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增程式電機控制器高效熱分析與研究

2021-11-02 17:22:11·  來源：電動學(xué)堂  作者：陳登峰  
　
文章來源：上海汽車電驅(qū)動有限公司0引言國外關(guān)于增程式驅(qū)動系統(tǒng)的研究開始比較早。寶馬、日產(chǎn)和通用關(guān)于增程式混動方案研究較早，尤其是通用汽車已有相關(guān)增程式
文章來源：上海汽車電驅(qū)動有限公司

0引言

國外關(guān)于增程式驅(qū)動系統(tǒng)的研究開始比較早。寶馬、日產(chǎn)和通用關(guān)于增程式混動方案研究

較早，尤其是通用汽車已有相關(guān)增程式車型在市面上批量銷售。國內(nèi)車廠如長安、吉利、廣汽等，雖然也都在針對增程式混動方案進行研究，但是到現(xiàn)在市面上還沒有批量的車型在銷售;互聯(lián)網(wǎng)汽車公司理想ONE車型將增程式混動方案推向市場，給國內(nèi)增程式方案的發(fā)展帶來新希望，并最終獲得大眾的喜愛。

但是，增程式電機直接與發(fā)動機曲軸集成連接，發(fā)動機本身產(chǎn)生的高溫也會傳遞給電機系統(tǒng)，使其工作環(huán)境非常惡劣，嚴重時甚至導(dǎo)致電機控制器溫升過高損壞或者故障，因此開發(fā)增程式電機系統(tǒng)的關(guān)鍵便是有效的熱管理設(shè)計。
本文正是針對一款增程式電機控制器的散熱需求，設(shè)計了增程式電機控制器及其高效的雙面水冷散熱器，并介紹了該增程控制器整體結(jié)構(gòu)和其散熱器冷卻結(jié)構(gòu)。

為了進一步研究其散熱器冷卻效果，分別對該增程式電機控制器的功率模塊和薄膜電容進行了熱仿真研究和臺架溫升測試，通過對比分析可知，本文的增程式電機控制器散熱器冷卻結(jié)構(gòu)具有良好的散熱效果，能夠滿足在發(fā)動機周圍長時間工作的需求，對于同類型增程式控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值和借鑒意義。

1總體設(shè)計
1.1控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖1(a)為本文設(shè)計的增程式二合一發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電機控制器位于電機右上方，電機由定子和轉(zhuǎn)子組成，電機機殼法蘭面與發(fā)動機外殼法蘭安裝面連接固定，電機轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子輪轂與發(fā)動機曲軸法蘭盤連接，實現(xiàn)整個增程式電驅(qū)動系統(tǒng)與發(fā)動機的集成。

圖1(b)為本文設(shè)計的增程式電機控制器。增程式電機控制器采用平板式IGBT模塊(GD400HTX75P7S)，薄膜電容規(guī)格設(shè)計為500V/250μF(C362H257N0026A8)，其中，薄膜電容固定在箱體底部，散熱器位于薄膜電容上方，與箱體內(nèi)部進出水口相連接。
功率IGBT模塊通過螺栓安裝在散熱器上表面，磁環(huán)濾波組件、三相輸出組件分別安裝箱體底部的兩端，并且磁環(huán)濾波組件與薄膜電容輸入銅排電氣連接，三相輸出組件通過轉(zhuǎn)接銅排與功率IGBT模塊的輸出端子電氣連接。此種布局方式，對控制器外形輪廓尺寸需求小，尤其是控制器的寬度尺寸只需略大于模塊寬度，適合增程式發(fā)電機系統(tǒng)軸向空間狹小的使用需求。
1.2冷卻系統(tǒng)設(shè)計
增程式電機控制器位于發(fā)動機附近，其外部環(huán)境溫度通常達到105℃以上，再加上控制器，其內(nèi)部功率器件和薄膜電容器均是比較大的發(fā)熱源。如果沒有很好的熱管理設(shè)計，造成溫度超過薄膜電容和IGBT功率模塊使用允許溫度，電容芯子將失效，甚至發(fā)生短路燒毀。并且IGBT模塊超出芯片結(jié)溫，也會使其發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的故障，導(dǎo)致整個控制器報廢，嚴重限制了控制器功能的正常發(fā)揮。
為了實現(xiàn)對增程式電機控制器更好的熱管理設(shè)計，如圖2所示，本文采用三明治疊層式結(jié)構(gòu)布置。將IGBT功率模塊、散熱器、薄膜電容層疊式布局，散熱器處于中間位置，IGBT功率模塊固定在散熱器的上表面，其與散熱器接觸面縫隙涂抹導(dǎo)熱硅脂，薄膜電容設(shè)置在散熱器的底面，并與散熱器中間通過鋪設(shè)一層導(dǎo)熱墊實現(xiàn)無縫接觸。這樣就實現(xiàn)了一塊散熱器上下兩面同時對IGBT模塊底面和薄膜電容上表面間的冷卻散熱。

圖3為本文設(shè)計的散熱器結(jié)構(gòu)。散熱器本體由散熱器殼體和底板組成，散熱器殼體內(nèi)部分布有均勻排列的散熱PIN針，散熱底板通過攪拌摩擦焊的工藝固定在散熱器殼體的下表面，散熱底板兩端設(shè)有兩個圓孔分別作為散熱器的進水口和出水口。散熱器通過螺栓壓在箱體內(nèi)部進出水口上表面，連接部位通過O形圈實現(xiàn)平面密封，從而實現(xiàn)散熱器與箱體內(nèi)的水路貫通。圖4為控制器的冷卻系統(tǒng)散熱水道模型。


2控制器熱仿真與分析
本文設(shè)計的增程式二合一電機系統(tǒng)的額定功率為40kW，峰值功率為60kW，考核電容的溫升是額定工況下熱量累計的效果，而考核IGBT溫升則是在峰值工況下芯片的瞬時溫升最高。因此，為了研究該散熱器的冷卻性能，需要在額定工況下對電容進行熱仿真分析，在峰值工況下對IGBT內(nèi)部芯片進行熱仿真分析，仿真邊界條件:冷卻液為乙二醇與水1∶1的混合液，環(huán)境溫度105℃，入水口溫度為65℃，流量為8L/min。
仿真工況為額定工況，芯子紋波電流為69A(rms)，直流輸入有效值為117A，圖5為電容溫度分布。由圖5可見，電容輸入端銅排溫度最高為109.2℃，芯子最高溫度為99.6℃，小于使用過程中薄膜電容芯子耐溫105℃，可滿足長期使用需求。

控制器IGBT模塊仿真工況為峰值工況，圖6為IGBT內(nèi)部芯片溫度分布。由此可知，IGBT內(nèi)部芯片最高溫度97.1℃，NTC探測面溫度為81.3℃，模塊長期使用溫度不超過150℃，可滿足長期使用需求。

3控制器溫升臺架測試
為了進一步研究本文的增程式電機控制器的IGBT模塊和薄膜電容的溫升，制作了增程式電機控制器樣機，并搭建實驗臺架，對其進行溫升測試，臺架測試環(huán)境如圖7所示。樣機負載電機為永磁同步電機，額定功率40kW，峰值功率60kW，對應(yīng)額定扭矩109N·m，峰值扭矩163N·m。控制器入水口溫度調(diào)為65℃，冷卻液流量8L/min，環(huán)境艙溫度設(shè)為105℃，IGBT模塊開關(guān)頻率為10kHz。

峰值工況下，電機處于3500r/min，163N·m的發(fā)電工況下運行30s，可以得到IGBT模塊的溫度隨時間的變化曲線，如圖8所示。由圖8可以得出，模塊NTC處溫度穩(wěn)定在80.6℃，相比仿真結(jié)果的81.3℃，略低0.7℃。據(jù)此推測，模塊芯片處實際溫度比仿真結(jié)果97.1℃高0.7℃，約為98℃左右，最高不超過110℃，遠小于IGBT模塊許用溫度150℃，可見，所開發(fā)的散熱器對功率模塊也具有較好的散熱效果，完全滿足控制器長期運行工作需求。

為方便測量電容內(nèi)部芯子和銅排的溫度，在電容內(nèi)埋設(shè)有3只熱電偶，熱電偶的埋設(shè)位置如圖9所示。隨后測試額定工況下電容的溫升，測試時間為60min，可以得到薄膜電容的溫升曲線，如圖10所示。
由圖10中可以得出，薄膜電容的溫度在運行20min后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后實測3只熱電偶處的溫度均不超過75℃。考慮熱電偶埋設(shè)位置為芯子表面，不是芯子中心熱源位置，因此實際芯子中心溫度還是會稍微大于75℃，但小于電容長時間工作可承受的最高溫度(105℃)，可以滿足使用需求。

4結(jié)語
本文針對增程式電機控制器的散熱需求，開發(fā)了一款增程式電機控制器及其高效雙面冷卻散熱器，并介紹了該增程式電機控制器的整體結(jié)構(gòu)和其散熱器的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計方案，并對其進行了有限元仿真分析，從理論上研究了該散熱器在增程式電機控制器中的散熱效果。

制造樣機，搭建相應(yīng)測試臺架進行實測，測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計的散熱器對增程式控制器具有優(yōu)良的散熱效果，既可以快速帶走功率器件自身產(chǎn)生的熱量，也可規(guī)避環(huán)境溫度對功率器件的影響，滿足增程式控制器的散熱需求，對于同類型增程式控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值和借鑒意義。
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