2020年12月3-4日，由蓋世汽車主辦，上海市嘉定區(qū)經(jīng)濟(jì)委員會(huì)特別支持的“2020中國汽車動(dòng)力總成電氣化國際峰會(huì)”在上海汽車城瑞立隆重召開。峰會(huì)期間，小鵬汽車電機(jī)控制專家 王飛先生發(fā)表了精彩演講。

小鵬汽車電機(jī)控制專家 王飛先生

以下為演講實(shí)錄：

謝謝大家！謝謝蓋世汽車，邀請我跟大家做一個(gè)電機(jī)控制方向的匯報(bào)和交流。我是來自小鵬汽車的王飛.我今天主要是從整車的角度，根據(jù)整車的動(dòng)力性提升和整車?yán)m(xù)航提升以及駕駛舒適性和整車最關(guān)注的安全，這4個(gè)方面跟大家做一個(gè)交流和匯報(bào)。

我們電控系統(tǒng)影響了整車性能的很多方面，舉個(gè)例子對于我們新能源汽車，我們提出的一個(gè)重要的指標(biāo)就是百公里加速的特性，百公里加速現(xiàn)在每個(gè)車企追求的指標(biāo)越來越高，對于我們小鵬汽車來說，比如說我們四驅(qū)車百公里加速可以達(dá)到4.3s的指標(biāo)需求，在同樣的硬件條件下我們通過哪些控制技術(shù)可以讓這個(gè)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)一步提升呢？我今天就會(huì)給大家做一個(gè)匯報(bào)。

首先我們在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的轉(zhuǎn)矩指標(biāo)提升，我們小鵬P7的后驅(qū)動(dòng)力參數(shù)是390Nm，通過我們的控制系統(tǒng)能力提升可以再增加30Nm。同時(shí)我們在峰值功率區(qū)，在電驅(qū)系統(tǒng)高速弱磁區(qū)通過峰值功率的提升也可以將加速后半段再提高15Kw左右的功率，最終可以使我們的整車系統(tǒng)的加速性控制在3s(3~4s)以內(nèi)。我們還可以通過高速的弱磁控制，使得我們車輛峰值轉(zhuǎn)速提升由現(xiàn)在的180公里的時(shí)速提高到200公里以上，當(dāng)然這里面可能會(huì)受一些機(jī)械部件的影響，我們不會(huì)放開那么高。我們還可以通過一些變頻的技術(shù)、高利用率的過調(diào)制技術(shù)，將整個(gè)控制系統(tǒng)的效率進(jìn)一步提升，最后實(shí)現(xiàn)我們的續(xù)航增加10公里以上這樣的效果。

接下來詳細(xì)介紹一下我們電驅(qū)系統(tǒng)在前半段，也就是恒轉(zhuǎn)矩區(qū)通過哪些技術(shù)可以進(jìn)一步提升我們的動(dòng)力性。首先，當(dāng)我們做一個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)一般定義指標(biāo)的時(shí)候通常是以65°C冷卻水車上最嚴(yán)苛的工況下給出的定義，就是在65°C冷卻水、8L流量的時(shí)候核算我們的動(dòng)力系統(tǒng)最大的輸出，但實(shí)際上我們車在正常運(yùn)行過程中它的冷卻水條件經(jīng)常在40°C-50°C的區(qū)間，因此我們可以找到這個(gè)差異點(diǎn)，在車輛正常運(yùn)行的時(shí)候識(shí)別到冷卻水的流量和溫度，評估出我們目前器件所處的環(huán)境，根據(jù)這個(gè)環(huán)境進(jìn)一步釋放功率器件的電流輸出能力，使我們整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性進(jìn)一步提升。同時(shí)還可以根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的IGBT功率損耗因素，把損耗降低下來，最終使動(dòng)力性進(jìn)一步提升。

我們還有一些閉環(huán)的結(jié)溫估算，根據(jù)實(shí)時(shí)的采樣數(shù)據(jù)，使得我們的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)一步提升。同時(shí)我們還要考慮NVH特性，因?yàn)楫?dāng)我們降頻的時(shí)候我們會(huì)聽到高頻的電磁聲，在主控頻率8K以下的時(shí)候就會(huì)有尖銳的電磁聲，因此還要再做NVH平衡。此外控制頻率較低情況下可能還會(huì)產(chǎn)生一些電流諧波，引起一些動(dòng)力系統(tǒng)的諧波噪聲，這個(gè)也要進(jìn)行平衡。

通過以上幾種手段我們可以在同一硬件的平臺(tái)上，根據(jù)工況適應(yīng)不同的策略，最終實(shí)現(xiàn)我們的控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩有10%或者更高的輸出。

其次就是在我們的高速弱磁區(qū)的時(shí)候，我們的力矩會(huì)自然而然降低的，這個(gè)主要是受電壓利用率的影響使得功率無法進(jìn)一步提升，我們找到這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)通過采用一些過調(diào)制技術(shù)，將調(diào)制率由正弦調(diào)制達(dá)到最高1.10的調(diào)制方法，進(jìn)一步提升電壓利用率，使得我們整個(gè)功率提升有一個(gè)更明顯的上升。我們的實(shí)測結(jié)果，在不同的電驅(qū)上可以將功率提升到110%甚至到130%這樣的功率等級，進(jìn)一步提升我們的百公里加速特性。

此外我們還可以采用先進(jìn)的電壓矢量控制方式，將弱磁電壓余量削減到0，不留余量，通過降低開關(guān)頻率減小開關(guān)切換次數(shù)提高我們的電壓利用率。

通過上述的一系列手段使得我們的電壓控制利用率進(jìn)一步提升，讓我們的高速區(qū)它的輸出能力得到更好的發(fā)揮，最終實(shí)現(xiàn)我們百公里加速在后半段有很明顯的提升。

除了百公里加速特性性能提升以外，我們通過電機(jī)控制技術(shù)還可以讓我們的車輛在堵轉(zhuǎn)的工況下有非常好的性能。比如說我們在停車、爬坡或者是過坎的時(shí)候，受限于電驅(qū)系統(tǒng)三相電流不換相的影響，導(dǎo)致我們的發(fā)熱是平常發(fā)熱的1.41倍以上，因此這種工況對于我們的硬件考核是非常嚴(yán)苛的，我們可以研究器件的關(guān)鍵特性去判斷哪些方面可以進(jìn)一步提升。

比如說第一張圖里介紹的，根據(jù)轉(zhuǎn)速從0速一直到200轉(zhuǎn)的時(shí)候，隨著轉(zhuǎn)速升高，我們的最高結(jié)溫逐漸降低，這個(gè)時(shí)候當(dāng)我們的車輛逐漸升速的時(shí)候就可以釋放轉(zhuǎn)矩的輸出能力，讓堵轉(zhuǎn)工況快速退出使得我們有更強(qiáng)的爬坡能力。當(dāng)堵轉(zhuǎn)在不同工況點(diǎn)的時(shí)候，從理論上計(jì)算有不同的最高結(jié)溫，例如當(dāng)電角度為0的時(shí)候最高結(jié)溫就降下來了，功率器件峰值結(jié)溫可以從當(dāng)前130°C提升至150°C有20度左右的余量提升，利用這個(gè)特性可以把堵轉(zhuǎn)極限的性能發(fā)揮出來。

第三個(gè)圖就是開關(guān)頻率與結(jié)溫的關(guān)系，損耗有兩個(gè)方面的影響，一個(gè)是由導(dǎo)通損耗，一個(gè)是開關(guān)損耗。針對開關(guān)損耗可以采用降頻的方式，常用的主控頻率10k降到2K或者1K來降低開關(guān)損耗，使得我們的能力進(jìn)一步發(fā)揮出來。當(dāng)然在1K以內(nèi)因?yàn)槠骷旧黹_關(guān)次數(shù)已經(jīng)很少了，這個(gè)時(shí)候的降額特性就不明顯了。最后可以通過閉環(huán)的結(jié)溫估算實(shí)時(shí)進(jìn)行估算，當(dāng)結(jié)溫不是很高的時(shí)候發(fā)揮最大的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

第二部分跟大家介紹一下電機(jī)控制技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程提高。

我們重點(diǎn)就要研究哪些方面控制器的輸出效率有了損失，從電機(jī)的角度來說，主要有銅損和鐵損，從控制器角度來看，有開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。針對于銅損來說可以采用降低電流的方式，對于高速熱磁區(qū)可以采用提高電壓利用率的發(fā)波調(diào)制方式，對于開關(guān)損耗可以降低開關(guān)損耗和減小硬件自身損耗，如采取碳化硅器件等一系列的技術(shù)方案去實(shí)現(xiàn)以上效率提升的內(nèi)容。具體來看，有效易行的措施如通過全域的變頻控制實(shí)現(xiàn)效率提升。我們知道開關(guān)次數(shù)越小的時(shí)候開關(guān)損耗越少，但這是有條件的，因?yàn)樵谖覀兊牟煌D(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)它的電流和輸出特性都是有差異的，因此我們要?jiǎng)討B(tài)去調(diào)節(jié)頻率。比如說在堵轉(zhuǎn)的情況下，一般情況下采用一個(gè)很小的開關(guān)頻率，通過降低開關(guān)頻率保證效率提升，同時(shí)保證堵轉(zhuǎn)時(shí)不過溫。另外當(dāng)中小轉(zhuǎn)矩的時(shí)候適當(dāng)提升開關(guān)次數(shù)，這個(gè)時(shí)候可以將我們的電流諧波有效抑制下來，在中速大轉(zhuǎn)矩區(qū)域我們連續(xù)提升頻率，這個(gè)時(shí)候保證控制的效果有一個(gè)連續(xù)性，在高速的時(shí)候控制頻率受限功率器件影響無法提高而電流諧波進(jìn)一步增加，我們可以采用雙采樣雙更新(雙拍10kHz控制)，同樣我們可以達(dá)到20k的控制效果，最終保證諧波降低，同時(shí)損耗不是很大，這樣可以提高控制系統(tǒng)的效率。

我們還要注意到，當(dāng)我們降頻的時(shí)候會(huì)有一些NVH特性的損害，我們?nèi)硕湟粫?huì)感到很強(qiáng)的開關(guān)高頻聲，這個(gè)時(shí)候可以在溫度不高的情況下頻率提高，避免低頻的噪聲，而當(dāng)溫度上來的時(shí)候我們就忽略NVH的影響，把控制頻率降低防止過溫，同時(shí)與整車配合的時(shí)候要注意，當(dāng)整車沒有力矩需求的時(shí)候，我們可以將我們的電驅(qū)系統(tǒng)整個(gè)高壓系統(tǒng)關(guān)閉，保證電驅(qū)系統(tǒng)在0轉(zhuǎn)矩下沒有任何損耗。

第二種提高系統(tǒng)效率的方式就是通過一些過調(diào)制技術(shù)，市面上絕大部分的電機(jī)控制器電壓利用率只做到了1，也就是采用基本連續(xù)矢量輸出的調(diào)制的方式。實(shí)際上我們可以在高速弱磁區(qū)如黃線以外的部分都采用高調(diào)制比的電壓調(diào)制的方法，也就是通過一系列的過調(diào)制方式把電壓利用率進(jìn)一步提升，這個(gè)時(shí)候MTPA區(qū)域就進(jìn)一步擴(kuò)大，弱磁區(qū)就會(huì)減小，使得整個(gè)系統(tǒng)損耗降低，同時(shí)采用過調(diào)制技術(shù)可以減小我們的開關(guān)次數(shù)和開關(guān)損耗。最后通過這個(gè)過調(diào)制技術(shù)還可以進(jìn)一步把我們的電流能力提升。

下面介紹具體的過調(diào)制的控制方案，主要包括列舉的常見的3種方式，第一種就是電壓相位連續(xù)躍變，目標(biāo)電壓矢量在內(nèi)切圓外采用臨近矢量替代，基波幅值不變，矢量相位躍變；第二種就是電壓矢量等相位，這種方案比較容易實(shí)現(xiàn)，推薦大家工程化應(yīng)用，當(dāng)我們目標(biāo)電壓矢量超過電壓極限圓時(shí)，我們用六邊形上的電壓矢量輸出，電壓矢量幅值變小，但是我們相角是連續(xù)的，基波含量也不高，這種方案是比較容易實(shí)現(xiàn)的。第三種方案就是算出等效替代電壓矢量連續(xù)計(jì)算出來進(jìn)行替代，這個(gè)時(shí)候我們可以從正弦調(diào)制連續(xù)切換到單脈沖控制，這種方式可以實(shí)現(xiàn)極限的輸出。

另外介紹一種發(fā)波方式就是采用低開關(guān)損耗PWM的技術(shù)，現(xiàn)階段行業(yè)研究的熱點(diǎn)。正常的調(diào)制一般采用SVPWM它是連續(xù)調(diào)制的，它的調(diào)制方式0和7矢量在中間和兩邊都有加載，7段式發(fā)波，開關(guān)次數(shù)會(huì)稍微多一點(diǎn)，而采用0和7矢量結(jié)合放到一起輸出的方式，我們讓它連續(xù)切換，減少開通次數(shù)，這個(gè)時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)同樣一個(gè)開關(guān)頻率下開關(guān)次數(shù)減少三分之一，進(jìn)一步降低器件的開關(guān)損耗。

后面這個(gè)圖介紹了通過這種調(diào)制方式它的開關(guān)損耗明顯降低，對比它的導(dǎo)通損耗同樣電流下造成的導(dǎo)銅損耗是不變的，但是開關(guān)損耗是有明顯降低的，因此我們利用這種特性結(jié)合著我們的諧波含量考慮在某種特殊工況下，比如說中小扭矩或者大扭矩輸出的時(shí)候采用DPWM的調(diào)制，其它工況采用正常的調(diào)制，這樣可以使得我們效率進(jìn)一步提升。

這個(gè)圖介紹我們通過硬件功率器件升級使得我們整個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)的效率有較大的提升，就是我們采用的碳化硅器件，因?yàn)?strong>碳化硅器件具有著低開關(guān)損耗、冷卻要求低，同時(shí)它的晶圓耐受溫度也是比較高的，這樣對于我們系統(tǒng)來說，可以減少損耗，提高的開關(guān)頻率，同時(shí)可以運(yùn)行在較高溫度下。通過這個(gè)技術(shù)我們第二張圖有一個(gè)效率對比，我們可以看到當(dāng)控制系統(tǒng)運(yùn)行在低負(fù)荷情況下，小功率輸出的時(shí)候明顯可以看到效率提升相比IGBT來說，它的效率提升可以達(dá)到5%甚至更高，對于中大扭矩區(qū)它的效率提升略微小一點(diǎn)可能1%-2%，但是對于我們正常駕駛員行駛的工況來說，絕大部分的工況都處于中低速小扭矩區(qū)，因此對于我們整個(gè)車輛續(xù)航來說應(yīng)用碳化硅器件會(huì)有一個(gè)明顯的效率提升，因此我們在整車的計(jì)算仿真和實(shí)車測試過程當(dāng)中得到這樣的結(jié)論，單純通過控制策略的優(yōu)化，我們可以提高至少1%系統(tǒng)的效率。如果我們應(yīng)用碳化硅器件，可以對我們系統(tǒng)提升2%的效率，總續(xù)航可以提升20公里以上。

第三部分跟大家分享的是我們通過控制技術(shù)如何去讓整車駕駛過程中有一個(gè)很好的NVH駕乘體驗(yàn)。

上圖列舉的是我們小鵬P7在實(shí)車測試和標(biāo)定過程遇到過的問題，最終也是很好的解決掉了這些問題。對于我們純電動(dòng)車來說，上述這些抖動(dòng)問題幾乎每一個(gè)車型必然會(huì)存在的，只是我們主機(jī)廠有沒有很仔細(xì)地進(jìn)行標(biāo)定，把這些問題解決掉。例如在不同轉(zhuǎn)速下，剛一啟動(dòng)的時(shí)候0km/h車速經(jīng)常見到有7~8Hz的抖動(dòng)問題，因?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)有柔性環(huán)節(jié)造成的共振問題，這個(gè)問題一般都必須要有很好的解決，這個(gè)普遍大家解決得不錯(cuò)。在1-3km/h車輛剛要啟動(dòng)的時(shí)候經(jīng)常有7Hz~15Hz左右的波動(dòng)頻率，人會(huì)感覺到很強(qiáng)的震動(dòng)，在某些定速的時(shí)候跟我們的電機(jī)系統(tǒng)有一些特定共振的點(diǎn)，包括特斯拉在內(nèi)，我們也實(shí)車測過，比如說它有20Hz的轟鳴聲，尤其是在后備箱這個(gè)位置非常明顯，到目前為止可能也沒有很好的標(biāo)定出來。當(dāng)然我相信通過控制技術(shù)，根據(jù)這一點(diǎn)的共振特性，長時(shí)間的標(biāo)定和匹配可以把這些問題有效解決。同時(shí)在不同的工況下在爬坡、急剎車、DR檔切換和轉(zhuǎn)向打死的時(shí)候都有抖動(dòng)的問題，我們可以通過控制系統(tǒng)的控制策略有效消除掉。

上圖就是我們應(yīng)用的一些控制方案，在實(shí)車上有效解決了這些問題，大體的思路，可以通過低通濾波器、高通濾波器，在不同工況下把車上的共振問題解決掉，因?yàn)檐嚿系恼駝?dòng)點(diǎn)非常多，我們可以根據(jù)不同工況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，最后通過PI及限幅把力矩輸出出來，把阻尼加到我們整車的輸出指令上，最后達(dá)到很理想的抑制效果。

下面是通過一些控制技術(shù)結(jié)合到我們車上電機(jī)的一些電磁方案，分析出它的高頻噪聲的諧波階次，然后注入高頻諧波電流，把電磁產(chǎn)生的噪聲抑制下來，這個(gè)也是有很好的應(yīng)用的。

除此以外，我再介紹下我們做的一個(gè)主動(dòng)防滑的控制功能。在我們的傳統(tǒng)車上，我們用TCS去做我們的車輛打滑失速的控制，保證我們車在突然拋負(fù)載或者在極限運(yùn)行下有很平順的控制，但是對于新能源車有什么樣的特殊特性呢？我們的電機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)速率非?？?，我們的響應(yīng)速度甚至超過TCS的控制速度，因此我們可以做一個(gè)主動(dòng)的防滑控制，替代TCS，最終達(dá)到什么樣的效果？加了這個(gè)功能以后我們的車在過一些顛簸的路面上它的滑動(dòng)抑制效果比沒有這個(gè)功能的TCS去做整個(gè)延遲時(shí)間至少減少100毫秒以上，對于我們車輛來說就大大見效了減速器的沖擊，同時(shí)駕乘表現(xiàn)上來說用戶也會(huì)感覺到非常舒適，沒有那么大的沖擊力。

這頁介紹的是我們工程化常遇到的傳感器偏差的問題。對于電器系統(tǒng)經(jīng)常遇到的問題就是電機(jī)的旋變傳感器因?yàn)榘惭b或者設(shè)計(jì)制造問題產(chǎn)生的一些偏差，這些偏差有些時(shí)候是不可避免的，因此我們可以采用諧波提取的方式把這個(gè)偏差提取出來再反向注入回去，最后使得我們的取得最佳的控制效果，最終車上表現(xiàn)的力矩輸出有一個(gè)很好的平順性控制，這個(gè)部分的效果也是很明顯的，我們也是在整車上有良好的應(yīng)用。

最后一部分跟大家分享的是車輛安全的控制，這一部分的控制技術(shù)難度不大，但核心在于我們要找到車上的經(jīng)常發(fā)生的故障問題點(diǎn)。對于新能源車來說因?yàn)樗牡轮芷诜浅？?，比如說傳統(tǒng)燃油一個(gè)車型的開發(fā)可能4年以上，但是對于新能源車來說它開發(fā)周期可能就是2年或者3年，周期非常短，因此必然會(huì)帶來各種各樣的問題。新能源車的驗(yàn)證周期相比傳統(tǒng)車驗(yàn)證周期短，因此就可能會(huì)存在一些偶發(fā)性失效的問題。針對這些偶發(fā)性失效問題我們可以采用怎么樣的策略呢？通過故障重啟的方案。比如說一個(gè)部件突然它報(bào)故障了，但是在下次重啟的時(shí)候又恢復(fù)掉了，針對這一類的問題我們可以讓駕駛員在未感知的情況下讓控制系統(tǒng)分層級重啟，實(shí)現(xiàn)我們車輛在不停車的過程中動(dòng)力就恢復(fù)了，那這個(gè)時(shí)候?qū)τ隈{乘人員比如說在高速上他就仍然會(huì)有一個(gè)很好的控制連續(xù)性不會(huì)發(fā)生什么危險(xiǎn)。

后面兩個(gè)是跟高壓安全相關(guān)、高速控制相關(guān)的一些安全特性，我們采用一些關(guān)斷策略使得我們車輛駕駛比較安全。這些是傳感器類故障，可能單純損壞或者長久斷線，以及電壓電流傳感器直接失效了，那怎么辦呢？我們通過這種特殊跛行控制，通過這個(gè)控制，可以不讓車輛停在馬路中間，也讓用戶感受到即便車輛出了問題，但車輛還能動(dòng)可以把風(fēng)險(xiǎn)降到最低。因此我們以用戶安全為出發(fā)點(diǎn)，利用一系列診斷措施，完善的診斷監(jiān)控策略，高容錯(cuò)性的故障處理和跛行機(jī)制，可以減少三分之一以上的行車動(dòng)力中斷問題，這個(gè)對于我們的幫助也是非常大的。

以上就是我跟大家分享的內(nèi)容，小鵬汽車為進(jìn)一步順應(yīng)智能電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，我們希望廣泛吸納社會(huì)上優(yōu)秀專業(yè)技術(shù)人才加入，同時(shí)也希望與在座優(yōu)秀供應(yīng)商一起合作，共同前進(jìn)，謝謝大家！