺寸来进行设计，大小元器件设计上做兼容，满足两款功率段产品需求，并且该平台产品与上述80KW平台一样，因这两个平台产品基本都应用于乘用车，对产品要求相比其它平台更加苛刻，元器件包括IGBT和主控DSP芯片均采用汽车级器件，同时产品满足ISO26262要求；

图4

图5

1.4 针对4.5T以下轻卡及6米以下公交等高压车型，规划了120KW左右平台控制器，此平台电压等级一般为500VDC左右，应用于商用车车型，如上图5所示为某公司该平台产品，由于受IGBT模块尺寸限制，此平台产品相比上述3中介绍的产品尺寸略大；

1.5 针对4.5T以上卡车及8米以上公交等高压车型，规划了150KW-300KW大功率、高电压平台产品，此平台产品目前基于上述4中介绍的IGBT进行双并联或是三并联来进行设计，电压等级基本都大于500VDC,如下图6所示为某公司双并联电机控制器。

图6

产品平台化后，把电机控制器外形尺寸尽可能做小，这样已经可以满足部分整车空间布置要求，当然也有很大一部分整车对电机控制器提出各种特殊要求，需要零部件厂家进行开发定制，零部件厂家为快速响应客户的定制化要求，也在最开始的设计中进行模块化设计。

二、模块化

电机控制器在模块化设计上每家各有差异，下面从电机控制器三个专业方向简单介绍一下在模块化设计上做的一些工作：

2.1 软件方面

现在乘用车电机控制器软件上基本是基于AUTOSAR架构（如下图7所示）来进行编写，各相关功能程序都是模块化，程序框架上主要分为几大块：

1) 应用层程序代码，主要包含CAN通讯协议、逻辑控制、参数标定等。

2) 底层配置程序，主要包含的是系统时钟、中断、采样等配置，该底层配置程序一般单独制作为库文件。

3) FOC算法程序，算法程序基本都为公司的核心机密程序，该程序为保密基本都封装为库文件，主要包含的就是算法。

4) 引导程序，主要包含的是最小系统和CAN通讯模块，用于和烧写上位机通讯并进行代码烧写。

5) 标定上位机，主要用于标定参数。

6) 电机MATLAB程序，用于电机标定id、iq生成程序。

图7

软件程序基本都已经平台化，针对不同车厂客户只需要对接协议和逻辑需求；软件工程师在程序的某个模块中更改部分程序即可很快满足客户要求，当然现在行业内也慢慢从手写代码向simulink建模自动生成代码发展，但是这种模块化设计趋势还是一样的，在simulink建模时也是按软件功能建成模块来实现的。

2.2 硬件方面

硬件方面不管是从原理图设计还是印制电路板设计，基本都是按模块化要求来设计布局并管理，如下图8所示是某电机控制器主控板PCBA模块化布局的实物图，其中根据原理图模块化子电路分为以下几个部分：

A: 数字信号处理器与时钟电路

B: 模拟信号处理电路（温度采集、电流电压信号）

C: 旋变信号处理电路

D: 数模隔离电源电路

E: CAN总线通讯模块电路

F: 数字开关量输入输出

G: 电机驱动信号及模块故障信号高速处理电路

图8

如上每个模块化子电路在其它产品设计时都可以单独调用，但基本上一个公司硬件平台固化后，除非要重新开发新平台，一般都能满足客户要求，很少有根据客户要求进行改动。当然即使要开发新平台，根据前面硬件原理图的模块化管理，对新平台的设计进度还是有很大的推进作用，大大缩短了开发周期。

2.3 结构方面

相对于软件和硬件，结构方面的模块化设计比较难实现，但平台化、模块化依旧是每家公司的奋斗目标，首先结构方面的模块化设计从标准件、通用件入手。

2.3.1 标准件

标准件的选型尽量在后续设计中通过对非标件尺寸的调整尽量借用现有型号，同时如果新公司在开始设计产品时就对标准件型号进行规划，如无特殊要求尽量不去增加标准件，并且建立标准件库，方便后续设计时借用。

2.3.2 通用件

通用件设计其实是一个管理和技术相结合的工作，首先最开始的通用件设计者要有全盘意识，要了解公司产品规划情况以及零件或是模组本身特点；其次通用件要有很好的管理模式进行管理，方便后续设计者设计时能够借用到。比如现在行业有些公司常用的母线输入EMC滤波注塑组件，如下图9所示该组件由一个X电容、两个Y电容、接入铜排及注塑件组成，作为一个通用组件适用各个产品设计。

跟EMC滤波注塑组件相同，控制器内部还有其它通用零件或是通用组件，如电容组件、IGBT带电流传感器组件、输入/输出组件等，都可以根据电机控制器产品特点设计一些通用组件，达到快速满足客户需求的同时，也可以降低产品成本，做到真正的“名利双收”。

图9

其次，结构方面的模块化设计还包括产品本身进行装配模块化设计，如下图10所示E-tron电机控制器爆炸图，从图中可以看出E-tron控制器进行了一些装配模块化设计，如输入/输出模组、水道电容模组、功率模组等，在产品装配时可以实现模块化装配，提高了装配效率，最终还是可以大大节省人工成本。

图10

综上所述，不管是从快速响应客户需求还是成本最优化考虑，模块化设计理念一直是电机控制器设计者的方向。

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范