水冷BSG電機控制系統設計與驗證

陳 雷，陳登峰，董大偉，史偉偉，秦基偉

(1.上海汽車電驅動有限公司，上海 201806；2.上海汽車電驅動工程技術研究中心，上海 201806；3.Broad-Ocean Technologies,Novi 48377)

0 引 言

隨著發動機國Ⅵ排放標準的發布和加速實施，傳統燃油汽車要達到百公里5 L以內燃油消耗指標也已經成了整車廠必須滿足的硬指標[1-2]。從經濟性和技術可行性上考慮，給傳統發動機加裝一套低壓48 V系統來實現發動機節油的方法尤為重要，這種低壓48 V輕混系統可以幫助發動機避開低效率工作區域，制動能量回收和靈活的轉矩協調策略，正在日趨成為研究的焦點，并成為輕混汽車技術發展的一個重要發展方向[3-4]。相對于傳統燃油汽車而言，增加一套皮帶傳動起動/發電一體化電機(以下簡稱BSG)驅動系統，相對整車成本只需要增加1 500元左右，而燃油經濟性卻可以提升15%左右，具有較高的性價比。目前，國外汽車零部件廠商已經研發出48 V BSG輕混系統，如法雷奧、大陸、博世等，并且已有配套整車的量產產品推出[5]。而在BSG總成產品開發方面，我們國家目前基本上還處于弱勢階段，量產產品還處于空白狀態，國內整車廠，如一汽、長安、上汽等也在抓緊BSG總成研發布局，以滿足整車節能需求。

本文針對發動機節油的需求，開發了一款水冷BSG系統，詳細介紹了該控制系統的結構設計方案和電氣原理，并分析了BSG電機控制系統的冷卻設計方案，仿真和實驗結果表明，本文所設計的BSG電機控制系統具有良好的輸出性能，滿足整車設計指標要求。

1 結構設計

本文所設計BSG電機控制系統的整車主要技術指標：BSG總成電動工況峰值功率不低于9 kW，發電工況峰值功率不低于12 kW，峰值轉矩50 N·m，功率模塊電壓等級不低于100 V，電流等級不低于600 A，系統超過80%的高效率區占比60%以上。

水冷BSG系統的設計方案如圖1(a)所示。水冷BSG系統主要包括電機和固定后端的控制器兩部分，將電機和對應的控制器有機集成，實現冷卻系統共用。其中，BSG電機固定在汽車發動機上面，BSG電機前端是皮帶輪，通過皮帶將BSG電機與發動機轉動軸連在一起，電機控制器固定在BSG電機的軸向后端面。這樣，駕駛車輛的時候，駕駛員可以根據需求，通過軟件控制電機在電動狀態下運行，輸出相應的電動扭矩，從而實現電動助力和扭矩分配的功能；當駕駛員剎車的時候，電機還可以在發電狀態下工作，給整車電池充電，完成制動能量回收[6-7]。

如圖1(b)所示,控制器主要由散熱器、半導體模塊、電容器、霍爾傳感器、裝配印刷電路板(PCBA)、內部線束、上箱體等零件構成。本文所設計控制器的半導體模塊選用100 V/300 A芯片進行芯片級封裝與集成，通過直接覆銅法(DBC)焊接工藝將功率模塊與水冷板集成封裝，同時實現電容器與功率模塊的低壓MOS直焊互聯，并集成霍爾傳感器，BSG電機三相銅排穿過霍爾傳感器和功率半導體模塊的三相輸出端焊接，實現BSG電機和控制器一體化設計。

(a)BSG電機控制系統結構

2 硬件設計

BSG系統是一種輕度混合動力技術，與電動汽車不同的是，BSG系統對傳統發動機的工況進行優化，并且在怠速和起動等情況下提高燃油經濟性，實現節油的目的。BSG系統主要有以下優點：1)在起動和停止的時候，汽車能夠自動關閉發動機，降低燃油消耗和有害物質排放；2)BSG系統的起停-停止-助力僅需要幾百毫秒，不會有延遲感[8]。

BSG系統的電氣工作原理如圖2所示。整車上面的直流高壓電池電流經過功率半導體逆變轉換為交流電，并輸入電機的三相輸入端，使得電機運轉；光電編碼器通過檢測電機的位置信號、霍爾傳感器，實時反饋交流電的電流大小進入到控制器的主控芯片內部，通過主控芯片生成SVPWM信號控制功率MOS的開通和關斷，來實現對電機的精確控制。控制器本身的通訊線束可以與整車進行相互通信，并同步將整車上面的轉矩、轉向和運行模式傳輸給控制器，然后，控制器再根據傳感器檢測的位置和電流參數產生電機工作所需要的交流電，實現電機的正常工作[9-10]。

圖2 BSG系統電氣工作原理圖

本文所設計的BSG電機控制器采用集成式控制板，同時將電源部分、驅動部分和控制部分等集成設計在同一個PCBA板上面，同時在板的接口位置處增加了共模、差模電感，合理配置X電容和Y電容，能夠有效地抑制共模和差模干擾的影響。總的來說，PCBA板設計上高度集成，同時將驅動、電源、旋變位置、溫度和電流等電路集成在一塊板上，可以同時實現多種功能。

3 冷卻系統設計與仿真

本文BSG系統中控制器的半導體模塊由多個MOSFET芯片并聯定制化集成封裝設計，半導體模塊通過DBC法直接焊接在上層板上表面，相比較于傳統的銅基板加導熱硅脂的散熱方式，極大地降低了系統的熱阻，提高了系統的效率和可靠性。電機控制器水冷板結構，如圖3(a)所示，水冷板包括上層板、中間板、下層板和散熱翅片，在中間板的空隙里面填放散熱翅片，然后三層板材通過真空釬焊的方式焊接在一起，下層板有進水口和出水口，這樣電機控制器的水冷板就形成一個完整的散熱水道。BSG電機殼體采用內外套的方式組合，機殼中間設計為C形的散熱水道，BSG電機的散熱水道入口與電機控制器水冷板的出口連通，形成一個串聯式的循環冷卻水路，如圖3(b)水道模型所示。工作過程中，冷卻液首先由BSG電機殼體的水管接頭進入電機控制器水冷板內部對電機控制器進行散熱，然后從水冷板出口進入BSG電機水道入口，進入BSG電機殼體內部的C型水道，對BSG電機進行冷卻，最后從出水管流出，完成對整個BSG電機控制系統的散熱。

(a)控制器水冷板結構

BSG電機控制系統因為安裝在發動機旁邊，周圍工作的環境溫度最高可達110 ℃，而在峰值工況下，BSG電機控制系統又會產生最大的熱量，尤其是半導體模塊的芯片工作時瞬時溫度很高，如果芯片的溫度超過結溫，會引起半導體芯片損壞，BSG系統喪失工作能力。因此，有必要對BSG電機控制系統中的電機控制器半導體模塊，在環境溫度110 ℃的峰值工況下，進行芯片溫升仿真研究。

半導體模塊芯片溫升仿真結果如圖4所示。從圖4可以看出，半導體模塊芯片在峰值工況下的芯片最高溫度為122.61 ℃，半導體芯片結溫為150 ℃，因此模塊選擇可以滿足實際應用需求。

圖4 半導體模塊芯片溫升

4 測試驗證

本文對BSG系統的樣機進行了測試，驗證輸出性能，其中電機的電動峰值功率9 kW，發電峰值功率為12 kW，峰值轉矩均為50 N·m。分別對所設計的BSG電機控制系統進行半導體模塊雙脈沖、外特性和BSG系統效率的實驗。

4.1 雙脈沖測試

雙脈沖測試主要是用來模擬功率半導體的開通和關斷，以反映控制器的寄生參數，記錄功率半導體的開通時間和關斷時間、以及關斷尖峰能否滿足應用的要求。測試時，輸入電壓48 V，輸入電流700 A左右，觀察功率MOSFET關斷尖峰。

測試結果如圖5所示。從圖5(a)和圖5(b)中可以看到，在給定驅動參數情況下，功率模塊的開通時間為1.42 μs，功率模塊的關斷時間為1.4 μs；從圖5(c)可以看到，峰值扭矩情況下的電壓尖峰峰值為66 V，而功率模塊自身耐壓為100 V，遠大于66 V的電壓尖峰，因此66 V尖峰電壓為安全電壓，完全滿足設計使用要求。

(a)模塊開通時間

4.2 系統外特性測試

設定BSG電機控制系統母線電壓48 V，在環境溫度110 ℃下，對樣機進行外特性實驗。

系統的外特性結果如圖6所示。從圖6可以看出，在電動工況下，BSG電機可以穩定輸出峰值轉矩50 N·m，峰值功率9 kW；發電工況下，BSG電機可以穩定地輸出峰值轉矩50 N·m，峰值功率12 kW。可見，本文所設計的BSG電機控制系統的外特性滿足整車設計指標的要求。

(a)電動工況電機輸出轉矩曲線

4.3 效率測試

設定BSG電機控制系統母線電壓48 V，在環境溫度110 ℃情況下，分別對BSG電機控制系統進行效率測試，結果如圖7所示。

(a)電機效率MAP

從圖7(a)可以看出，通過軟件計算BSG電機效率大于85%的高效區面積占比為65.8%；從圖7(b)可以看出，通過軟件計算BSG電機控制器效率大于80%的高效區面積占比為89.2%；從圖7(c)可以看出，通過軟件計算BSG系統效率大于80%的高效區面積占比為63.3%。可見，本文所設計BSG電機控制系統的效率滿足設計指標大于60%的要求。

5 結 語

本文根據國內某整車廠關于發動機節油的指標需求，開發了一款水冷BSG系統。首先對所設計的BSG系統的整體結構設計方案進行介紹，并提出了串聯式散熱結構設計方案，利用仿真軟件對所設計散熱冷卻系統的散熱效果進行研究；然后詳細分析了系統的硬件設計方案；最后，對BSG電機控制系統的樣機進行了臺架實驗，實驗結果顯示，本文的BSG電機控制系統具有出色的控制性能和輸出能力，完全滿足整車設計指標要求。