电动机控制器,英文全称为 Motor control unit(MCU),是电动汽车特有的核心功率电子单元,通过接收整车控制器∨CU的行驶控制指令,控制电动机输岀指定的转矩和转速,驱动车辆行驶;同时电动机控制器也能把动力电池的直流电转换为电动机所需的三相高压交流电,驱动电动机输出机械能。电动机控制器还員有电动机系统诊断保护和储存的功能。 由于逆变器和控制器高度集成在一起,因此电动机控制器广义上包含了变器和控制器两个部分,如图所示:
(1)基本结构和组成:
与整车控制器类似,电动机控制器主要由硬件和软件两部分组成,硬件包含了壳体、冷却系统、控制模块、功率模块,软件分为应用软件和底层软件,如图所示。
壳体用于硬件的保护以及密封,同时需要防水、防尘、防振动等。一般壳体上具备两对高压接口,一对直流高压输入用于连接动力电池,一对交流高压输出用于连接电动机;同时壳体上具备一只低压接头,用于连接整车控制器、通信、传感器、低压电源等,另外还有冷却系统进出口水道接口,如图所示。
功率模块一般由功率器件IGBT组成,用于对逆变器的电压和电流进行控制。由于IGBT是一个高频的开关功率元器件,工作时要消耗电能,通常流过IGBT的电流较大,会产生较大的热量,因此一般需要冷却系统进行散热,冷却系统一般集成在壳体上。
控制模块主要由PWM波生成电路、复位电路、传感器信号处理电路交互电路等组成,对外接收来自整车控制器的指令和其他部件的状态信息,对内通过应用软件和底层软件负责控制策略的生成,将指令传递给驱动电路。
(2)控制基本内容:
电动机控制器主要包含运行速度控制和运行方向控制两个方面的内容。
①运行速度控制。 采用PWM控制改变逆变器输出的三相交流电的电压和频率就可以改变电动机的转速,从而对汽车进行调速。
②运行方向控制。 通过改变逆变器中GBT的导通顺序改变输出三相交流电的相序,可以使电动机反转,从而改变汽车的运行方向PWM,即脉冲宽度调制,也称为“开关驱动装置”,英文全称为 PulseWidth Modulation,是目前控制电动机逆变器最广泛的调制方式采用PWM对逆变电路中的开关器件IGBT的通(开)和断(关)进行控制,输出端可以得到一系列幅值相等的脉冲,这些脉冲可以代替正弦波或所需要的波形。按照一定规则对各脉冲的宽度进行调制,便可改变逆变器输出电压的大小和频率,这是PWM调制的基本原理,如图所示。
从板( Local Control Unit,LCU),安装于模组内部,用于检测模组内各电芯的电压、电流、温度,并将信息传输给主板,也可以对电芯进行均衡控制。
高压保护盒( Battery Disconnect Unit,BDU),内部主要由预充电路和继电器构成,受主板控制,主要是保护电池的充放电安全。
电池管理系统的软件主要由应用层( Application Layer)和基础软件层( Basic Software,BSW)构成,两者中间设立了一个运行时环境( Run TimeEnvironment,RTE,从而使两者分离,同时负责两者的通信,形成了一个分层体系架构,如图所示。
分层设计的好处是一方面可以使车企可以根据需求专注于开发特定的应用层软件:另一方面,基础软件层主要提供基础软件服务,可以标准化。
应用层是电池管理系统的核心,包括电池保护、故障诊断、热管理、继电器控制、从板控制、均衡控制、荷电状态估计和通信管理等模块。
(2)主要功能。
电池管理系统主要有五个功能,如图所示:
①电池状态监控。 对电池系统的电压、电流、温度等数据进行采集并监测,并与整车控制器和其他控制系统进行交互,这是电池管理的最基本功能。
②电池状态分析。 电池状态分析主要包含两个方面:一是对电池的荷电状态( State of Charge,SOC)进行评估,即电池还剩多少电量,这个信息会通过整车控制器在仪表盘显示给驾驶员,电池荷电状态评估的精度和准确性决定了电动汽车电池运行的效率;二是对电池的健康状态( State of Health)进行评估,主要是监测一定时间后电池容量的衰减状态,以此评估电池性能的好坏。
③电池安全保护和诊断。 电池安全保护属于电池管理中非常重要的功能,电池的过流、过充、过放、过温等都是通过电池管理系统进行检测和保护的。如果系统监测到电池出现过流、过充、过放以及过温的异常,会及时采取措施,如切断回路、发出警告等。
④能量控制管理。 电池管理系统会进行充电控制管理、放电控制管理电池均衡管理等,目的是保证电池在最高效、最节能的情况下运行。
⑤电池信息管理。 电池信息管理主要是数据对内和对外的通信以及信息的储存,对内与电池系统内部各子部件数据的交互,对外与整车控制器和电动机控制器数据的交互,另外电池管理系统需要对电池历史信息进行储存,用于数据缓冲。
