電動汽車電機控制器IGBT溫度控制裝置和策略

郝劉丹，尹欣欣，范 浩

（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119）

隨著能源危機和環境污染的日益加重，電動汽車的發展必然是汽車行業發展的趨勢。電機控制器作為電動汽車電驅動總成的核心，對整車動力性、經濟性以及舒適性具有重要影響。簡單來說，電機控制器在電動汽車中是連接電池和電機的電能轉換單元，是驅動系統和控制系統的“心臟”，其正常穩定的工作是保證整車安全可靠運行的關鍵。而IGBT模組因其開關速度快、電流大、頻率高和導通電阻小等特點，廣泛應用在電機控制器中。

IGBT模組是電機控制器的核心功率元件，在電動汽車復雜運動工況下，IGBT模組會因長時間的運行以及頻繁開關而產生大量的熱損耗。如果熱量不能及時被帶走而聚集在控制器，溫升超過允許的溫度范圍會導致IGBT模組工作效率降低，影響電動汽車的續航里程，同時影響到電機的輸出特性及電驅動系統運行的可靠性及穩定性，嚴重的情況下甚至會導致IGBT模組封裝層產生裂紋或者燒穿，給IGBT模組造成不可逆的損壞，因此需要為IGBT模組設計專門的散熱器以保證其正常工作時溫升在允許的溫度范圍。另外，汽車在行駛中也可能出現冷卻回路泄漏導致冷卻液不足，冷卻水存在異物或變質使冷卻能力大打折扣，同時存在電機出現堵轉等異常狀態，這些狀態都會導致IGBT模組出現過溫甚至燒壞，嚴重影響IGBT模組的性能和使用壽命。

1 IGBT模組現有冷卻方式

目前，電動汽車電機控制器的冷卻方式主要有強迫風冷和液冷兩種。風冷散熱成本相對較低，但散熱能力有限；液冷是目前的主要冷卻方式，通過在電機控制器底側設置水道，通入循環冷卻液后可將熱量傳遞給冷卻液，從而降低電機控制器的溫度。通常IGBT模組安裝在水道殼體上側，通過導熱硅脂將熱量傳遞給水道殼體，水道殼體通過冷卻水進行熱交換，但這種冷卻方式的冷卻能力較弱，特別是對于大功率電器IGBT模組的冷卻有所不足，無法使IGBT模組處于最佳工作溫度。為了提高IGBT模組的散熱性能，國內外都是改善水道結構或在IGBT模組下側增加液冷散熱器，通過增加散熱面積來降低IGBT模組溫度，這種方法一定程度上降低了IGBT溫度，但無法控制IGBT模組溫度，只能被動散熱，無法使IGBT模組工作在最佳工作溫度下，一些異常情況下也無法快速降低IGBT模組溫度，導致IGBT模組燒毀或使用壽命大大減少。異常情況下的IGBT模組過溫，單靠液冷已無法快速降低IGBT模組溫度，嚴重影響IGBT模組的性能及使用壽命，甚至會造成IGBT模組燒毀。電機控制器功率的不斷增加以及控制精度的提高也對IGBT模組的散熱性提出了更高的要求。

2 IGBT模組冷卻裝置

為了解決現有技術無法控制IGBT模組溫度的問題，本文提出一種用于電機控制器IGBT溫度控制的裝置和策略，以解決現有技術存在對電機控制器IGBT模組冷卻不足，散熱性較差，難以控制IGBT模組溫度的技術問題，通過解算IGBT溫度、電機控制器輸出電流、IGBT使能、坡度、電機目標扭矩、電機轉速和變速器擋位的綜合參數，計算并設定控溫目標溫度，有效控制IGBT模組的溫度，使其保持在最佳工作溫度范圍，提高IGBT模組工作性能和穩定性，增加其使用壽命。

為了控制IGBT模組的溫度，本方案使用了半導體制冷片。半導體制冷又稱“熱電制冷”、“溫差電制冷”，是一種采用半導體制冷元件，利用熱電制冷效應的特殊制冷方式，由N型元件和P型元件串聯組成。當直流電流通過N型元件和P型元件回路時，就能產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料P、N的元件對數來決定，半導體制冷是以賽貝克效應、珀爾帖效應和湯普遜效應、傅里葉效應和焦耳效應為基礎建立起來的制冷方式。半導體制冷片組件不需要任何制冷劑，可連續工作，沒有污染源，沒有運動部件，工作時沒有振動、無噪聲、壽命長、安裝容易，通過輸入電流就可實現高精度的溫度控制，便于組成自動控制系統。半導體制冷組件熱慣量非常小，制冷制熱時間快，常規產品從-90～150℃都可實現，使用壽命也高達30萬h。

半導體制冷片是根據電機控制器IGBT模組的散熱量而選取的，將半導體制冷片冷面與IGBT模組接觸，熱面與散熱器接觸，散熱器的翅片處于冷卻水道中，與冷卻水充分接觸進行熱交換，保證半導體制冷片的冷面溫度。通過半導體制冷片控溫單元的控制可實現半導體制冷片冷面溫度的控制，有效降低IGBT模組的溫度。

圖1中，將IGBT模組1、半導體制冷片4、散熱器7各安裝面均勻涂上厚度大約0.03mm的一層導熱硅脂3，然后將半導體制冷片4的熱面與散熱器7的安裝面、冷面與IGBT模組1的安裝面平行接觸，并且輕輕旋轉半導體制冷片4，擠壓過量的導熱硅脂3，確保各工作面良好接觸，再用螺栓將IGBT模組1、半導體制冷片4、散熱器7緊固。為達到最佳制冷效果，IGBT模組1和散熱器7之間應用隔熱墊6填充。散熱器7安裝在電機控制器水道殼體9上，接觸面上裝有密封圈8，使冷卻水道與IGBT模組完全分離，保證IGBT模組的干燥。散熱器7的翅片處于水道中，與冷卻水直接進行熱交換。電源正極接半導體制冷片正極5為制冷方式，改變電流方向會導致半導體制冷片轉換為制熱方式。

圖1 IGBT模組的散熱結構示意圖

半導體制冷片由控溫單元控制溫度，控溫單元集成在電機控制器中，在多合一控制器中控溫單元可直接使用DCDC的直流24V電源，節省成本并且集成度高。控溫單元根據采集到的IGBT溫度、電機控制器輸出電流、IGBT使能、坡度、電機目標扭矩、電機轉速和變速器擋位來控制半導體制冷片的輸入電流，以達到冷卻IGBT模組的目的，使IGBT模組處于其自身性能參數所要求的最佳工作溫度范圍，避免IGBT模組過溫及燒壞。

表1為半導體制冷片制冷裝置冷卻效果與風冷和液冷的對比，從表1中可以看出盡管半導體制冷裝置因為增加半導體制冷片和控溫單元而價格較高，但其制冷效果最好，且具備風冷和液冷不具有的溫度控制和提前制冷的巨大優勢，特別適用于大功率和對控制精度要求比較高的電機控制器中，也可以避免IGBT模組燒壞而帶來的經濟及人員損失。

表1 制冷效果對比表

3 IGBT模組熱損耗估算

IGBT模組由IGBT芯片與續流二極管兩部分組成，IGBT模組的熱損耗也主要由兩者產生，所以IGBT模組運行時的損耗由IGBT芯片和續流二極管的導通損耗和開關損耗4部分組成。IGBT模組損耗可以由IGBT生產廠家的出廠參數近似計算。本文針對環衛車峰值功率280kW電機控制器的IGBT模組進行散熱設計，電機控制器使用的IGBT型號為英飛凌FF600R12IE4。IGBT模組中PN節的最高耐溫為150℃，為確定擁有較高的壽命，通常會將IGBT模組工作的最高溫度下調一點，設置為125℃。

3.1 IGBT芯片導通損耗

IGBT模組在導通狀態下，飽和壓降會在電流通過時產生損耗，這類損耗叫做導通損耗。IGBT導通損耗的計算公式如下。

在一個脈沖內，損耗近似值可以由P=V×I計算得到。根據PWM原理，得到平均損耗功率。

式中：P——IGBT的導通損耗；V——壓降；I——集電極導通電流；D——IGBT占空比因子。FF600R12IE4型號IGBT導通電流與壓降的關系如圖2所示。

根據設計要求，電機控制器的峰值輸出電流為420A，考慮到電流要增加一點裕度，估設定I=440A，由圖2可得V=1.7V。由于占空比不斷變化，取經驗值D=0.8，得到P=598W。

圖2 IGBT導通電流與壓降關系曲線

3.2 IGBT芯片開關損耗

開關損耗是指由IGBT收到控制信號時，對電路進行開關操作時所產生的能量損耗。IGBT開關的頻率越高，開關損耗會越大。開關損耗由兩部分組成，分別是電路接通時的損耗以及電路斷開時的損耗，其計算公式為：

式中：P——IGBT的開關損耗；f——PWM開關頻率；E——IGBT開通時損失的能量；E——IGBT斷開時損失的能量。FF600 R12IE4型 號IGBT開通和關斷損耗與電流的關系如圖3所示。

I=440A，從圖3可得：E=43mJ，E=55mJ，f=15kHz，P=1470W。

圖3 IGBT開通和關斷損耗與電流關系曲線

3.3 續流二極管導通損耗

二極管的導通損耗與IGBT類似。在一個脈沖內，損耗近似值可以由P=V×I計算得到。根據PWM原理，得到平均損耗功率。

式中：P——二極管的導通損耗；V——續流二極管壓降；D——二極管占空比因子。FF600R12IE4型號的續流二極管壓降與電流關系如圖4所示。

根據I=440A，由圖4可得V=1.5V，D=1-D=0.2，得到P=132W。

圖4 續流二極管壓降與電流關系曲線

3.4 續流二極管開關損耗

二極管的開關損耗中，關斷損耗要比導通損耗大得多，故導通損耗可忽略不計，視關斷損耗為主要損耗。

式中：P——二極管的開關損耗；E——二極管反向恢復損耗。FF600R12IE4型號的續流二極管反向恢復損耗與電流關系如圖5所示。

圖5 續流二極管反向恢復損耗與電流關系曲線

由圖5可得：E=38mJ，P=570W。

IGBT模組的總損耗為IGBT芯片和續流二極管的導通損耗與開關損耗之和，故總損耗P可由以下公式求得。

估算出總損耗P=2770W。

計算所得的總功耗是IGBT允許最高工作溫度下的總功耗，電動汽車實際運行時電機控制器大多處于額定功率下，再考慮到IGBT模組與空氣也有熱交換，因此實際運行中的總損耗是小于2000W的，因此選用2個制冷量為950W的半導體制冷片TEC1-312308012。

4 IGBT模組冷卻裝置控制策略

在電動汽車行駛過程中，半導體制冷片控溫單元按照溫度控制使IGBT模塊處于最佳工作溫度；也可根據轉速、扭矩的趨勢提前預判溫度變化的趨勢和幅度，可提前降低冷面溫度，從而使IGBT模塊溫度快速下降，使其在最佳工作溫度范圍。當某些異常情況導致散熱異常時，IGBT溫度急劇上升，半導體制冷片控溫單元可根據檢測到的輸入信號快速降低半導體制冷片冷面溫度，快速降低IGBT模組的溫度，并報警反饋給整車控制器，避免IGBT模組燒毀，提高IGBT模組的使用壽命。

電動汽車運行時，特別是在擁堵路況時頻繁啟停，此時控制器的IGBT模塊工作電流會相應地頻繁升降，從而導致IGBT的結溫快速變化，對于IGBT模塊的壽命是很大的考驗；車輛爬坡時，電機輸出扭矩大，IGBT工作電流大，發熱嚴重；車輛駐坡時，電機工作在近似堵轉工況，此時的IGBT模塊持續承受著大電流，從而會造成模塊的局部過熱，這些都對散熱系統的設計帶來了挑戰。IGBT模組的冷卻裝置控溫單元的控制策略如圖6所示。

圖6 IGBT模組的冷卻裝置控溫單元的控制策略

圖6中T為IGBT模組在不影響其使用性能及使用壽命下的最低溫度，（T，T）為IGBT的最佳工作溫度范圍，而T、T、T均為已知的IGBT模組溫度參數。當檢測到電動汽車掛起步擋、爬坡擋或倒車擋，且電動汽車處于停車狀態或電動汽車處于駐坡狀態時，控溫單元提前降低半導體冷面溫度防止車輛起動時IGBT模組溫度急劇增加，提高IGBT的穩定性及使用壽命，同時控溫單元目標溫度設為IGBT模組在不影響其使用性能及使用壽命下的最低溫度T。當電動汽車為爬坡擋行車時，控溫單元目標溫度為T=a+bT，其中a，b值為電動汽車爬坡時實際標定測試后取的最優值，在特定工況使用的電動汽車可實際標定后固化參數；T值與電機扭矩以及轉速有關，即與電機功率正相關，為避免半導體制冷片的溫度設定值不斷變化而造成其輸入電流不斷變化，從而影響半導體制冷片的工作效率及使用壽命，因此在不同的功率段取不同的T值，且功率段不易過多，T在功率較小的范圍時為0。當車輛處于前進擋或倒擋時，控溫單元目標溫度為T，若檢測到IGBT模組溫度在（T，T）范圍內時控溫單元輸出電流保持不變，若檢測到IGBT模組溫度高于T溫度時，增大電流使IGBT模組溫度在（T，T）范圍內。

車輛爬坡扭矩急劇增加且功率較為恒定，為了快速響應且使測量溫度達到設定溫度，半導體制冷片的溫度控制采用模糊PID控制。模糊控制器的輸入量為溫度的偏差和溫度的變化率。溫差e為本次實測溫度與設定溫度的差，而溫度變化率ec為單位時間內（一個采樣周期）的溫度差。模糊控制器利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表對PID控制器的參數進行調整。模糊控制器輸出PID控制器3個預整定參數，即K、K、K的修正參數，預整定參數是在電動汽車實際工況測試標定后固化的參數初始值，修正參數與原PID控制參數（預整定參數）相加，得到控制參數K、K、K。

完成PID控制器參數的在線整定過程，從而調節PWM脈沖信號，對半導體制冷片的溫度進行控制，其控制原理如圖7所示。

圖7 半導體制冷片模糊PID控溫原理框圖

5 結束語

本文闡述了一種電動汽車電機控制器IGBT溫度控制方法和裝置，解決現有技術存在對電機控制器IGBT模組冷卻不足，散熱性較差，難以控制IGBT模組溫度的技術問題。本文通過解算IGBT溫度、電機控制器輸出電流、IGBT使能、坡度、電機目標扭矩、電機轉速和變速器擋位的綜合參數，計算并設定控溫目標溫度，有效控制IGBT模組的溫度，使其保持在最佳工作溫度范圍，并且不同功率段設定不同的控溫目標溫度，采用模糊PID控制方法提高控溫精度，使其保持在最佳工作溫度范圍。同時，本文還提出了基于上述方法的電動汽車電機控制器IGBT溫度控制裝置，包括半導體制冷片、散熱器以及控溫單元。