點(diǎn)擊藍(lán)字丨關(guān)注我們 0引言 隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重和汽車行業(yè)越來越嚴(yán)格的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的施行，燃油汽車的節(jié)能減 排已經(jīng)越來越成為整車廠的共識(shí)，現(xiàn)階段由于純電動(dòng)汽車受電池技術(shù)的瓶頸制約，還無法做到全面普及，因此發(fā)展混合動(dòng)力汽車意義重大。有別于插電式
隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重和汽車行業(yè)越來越嚴(yán)格的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的施行，燃油汽車的節(jié)能減 排已經(jīng)越來越成為整車廠的共識(shí)，現(xiàn)階段由于純電動(dòng)汽車受電池技術(shù)的瓶頸制約，還無法做到全面普及，因此發(fā)展混合動(dòng)力汽車意義重大。有別于插電式混合動(dòng)力汽車直接給燃油車再單獨(dú)增加一套電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)，輕型混合動(dòng)力汽車只需要傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)加裝一款48V帶傳動(dòng)一體化起/發(fā)電機(jī)(BSG)電機(jī)控制系統(tǒng)，就 可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能約 15%，這種輕型混合動(dòng)力系統(tǒng)可以快速實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，具有很大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。傳統(tǒng)電機(jī)控制器開發(fā)一般均選用IGBT模塊，IGBT模塊一般只應(yīng)用在高壓工作狀態(tài)，而BSG電機(jī)控制器工作電壓只有48V，屬于低壓系統(tǒng)，因此開發(fā)BSG電機(jī)控制器需要選用更適應(yīng)低壓工作環(huán)境的MOSFET芯片。本文針對(duì)輕型混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)了一款48VBSG電機(jī)控制器，詳細(xì)介紹了該控制器的結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)分析了功率MOSFET模塊的風(fēng)冷設(shè)計(jì)方案。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的48VBSG電機(jī)控制器具 有突出的散熱性能和良好的控制性能。1 BSG電機(jī)控制器設(shè)計(jì)1.1BSG電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì)48VBSG電機(jī)控制器主要功能是接收整車控制器指令信號(hào)，并通過內(nèi)部的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而控制BSG電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速以上停止、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速以下起動(dòng)、電動(dòng)助力、轉(zhuǎn)矩分配和制動(dòng)能量回收等功能，使得整車動(dòng)力性能提升的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)油減排的目的。48VBSG電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。BSG電機(jī)控制器組成零件主要包括散熱底板、電流傳感器、功率MOSFET模塊、電解電容、PCBA板、箱蓋。BSG電機(jī)控制器將多個(gè)分離的MOSFET芯片(型號(hào):STH315N10F7D7AG)并 聯(lián)布置設(shè)計(jì)成功率 MOSFET模塊，功率MOSFET模塊內(nèi)部同時(shí)設(shè)置了芯片溫度傳感器，用來精確監(jiān)控功率MOSFET芯片工作時(shí)的溫度。功率MOSFET直接通過DBC(陶瓷覆銅板DirectBondingCopper)焊接在散熱底板上，電解電容也固定在散熱底板上，其輸出端通過超聲波焊接與功率MOSFET模塊內(nèi)部進(jìn)行連接，驅(qū)動(dòng)部分和控制部分采用集成化設(shè)計(jì)，可以在一個(gè)PCBA板上同時(shí)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制的功能。48VBSG電機(jī)控制器主要用途包括2個(gè)部分:(1)在車輛正常行駛過程中，功率MOSFET模塊可以將汽車上電池端輸出的直流電通過控制電路的控制，使驅(qū)動(dòng)電路按照要求實(shí)現(xiàn)MOSFET芯片的開管和關(guān)管，為BSG電機(jī)提供頻率可變的交 流電 ;(2)在車輛制動(dòng)的時(shí)候，車輛的動(dòng)能，通過控制電路的控制，使控制和驅(qū)動(dòng)電路按照要求實(shí)現(xiàn)MOSFET芯片開管和關(guān)管，進(jìn)而將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為直流電存儲(chǔ)在汽車的電池當(dāng)中。48VBSG電機(jī)控制器的電氣原理框圖如圖2所示。本文所設(shè)計(jì) 48VBSG電機(jī)控制器的電源轉(zhuǎn)化部分、驅(qū)動(dòng)部分和控制部分采用集成化設(shè)計(jì)，即在一個(gè)PCBA板上面主控電路、采樣電路和保護(hù)電路均可以獨(dú)立運(yùn)行。PCBA板主要集成了電源轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)速及位置檢測(cè)電路、三相電流采樣電路、溫度采樣電路、電壓采樣電路等。
48VBSG電機(jī)控制器的電源轉(zhuǎn)換電路框圖如圖3所示。為了防止因整車在碰撞等惡劣工況條件下48V負(fù)極脫落而造成48V側(cè)的大電流竄入12V回路，設(shè)計(jì)時(shí)便需要將12V回路與48V回路隔離，故采用了方案成熟且成本低的反激式變換電路，再通過變壓器產(chǎn)生一路5V電源給CAN芯片供電，一路隔離的12V電源給驅(qū)動(dòng)回路供電，同時(shí)隔離的12V電源經(jīng)電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成5V電源，用來給采樣電路供電，此外5V又經(jīng)電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成3。3V電源給MCU供電， 由 MCU芯片的BCTRL引腳經(jīng)3。3V轉(zhuǎn)換為1。2V電源供MCU內(nèi)核使用。
48VBSG電機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖4所示。其中，驅(qū)動(dòng)芯片選擇Infineon公司汽車級(jí)芯片，型號(hào)為AUIRS20302S，該驅(qū)動(dòng)芯片具有使能引腳EN、復(fù)位引腳FRST、驅(qū)動(dòng)故障引腳FLT。當(dāng)出 現(xiàn)驅(qū)動(dòng)欠壓時(shí)，芯片將置位 FLT，從而停止發(fā)出脈寬調(diào)制(PWM)，使BSG電機(jī)停止運(yùn)行，進(jìn)而保護(hù)功率MOSFET。此外，該芯片固有死區(qū)時(shí)間為700ns，上下橋具有互鎖功能，可有效降低因軟件失效而造成功率MOSFET直通損壞的概率。驅(qū)動(dòng)電路中為提高驅(qū)動(dòng)能力增加了一級(jí)推挽功能，考慮成本等因素，驅(qū)動(dòng)上橋運(yùn)用了自舉方案，簡(jiǎn)便起見，只畫出一個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)電路，另外2個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)電路與A相相同。當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片檢測(cè)到驅(qū)動(dòng)電源電壓低于閾值時(shí)，F(xiàn)LT會(huì)置位，并送入MCU，此故障不可恢復(fù)，再次上電時(shí)會(huì) 首先進(jìn)行故障檢測(cè)，條件滿足的時(shí)候 MCU才發(fā)送復(fù)位信號(hào)FRST，并使能EN引腳，整體提高了系統(tǒng)的可靠性。1.2.3轉(zhuǎn)速和位置檢測(cè)電路48VBSG電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)速和位置檢測(cè)電路框圖如圖5所示。BSG電機(jī)控制系統(tǒng)整體體積非常小，而且BSG電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)18000r/min，現(xiàn)有市面上用于檢測(cè)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的旋轉(zhuǎn)變壓器因體積較大，安裝空間要求較大，無法安裝在BSG電機(jī)中。因此，本文放棄旋轉(zhuǎn)編碼器，改選精度更高、體積更小的磁編碼器，同時(shí)選用AMS公司的霍爾芯片AS5147P，該芯片體積小，轉(zhuǎn)速檢測(cè)可達(dá)28000r/min。圖4的磁鋼裝配在BSG電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，解碼芯片固定在解碼板上，解碼 板固定在散熱底板的底面，確保合裝以后解碼芯片處于磁鋼的正上方。 MCU給解碼芯片提供CS、CLK、MOSI信號(hào)，同時(shí)解碼芯片將A/B/I信號(hào)發(fā)送給MCU，MCU可實(shí)時(shí)計(jì)算出BSG電機(jī)轉(zhuǎn)速。利用其SPI功能，不僅可以檢測(cè)BSG電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，還可以將讀取芯片自身計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)速與MCU計(jì)算的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷的功能。在信號(hào)處理上，對(duì)送入MCU的信號(hào)和MCU發(fā)送給解碼芯片的信號(hào)均進(jìn)行了濾波處理，有效防止了信號(hào)的干擾。
48VBSG電機(jī)控制器的三相電流檢測(cè)電路框圖如圖6所示。因?yàn)锽SG電機(jī)控制器有功能安全的需求，必須對(duì)三相輸出的相電流進(jìn)行校驗(yàn)，所以使用3個(gè)霍爾電流傳感器分別檢測(cè)三相的電流。本文選用中車定制型號(hào)為NACA。800Q-S6/VA的三聯(lián)體電流傳感器，電流傳感器全溫度范圍內(nèi)精度為2%。電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，一路經(jīng)低通濾波調(diào)節(jié)后送至MCU模擬量采樣口，用于監(jiān)控和控制;另一路送至比較器，將比例調(diào)節(jié)后的信號(hào)經(jīng)過窗口比較轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送入MCU用于相電流過流保護(hù)。48VBSG電機(jī)控制器的電壓檢測(cè)電路框圖如圖7所示。本文的BSG電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)方案中12V系統(tǒng)電壓與MCU不共地，故12V電壓檢 測(cè)需選用一個(gè)線性隔離光耦，為了提高抗干擾能力，又將采樣信號(hào)經(jīng)過一個(gè)跟隨器后再送入 MCU進(jìn)行系統(tǒng)電壓監(jiān)控。48V和MCU共地，可以直接采用電阻分壓方法進(jìn)行采樣，兼顧了控制器功能安全需求，設(shè)計(jì)了兩路母線電壓采樣回路。為了抑制共模干擾，將參與軟件運(yùn)算的一路母線電壓運(yùn)用差分采樣，另一路母線電壓采樣只執(zhí)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩路采樣結(jié)果相差較大時(shí)，便觸發(fā)母線電壓校驗(yàn)故障。48VBSG電機(jī)控制器的溫度檢測(cè)電路框圖如圖8所示。BSG電機(jī)控制器中設(shè)置了兩路溫度溫度采樣，一路用于監(jiān)控功率MOSFET芯片的溫度，另一路用于監(jiān)測(cè)BSG電機(jī)定子繞組的溫度。兩路信號(hào)均是經(jīng)低通濾波、浪涌鉗位后，再送入MCU進(jìn)行監(jiān)控，用于進(jìn)行功率MOSFET模塊和電機(jī)定子繞組的過溫保護(hù)。1.3BSG電機(jī)控制器冷卻設(shè)計(jì)與仿真本文中 48VBSG電機(jī)控制器采用多個(gè)功率MOSFET芯片并聯(lián)布置的方案，通過DBC焊接在散熱底板上面，MOSFET芯片散熱采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式進(jìn)行，散熱板底面有很多的散熱翅片，這樣功率MOSFET芯片產(chǎn)生的熱量可以直接導(dǎo)到散熱底板的翅片上，散熱底板固定在BSG電機(jī)的后端面。BSG電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，轉(zhuǎn)子后端設(shè)計(jì)有風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的葉片。這樣，BSG電機(jī)控制器工作的時(shí)候，BSG電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)風(fēng)扇葉片形成高速氣流吹在散熱底板的底部，高速氣流會(huì)沿著散熱底板底面的翅片表面流動(dòng)。這樣，散熱翅片上面的MOSFET芯片產(chǎn) 生的熱量就會(huì)被氣流快速帶走，確 保功率MOSFET芯片結(jié)溫滿足工作使用要求。48VBSG電機(jī)控制器散熱底板翅片結(jié)構(gòu)，如圖9(a)所示。峰值工況下，BSG電機(jī)控制器的功率MOSFET芯片會(huì)產(chǎn)生很高的瞬時(shí)溫升［10］，如果芯片瞬時(shí)溫度過高，會(huì)影響功率MOSFET的正常工作，甚至?xí)?dǎo)致BSG電機(jī)控制器燒毀，因此采用ANSYS仿真軟件對(duì)BSG電機(jī)控制器在峰值工況下的功率MOSFET模塊溫升進(jìn)行熱仿真分析，研究BSG電機(jī)控制器風(fēng)冷散熱底板翅片結(jié)構(gòu)的散熱效 果。峰值工況下的功率 MOSFET芯片溫升仿真結(jié)果，如圖9(b)示。由圖9(b)可以看出，功率MOSFET在峰值工況下芯片的溫度為141。424 ℃ ，功率MOSFET芯片的長(zhǎng)期使用溫度為150。0 ℃ ，滿足整車使用要求。
對(duì) 48VBSG電機(jī)控制器樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架帶載測(cè)試，將BSG電機(jī)和BSG電機(jī)控制器集成裝配成一個(gè)48V電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，測(cè)試采用的負(fù)載BSG電機(jī)為異步電機(jī)，該異步電機(jī)峰值功率10kW，峰值轉(zhuǎn)矩40N·m，所設(shè)計(jì)功率MOSFET模塊的額定電壓100V，額定電流900A。分別對(duì)48VBSG系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)控制器雙脈沖測(cè)試、系統(tǒng)外特性和效率測(cè)試、BSG電機(jī)控制器溫升測(cè)試。對(duì)本文所提 BSG電機(jī)控制器進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，主要模擬功率管的2次開關(guān)過程，可以完全反映逆變強(qiáng)電回路的寄生參數(shù)情況。試驗(yàn)主要觀察功率管的開通、關(guān)斷時(shí)間以及功率管的關(guān)斷尖峰是否滿足設(shè)計(jì)需求。在實(shí)驗(yàn)室搭建的雙脈沖測(cè)試 平臺(tái)上，將母線電壓設(shè)置為 48V，調(diào)整第1個(gè)脈沖和第2個(gè)脈沖的開通時(shí)間，將電流調(diào)整到約700A，觀察功率MOSFET關(guān)斷尖峰。測(cè)試結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，流過MOSFET模塊的電流為708A時(shí)，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的電壓尖峰為88。5V，MOSFET漏極的耐壓為100V，還有11。5V的裕量?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)相電流峰值最大為600A，因此所設(shè)計(jì)的主電路回路以及驅(qū)動(dòng)回路滿足要求。2.248V系統(tǒng)外特性和效率測(cè)試設(shè)定 BSG電機(jī)控制器母線電壓48V，在常溫25℃和高溫105℃情況下，分別對(duì)48VBSG系統(tǒng)進(jìn)行外特性和效率測(cè)試。BSG電機(jī)控制系統(tǒng)外特性如圖11所示，從圖11可以看出，常溫25℃和高溫105℃環(huán)境下，BSG均能夠輸出40N·m的峰值扭矩，電動(dòng)工況下的峰值功率輸出為8kW，發(fā)電工況下的峰值功率輸出為10kW。BSG電機(jī)控制系統(tǒng)效率如圖12所示。從圖12可以看出，在常溫25℃和高溫105℃環(huán)境下，常溫25℃環(huán)境下，48VBSG系統(tǒng)電動(dòng)工況下效率大于80%的面積占比16。4074%，發(fā)電工況下效率大于80%的面積占比17。8757%;在高溫105℃環(huán)境下，48VBSG系統(tǒng)效率電動(dòng)工況下效率大于80%的面積占比16。8637%，發(fā)電工況下效率大于80%的面積占比19。3086%，可見整個(gè)48VBSG電機(jī)控制系統(tǒng)在常溫和高溫下的輸出性能十 分穩(wěn)定。48VBSG系統(tǒng)一般懸掛在發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)面，車輛運(yùn)行過程中發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生大量的熱量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)周圍環(huán)境溫度最高可以達(dá)到約100℃，同樣48VBSG系統(tǒng)在峰值工況運(yùn)行的時(shí)候MOSFET模塊本身也會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，電機(jī)繞組本身的溫升也會(huì)達(dá)到最高，為了更好地研究本文所設(shè)計(jì)48VBSG電機(jī)控制系統(tǒng)正常工作時(shí)候的溫升性能，對(duì)BSG系統(tǒng)在峰值工況下的溫升性能進(jìn)行測(cè)試。峰值工況下BSG系統(tǒng)的溫升如圖13所示。從圖 13可以看出，峰值工況下BSG電機(jī)控制器的最高溫度大約為142℃，與仿真結(jié)果相一 致，電機(jī)最高溫度大約為 140℃，均在系統(tǒng)許用工 作范圍內(nèi)?？梢?，本文所設(shè)計(jì)48VBSG電機(jī)控制器可以滿足整車在不同環(huán)境下的溫升使用要求。本文開發(fā)了一款基于功率 MOSFET的48VBSG電機(jī)控制器，為輕型混合動(dòng)力汽車的節(jié)能減排提供了一種有效的解決方案。首先，介紹了48VBSG電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提出了基 于風(fēng)冷散熱的冷卻方案，通過熱仿真研究得出所 設(shè)計(jì)的BSG電機(jī)控制器具有良好的散熱效果。然后，對(duì)BSG電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的闡述。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的48VBSG電機(jī)控制器進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的BSG電機(jī)控制器具有良好的輸出性能。文章來源：1．上海汽車電驅(qū)動(dòng)有限公司，2．上海汽車電驅(qū)動(dòng)工程技術(shù)研究中心
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