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电动车千人会

2025-11-26

导读：一、MCU的原理新能源汽车驱动系统由“大三电”组成，其中分为电池、电机、电控；而“大三电”中的高压配电盒PDU

一、MCU的原理

新能源汽车驱动系统由“大三电”组成，其中分为电池、电机、电控；而“大三电”中的高压配电盒PDU、车载充电机OBC、DC/DC变换器被称为“小三电”。本次分享的是关于大三电中“电机”里电机控制器的内容。

图1 新能源汽车三电图

电机控制单元(MCU)是一个电子模块，介于电池和电机之间根据电门输入控制电动汽车的速度和加速度。控制器将电池的直流电转换为交流电，并调节电池的功率输出，驱动电机工作。

如图2所示，左边的是驱动电机，右边则是电机控制器，从电池来的电能通过母线进入电机控制器，经过其内部高压配电盒，根据需求对电压进行频率和伏值的变化，再转为三相电流经与电机连接的三根线，以此控制电机的转速与输出扭矩。

图2 电机与电机控制器

电机控制器具体的工作流程如图3所示，如VCU给电机控制器一个加速踏板的信号，电机控制器发送驱动信号给IGBT模块，电池内的电流经过IGBT模块的变换最终传递至电机。但一般不会如此一帆风顺，电机控制还需要根据电机传来的信号如电机温度，IGBT模块传来的信号如温度信号和电流信号，电池传来的电压信号等来进行处理才能最终输出驱动信号。假如IGBT模块传来的温度信号过高，那么电机控制器就不能直接输出加速踏板给的扭矩所需的驱动信号，而是需要经过一系列的策略变化降低驱动信号中的电压值，以保护IGBT模块不会超温。

图3 电机控制器工作流程图

二、MCU的主要任务

电机控制器的运行原理很简单，接下来我们来看看它主要的任务吧。

1.DC-AC转换

新能源汽车所使用的电机主要分为两类，交流异步电机和永磁同步电机。这两种电机有一个共同特点，就是都是交流电机。故需要将动力电池的直流电转换为交流电。

图4 DC-AC转换示意图

MCU内部的VSI电路就承担着逆变的功能，既能将动力电池的直流电转换为交流电，又能将制动回收时电机产生的交流电转为给电池充电的直流电。我们利用开关搭建出这样的一个电路：

图5 电流换向电路图

当AC和BD这两组开关交替开关时，就会产生如下图所示方波型，这样就把直流电变成了方波交流电。

图6 电流换向波形示意图

不过方波交流电的变化太过剧烈，我们需要把它转换成更柔和的正弦波，只需要利用 PWM 信号控制开关就可以轻松达成。根据需要的正弦波波形，控制好开关的时间，通过这样的开关节奏：

图7 PWM波形示意图

就能得到在平均值上接近正弦波的电压

图8 类正弦波形示意图1

开关的频率越高就会越接近这个正弦曲线

图9 类正弦波形示意图2

最后再加上一些电容作为滤波元件就能得到平滑的交流电

图10 类正弦波形示意图3

而电机使用的是三股波形存在相位差的交流电，那么是不是需要用 12 个开关和 12 个二极管搭建三套电路呢？

图11 永磁同步电机三相波形示意图

其实不需要，只需用6个开关和二极管搭建出这样的电路：

图12 逆变电路示意图

只要控制好开关的时间，就能保证每项电路都分配到4个开关和二极管，这样就能通过复用元器件节省空间和材料，电控只需要通过控制这6个开关的开关时间就能调整交流电的频率和电压进而控制电机的转速。

图13 逆变电路运行示意图1

图14 逆变电路运行示意图2

图15 逆变电路运行示意图3

在逆变的时候这些开关一秒钟可能需要开关几百上千次，传统的机械开关显然无法满足我们的需求，这里用的是能被电压控制的电子开关。常见的电子开关有MOS管、三极管和IGBT三种。其中MOS管开关频率比较高，也可以承受高电流，但普通 MOS 管无法承受高压，一般情况下只能到 400V 左右，不符合汽车电控的要求。

图16 MOS管

而三极管可以承受上千V的电压，但它却无法承受高电流。

图17 三极管

解决这个问题的一个办法是找更耐压的材料做MOS管，这就是经常在车企发布会上听到的碳化硅（SiC）材料。

图18 某品牌汽车的全系碳化硅高压平台

但用碳化硅材料制造MOS的成本极高，基本只能在30万左右价位的纯电车型上才能看到，更为常见的做法是将MOS管和三极管结合起来各自发挥所长，这样就得到了第三种电子开关——IGBT，它既能承受高电压也能承受高电流，虽然开关的频率略低，但控制电机绰绰有余。所以大部分的新能源汽车用的都是IGBT。

图19 IGBT

2.速度、扭矩调节

车辆行驶需要加速时，驾驶员会踩下加速踏板，所以MCU的输入主要来自VCU的加速踏板信号（VCU下发给MCU目标的电机转速和扭矩请求）。
当驾驶员需要加速的时候，驾驶员踩下油门，VCU就会根据油门这个踏板传过来的信号，油门踏板的信号一般是一个百分比的开度信号。信号由VCU进行处理。VCU会根据预先标定好的数据，包括整车的动力参数，如最大的动力是多少。这里假设是200KN，和50%的油门开度，VCU就会通过CAN通信输出一个需求100KN的指令给MCU。
MCU从动力电池包获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机需要的电流和电压，提供给电动机，使得电机的转速和转矩满足整车的要求。
但MCU也不会直接执行VCU给的扭矩指令，它还会根据如IGBT的温度的信号，电机温度的信号，电机目前转速的信号等，进行一个PI闭环控制，调整实际输出扭矩来保护电驱系统。
MCU同时也会将传感器信息（电机位置、相电流、温度等），反馈给VCU，以实现精确控制。

图20 MCU速度、扭矩调节原理示意图

这是电机的扭矩（功率）-转速曲线图，可以看出当未达到峰值功率前，不同转速下能输出的扭矩是恒定的，但当到达峰值扭矩后想要继续增加转速，那么输出的扭矩就会变小。在到达峰值功率的转速点我们称为额定转速。在额定转速以下，保持磁通恒定采用变压/变频进行调速；在额定转速以上，保持输入电压恒定，采用弱磁继续提升电机转速。

图21 电机扭矩（功率）-转速曲线图

3.电动和发电

电机有两个工作状态，电动状态和发电状态。
电动状态就是车辆正常行驶时，电机将电能转换成机械能，是驱动的状态，也是用电的状态。其能量转换的过程是逆变器从电池获取功率，电池放电；电机从逆变器获取电功率，电机输出机械能，电机扭矩与转速同向，电机推动车辆，此时功率大于0；
如下图显示，如电池400V的电压进入控制器会被BUCK电路利用PWM占空比改变电压幅值，从400V降到300V，而电机转速升高则会产生感应电动势，还需要额外分出电压去压制电机反电动势，所以最终只会剩余约100V作用产生电流和转矩。

图22 电动状态工作示意图

发电状态是在车辆因惯性行驶或被拖动时，电机将机械能转换成电能，是馈电的状态。发电状态的能量转换过程是车辆带动电机，电机力矩与转速反向，轴上输入机械能，机械能通过电机输出交流电，整流器再转为直流电，此时功率小于0。
假设车辆在制动时，此时VCU检测到刹车踏板被踩下，则立刻命令MCU停止动力输出，电机被车轮带动旋转，产生200V反电动势，控制器则会进入发电模式，将电机发的电从交流电整流为直流电，再通过BOOST电路将直流电升压，为电池充电。
但还存在一种情况，就是在缓慢移动场景，如城市堵车，驾驶员会一直半踩着刹车控制车速，此时电机还是会输出微弱的扭矩，而不是进入发电模式，这个模式一般称为“蠕行模式”。

图23 发电状态工作示意图

4.主动放电

电动汽车的高压母线（通常为300V~800V）连接电机控制器、电池和电机。即使车辆断电，母线电容仍可能储存数百伏的残余电压。若未及时释放，维修或碰撞时可能对人员造成电击，或导致高压部件（如IGBT模块）损坏。一般有三种主动放电的方式：
(1)电机绕组放电

给定电机D轴电流Id，利用电机定子绕组和功率器件的损耗释放掉电容内的能量。理想情况下，给定D轴电流在电机转子位置准确的情况下，不会产生输出转矩，给定Iq为零，电机输出转矩Te=0，但是当电机零点或者转子位置采样存在一定的偏差角度θ时，Iq不为零，因此输出转矩存在一定的偏差。

方案优点：
①　放电速度快，放电电流可调节，通常放电时间可达1s以下；
②　放电热量增加较少，能量由电机绕组和功率器件均摊；
③　成本低，无需增加额外的放电电路。
方案缺点：
①　在低压掉电、驱动电路故障、IGBT故障、旋变故障、电机故障等情况下无法实现主动放电功能，并且无法支持电驱系统ASC状态下的主动放电功能实现；②　在旋变初始位置角度存在偏差的情况下，主动放电可能会存在转矩输出，产生转矩风险。

(2)桥臂直通放电

利用PWM控制IGBT开关时产生的开关损耗消耗掉电容内的能量，有的厂家采用三相均发送50%占空比的方式，但是该方案只能应用于车辆静止情况下放电的工况，车辆高速或者处于ASC状态情况下，无法应用。有的采用下桥臂处于ASC状态，上桥臂的某相处于开通/关断状态。

方案优点：
①　成本低，无需增加或者增加少量的放电电路；
②　放电速度较快，可满足多数主机厂关于2s放电的需求。
方案缺点：
①　依赖于IGBT极其驱动电路，当IGBT故障、驱动电路故障、驱动芯片故障、低压掉电等情况下，无法实现主动放电；②　如果多次连续主动放电可能会造成功率模块过温情况产生，尤其在碰撞情况下造成冷却液异常的工况下。

(3)放电电阻放电

通过主动放电电阻实现主动放电，在母线正负之间串入放电电阻，将电容的能量通过电阻发热消耗掉。
方案优点：
①　方案简单，约束条件少，可靠性相对较高。
方案缺点：
①　成本会增加；
②　电阻占用PCB面积；
③　多次放电过程中可能过热的风险；

5.防抖

电动汽车电机控制器MCU的防抖功能原理如下图所示：
首先获取车速信号，先过滤掉车速中的恒定量，只保留变化的车速信息；再进一步过滤掉加速度量，得到纯粹的速度抖动量。将速度抖动量输入到增益模块（K）中，通过特定增益计算得出抵消扭矩。最后把这个抵消扭矩与车辆原本的参考驱动扭矩相加，得到车辆目标驱动扭矩，以此来抵消因速度抖动带来的扭矩波动，实现防抖，提升驾驶平稳性。

图24 防抖原理示意图

6.系统诊断

(1) 故障检测与上报
电机控制器通过温度传感器、旋变等部件监测电机运行状态。当检测到异常，如温度过高、旋变信号错误等，电机控制器会将故障信息通过P - CAN总线发送给整车控制器。

图25 驱动系统简单连接关系示意图

(2) 故障级别判断

轻度故障：如温度传感器轻微偏差等不影响核心功能的故障。软件判定为轻度故障后，电机控制器可能仅发出故障提示，继续维持正常运行，不进入限制或安全状态。
中度故障：例如旋变信号部分异常，影响电机性能但不危及安全。整车控制器接收到故障信息后，软件判定为中度故障，会指令电机控制器进入限制状态，如降低电机输出功率、限制最高转速，以维持车辆基本行驶功能。
重度故障：像高压互锁失效等严重威胁车辆和人员安全的故障。整车控制器判定为重度故障后，会通过软件指令电机控制器进入安全状态，切断电机高压电源，使电机停止工作，避免危险发生。

三、MCU的内部构造（以特斯拉Model3为例）

接下来我们来了解一下MCU的内部构造吧。以Model3电驱动系统三合一动力总成为例，其中包括电机、控制器、减速器。目前用的最多的还是三合一。

图26 Tesla Model3电驱动系统三合一动力总成

这是特斯拉MCU里的主控板，集成度较高，三相输出端无高压连接器，而是直接铜排引出，接入电机内与电机三相铜排连接。这种结构可以保证高压传输的稳定性与安全性，如果接触不严，则会产生类似放电的情况。

图27 Tesla Model 3 MCU主控板

Model 3电机控制器是全球首款采用SiC功率器件的控制器，其供应商为ST。总共采用24个，每相电路用8个。SiC管通过银烧结固定在散热器上，有效降低热阻，增大了散热效率。SiC管与支撑电容并非直接连接，而是通过铜排连接。此套铜排的两侧分别与电容及SiC的引脚通过激光焊接固定连接。

图28 Tesla Model 3 SiC功率器件

Model 3电机控制器的电容本体方案更偏向于常规通用的定制方形方案。但是其内部集成有Y电容。并且电容的输入输出与铜排连接也是采用激光焊接。

图29 Tesla Model 3 电容器件

Model 3电机控制器的驱动板和控制板集成为一块PCBA。省略了驱动板与控制板之间的线束或排针连接，可靠性增加，成本降低。

图30 Tesla Model 3 主控板

Model 3电机控制器铜排采用的是类复合母排的设计，但是其厚度比复合母排薄，也未采用包塑设计。此种方式使铜排的高频寄生电感小并且利于铜排散热。正负极铜排之间用绝缘纸隔离。

图31 Tesla Model 3 铜排

Model 3电机控制器散热器采用PIN针设计，散热器与机壳通过摩擦焊组装。可靠性高，但此种PIN针结构成本也比较高。优点在于可以根据散热需求变换导热系数不同的材料。可延伸性高。

图31 Tesla Model 3 散热器PIN针

四、MCU的开发流程

如此精密可靠的MCU是如何被开发出来的呢？
如下图所示，MCU的开发过程多采用V流程系统开发，由于汽车产品开发的规范化，大多汽车厂商采用ASPICE标准进行V流程管理。

图31 MCU开发V流程模型

这是项目开发的阶段划分。阶段分为项目启动，A样，B样，C样，试生产，生产，降本设计。A样阶段用于产品设计开发验证和控制器过程设计开发验证；B样阶段用于控制器产品与过程确认；C样阶段则开始进行反馈、评定纠正。

图32 MCU项目开发阶段

系统需求一般源于OEM，根据整车需求或其他标准需求（例如功能安全、信息安全等），生成最初的动力系统电气架构，并制定控制子系统的项目目标，产生初步的控制系统方案。下面展示一些常见的MCU的参数需求条目：
电气参数需求：

图33 MCU电气参数需求

冷却参数需求：

图34 MCU冷却参数需求

环境参数需求：

图35 MCU环境参数需求

辅助电源、保护需求：

图36 MCU辅助电源、保护需求

软件功能需求：

图37 MCU软件功能需求

以下是软件开发职责划分（不同公司划分不同），这是一个基于AUTOSAR的开发架构，目前国内主流的厂商都是使用这套架构，但比亚迪和特斯拉这两家大厂并没有使用。

图38 MCU软件开发职责划分示意图

Boot软件

主要职责：
①Bootloader刷写：MCU 应具备 Bootloader 刷写功能
②OTA升级：MCU 应具备 OTA 升级功能
③软件包组合拆解加密：负责将各部分软件组合拆解及加密
主要开发工具：VS

驱动软件

主要职责：
①上下电：上下电逻辑、时钟处理
②单片机时钟处理：负责各个部分始终计时、时钟同步等内容
③看门狗：外狗、内狗的管理及保护逻辑
④CDD驱动：负责CDD驱动的开发（旋变等）、MCAL
主要开发工具：VS、EB

基础软件

主要职责：
①CAN通信：CAN通信的软件设计工作
②诊断：UDS诊断、DEM故障管理等内容
③内存管理：软件内存管理、分配等
④OS：负责软件的操作系统配置、中断配置等
主要开发工具：AUTOSAR工具链

应用软件

主要职责：
①电机控制：FOC算法的实现
②高压互锁：检测高压状态，防止触电
③能量管理：转子温度估算、过流保护等
④逻辑管理：状态机管理、防溜坡等
主要开发工具：Simulink、VS

当功能软件开发之后，则会开始涉及一些测试。
MIL（Model in the loop）测试
在Simulink模型中，将控制算法模型和被控对象模型连起来形成闭环，就是我们经常说的MIL，顾名思义，在模型层面上实现闭环测试。

图39 MIL测试示意图

SIL（Software in the loop）测试
SIL测试使用与MIL相同的测试用例，查看对于相同的测试用例，查看其输出是否与MIL阶段一致。为了测试的高效性，有时甚至不接入被控对象模型，而是对算法模型和生成代码进行相同的输入，查看输出是否一致。

图40 SIL测试示意图

HIL（Hardware in the loop）测试
在开发出完整的控制器后，有时被控对象（整车）还未完成开发；有时使用真实被控对象进行测试太危险或成本高：出于这些不同的原因，采用真实控制控制器和虚拟被控对象的HIL测试常常被使用。

图41 HIL测试示意图

基础测试内容之后就轮到标定了，标定可以简单分为5个阶段。
标定第一阶段:电机的被动测试
在这个阶段，不需要有控制器硬件和软件的支持，电机单体在台架上被动拖起。我们会在不同温度、不同转速下，通过在短路、开路两种工况中，初步获取电机的电感、磁链、电阻、铜损和铁损等基本信息，为后续的标定工作做好准备。

标定第二阶段:传感器标定
在这个阶段，需要目标控制器的介入，主要标定电流传感器；旋变信号幅值和相位；电流环。如电流传感器和旋变信号传感器，它们都是有一定的误差的，我们需要对它们进行初步标定，以确认硬件到软件的信号衰减及电流环的作用是否可以达到基本预期。

标定第三阶段:确定最佳工作点
一般的做法是通过脚本遍历所有工况，确定最佳工作点，也就是我们常说的MTPA和MTPV。
在这个阶段还要对这些进行损耗补偿，例如铜损、铁损、摩擦损耗。

标定第四阶段:实车动态修正
我们需要额外考虑的是整车的动态响应需求，以及基于应用场景/工况的特殊需求，例如电流环动态响应的标定、死区的补偿、降额功能的修正、温度模型的补偿。

标定第五阶段:整车标定
一般主机厂会对整车进行高寒、高温、高原标定，以确保整车在极限条件下的工作状态。保证整车动力系统在极端的环境性也能稳定发挥其作用。

五、MCU发展现状

由于MCU系统的技术发展，目前市场上存在单电机驱动器、多电机驱动、三合一、五合一等，可能会集成电机、DC DC、VCU等内容，不同的统计依据可能会产生不同的排名，需要根据系统依据进行辨别。

图42 电机控制器中国市场主要生产厂家

以下罗列了一些生产厂家生产的MCU对应的车型：

序号	生产厂商	主要车型
1	大陆集团	戴姆勒、奥迪、标志、雪铁龙
2	博世集团	大众、奔驰、宝马
3	联合电子	通用、上汽、大众
4	弗迪动力	比亚迪旗下车型
5	特斯拉	特斯拉旗下车型
6	电装中国	丰田、本田、日产
7	日本电产	广汽、吉利
8	上海电驱动	长城、一汽、上汽
9	汇川联合动力	奇瑞、埃安、理想
10	英博尔	上汽、通用五菱

表1：厂商MCU对应车型

从单一控制器到三合一及多合一电驱动系统是发展趋势：

图43 电机控制器集成化发展趋势示意图

目前主要集成形式有以下几种：
① 单一控制器。
② 三合一集成控制器：驱动电机、减速器、电机控制器。
③ 五合一控制器集成：电机、减速器、电控、驱动器、制动器。
④ 七合一控制器集成：电机、减速器、驱动电机控制器、高低压直流转换器(DCDC)、双向车载充电器(0BC)、高压配电箱(PDU)、整车控制器(VCU)。
⑤ 八合一控制器集成:电机、减速器、驱动电机控制器、高低压直流转换器(DCDC)、双向车载充电器(OBC)、高压配电箱(PDU)、电池管理器(BMS)、整车控制器(VCU)。

高压化也是目前的主流发展趋势：
主要针对乘用车，目前电压普遍300-400V左右，以后可能往高压化发展，超级快速充电和功率需求提升是电动汽车高压化的内在驱动力。
如充电电压从400V提升至800V，充电时间可以缩短一半。这一块必须提升，电动汽车未来才个普及，高压化是发展的一个趋势，对应这个趋势，逆变器的设计会从650VIGBT的设计往更高的750V以及1200VIGBT的方向发展。

六、总结

在新能源汽车的技术体系中，电机控制器 MCU 以其独特的功能和卓越的性能，成为新能源汽车发展的核心驱动力。从精确的电机控制执行，到高效的电机驱动，再到智能的能量管理和可靠的故障诊断保护，以及顺畅的通讯与数据处理，MCU 全方位地保障了新能源汽车的安全、高效运行，为驾驶者带来了前所未有的驾驶体验。未来，随着人工智能、物联网、大数据等新兴技术的不断融合与创新，MCU 有望在性能、功能和应用场景等方面实现更大的突破。在 MCU 技术的有力支撑下，新能源汽车将迎来更加辉煌的发展前景，为全球绿色出行和可持续发展做出更大的贡献。

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