摘 要：新能源客車取消發(fā)動機后，發(fā)動機輔件功能由電動部件取代，如空壓機、轉(zhuǎn)向助力、發(fā)電機等，分別由單獨控制器控制使得整車布置困難，零部件控制器的集成成為技術(shù)發(fā)展的必然。因此集成多合一控制器在新能源客車上的應(yīng)用越來越廣泛。本文基于某款新能源客車集成多合一控制器的測試分析，研究集成多合一控制器在整車搭載匹配中的電磁兼容性、抗振動能力、散熱能力、系統(tǒng)效率等方面的設(shè)計和優(yōu)化，對提高控制器性能發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：新能源客車 多合一控制器 測試與優(yōu)化

我國2021年10月出臺的《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達(dá)峰行動方案》，簡稱中國“雙碳”目標(biāo)，預(yù)示著常規(guī)動力的車輛會逐步退出，發(fā)展電動汽車是實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑[1-2]。因此電動汽車會越來越普遍。

為減小電動汽車高壓動力系統(tǒng)的體積、重量，提高布置空間利用率，同時減少高壓部件間的線束連接、降低成本，電動汽車多采用集成多合一控制器的方案。因此集成多合一控制器是電動汽車的關(guān)鍵零部件，需要對其進(jìn)行多方面的測試及評價。

本文基于某款新能源集成多合一控制器的測試分析，研究集成多合一控制器在整車搭載匹配中的電磁兼容性、抗振動能力、散熱能力、系統(tǒng)效率等方面的設(shè)計和優(yōu)化。

1 一種新能源集成多合一控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文介紹的新能源客車用集成多合一控制器，集成驅(qū)動電機控制模塊、DC/DC、高壓配電、轉(zhuǎn)向油泵電機控制模塊、氣泵電機控制模塊等，各模塊通過CAN總線與整車交互控制指令和狀態(tài)信息，圖1為多合一控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 多合一控制器整車搭載測試

本文以某款純電動公交車為集成多合一控制器搭載對象，研究多合一控制器的搭載測試內(nèi)容及目的如下：

2.1 電磁兼容能力測試

通過車輛搭載測試，評估多合一控制器對整車電磁環(huán)境的影響，收集整車運行時的電磁兼容數(shù)據(jù)，分析產(chǎn)生EMI的主要干擾源與傳播路徑，為適用于整車環(huán)境下的控制器電磁兼容優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2.2 抗振動能力測試

通過車輛搭載測試，評估多合一控制器各部件在振動環(huán)境下的穩(wěn)定性，為控制器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2.3 散熱能力測試

通過車輛搭載測試，評估多合一控制器各部件溫升情況，為多合一控制器的空間結(jié)構(gòu)及散熱方式優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2.4 系統(tǒng)效率測試

通過車輛搭載測試，評估集成控制器驅(qū)動系統(tǒng)效率情況，為電機控制器的控制優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

3 電磁兼容能力測試

整車根據(jù)《GB/T 18387電動車輛的電磁場發(fā)射強度的限值和測量方法寬帶，9kHz～30MHz》對電磁場發(fā)射強度進(jìn)行檢測。從車輛右電場垂直極化峰值掃描曲線（車輛以64km/h車速穩(wěn)定運行）上看，超標(biāo)頻率主要在3M-30MHZ的高頻段。

3.1 檢測超標(biāo)分析

電磁干擾的形成需要三個要素的共同作用：“干擾源”“敏感設(shè)備”“傳播途徑”。目前電動車上主要在干擾源與傳播途徑上力求減小電磁干擾，即要求各個部件、高壓線束的電磁輻射盡可能的小。因超標(biāo)頻率主要在3M-30MHZ的高頻段，分析主要需從電磁干擾耦合途徑上處理。

電磁干擾的耦合途徑，分為空間耦合和傳導(dǎo)性耦合?？臻g耦合主要是天線輻射，而傳導(dǎo)性耦合主要通過地線和電源影響。因此從以下方面進(jìn)行分析：

①系統(tǒng)架構(gòu)布局;

②高低壓線纜布置;

③高壓部件外殼、高壓線纜屏蔽層接地點方案。

3.2 設(shè)計優(yōu)化

3.2.1 整車系統(tǒng)布置優(yōu)化

由于存在車內(nèi)的線束傳導(dǎo)、空間耦合、電源和地電位串?dāng)_等問題，這些整車上電氣零部件所產(chǎn)生的電磁干擾會影響車輛其它電子電氣產(chǎn)品的正常工作。因此整車部件的布局、布線、線纜、接地等至關(guān)重要。

3.2.2 高低壓線纜布置

為防止高壓線纜產(chǎn)生的電磁干擾，對多合一控制器的信號傳輸造成電磁干擾而發(fā)生控制異常的隱患，整車高低壓線纜布置采用分開分層布置。

整車高低壓線纜在布置走線上進(jìn)行優(yōu)化，避免形成大磁環(huán)。高低壓平行走線間隔在400mm以上，在無法達(dá)到該距離的情況下，高低壓線纜相互垂直走線[3]。

3.2.3 高壓部件外殼、高壓線纜屏蔽層接地方案

集成控制器、驅(qū)動電機、電輔件外殼均有單獨的搭鐵點，采用專用搭鐵線就近搭鐵。集成控制器接地點處有一條金屬編織帶就近連接至車體搭鐵螺栓，長不超過500mm，寬大于30mm，編織密度大于85%，編織帶總體阻抗不大于20mΩ，控制器接地電阻小于100mΩ。

驅(qū)動電機三相線的屏蔽層，集成控制器端的接插件采用屏蔽層壓接方式進(jìn)行處理。而驅(qū)動電機端，屏蔽層與格蘭頭屏蔽環(huán)連接。

屏蔽接地通常采用兩種方式：屏蔽層單端接地和屏蔽層兩端接地。

①屏蔽層單端接地是在線束的一端將金屬屏蔽層直接接地，另一端懸空不接地。

在屏蔽層單端接地情況下，非接地端的金屬屏蔽層對地之間有感應(yīng)電壓存在，感應(yīng)電壓與電纜的長度成正比，但屏蔽層無電勢環(huán)流通過[4]。單端接地就是利用抑制電勢電位差達(dá)到消除電磁干擾的目的，這種接地方式適合長度較短的線路。

②兩端接地是將高壓線束的金屬屏蔽層的兩端均連接接地。

在屏蔽層兩端接地情況下，金屬屏蔽層不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流通過，如果兩端的電勢不相等，將形成很大的電勢環(huán)流，而環(huán)流會在屏蔽層中產(chǎn)生干擾電壓。

經(jīng)以上分析，取消驅(qū)動電機端的屏蔽層壓接。

3.3 優(yōu)化后測試

整改后對車輛電磁場發(fā)射強度進(jìn)行測試。右電場垂直極化峰值掃描曲線（車輛以64km/h車速穩(wěn)定運行），見圖2所示。

4 抗振能力測試

整車依據(jù)《GB/T 28046.3-2011 道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗 第3部分：機械負(fù)荷》進(jìn)行集成多合一控制器的抗振能力測試。多合一控制器裝車后在顛簸路況進(jìn)行模擬振動測試。試驗后集成控制器外觀無緊固件松脫、無松動等異?，F(xiàn)象，內(nèi)部的電路板、線束連接無脫落、無松動、無損壞，所有功能正常工作。集成控制器在振動環(huán)境下穩(wěn)定性良好。

振動會使材料承受周期應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于疲勞極限時，根據(jù)疲勞累積損傷理論可知，每一個循環(huán)的應(yīng)力作用會使材料內(nèi)部產(chǎn)生一定量的損傷，這些損傷可以不斷累積，當(dāng)累積到一定程度后會產(chǎn)生疲勞斷裂，疲勞斷裂是常見的振動失效[5]。因此，如果設(shè)計不當(dāng)可能導(dǎo)致控制板上出現(xiàn)斷裂失效或者信號接插件引線斷裂。

集成多合一控制器的抗振防振設(shè)計，在如下幾方面的措施保障了裝車運行的穩(wěn)定性：

4.1 內(nèi)部防振設(shè)計

①集成控制器采用一體式壓鑄而成，提高了整機剛性；

②加強了內(nèi)部PCB電路板的強度，采用剛性好質(zhì)量輕的材料；

③控制器采用的螺釘都有彈簧墊圈，提高減振作用。

4.2 控制器安裝方面

采用三孔定位支腳安裝方式， 增強了集成控制器穩(wěn)定性。同時支腳與車架之間安裝采用具有彈性的膠墊，對顛簸路況起到緩沖作用。

5 系統(tǒng)效率測試

整車依據(jù)《GB/T 18488.2-2015 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法》進(jìn)行集成多合一控制器的系統(tǒng)效率測試。

電機電控總成通過臺架標(biāo)定測試，得出電動系統(tǒng)效率曲線和饋電系統(tǒng)效率曲線。在DC540V驅(qū)動工況下系統(tǒng)最高效率為94.6%。

5.1 系統(tǒng)效率分析

電機控制器是將直流逆變?yōu)榻涣鞯囊环N電機控制裝置，其逆變原理基于PWM技術(shù)。電機控制器的效率提升對電機電控系統(tǒng)效率及整車經(jīng)濟(jì)性都很關(guān)鍵。電控系統(tǒng)的效率提升主要從以下幾個方面進(jìn)行分析：

5.1.1 直流母線電壓的選擇

直流母線電壓等級是電機控制器參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)，直流電壓的大小合理選擇直接影響電機端電壓。直流電壓過高，可能產(chǎn)生大量諧波，另外動力電池成本增加；直流電壓過低，弱磁控制難度大，影響電機效率和性能。

5.1.2 動態(tài)載波頻率控制

電機電控系統(tǒng)最主要的損耗來源是逆變器部分，逆變器損耗70%來自開關(guān)部分。

從開關(guān)損耗角度降低損耗，研究了載頻動態(tài)調(diào)整技術(shù)。通過仿真試驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)整開關(guān)頻率后，控制器效率最大可以提升2%左右，使用動態(tài)載頻率技術(shù)，尤其是在低轉(zhuǎn)速，對載頻要求不那么高的時候，調(diào)整載頻可以有效降低控制器的損耗，提高控制器的效率，載頻不能無限制下調(diào)，還需要考慮整車噪音和電機控制的需要。

5.2 系統(tǒng)效率提升

通過以上分析，將集成控制器母線電壓提升至DC650V，在500rpm以下電機控制器采用固定4kHZ載波頻率，500rpm以上電機控制器采用動態(tài)載波頻率，同時采用DPWM發(fā)波技術(shù)和過調(diào)制技術(shù)，電機電控系統(tǒng)效率得到提升。

電機電控系統(tǒng)效率從最高效率94.6%提升至95.8%。高效比例（高于90%）從68.5%提升至81.2%。

提高控制器母線電壓有利于電機性能的提升，提高系統(tǒng)效率。推薦直流母線電壓450V～750V。母線電壓的提高，控制器內(nèi)元器件耐壓等級需同時提升。

6 散熱能力測試

集成控制器的主要散熱點在主驅(qū)電機控制器的IGBT模塊，模塊的尺寸和封裝形式直接影響控制器設(shè)計尺寸和水道設(shè)計。通過電機電控系統(tǒng)散熱量進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的匹配計算，選擇合適散熱面積的散熱器。整車?yán)鋮s系統(tǒng)中冷卻水通過循環(huán)水泵，先經(jīng)過集成控制器，再到驅(qū)動電機，最后到散熱水箱。

集成多合一控制器內(nèi)驅(qū)動電機控制器、轉(zhuǎn)向油泵電機控制器、空壓機電機控制器及DCDC均有溫度監(jiān)測傳感器，能通過實時CAN報文將溫度信息發(fā)送至整車儀表顯示。

搭載車輛在轉(zhuǎn)榖試驗臺進(jìn)行中國典型城市公交循環(huán)工況，循環(huán)測試。通過CAN記錄盒實時記錄集成多合一控制器各控制器的溫度，并形成曲線（如圖5所示）。驅(qū)動電機控制器溫度最高69℃，轉(zhuǎn)向油泵電機控制器溫度在38-41℃，空壓機電機控制器溫度最高44℃，DCDC溫度穩(wěn)定在39℃。從曲線上看，各控制器溫度較穩(wěn)定，均未超過報警閥值。

7 結(jié)語

本文基于某款新能源客車集成多合一控制器，研究其在整車搭載匹配中的電磁兼容性、抗振動、散熱、系統(tǒng)效率等方面的性能，通過對測試結(jié)果進(jìn)行分析，并針對性的進(jìn)行了優(yōu)化，取得一定成果。通過以上研究有助于企業(yè)掌握新能源商用車的核心技術(shù)，建立健全集成控制器開發(fā)流程及測試評價體系，對集成控制器在新能源客車應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李洪慶，韓超，劉磊.我國電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題[J].汽車文摘，2023（09）：36-41.

[2]張振麗.“雙碳”背景下新能源汽車的機遇與挑戰(zhàn)[J].專用汽車，2023（03）：10-12.

[3]苑懷志，沈博識，李堃愷，等.淺談新能源汽車線束應(yīng)用布置[J].汽車電器，2023（04）：8-10+14.

[4]蔡少飛.高壓及控制電纜屏蔽層接地方式探析[J].黑龍江電力，2019，41（04）：324-328.

[5]盧鋼，陳建明，沈丁建，等.新能源汽車電機控制器振動疲勞耐久性能優(yōu)化[J].機械強度，2020，42（04）：1000-1006.