电动汽车电机控制器介绍

        电动汽车“电控”，一般指电机控制器，是电动汽车“三电”中的又一核心。电动汽车要实现加速、定速巡航、能量回收，都要依靠电机控制器。电机控制器可以说是电动汽车的“控制中心”，驾驶员下发的控制指令，都要通过电机控制器来执行。某纯电动汽车电机控制器如图1所示。

图1  某纯电动汽车电机控制器

        同样拿遥控车来进行比较，如图2所示。遥控车的控制电路板能够接受来自遥控器的信号，控制遥控车进行加速、倒车等。纯电动汽车上的电机控制器实现与之相同的功能。

图2  遥控车的控制电路板

        因为电动汽车的电机转速范围宽，输入输出功率大的特点。功率输出范围从0~200KW（可能更高），一般燃油轿车的发动机功率在100KW以下。因此电动汽车的瞬时功率输出能力比燃油车大，自然在加速、爬坡上性能优于一般燃油汽车，所以我们可以看到电动汽车起步“秒杀”百万级豪车的新闻并不觉得奇怪。

        电动汽车的电机控制器作为纯电动汽车控制系统的核心，内部组成与原理当然也比较复杂。根据我平时的教学经验，我将电机控制器分成高压系统和低压系统两部分，这样可以有一个明确的思路去找故障源。因为一旦出现故障，要么是高压系统坏了，要么是低压系统坏了，或者是两个系统都坏了（这种情况极少）。

        如果各位接触过电动自行车的控制器，就是图3中这货，理解起来就更直接了。

图3  电动自行车的控制器

        当然如果你有电动自行车，拆下来看看就当学习了。红色方框里面的是“驱动管”，其实就是MOS管，通过驱动管来控制电流的输出，相当于电动汽车上的“高压系统”。蓝色方框内的电路板是控制板，作用是控制驱动管输出电流，这样就可以控制电机加速、实现回收动能发电了。是不是觉得有点眉目了呢？那我们再转过来看纯电动汽车的电机控制器。纯电动汽车的电机控制器，实现的基本功能和电动自行车需要实现的功能查不多，比如控制电机正反转、加减速、回收动能发电什么的。图4是纯电动汽车的电机控制器。

图4  纯电动汽车的电机控制器

①首先是之前提出的电机控制器内部的“高压系统”

        凭直觉可以想到，电动汽车一两吨重，电机控制器当然不可能用电动自行车那种巴掌大的那种。从技术角度讲，电动汽车的控制器可以输出上百千瓦的功率，不是一两个驱动管能搞定的。MOS管驱动能力已经很强了，但是还是不适用于电动汽车上。这里我们进行一个简单的计算：假设电动汽车的电池电压为350V，要求瞬间输出一个70KW的功率，根据P=U*I,那么控制器需要输出的电流I=P/U,则I=70000W/350V=200A。这么大的电流已经远超出了MOS管的驱动能力了，于是工程师们设计出一款适用于高功率输出的元器件—IGBT，我们可以吧IGBT理解成“超级大号的MOS管”。目前具有实用性的电动汽车普遍采用的是IGBT作为高压驱动管，实际就是图5这个样子，让各位一饱眼福，因为很多人修了几年的电动汽车都没见过。

图5  IGBT实物

        这就是电机控制器里面的IGBT，是一个很神奇的高科技产品，下可用于电动汽车的驱动，上可以用到“电磁大炮”、航母的“电磁弹射”的控制。目前能生产IGBT的厂家很少，能生产性能优良的IGBT的厂家更少，所以不用想这玩意不便宜，坏了也不可能修复。还好目前市场上几大品牌的电动汽车都坏的很少，比如特斯拉、比亚迪，故障率都在千分之一左右。

②然后就是电机控制器的“低压系统”

        电动汽车的低压系统和电动自行车控制器的低压系统都是一块块电路板，如图6所示。

图6  IGBT控制电路板

        既然IGBT是那么高科技的东西，IGBT如果坏了除了换新的就没办法了。那么电机控制器还有什么可修的呢？当然就是低压系统大有可为了，而且低压系统出故障的几率远大于高压系统。比如电路板上的某个电容爆了，某个三极管过热失效了等等，都是故障源。低压系统的那一块块电路板，作用就是接收来自驾驶员的控制指令，把驾驶员的控制意图反映到电机控制器的功率输出上（背书）。所以电机控制器的低压系统工作原理就是：接收来自驾驶员的控制指令，将加驾驶员的操作意图变成对电机的控制。电机控制器低压系统的输入来自传感器信号，输出的是对IGBT的控制信号。维修时首先要判断是输入部分故障、或者是处理部分故障、再或者是输出部分故障这三方面。这样维修的目标就明确了。

        电机控制器内部布局如图7所示：上面是低压系统的控制电路板，下面是IGBT相关的高压系统。

图7  电机控制器拆解示意图

        因为输出电流很大，IGBT发热是必然的，主流电动汽车的电机控制器都采用的是水冷，通过循环的冷却液来为IGBT降温，否则热量累积产生的高温就会烧毁IGBT。电机控制器外部接口如图8所示：

 

图8  电机控制器接口示意图

        图8是工程师画的三维图，实物如图9所示，是某知名国产品牌纯电动汽车最新款的电机控制器，但它的作用不仅仅是控制电机工作，还有将三相交流电变为直流电进行充电的功能，全称是“双向逆变充放电式电机控制器”，很有技术含量。

图9  某国产纯电动车的多功能电机控制器

        最后介绍下电机控制器的故障现象。从宏观的角度来讲，电机控制器坏了最严重的故障是导致电动汽车抛锚，无法正常行驶，如果这种情况发生在车辆行驶中，可能会因为车辆突然失去动力而导致交通事故。电机控制器一般故障是低压系统的某元器件失效，如CAN通信模块故障导致电机控制器无响应，IGBT控制板故障导致车辆不能正常加速等。高压系统故障一般是IGBT故障，比如控制某一相输出的IGBT性能下降，输出能力减弱，导致电机控制器输出缺相，反映在电动汽车上就是行驶中电机出现异常噪声，或者动力输出不稳定，车辆在加速时有窜动或顿挫感，类似于燃油汽车的发动机缺缸。当出现这几种现象时，IGBT离完全损坏已经不远了，应当立即更换。

        介绍完纯电动汽车的三电，大家应该对纯电动车有了一个基本的认识，至少在纯电动汽车知识上时实现了“扫盲”。下一节我将讲解纯电动汽车能量流动图，和大家一起学习纯电动汽车中各个模块之间的能量关系，为后续的动力系统维修知识的学习打下基础，尽情期待。