驱动电机控制器是电动汽车的关键控制器之一,也被称为电机控制器或电控。它主要作用是接收整车控制器发出的扭矩报文指令,进而控制驱动电机的转速和转向,同时在能量回收过程中,电机控制器还要将驱动电机副扭矩产生的交流电进行整流回充给动力电池。
驱动电机控制器通常由微处理器、功率半导体、传感器、通信接口等多种组件组成。其中,微处理器是控制器的核心部件,用于处理控制指令和传感器反馈的数据,控制功率半导体开关的状态。功率半导体是控制器的主要输出部件,用于控制驱动电机的输出功率。传感器用于监测电机转速、转矩、温度等参数,确保电机的安全运行。通信接口则用于与整车控制器和其他外部设备进行数据交换和通信。
1)主控板:要求ADC采样宽可达12位,电机控制可采用FOC算法,运算频率大于10KHz,并具备一定的扩展空间。
DSP板:要求主频高达150MHz(6.67ns周期时间),具备32为浮点计算能力。板上3.3V片载闪存(16位字)高达256K,单周期访问RAM(SARAM)(16位字)高达34K,一次性可编程(OTP)ROM(16位字)高达1K。支持针对片载存/SARAM/OTP块的代码安全,支持6通道直接内存存取(DMA)
3)旋变解码板:要求激励频率5K-10KHz,将旋变位置转换为ABZ信号或以并口、SPI、IIC总线形式与DSP板通讯,具有较高抗干扰能力。
4)驱动板:要求最大工作电压不低于600V,额定电流不小于150A,上升沿下降沿时间不低于200ns,过冲电压不超200V,内部集成母线电压监控功能,功率模块基板温度监控功能、电流采集功能、功率模块保护功能。
电驱动系统的演进将与汽车形态的革新相辅相成。汽车电动化为智能汽车的发展打好了电子电气基础。预计2030年起,随着智能传感器、高算力控制器、自动驾驶AI算法走向成熟,配套基础设施逐渐完善,以自动驾驶为核心的汽车智能化也将逐步实现。未来的智能汽车时代,材料、硬件、智能驾驶技术的进一步提升,有望带来汽车形态的变革式改变。驱动电机功率密度的提升将解放汽车形态的设计,促使更多天马行空的“可能性”形成可行方案。梳理当前的热点研究方向,可展望出一条未来汽车形态的可能发展路径,包括纯电动平台、轮毂电机、飞行汽车等三个阶段。
张旭东教授主要科研方向是电传动车辆动力与驱动系统控制理论与技术的相关研究工作,研究方向包括无人车辆环境感知与决策、分布式驱动车辆底盘动力学控制等。先后承担国家及省部级纵向科研项目近10项,包括国家自然基金青年基金、青年托举国家级人才工程、北京市自然基金等,以项目副总师、分系统总师承担陆军装备部高新工程及军委科技委项目等。张旭东教授本人担任国家市场监管总局汽车召回中心技术认定专家、CCF智能汽车分会常务委员、Automotive Innovation学术编辑,担任IEEE Transactions on Vehicular Technology, IEEE Transactions on Industrial Electronics等近10个本专业顶级及重要期刊审稿人。近5年以第一/通信作者发表SCI论文20余篇,出版英文学术专著1部,授权发明专利30余项,相关成果获省部级科技奖励2项。在人才培养方面,主持教育部及北京市教改项目2项,校级教改项目多项,获北京理工大学教学成果二等奖1项,指导学生获国家及省部级创新创业奖励4项。
在汽车市场加速电动化的背景下,未来汽车形态的发展将与电驱动系统技术的进步密切相关。作为电驱动系统的核心,驱动电机的发展趋势是高效率、高功率密度、小型化、轻量化,以持续提升动力性能,并增加轮毂电机、飞行汽车等未来汽车形态/方案的可行性。预计2030年全球驱动电机市场规模达到4837亿元,复合增长率37.3%。技术方面,永磁同步电机在效率与功率密度等方面均优势显著,且成本合理,成为市场主流方案。在烧结钕铁硼方案完全成熟的背景下,永磁同步电机功率密度的突破亟待新型永磁材料的探索及应用。此外,采用圆线改扁线、水冷改油冷、SiC替代硅基器件、“多合一”集成化等方式,也可进一步提升电驱动系统的性能。由于无稀土电机路线存在瓶颈,性能及成本均缺乏竞争力,预计永磁同步电机将持续占据市场主流。