新能源乘用车主驱动方案.docx

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新能源乘用车主驱动方案

目录与索引

引言[说明]

2014年11月公司开展了用于新能源汽车主驱动电机控制的车载电机控制器的基础研究。

经过两年的探索，公司已经掌握了设计开发车载电机控制器的一般方法。

本项目的目标客户群体为物流车、微面等小型车型的电驱。

概述

该项目有几个目标：

（1）设计紧凑，安装空间小，高功率密度；

（2）平台概念设计，可根据客户要求定制；

（3）满足国内法规标准

产品功能和特性[说明]

●本次设计的电机控制器应用于新能源乘用车，物流车和微面的控制；

●母线电压范围为150~430Vdc；

●三相电流能力：

持续120A，峰值220A；

●需兼容异步感应和永磁同步电机的开环控制；

●水冷；

●电机控制器额定状态效率要不低于98%；

产品开发环境[说明]

●硬件开发环境：

OrCAD；

●软件开发环境：

●结构设计开发环境：

Pro-E，AutoCAD；

●热设计开发环境：

Icepak；

产品应用环境[说明]

●电气环境：

●环境温度：

－40～85℃；冷却液温度-40~65°

●防水等级：

IP67；

●海拔：

1000m满载；3000m内功率降额使用，安规需满足3000m海拔要求；

●振动：

1.2mm，10~25Hz;50m/s2，25~500Hz

需求分析与系统方案设计

系统的组成[说明]

从产品功能单元来划分，可以分为以下几个子系统：

1）输入输出接口

主功率：

RST功率输出，DC+，DC-电池输入

控制信号：

通讯接口，CAN

编码器接口，旋转编码器

模拟输入接口，模拟输入接口数量（踏板信号）

数字输出接口，数字输出接口数量2个留两路（风扇控制信号？

）

数字输入接口，数字输入接口数量4个（苏州穆欧动力科技，PRDN），默认高电平，但是高低电平可以切换；另外预留两路数字量输入口，点火和使能。

操作器和程序下载端口

电池接口

电机温度采样

2）母排和母线支撑电容

3）IGBT功率模块

4）驱动板；

5）主控板；

6）EMC方面：

简单处理？

系统功能框图[说明]

图1系统框图

系统框图如上图1所示，系统的功能主要由IGBT功率模块、驱动板、控制板来完成的。

其中驱动板主要完成的功能包括：

1）提供驱动电源；

2）驱动IGBT；

3）IGBTDESAT保护；

4）电压采样；

控制板主要完成的功能包括：

1）完成驱动电机的算法；

2）电压、电流信号的调理；

3）IGBT的过压保护；

4）IGBT的过流保护；

5）IGBT过温保护；

6）电机温度采样和保护；

7）编码器速度反馈；

8）数字量输出，模拟量输入输出

9）CAN通讯

10）给驱动器提供需要的电源

系统接线图[说明]

图2系统接线图

表1驱动和控制板的接口

No.

描述

备注

1

PWM1~PWM6

6路驱动信号

2

24V

经过DCDC稳压后给驱动供电

3

5V

电流传感器等供电

4

Vbus

电压采样信号

5

Reset

驱动芯片的信号

6

Fault

7

Ia、Ib、Ic

电流采样信号

8

IGBTNTC

表2控制板对外部的接口

No.

描述

备注

1

SWCLK、SWDIO、U1TX、U1RX、BOOT0、5V

手操接口

2

蓄电池12V

蓄电池

3

EXCNOUT、EXCOUT、SIN+、SIN-、COS+、COS-

旋变

4

canH、canL

Can通讯（是否留两个？

软件确认？

）

5

电机温度采样

6

数字输入接口4个

PRDN默认高电平，但是高低电平可以切换；

7

加两个数字量接口

唤醒、使能

8

模拟量输入1个

踏板信号输入

硬件部分

硬件需求分析

详见附表：

主要硬件部分架构说明（含架构图）

本项目拟采用一级拓扑结构：

全桥逆变。

详细拓扑说明如下：

逆变架构说明：

逆变拓扑如下图3所示。

逆变架构采用目前主流、常见的全桥逆变电路，三相分别由三个逆变桥组成。

附逆变拓扑图

图3逆变拓扑图

主要器件的预选型[说明]

所属功能块

器件名

初选型号

输入输出接口

输入输出端子

逆变

IGBT模块

FS400R07A1E3

控制板排线端子

母线支撑

膜电容

法拉

电流采样

电流传感器

LEM

IGBT驱动

驱动芯片

1ED020I12FA2

主控制芯片

MCU

Xxx

电源管理

电源管理芯片

LM3481QMM

固件部分

固件需求分析

固件操作系统与CPU预选型

操作系统沿用我司现有软件平台。

CPU芯片选用STM32F103VC

控制算法预选型

结构、热流部分

结构、热流需求分析

结构方面的功能需求如下：

（1）外形尺寸：

对标苏州穆欧动力科技的电机驱动器，232X205X98以内；

（2）重量：

6.6Kg

（3）产品的安装及防盗：

（4）振动和跌落要求：

依据测试标准

（5）产品结构的可靠性要求（防护、耐腐蚀性等）：

IP67，盐雾试验根据测试标准

（6）壳体机械强度

（7）冲击测试

结构设计的实施步骤如下：

（1）根据电气方案确定各线路板的位置；根据线路板及元器件的尺寸确定箱体的外形尺寸；

（2）根据热仿真报告确定散热方案；

（3）根据外观设计确定外观。

关键部分的器件选型与预设计

1.功率模块

采用英飞凌HP1系列

2.IGBT驱动

1ED020I12FA2

3.电源系统

电源芯片参考我司常用的LM3481QMM，电源构架见下面的章节。

电源电压输入范围：

赛米控8~16V，9~18V，9~16V

大都9-16全功能状态，6-916-18允许部分功能失效。

我们定在8~16V

4.输入输出端子

5.温度降额设计

6.海拔降额设计

根据GB755-2000的有关规定，海拔在1000m以上时，每升高100m温升降低1%；参考GB/T3859.2的海拔降额要求。

EMC、安规、LAYOUT部分需求分析

1.EMC部分方案介绍

1）EMI滤波说明

2）EMC部分须遵循标准及实施步骤：

●须遵循标准

EMC标准：

GB18655等。

●EMC方案实施步骤

整机布局初期，对整机的功率流向进行审核；

PCB布局时期，对PCB的布局审核；

2.Layout需求分析：

本项目PCBlayout需求详述如下：

1）安规绝缘等级需求

安规绝缘等级：

安规绝缘等级参考IEC60664和IEC61800的要求。

主功率对外壳，主功率对弱电之间打耐压为直流3000VDC，这个根据竞争对手而来，非行业标准。

绝缘间隙的海拔降额：

2）绝缘电阻要求

测试绝缘电阻稳态必须大于20MΩISO6469-3

3）PCB综合布局、走线需求

⏹PWM信号不可打孔；

⏹强电区域内不可放入弱电；

⏹驱动离IGBT的距离要尽可能近；

⏹强电走线间距要符合安规要求；

⏹强电回路面积要尽量小，走线宽度要符合电流需求。

4）PCB布局方案

5）PCB板板材质量需求

板材和走线规范都会影响板子的质量。

就板材而言，现在基本统一使用FR4，在没有其他性价比更高的板材出来前应该不会变。

辅助电源部分

辅助电源架构说明（含架构图）

辅助电源架构图详见下图19所示（李工是否有成熟的方案可以借鉴？

）：

图4辅助电源架构图

表1电源规格

项目

输入电压范围

电压纹波

功率

5V

全功能电压范围8~16V

6~8V，16~18V限制功能运行

≤50mV

15V旋变

同上

≤150mV

5V_can

同上

≤50mV

24V后级驱动

同上

≤240mV

需要满足FS800的驱动功率

材料成本预估[说明]

材料成本预估详见下表：

批准人

Approver

日期

Date