新能源商用车驱动系统设计方案.docx
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新能源商用车驱动系统设计方案
系统方案书
项目名称:
电动车驱动器
项目编号：
拟制:
日期：
06-17
审核:
日期：
批准:
日期：
目录与索引
修订记录Revisionrecord
日期Date
修订版Revisionversion
描述Description
作者Author
2
V1.0
新拟制、初始化
引言[说明]
背景
参考资料
概述
产品描述
产品功能和特性[说明]
产品开发环境[说明]
●硬件开发环境：
OrCAD；
●软件开发环境：
●结构设计开发环境：
Pro-E，AutoCAD；
●热设计开发环境：
Icepak；
产品应用环境[说明]
●电气环境：
●环境温度：
－40～105℃，85°降额；冷却液温度-40~75°，65°降额
●防水等级：
IP67；
●海拔：
1000m满载；3000m内功率降额使用，爬电需满足3000m海拔要求；
●振动：
10G，10~300Hz
需求分析与系统方案设计
系统的组成[说明]
从产品功能单元来划分，可以分为以下几个子系统：
1）输入输出接口
主功率：
RST功率输出，DC+，DC-电池输入
控制信号：
通讯接口，RS485，CAN
编码器接口，旋转编码器、ABZ编码器
模拟输入接口，3个模拟输入接口
模拟输出接口，2个模拟输出接口
继电器输出接口，2个转换触点
数字输出接口，4个DO输出
开盖报警接口
预充完成及故障码信号
操作器和程序下载端口
电池接口8V~36V
2）母排和母线支撑电容
3）IGBT功率模块
4）驱动电源板；
5）主控板；
系统功能框图[说明]
图1系统框图
系统框图如上图1所示，系统的功能主要由IGBT功率模块、驱动电源板和控制板来完成的。
其中驱动电源板主要完成的功能包括：
1）提供驱动电源；
2）驱动IGBT；
3）IGBTDESAT保护；
4）电压采样，电流采样；
5）IGBT温度采样；
控制板主要完成的功能包括：
1）完成驱动电机的算法；
2）电压、电流信号的调理；
3）IGBT的过压保护；
4）IGBT的过流保护；
5）IGBT过温保护；
6）电机温度采样和保护；
7）编码器速度反馈；
8）数字量输出，模拟量输入输出，继电器输出
9）CAN通讯（点火、复位、正转、反转、刹车、转速）
系统接线图[说明]
系统接线图如下图2所示，实线框以内的是机器内部功能，实线框以外的是机器的外部输入输出接口，机器内部接线主要包括母排把模块、电容和输入端口连接一起输出，铜排连接输出端口和模块，驱动板和模块焊接一起，控制板和驱动板通过排线连接。
图2系统接线图
硬件部分
硬件需求分析
详见附表：
主要硬件部分架构说明（含架构图）
本项目拟采用一级拓扑结构：
全桥逆变。
详细拓扑说明如下：
逆变架构说明：
逆变拓扑如下图3所示。
逆变架构采用目前主流、常见的全桥逆变电路，三相分别由三个逆变桥组成。
附逆变拓扑图
图3逆变拓扑图
主要器件的预选型[说明]
所属功能块
器件名
初选型号
输入输出接口
输入输出端子
逆变
IGBT模块
FS800R07A2E3
控制板排线端子
母线支撑
膜电容
CBB13185°1000uf/900V
电流采样
电流传感器
HC5F600-S
IGBT驱动
驱动芯片
1ED020I12FA2
主控制芯片
MCU
Xxx
电源管理
电源管理芯片
LM3481QMM
固件部分
固件需求分析
固件需求详见下述文件：
《软件功能需求》（部分）
固件操作系统与CPU预选型
操作系统目前沿用我司现有软件平台。
CPU芯片选用xxx。
控制算法预选型
结构、热流部分
结构、热流需求分析
结构方面的功能需求如下：
（1）外形尺寸：
475X244X109以内；功率密度在9.05W/cm³；
（2）重量：
15Kg
（3）产品的安装及防盗：
挂壁式安装，防盗同时要考虑机器的固定。
（4）振动和跌落要求：
震动10g,10~300Hz；跌落1m，两次；
（5）产品结构的可靠性要求（防护、耐腐蚀性等）：
IP67，盐雾试验根据GB/T2423.17-1993
（6）壳体机械强度：
驱动器壳体30cm*30cm的面积上应能承受100kg质量的物体产生的重力，而不发生变形。
（7）冲击测试：
50g,6ms
结构设计的实施步骤如下：
（1）根据电气方案确定各线路板的位置；根据线路板及元器件的尺寸确定箱体的外形尺寸；
（2）根据热仿真报告确定散热方案；
（3）根据外观设计确定外观。
关键部分的器件选型与预设计
1.功率模块、IGBT驱动、开关电源控制芯片、开关电源驱动MOS、变压器、电流传感器、EMC磁芯、母线电容
，内容尚在补充
2.电源系统
电源芯片选用LM3481QMM，电源的变压器设计见文件。
3.输入输出端子
4.温度降额设计
1）冷却液温度降额
2）环境温度降额
5.海拔降额设计
根据GB755-2000的有关规定，海拔在1000m以上时，每升高100m温升降低1%；参考GB/T3859.2的海拔降额要求。
6.工作循环和工作制
1）验证驱动器发热问题工作制
根据GB/T18488.1标准中有9个电机的对应工作制，驱动器在实际应用时驱动各工作制的电机，对发热最严重的工作制为S7工作制；即驱动器开始进行过载加速，然后恒定满载功率运行，最后制动减速。
加速
匀速
减速
备注
S7
时间（S）
加速到35Hz所需时间（比亚迪的百米加速时间5.9s）
匀速时间占的比例是否可以按照标准中
减速到0Hz所需时间（取决于外部增加抱闸制动）
城市循环：
加速时间21.54%，等速时间30.26%，减速时间17.44%，运行周期195s；市郊循环：
加速27.25，等速52.25，减速10.5，运行周期400s；
输出电流系数
2
1
1.5
输出频率（Hz）
0～35
35
35～0
运行方式：
长期连续运行；
2）验证可靠性的功率循环
参考GB/T29307；
7.接口端口规格
EMC、安规、LAYOUT部分需求分析
1.EMC部分方案介绍
1）EMI滤波说明
电动车驱动器整体被铁壳包裹，对外的辐射天线主要是主功率的输入输出口。
在输入输出口加共模滤波，会降低对外辐射和传导干扰，加强抗扰度。
输入、输出和母线铜排均采用叠层的方式来降低寄生电感。
减小主功率回路。
输入铜排通过共模滤波磁环，输出铜排也经过共模滤波磁环，滤除共模干扰。
参考赛米控SKAI90A2GD06-WCI（赛米控另外有两块EMI小板）。
Y电容采用0.33uF；共模磁环，目前采用的新康达UU38/21/10，LP3材料；备选方案：
同样规格的VAC的超微晶和微晶磁环，在高频有更好的磁导率和在低频有更高的共模抑制效果；可根据实测结果调整；
以下为目前样机的布局和大功率电流流向，需尽量保证弱电排线的布置和主功率垂直。
2）EMC部分须遵循标准及实施步骤：
●须遵循标准
安全标准：
GB/T18488.1；
EMC标准：
GB/T17619、GB14023；
●EMC方案实施步骤
整机布局初期，对整机的功率流向等进行审核；
PCB布局时期，对PCB的布局审核；
2.Layout需求分析：
本项目PCBlayout需求详述如下：
1）安规绝缘等级需求
安规绝缘等级：
安规绝缘等级按照GB/T18488.1的要求。
主功率对外壳，弱电对外壳，主功率对弱电之间打耐压为直流3000VDC,持续时间1s，这个根据竞争对手而来，非行业标准。
绝缘间隙的安规降额：
2）绝缘电阻要求
依据GB/T18488的试验要求，在环温40°，湿度90，不应小于1MΩ。
3）PCB综合布局、走线需求
⏹PWM信号不可打孔；
⏹强电区域内不可放入弱电；
⏹驱动离IGBT的距离要尽可能近；
⏹强电走线间距要符合GB/T18488决定；
⏹强电回路面积要尽量小，走线宽度要符合电流需求。
4）PCB布局方案
⏹方案一：
控制板+驱动板+IGBT模块（目前采用的方案）
方案说明：
控制板和驱动板之间通过排线连接，电流传感器焊接到驱动板上，驱动板焊接到功率模块，输入输出铜排均采用叠层的方式；
⏹方案二：
控制驱动板+IGBT模块+2块EMC小板（赛米控）
方案说明：
控制和驱动在一块板，功率模块和驱动压接在一起，驱动用4路单独电源，控制用一路电源；1块EMC小板是正负母线的共模滤波，一块是输出的差模滤波。
参考
⏹方案三：
控制板+驱动板+平面变压器小板+IGBT模块（在目前采用的方案修改）
方案说明：
在目前的方案基础上把平面变压器单独拿出来。
需评估
5）PCB板板材质量需求
板材和走线规范都会影响板子的质量。
就板材而言，现在基本统一使用FR4，在没有其他性价比更高的板材出来前应该不会变。
辅助电源部分
辅助电源架构说明（含架构图）
辅助电源架构图详见下图19所示：
图19辅助电源架构图
材料成本预估[说明]
材料成本预估详见下表：
序号
部件
分类部件
单位成本
配置数量
材料总成本
1
机构料
主要机构物料
绝缘材料
叠层母排
水冷
其余机器材料
2
驱动板
母线电容
开关电源
电流传感器
IGBT模块
驱动芯片
PCB板
3
EMI
直流输入EMI滤波磁芯
交流输出EMI滤波磁芯
直流EMI滤波板
交流输出EMI滤波板
4
控制板
控制板
接插端子
PCB板
5
其他
功率端子
控制端子
电阻电容
合计
升级会员 