智新科技: 新一代动力域控制系统的发展与挑战

智新科技成立于2001年，前身为东风电动车辆股份有限公司，2019年更名为智新科技，致力于为客户提供优质的动力总成、分总成及零部件产品，提供专业的动力系统解决方案。

王闻宇是智新科技股份有限公司电控开发专业总师，从事电机控制器开发工作十余年，在电机控制算法、功能安全等方面都有非常深入的研究。

从动力域控的发展趋势来看，王闻宇认为，首先是以客户需求主导，去满足客户需求的方向；其次总体向着高压、高效、高集成、低成本、高舒适性、高功率密度、高安全可靠方向持续发展。

针对上述发展趋势，智新科技进行了软件和硬件方面的技术探索与创新。在2023年12月14日，在第四届汽车电驱动及关键技术大会上，王闻宇围绕动力域控的发展趋势、挑战及智新科技相关探索展开经验分享。

王闻宇|智新科技股份有限公司电控开发专业总师

以下为演讲内容整理：

智新科技简介

智新科技是东风旗下一家负责动力总成研发和制造的公司。自2001年成立以来，公司专注于为客户提供卓越的动力总成、分总成及零部件产品。

公司布局于武汉经济技术开发区的五个园区内。其中，一号园区汇聚了运营、研发中心及子公司，同时进行IGBT、电池和电控产品的生产；二号园区则是电驱动总成工厂，涵盖纯电、混动电机及定转子生产；三号园区专注于变速箱与新能源动力总成减速箱制造；四号与五号园区分别负责发动机零部件及总成的生产。

智新科技产品品牌以“马赫动力”命名，代表动力澎湃、超强驾控、高效环保，给用户带来愉悦的驾乘体验。马赫动力涵盖传统动力总成、混合动力总成及纯电动电力总成，已广泛应用于东风集团内外多个品牌。

近年来，公司销量持续攀升，累计交付动力总成超过100万套。同时，我们不断推陈出新，成功开发量产两代动力总成。从今年开始，公司推出了第三代纯电驱动总成，这代动力总成以集成和高压化为主要标志，功率范围从70千瓦-400千瓦，有多个系列。智新科技目前正在开发第四代平台，该平台将进一步贯彻高压化、智能化深度集成等理念。

在动力域相关产品方面，智新科技经历了从单电控到纯电多合一的演变过程，混动产品线也实现了从普通MCU到深度集成融合电控模块的升级。这一系列创新与发展始终以客户的需求为导向。

动力域控的发展趋势、挑战及智新科技的相关探索

动力域控的发展始终以客户需求为主导。为满足客户对更长续航里程的期待，电控系统正逐渐实现高压高效特性；为降低购车成本，我们致力于通过高度集成化和降成本技术达成用户期望；同时，为提升驾乘体验，控制器作为动力总成的核心部件，也在不断优化以提高舒适性。

在动力性能方面，提高功率密度能为乘员提供更宽敞的空间体验，因此也是技术发展的重要方向。此外，智能化作为当前热门话题，虽然在电驱动系统中的直接用户感知度不高，但我们仍在努力通过智能化技术提升电控系统的安全可靠性。

面对这些挑战，我们在技术和解决方案上不断取得进展。在高压和高效方面，电压平台正逐步从400V向800V发展，功率器件也从硅向碳化硅转变，系统效率正挑战更高水平。

在此背景下，我们重点关注功率器件的研发与应用。智新科技具备功率半导体模块封装能力。我们已成功推出碳化硅模块产品，具备强劲的出流能力，并可以适配不同功率需求的动力总成。

同时，我们也在积极探索碳化硅的驱动保护技术。当前产品已实现碳化硅器件的可靠驱动和保护，但仍存在诸多问题需要解决。我们正在研究多段电流型驱动技术、甚至智能化的驱动方式，以根据工况优化电流、降低损耗。预计这一技术将带来显著的效率提升。

在EMC设计方面，碳化硅高压时代对器件的开关速度提出了更高要求，使得主回路和控制回路的敏感性增强；集成化趋势也带来了更多的干扰源和复杂的干扰传递路径。为解决这些问题，我们采用仿真方法优化滤波器设计，并针对重点频段进行持续优化。然而，仿真结果与实际情况仍存在一定差异，因此快速测试和迭代以及拥有支持EMC实验的实验室显得尤为重要。

在软件方面，PWM调制技术的应用对于降低开关次数和提高效率具有显著效果。我们不断优化开关频率以适应不同工况，并通过标定工作确保控制策略发挥出最佳特性。同时，深度过调制技术在减小相电流方面具有潜力，但也需要解决谐波和损耗问题。通过标定工作找到过调制深度、稳定性和效率之间的最佳平衡点是我们持续努力的方向。

高度集成化是动力域控发展的必然趋势。从三合一集成到多合一集成再到动力域融合的过程中涉及众多技术挑战和方案选择。目前三合一方案在量产产品中占据主导地位，但多合一方案已开始逐渐上量并展现出其优势。在动力域融合尤其是逻辑集成方面，我们仍处于探索阶段，并期待未来能取得更多突破性进展。

在集成化的过程中，我们获得了多方面的深刻体会。集成化可以从多个维度来探讨，首先是功能集成。以MCU+小三电为例，它显著降低了总成的高度，并通过将电容或电源置于下方来优化布局。这种布局方式不仅降低了结构件和线束的成本，但同时也带来了整车搭载匹配上的诸多问题。

除了功能集成，我们也尝试了功能扩展，如集成升压和部分替代PTC加热功能。虽然这些功能在理论上都没有问题，但在实际操作中我们遇到了挑战，这要求我们必须提前进行系统整体优化。例如，升压和加热功能都对电机的热控提出了新要求。我们曾经在一个项目中途遇到这样的需求变更，虽然电控团队迅速应对，但最终发现电机无法满足新要求，且修改电机的代价巨大，最终无法实施这一方案。因此，随着集成度的提高，所有工作都必须提前进行系统性的规划。

在逻辑融合方面，我们实现了MCU和TCU的融合，这显著降低了硬件成本，但同时也对软硬件架构的设计提出了更高要求。我们发现，即使是基于相同的AUTOSAR架构，要实现这一融合也并非易事。目前，我们还在探索将VCU、BMS和电源也融入这一体系，但这必须与车企进行联合定义才能实现。

在这个过程中，我们也发现了一些问题。首先是需求本身的不确定性，这导致我们在讨论集成化方案时往往难以达成共识。其次是功能成本的问题，随着集成度的提高，功能安全要求也相应提高，这可能导致整体成本不降反升。例如，我们曾经尝试将多个功能集成在一起，但最终发现这样做反而增加了成本和复杂性，因此放弃了这一方案。

此外，我们还需要考虑其他两个成本因素：质量成本和故障成本。在多合一的情况下，如果其中一个组件出现故障，可能导致整个系统都报废；同时，故障模式也变得更为复杂，这增加了问题定位和分析的难度。

但值得一提的是，高度集成化也带来了一个优势：我们可以掌握更全面的数据。如果有一套高端的数据采集系统结合大数据进行分析，将有助于我们更好地解决问题。

最后，我想谈谈人才储备和团队建设的问题。随着集成化程度的提高，我们对系统和基础软件、基础硬件的要求也越来越高。我们发现很难找到合适的全栈系统工程师来满足这些要求，因此我们必须自己培养这样的人才。同时我们也面临着跨专业的技术管理问题，因为不同背景和专长的团队成员在协作过程中可能会出现摩擦和冲突，这需要我们有更强的团队管理和协调能力来应对。

至于低成本的趋势问题，我认为这是一个持续的过程。除了整合之外，我们还在探索如何通过优化硬件成本来实现更低的价格，例如通过改进功率器件和模组的设计来降低Z向高度和优化特定场景下的配置等。当然这也需要我们解决一些技术上的挑战，如多管并联和焊接工艺等问题。

另一个引人注目的领域是模组技术的创新。碳化硅和硅的混合模组在技术上极具挑战性，但同时也带来了显著的成本优势。众多企业和研究机构都在积极攻克这一技术难关，以期在模组性能与成本之间找到最佳平衡。

在模块降本方面，壳封体系下的HPDmini模块成为了业内的关注焦点。这种模块能够充分发挥新一代芯片的成本优势，并有助于降低封装成本。然而，目前业内对于HPDmini的定义尚未形成统一标准，这使得企业在决策是否采用某种封装时面临困难。

在传感器技术方面，我们也进行了一些有益的探索。贴片式电流传感器在空间利用率和成本上表现出色，但在实际应用中需要解决空间磁场和周围磁场耦合带来的问题。此外，我们还探索了一些位置传感器，这些传感器在成本和解码电路成本上较低，但存在磁场干扰的问题。同时，电流传感器与PCB的整合设计也具有一定的挑战性。

除了电控降本外，我们还关注整个系统的降本问题。例如，在电机领域，异步电机因其明显的成本优势而受到广泛关注。然而，在实现动态性能与效率的平衡方面，我们发现需要做出一定的妥协。虽然作为辅助区域，动态性能的要求相对较低，但为了实现最优损耗方式下的电流分配，有时需要在动态性能上做出百毫秒级的妥协。

另一个需要解决的问题是NVH控制。在永磁电机上，理论上可以实现较为完备的解决方案；但在异步电机上，由于转差的存在，很难找到一种完美的方式来实现谐波控制。

在提高舒适性方面，减振降噪是当前的重要趋势。随着对减振和降噪要求的不断提高，我们需要在更多工况下针对细节进行深度优化，并提高工况的适应能力。例如，通过谐波注入等方法可以降低噪音十几个分贝，通过降低载频可以改善人的听感。然而，有些问题无法通过统一的方法解决，需要通过精细化的标定来应对谐波注入无法覆盖的工况。例如，在开关闭环切换、开环与闭环选择等方面。

此外，我们还面临着一些连标定都无法解决的问题——参数变化的问题。例如，在主动防抖方面，通过开环或者主动阻尼的方式，来消除中高速行驶过程中的振动，但新车与旧车状态下的表现存在差异。随着车辆使用年限的增长，动力系统间隙和悬置系统橡胶的老化会导致车辆性能衰减。为了解决这一问题，我们需要进行自适应的调整和优化工作。在这方面，我们也进行了一些有益的探索和实践。

在探讨高功率密度的话题时，我们不得不提及其在总成级别深度集成的壳体设计。这种一体化的铸造壳体具有质量轻、刚度和模态高的显著优势。值得一提的是，控制器已不再是独立的分总成，而是以逆变形式存在。逆变模块内采用了集成化冷却水道，并采用了两面布置的设计，进一步提高了散热效果和成本控制，使得功率密度达到了80kW/L以上。

然而，集成化设计也带来了一些挑战。例如，总成的油冷方式使得热设计问题变得更加复杂，需要处理多物理场耦合的热设计问题。我们在初次实验就暴露出了一些问题，需要丰富的经验来修正和完善。

在安全性与可靠性方面，高压和高集成度带来了许多新问题。首先，功能安全问题变得更加棘手。多个组件的集成使得功能安全分析变得更为复杂。虽然我们拥有专业的功能安全团队，并在今年获得了产品级的ASIL-C认证，但在多合一总成的应用上仍需探索有效的解决方案。此外，从容错控制的角度出发，我们尝试了无传感器的矢量控制技术，以避免因旋变失效导致的动力中断。随着厂商对质量要求的提高，容错控制显得尤为重要。一旦发生动态抛锚事件，即使总成没有不可逆的损害，整个总成也需要退回维修，这使得容错控制显得更为关键。

高压系统还带来了轴电流问题，如轴承电腐蚀现象。集电环是一种可行的解决方案，而业界也分享了通过滤波器解决此问题的思路。在平衡成本与可行性方面需要做出明智的选择。在软件方面，我们采用了调制策略来降低电压，但需要经过充分试验验证其有效性。

健康诊断也是一项颇具意义的努力。虽然目前该技术仍处于初级阶段，但通过为主电路的关键器件如功率器件和电容进行健康诊断，可以为用户提供预警而非直接抛锚在路上。未来，整车运行的大数据将对健康诊断模型进行校正和优化。

最后，我想谈谈测试问题。好的产品离不开严格的测试。我们在测试方面投入了相当大的成本，但在实践中发现了两个问题：提高测试覆盖率和效率。通过搭建复杂的测试环境和建立基于测试技术的数据库，我们可以提高测试的全面性和准确性。同时，合理的策略和自动化测试脚本也有助于提高测试效率并缩短开发周期。

此外，当多个组件集成在一起时，如何将每个分总成的质量指标折算到整个总成的指标是一项复杂的任务。希望未来有机会与大家深入交流并共同探讨这一挑战。智新科技愿意与上下游合作伙伴共同努力，共同打造创新发展格局。

（以上内容来自智新科技股份有限公司电控专业总师王闻宇于2023年12月14日在2023第四届汽车电驱动及关键技术大会发表的《新一代动力域控制系统的发展与挑战》主题演讲。