PI + 电机——电动汽车的关键技术和共性技术

PI是Power Inverter的缩写，中文可翻译成功率逆变器。它是HEV和EV的关键零部件，决定了驾驶行为和车辆的能源效率。PI主要的功能就是电机控制的实现和再生能量的回收。

为了阐述清PI的功能，我们先来看下电动汽车EV的电动力总成最简系统架构。（由于笔者之前从事相当长一段时间的传统内燃机动力系统的开发，在阐述时会不自觉把新能源动力总成和传统内燃机系统作比较，请见谅。）

图1. 电驱系统的三个主要部件

如图1所示，纯电汽车EV的电动力总成系统由三个主要部件组成：电池系统、电机和功率逆变器。电池系统是能量的储存和供应，这一部分相当于内燃机动力系统的燃油系统：油箱、油路、油泵、油轨和喷油器；电池输出直流电流，通过BMS（BCU + DCDC），提供高压和低压直流输出，其中高压部分通过逆变器PI被转换成三相交流电，并由PI输出控制电动机的工作。PI的工作相当于传统发动机系统的发动机电控系统的一部分功能，而电机相当于传统的内燃机功能。PI + 电机，组成了电驱系统，这是电动汽车的关键技术和共性技术。

下面，我们来讨论下PI的系统架构，这里只讨论纯PI的系统硬件架构。有些OEM把VCU部分和PI集成在一起，称之为EDU（E drive Unit），在此不做讨论。

图2.  PI的系统硬件架构图

图2是典型的PI系统硬件架构图。如图所示，系统可简单分成高压电机驱动（能量回收部分）和低压控制部分。DCDC模块提供PI所需的高压HV和低压LV电源，低压电源输入经过PI的电源管理模块Power Supply Module，输出3.3V, 5V, 15V作为控制电路（uC, Isolater, HS/LS， CAN Bus等）的电源；uC作为主控芯片，通过CAN获取VCU的操作信号后控制Gate Driver电路，进而控制电机的动作； uC通过监控相电流和功率管的温度，做IGBT模块的温度保护，也同时检测各芯片及控制板PCB的问题，对ECU进行温度保护。以下是一些应用的实用特性：

-- 控制板和Gate驱动通常做成两块电路板，方便内部布置（当然也可以做成一块）。

-- 低压控制模块和高压Gate Driver需要使用两块单独控制器（功能安全要求，一般PI定义成ASIL C或D）

-- 高低压HV/LV需要做隔离处理，包括相电流测量电路/Gate驱动/用于控制LV和Gate驱动端的电源/两款MCU的电源和通讯

--  DC Link电容：输出电压进行平滑滤波；防止电压过冲和瞬时过电压对IGBT的影响。

-- 电机温度传感器需要单独两个，反馈给PI（功能安全要求）

--  功率模块：

MOSFET：低电压（200V以下），高开关频率应用。导通压降低，开关损耗低
IGBT：高电压，低开关频率应用（400V/800V）。导通压降高，开关损耗低。
新应用：SiC MOSFET，抗高温，高压（1200V），高开关频率，高效率。

-- IGBT选用： 有Infineon，ROHM，Mitsubishi。目前做到的项目里，采用Infineon的IGBT模块比较多，不过对于一些尺寸要求高的应用，会采用Mitsubishi的IGBT，当然成本也会增加。

-- 挑战：降低开关损耗和散热设计一直是PI开发的难点。

最后，个人总结了以下传统发动机系统和纯电车动力总成开发的异同，供想转型和已经转型的同行们参考。