一种具有低温环境预热效果的新能源汽车电机控制器及其控制方法与流程

本发明属于新能源汽车电力电子，尤其涉及一种具有低温环境预热效果的新能源汽车电机控制器及其控制方法。

背景技术：

1、新能源汽车的电机控制器是驱动系统的核心电力电子部件，其内部通常包含绝缘栅双极型晶体管（igbt）模块、直流母线支撑电容（如薄膜电容）、母线电感及驱动电路等核心元件。这些半导体器件与无源元件的电气性能、可靠性及寿命与工作温度密切相关。在低温环境下，尤其是我国北方冬季及高海拔地区，电机控制器面临严峻挑战：igbt的导通压降与开关损耗显著增大，薄膜电容的容值下降且等效串联电阻急剧上升，导致控制器整体效率降低、输出能力下降，并可能引启动延迟、转矩波动甚至启动失败，严重影响车辆的驾驶性能与可靠性。

2、为应对低温环境，现有技术中主要存在以下几种电机控制器低温适配方案：

3、第一类方案为无主动预热设计，该方案完全依赖电机控制器在开始驱动电机运行后，由自身功率损耗产生的热量来逐渐提升内部温度。此方式在极低温下，控制器核心元件在启动初期完全处于低温状态，其性能衰减问题无法避免，导致车辆起步阶段动力响应迟缓、不平顺，且冷启动过程对元件寿命有不利影响。

4、第二类方案为被动预热设计，该方案通常采用正温度系数（ptc）加热器或电阻丝等加热元件，安装在电机控制器的壳体或散热基板上，通过加热控制器整体结构，再经由热传导间接使内部元件升温。例如，通过壳体加热装置对控制器进行预热的方法，此类方案的热传导路径长、热阻大，存在加热不均匀、热响应速度慢的缺陷，从低温升至工作温度往往需要较长时间（例如10分钟以上），消耗车载电池额外电量，预热效率低下。

5、第三类方案为余热利用设计，该方案试图利用车辆其他系统（如动力电池包、电机）运行产生的废热，通过冷却液循环回路将热量传递至电机控制器，例如，一些整车热管理系统会将电池冷却液的余热导入控制器壳体，然而，此方案依赖于其他部件先运行产生余热，无法在车辆上电伊始、驾驶员有即时驱动需求时实现快速预热，即不具备上电即预热的能力，预热时机不可控。

6、综上所述，现有技术中的电机控制器低温适配方案，或因无预热功能而无法保障低温性能，或因采用间接、整体的加热方式而存在 预热效率低、能耗高、升温速度慢、内部元件受热不均匀 等问题。特别是，缺乏一种能够直接、快速、精准地将热量传递至igbt、直流母线电容等对温度最敏感的核心元件，并在上电后即刻按需启动的预热机制。这导致电机控制器在严寒条件下启动可靠性差、性能衰减严重、元件寿命缩短，成为制约新能源汽车在广阔低温地区推广应用的技术瓶颈之一。

7、因此，迫切需要一种创新的电机控制器设计方案，以克服上述现有技术的缺陷。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种具有精准低温预热功能的新能源汽车电机控制器及其控制方法，旨在解决现有电机控制器在低温环境下核心元件性能衰减、启动困难、预热效率低及寿命缩短等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案，包括：

3、主控制模块；

4、功率转换模块，其包括igbt单元、母线电容和母线电感；

5、低温预热模块，其包括彼此电气独立且热学独立的igbt加热回路、电容加热回路和电感加热回路，所述igbt加热回路的加热元件与所述igbt单元的dbc基板直接热耦合，所述电容加热回路的加热元件与所述母线电容的金属外壳直接热耦合，所述电感加热回路的加热元件与所述母线电感的绕组表面直接热耦合；

6、多维度温度检测模块，其至少包括第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器，所述第一温度传感器设置于所述igbt单元的芯片封装表面，所述第二温度传感器设置于所述母线电容的引脚根部，所述第三温度传感器设置于所述母线电感的绕组中部；

7、其中，所述主控制模块分别与所述多维度温度检测模块和所述低温预热模块信号连接，用于根据所述第一、第二、第三温度传感器采集的各核心元件实时温度，动态调节所述低温预热模块的总加热功率，并控制所述低温预热模块的启停。

8、在本技术的一些实施例中，igbt加热回路包括与所述igbt芯片的ptc加热片，所述ptc加热片通过导热硅胶紧密贴合于所述igbt单元的dbc基板表面；

9、所述电容加热回路包括合金薄膜加热丝，所述合金薄膜加热丝以螺旋方式紧密缠绕于所述母线电容的金属外壳，且加热丝外部包裹气凝胶保温棉；

10、所述电感加热回路包括覆盖面积不小于所述母线电感表面积80%的柔性硅胶加热膜，所述柔性硅胶加热膜通过耐高温压敏胶粘贴于所述母线电感的绕组表面。

11、在本技术的一些实施例中，低温预热模块还包括：

12、功率调节单元，与所述igbt加热回路、电容加热回路和电感加热回路的公共供电端电连接，用于接收来自所述主控制模块的脉宽调制（pwm）信号，并在5w-50w范围内连续调节所述低温预热模块的总加热功率；

13、回路切换单元，串联在所述低温预热模块的总供电回路中，用于根据所述主控制模块的指令接通或切断所有预热回路的供电。

14、在本技术的一些实施例中，功率调节单元包括mosfet开关管、精密采样电阻和pwm控制器，所述mosfet开关管的控制端接收所述主控制模块输出的pwm信号，所述精密采样电阻串联在总供电回路中用于实时采集回路工作电流；

15、所述回路切换单元包括继电器，其常开触点串联在所述低温预热模块的总供电线上。

16、在本技术的一些实施例中，多维度温度检测模块还包括：

17、第四温度传感器，设置于所述电机控制器的铝合金壳体外表面，用于采集环境温度；

18、第五温度传感器，设置于所述电机控制器内部冷却液通道的内壁，用于监测冷却液温度；

19、所述主控制模块对采集的原始温度数据采用卡尔曼滤波算法进行降噪处理。

20、在本技术的一些实施例中，主控制模块预设有第一温度阈值t1、第二温度阈值t2和第三温度阈值t3，其中t1=-10℃、t2=5℃、t3=85℃，且t1

21、所述主控制模块被配置为：当所述环境温度≤t1或所述igbt 单元、母线电容、母线电感中任一者的温度≤0℃时，启动所述低温预热模块；根据各核心元件实时温度与t2的最大差值，通过比例-积分-微分（pid）控制算法计算pwm信号的占空比，动态调节总加热功率；当所有核心元件的温度均≥t2且在30秒内波动不超过±1℃时，停止所述低温预热模块；当任一核心元件的温度≥t3时，立即停止所述低温预热模块并触发报警。

22、在本技术的一些实施例中，主控制模块的功率调节策略具体为：

23、当各核心元件实时温度与t2的最大差值≥15℃时，输出100%占空比的pwm信号，对应总加热功率50w；

24、当最大差值为5℃-10℃时，输出60%占空比的pwm信号，对应总加热功率约30w；

25、当最大差值<5℃时，输出30%占空比的pwm信号，对应总加热功率约15w进行保温。

26、在本技术的一些实施例中，主控制模块还被配置为在电机控制器进入正常工作模式后，持续监测各核心元件的温度；若任一核心元件的温度回落至0℃以下，则自动启动所述低温预热模块，以20w的功率加热60秒进行短时补热，补热完成后自动停止。

27、在本技术的一些实施例中，还包括故障保护模块，其采样端串联在所述低温预热模块的总供电回路中，用于实时监测回路的工作电流和工作电压；当工作电流超过8a或工作电压超过15v时，所述故障保护模块立即向所述主控制模块发送硬件中断信号，并切断预热回路的供电。

28、在本技术的一些实施例中，基于上述任一项所述的新能源汽车电机控制器的低温预热控制方法，包括以下步骤：

29、s1：车辆上电或远程启动后，系统完成初始化，多维度温度检测模块采集igbt单元、母线电容、母线电感的实时温度以及环境温度；

30、s2：主控制模块判断是否满足低温预热启动条件：若环境温度≤-10℃或任一核心元件温度≤0℃，则判定满足预热条件，进入步骤s3；否则直接进入正常工作模式；

31、s3：主控制模块向回路切换单元发送吸合指令，接通预热回路供电；同时根据各核心元件实时温度与5℃目标温度的最大差值，通过pid算法计算初始pwm占空比，输出初始加热功率；

32、s4：每100ms更新一次各核心元件的温度数据，重新计算最大差值并动态调整pwm占空比，实现加热功率的闭环调节；同时故障保护模块实时监测回路电流和电压，主控制模块实时监测各核心元件温度是否超过85℃，若故障保护模块监测到回路电流>8a或电压>15v，或主控制模块监测到任一核心元件温度≥85℃，则立即切断预热回路供电，并通过can总线向整车控制器发送 “预热回路故障” 报警信号；

33、s5：当所有核心元件的温度均≥5℃且在30秒内波动不超过±1℃时，判定预热完成；主控制模块先将pwm占空比归零，再控制回路切换单元断开预热回路供电，进入正常工作模式；

34、s6：正常工作模式下，持续监测各核心元件温度；若任一核心元件温度回落至0℃以下，则启动低温预热模块以20w功率加热60秒进行补热，补热完成后返回正常工作模式。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过采用与功率转换模块中igbt单元、母线电容和母线电感分别直接热耦合的独立预热回路，实现了对电机控制器核心元件的定向加热，有效缩短了热传导路径，提高了热量利用效率；结合覆盖核心元件、环境及冷却系统的多维度温度检测与闭环控制，能够根据各核心元件的实时温度动态调节加热功率，使各元件均匀升温，减少了温度骤变带来的热冲击损伤；预热过程不依赖车辆其他系统的余热，可在上电后按需启动，有效改善了电机控制器在低温环境下的启动性能和运行稳定性；同时，本发明的预热模块高度集成于控制器内部，无需改变现有控制器的外部接口和整车热管理架构，具有良好的工程实用性和兼容性。