新能源汽车电机控制器功率损耗的计算

1.简介

电机控制器的损耗涵盖以下几部分：

1. IGBT导通损耗
2. IGBT开关损耗
3. 续流二极管导通损耗
4. 续流二极管开关损耗
5. DC-link电容损耗；
6. Bus bar的导通损耗
7. 其他损耗，如高压转低压辅电损耗等。
   电机控制器的工作状态不同，其损耗各不同。将从以下两方面介绍电机控制器的功率损耗：
8. 理论计算模型：主要介绍介绍电机控制器各器件功率损耗的计算过程，可用于Matlab仿真建模，从而得知电机控制器的理论效率值和损耗值。
9. 工程应用模型：主要先介绍电机控制器功率损耗与各输出入量之间的关联性，通过离线实测输出值功率，再比较实际输入功率，建立功率损耗2D表，最后在线查2D表并标定修正来确定电机控制器损耗。

2. 理论计算模型

2.1 功率模块损耗

功率模块的损耗，即是IGBT和续流二极管的损耗,。导通和关闭的过程不是瞬时发生的，电流和电压变化是需要一定的时间，当电流和电压存在交叠过程，就产生了损耗。如图1 所示。

图1.开关过程损耗示意图

可视为所有6个IGBT和二极管的损耗相，同现计算如下。

开关损耗：

导通损耗：

其中：

由公式（2-1）和（2-2）可得：

建立Simulink 模型如图2所示，需要关注以下输入量：

1. 修正系数K，与工作电压和电流相关联，建立对应的二维查表，可通过实测对标获取。
2. Vce,Rce,VDiode, RDiode,都会随着功率模块的温度变化而变化，可参考功率模块供应商提供的数据手册；
3. Eon,IGBT，Eoff,IGBT，EDiode，Vref，Iref可参考功率模块供应商提供的数据手册，建立Eon,IGBT（Vdc，Iph），Eoff,IGBT（Vdc，Iph），EDiode（Vdc，Iph）的二维表。
4. 考虑电机控制器的主动短路工作状态，IGBT和二极管的开关损耗为0.

图2. IGBT和二极管的功率损耗Simulink模型

2.2．DC-link电容损耗

DC-link电容的功率损耗的计算，可见公式如下：

对于bus bar的损耗，可同公式（2-6）。另外，对于高压转低压辅电的损耗可在工程实际应用时根据控制器工作状态测量标定来获取。

3. 工程应用模型

在工程应用中，依据台架测试，实测输入功率值和实际输出功率值，比较两者差值，所得为功率损耗，以此建立不同电流和电压对应功率损耗2D表。电机控制器损耗模型分以下两步来实现，如图3所示。

1. 计算运算时间周期T内的采样数N，并计算出N次采样的总的电流和总的电压；
2. 计算运算时间周期T内的平均电流和平均电压，再根据2D查表，得到电机控制器的功率损耗。

图3.工程应用模型

在建立模型时，还需考虑以下因素：

1. 需单独分开考虑发电模式和驱动模式，两者的功率损耗不同，其2D表需分别建立。
2. 电机控制器的工作状态不同，其损耗不同。如IGBT主动短路、IGBT全开、正常扭矩或速度控制状态，弱磁控控制等。