新能源汽車(chē)用電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與測(cè)試*

陳登峰, 孫臣玉， 陳 雷, 位超群, 李藝晗

(1.上海汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)有限公司，上海 201806；2.上海汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)工程技術(shù)研究中心， 上海 201806)

0 引 言

當(dāng)前，中國(guó)為了鼓勵(lì)節(jié)能減排，將新能源汽車(chē)作為重點(diǎn)扶持的新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展新能源汽車(chē)已經(jīng)成為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑?？刂破髯鳛樾履茉措妱?dòng)汽車(chē)的三大核心技術(shù)之一，其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是高功率密度、高度集成化、輕量化[1-3]。

電機(jī)控制器要想實(shí)現(xiàn)高功率密度通常采用電力電子模塊集成技術(shù)和模塊化的設(shè)計(jì)理念，將汽車(chē)級(jí)功率器件IGBT、IGBT驅(qū)動(dòng)和控制單元、復(fù)合母排、膜電容器以及低熱阻的散熱器等關(guān)鍵部件高度集成，開(kāi)展大功率、高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的產(chǎn)品優(yōu)化與集成設(shè)計(jì)[4-5]?？刂破髦械墓β誓K是提升功率密度的關(guān)鍵器件，隨著新能源汽車(chē)大功率、小型化發(fā)展，功率模塊也呈現(xiàn)高能量小型化的趨勢(shì)，更高功率密度的模塊需要散熱能力更強(qiáng)的散熱結(jié)構(gòu)[6-8]。在整車(chē)及控制系統(tǒng)中大多采用水冷方式，因此高功率密度控制器的散熱對(duì)控制器的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，而優(yōu)化散熱底板設(shè)計(jì)，減小散熱底板體積，降低散熱底板重量，可以達(dá)到提高系統(tǒng)功率密度的目的[9]。

本文針對(duì)新能源汽車(chē)電機(jī)控制器高功率密度的要求，使用雙面焊接單面散熱IGBT，開(kāi)發(fā)了一款集成度高、功率密度高的電機(jī)控制器，重點(diǎn)介紹了該控制器的結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)方案，并對(duì)控制器的冷卻方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)展了水道熱仿真研究。最終，試制了控制器樣機(jī)并進(jìn)行臺(tái)架性能測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，所開(kāi)發(fā)的電機(jī)控制器性能優(yōu)異,體積功率密度可達(dá)23.1 kW/L,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電氣原理

為了實(shí)現(xiàn)高功率密度，充分利用控制器內(nèi)部的體積，同時(shí)兼顧裝配和制造簡(jiǎn)捷，本文開(kāi)發(fā)的控制器主要通過(guò)研究IGBT模塊、驅(qū)動(dòng)電路、薄膜電容器、高效散熱器的高度封裝集成，實(shí)現(xiàn)了功率部件的直焊互連集成設(shè)計(jì)與焊接工藝，為整車(chē)高溫、高濕、振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境條件下電機(jī)控制器的可靠性提供保障，同時(shí)提升了電機(jī)控制器功率密度水平。本文所設(shè)計(jì)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖1所示。

圖1 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖2為本文所設(shè)計(jì)控制器內(nèi)部模塊級(jí)集成組件，控制器采用雙面焊接單面散熱IGBT模塊，并通過(guò)電阻焊工藝將膜電容器端子與IGBT模塊直流端子、IGBT模塊交流端子與三相銅排的直接鍵合與集成，避免了螺栓的大量使用，實(shí)現(xiàn)了連接的可靠性與空間利用率的提升，使結(jié)構(gòu)布局更加緊湊，功率密度的進(jìn)一步提升。同時(shí)，從圖2可以看出，水道蓋板與水冷板間采用攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)蓋板與水冷板間的焊縫處的固相連接，避免了大量使用螺栓，在提高控制器內(nèi)部空間率的同時(shí)也保證了水道密封性，實(shí)現(xiàn)了控制器同功率等級(jí)的小型化?；谥焙富ミB工藝技術(shù)路線(xiàn)，本文研制的控制器樣機(jī)功率密度達(dá)到23.1 kW/L，峰值功率125 kW，集成度與性能水平與國(guó)外同類(lèi)量產(chǎn)產(chǎn)品相當(dāng)。

圖2 控制器內(nèi)部模塊級(jí)集成組件

電機(jī)控制器的原理框圖如圖3所示。電機(jī)控制器的控制系統(tǒng)工作在12 V電源網(wǎng)絡(luò)下，通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與整車(chē)通信，控制器功率部分的逆變單元能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為交流電并輸入到永磁同步電機(jī)，控制器中成熟的底層配置和軟件算法以及各采樣電路、保護(hù)電路相互配合，可以使電機(jī)控制器穩(wěn)定可靠地工作。

圖3 電機(jī)控制器原理框圖

2 IGBT模塊和膜電容器

2.1 IGBT模塊

本文所設(shè)計(jì)控制器采用扁平化的雙面焊接單面散熱IGBT模塊實(shí)物，如圖4(a)所示，該IGBT的電壓為750 V，電流為800 A，該IGBT模塊比傳統(tǒng)的IGBT體積小，模塊內(nèi)部芯片采用雙面焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在功率模塊熱阻上遠(yuǎn)小于平面型結(jié)構(gòu)，同等條件下大大提升了功率模塊的輸出容量，提高了功率密度。

圖4(b)所示為IGBT模塊雙面焊接結(jié)構(gòu)，芯片背面焊接于非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)DBC，芯片正面焊接于正面焊接銅片結(jié)構(gòu)，外部功率極以及信號(hào)極通過(guò)引線(xiàn)框架快速方便引出，減少模塊內(nèi)部鋁線(xiàn)鍵合工藝，降低模塊自身雜感，提高IGBT模塊電氣連接可靠性。圖4(c)為雙面焊接實(shí)物。這種省去了綁定線(xiàn)工藝的新型IGBT封裝工藝，使結(jié)構(gòu)振動(dòng)可靠性更高，并且可以大幅度節(jié)省控制器內(nèi)部的空間。

圖4 雙面焊接單面散熱IGBT模塊

2.2 薄膜電容器

為了減小模塊與電容器之間的寄生電感以及改善模塊與電容器連接空間，縮短模塊與電容器之間的連接線(xiàn)路，開(kāi)展了電容器與功率模塊的連接技術(shù)研究。為了進(jìn)一步減小電路所需薄膜電容器的額定電壓和容量，同時(shí)提高電容器的耐電流水平，從而達(dá)到減小電容器體積的目的，通過(guò)對(duì)比研究，最后采用電阻焊工藝的連接方式。圖5所示為本文所設(shè)計(jì)控制器薄膜電容器結(jié)構(gòu)示意圖。

為了進(jìn)一步確認(rèn)薄膜電容器減少容值體積和改善電感以后的熱可靠性，需要進(jìn)一步對(duì)薄膜電容器開(kāi)展熱仿真分析。根據(jù)控制器整機(jī)運(yùn)行環(huán)境條件，將薄膜電容器底面溫度設(shè)定為80 ℃，周?chē)h(huán)境溫度設(shè)定為85 ℃，使用仿真軟件對(duì)薄膜電容器進(jìn)行熱仿真。

圖5 薄膜電容器結(jié)構(gòu)

薄膜電容器熱仿真結(jié)果如圖6所示。仿真結(jié)果表明，薄膜電容器的熱主要集中在薄膜電容器的灌封面母排側(cè)及上側(cè)母排處，熱點(diǎn)區(qū)域最高溫度為98.2 ℃，小于芯子薄膜最高耐溫105 ℃，滿(mǎn)足長(zhǎng)期耐溫使用要求。

圖6 薄膜電容器熱仿真結(jié)構(gòu)

3 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

IGBT模塊在運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生大量的熱損耗，需要用相應(yīng)的散熱結(jié)構(gòu)增加熱交換面積，帶走模塊所產(chǎn)生的熱量。本文設(shè)計(jì)的控制器的功率模塊由3個(gè)IGBT模塊水平鋪在散熱底板上，在IGBT與底板之間需涂抹導(dǎo)熱硅脂來(lái)填充間隙，再用壓板壓緊模塊貼緊散熱底板。散熱底板背面設(shè)計(jì)有冷卻水道，如圖7(a)所示。冷卻液從入口流入控制器的散熱水道，水道內(nèi)部有間隔分布的呈云朵狀的散熱翅片，冷卻液流入時(shí)，云朵狀的散熱翅片可以起到分流增大有效換熱面積，降低熱阻的作用。冷卻液帶走IGBT的產(chǎn)生熱量,最后通過(guò)冷卻水道的出口流入驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)散熱的目的。

圖7 控制器冷卻水道及溫升仿真

考慮到過(guò)高的溫度會(huì)縮短IGBT的壽命并可能降低整個(gè)控制器在使用過(guò)程中的可靠性，該款控制器需要對(duì)散熱系統(tǒng)(水道)進(jìn)行可靠性的分析，在目前散熱分析中，主要通過(guò)仿真軟件計(jì)算IGBT在不同工況下的最高溫度以及后續(xù)樣機(jī)的驗(yàn)證分析。散熱仿真結(jié)果如圖7(b)所示，可以看出，模塊在峰值工況下芯片的最高溫度為131.05 ℃，IGBT模塊長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的耐溫為150 ℃，在使用要求范圍內(nèi)。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

為了確保電機(jī)控制器能夠在整車(chē)的不同工況下平穩(wěn)的運(yùn)行，同時(shí)，使該控制器具有經(jīng)濟(jì)適用性，對(duì)所設(shè)計(jì)控制器制作樣機(jī)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試，并對(duì)控制器效率進(jìn)行測(cè)試，冷卻液溫度設(shè)定為65 ℃。

4.1 系統(tǒng)性能測(cè)試

控制系統(tǒng)外特性如圖8所示，根據(jù)測(cè)試圖可知，在峰值功率125 kW，峰值轉(zhuǎn)矩300 N·m的工況下，控制系統(tǒng)的輸出平穩(wěn)，沒(méi)有較大的波動(dòng)。

圖8 控制系統(tǒng)外特性測(cè)試

對(duì)本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器效率MAP與系統(tǒng)效率MAP測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，電動(dòng)工況下，控制器最高效率為97.82%，系統(tǒng)最高效率為94.69%；發(fā)電工況下，控制器最高效率為98.23%，系統(tǒng)最高效率為94.83%；控制器效率大于90%的高效區(qū)面積占84.66%，系統(tǒng)效率大于80%的高效區(qū)面積占83.56%。

圖9 控制器效率MAP與系統(tǒng)效率MAP測(cè)試

4.2 溫升測(cè)試

在功率密度得到提高的同時(shí)，IGBT產(chǎn)生的熱量也迅速増加，因此要著重關(guān)注IGBT本身的溫升效果。對(duì)控制器進(jìn)行溫升測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，在峰值工況下模塊內(nèi)部溫度傳感器的最高溫度為95 ℃，由此反推IGBT芯片的最高溫度不會(huì)超過(guò)120 ℃，低于IGBT芯片結(jié)溫150 ℃，可長(zhǎng)期運(yùn)行。

圖10 電機(jī)控制器IGBT實(shí)測(cè)溫度

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)結(jié)構(gòu)、硬件的理論設(shè)計(jì)、有限元仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式開(kāi)發(fā)了一款控制器，該電機(jī)控制器高效區(qū)(η>90)占84.86%，系統(tǒng)高效區(qū)(η>80)占83.56%，可以穩(wěn)定地輸出峰值功率125 kW，峰值轉(zhuǎn)矩300 N·m。本文所設(shè)計(jì)電機(jī)控制器功率密度可達(dá)23.1 kW/L，為新能源汽車(chē)電機(jī)控制器提供了一種有效的設(shè)計(jì)方案。