新能源純電動汽車電機控制器的熱仿真與熱探究

上海聯孚新能源科技集團有限公司

【摘 要】純電動汽車電機控制器用IGBT水冷散熱器的構造緊湊，冷卻水在槽道中的活動情況復雜，致使水冷散熱器熱仿真時很難確定適宜的活動狀態模型。對于新型水冷電機控制器的首要熱源IGBT模塊，依據實踐工作情況規劃了相應的冷卻系統，并根據Fluent軟件對其進行散熱剖析，得出其溫度場和水流場的具體散布。剖析成果表明，該散熱構造規劃合理，在滿足實踐要求的情況下確保了充沛的溫升余量。經過熱敏電阻定點三個測點的試驗驗證，與仿真成果有較高的共同，進一步驗證了該冷卻系統的合理性。

【關鍵詞】純電動汽車；電機控制器；熱仿真

引言

隨著環保與環境問題的日益凸顯，清潔、節能和高效的電動汽車越來越成國為內外研究的熱門。關于電動汽車的開發，其整車的環境及工況對電機控制器的散熱規劃提出了很多嚴苛的請求，例如：電動汽車在坡道上頻繁地直接發動，要求電機控制器具有很強的過載承受能力和穩定的性能；電動汽車本身操控與輕量化設計規劃，要求電機控制器的構造十分緊湊，電機控制器用IGBT水冷散熱器白天的最高水溫可達65℃左右，這要求IGBT水冷散熱器具有很強的散熱性能。

考慮到過高的溫度會縮短設備壽命并造成可靠性下降，所以需要開發合理的散熱體系使其運行在可靠的溫度范圍內。在現在的工程使用中，散熱剖析大多依靠經驗設計，缺少相應的數值模仿或試驗驗證。王程、周漢義等經過試驗驗證了電路板銅箔厚度是影響電機控制器散熱的最主要要素，但缺少相應的數值模仿。旭良、陶文銼等對某正方形截面叉排擾流柱的水冷散熱器進行了三維層流活動與換熱的數值模仿，但沒觸及湍流模型和試驗驗證。

一、水冷結構的選擇

1.集中式水冷電機的水冷通道分布在電機機殼內，依據其內部冷卻液的流向可分為周向水路型和軸向水路型兩類構造。

2.周向水路沿著機殼的圓周方向呈螺旋狀分布，冷卻水沿著肋片的螺旋方向作圓周行進活動。其特點是水路滑潤，流程丟失小。

3.軸向水路是在電機的軸向方向安置平行肋片而構成水路，水流入水道后沿著肋片的軸向方向環繞電機作行進活動。其特點是構造簡略，且在電機兩頭不易出現較大溫度梯度。

本文以某電動汽車電機控制器的構造為例，它由機殼、外蓋、IGBT元件、水冷散熱器、支撐電容器、控制板組件、驅動板組件、復合母排、銅排和接線座等構成。6個2MBI1400VXB-120P-50型IGBT元件安裝在水冷散熱器上，經過復合母排聯接，與控制電路一同構成逆變電路。IGBT元件發熱的損耗占電機控制器損耗的絕大部分，且IGBT元件的熱量經過水冷散熱器進行散熱，因而IGBT元件和水冷散熱器是電機控制器熱分析計劃工作的要點，亦是這篇文章的研討方向。

二、實驗研究

（一）準備過程

以IGBT元件為熱源對散熱器進行熱性能測驗時，需求思考以下疑問：

1.IGBT元件使用時需要驅動、控制等設備，體系構成復雜。

2.IGBT元件不能在極限工況下長期運轉。

3.IGBT元件的損耗特性與芯片溫度有很大的聯系，簡單因溫度的變化而帶來很大的試驗差錯；因IGBT元件的芯片被絕緣材料封裝起來，需將絕緣材料去除后才干測出其內部芯片的溫度，這很容易使IGBT元件遭受機械損害。

4.IGBT元件的成本高。諸多要素標明，對水冷散熱器進行較為精密的試驗研究時，IGBT元件不宜直接作為試驗熱源，需要選用模仿熱源來替代。這篇文章選用的模仿熱源本體是250mmx90mmx35mm的鋁塊，鋁塊底部銑削出截面為4mmx4mm的線槽，在鋁塊上鉆12個直徑為14mm圓孔后裝置12根發熱均勻的電熱管。

（二）幾何模型的建立

這篇文章選用PRO/E軟件進行建模。由于實際模型較為復雜，為了減小仿真系統的核算量，提高核算速度，需對模型進行合理簡化，即忽略掉一些螺紋孔和倒角等影響較小的細節部分等。樹立冷卻水模型時用元件操作的切除指令切割出冷卻水在散熱柱鄰近的凹槽。因模型是軸對稱模型，可取其一半進行分析。

（三）網格劃分

使用ICEM-CFD軟件強大的區分網格才能對模型進行網格區分。將其中最大網格尺度設為0.0lm，散熱柱最大網格尺度設為0.001m，選用四面體網格區分方法。區分后模型網格總數為813317個，節點數為124532個，IGBT模塊和水流模塊主動復合。研究發現，網格質量良好，無負值網格存在，滿足下一步核算的請求。

（四）仿真模型

依據電機控制器的構造特點，將機殼、蓋板、水冷散熱器、IGBT元件、電容、控制板、驅動板等部件選用實體單元模仿，裝置板、母排等部件選用殼單元模仿.網格劃分工作選用專業的前處理軟件Hy-perMesh完結.

（五）模態分析

振蕩模態是彈性構造的固有特性，經過模態剖析能夠知道構造在各種振源效果下產生的實際振蕩響應特征，因而，模態剖析是構造動態規劃及設備故障診斷的主要辦法，束縛水冷散熱器上的6個裝置孔，進行有束縛的模態剖析.因實驗頻率規模是10Hz至500Hz，故通過獲取500Hz以內的各階段振蕩頻率結果，將模態階數與對應的頻率值繪制成。

三、電機控制器過電流故障產生原因

過電流故障是電動車電機控制器的常見故障，主要是突變性和峰值性的電流值，通常表現為：

1.電動汽車電機控制器輸出端三相線出現短路，致使過電流。

2.電動車出現沖擊負載或著電動車爬坡呈現驅動電機堵轉時，致使驅動電機的兩相長期接通，相線電感飽滿，致使過電流。

3.電動車急速剎車時，車子自身負載慣性較大，加速（減速）時間設定太短，電機控制器的作業頻率上升太快，同步電機的轉速迅速上升和下降，使得同步電機本來處于轉子發生的磁場與定子發生的旋轉磁場同步，當出現急瞬間剎車時，電機的轉子轉速因慣性較大，轉子速度仍處于高速旋轉，轉子發生的磁場與定子的旋轉磁場呈現轉差過大，致使繞組切開磁感線太快，發生過大的感應電動勢，致使發生過電流；

4.電機控制器電源側缺相、輸出側斷線、電動機內部故障致使過電流故障。

5.驅動電機受電磁干擾的影響，漏電流變大，發生軸電流、軸電壓，致使電機控制器過電流。

6.電機控制器的控制電路遭到電磁干擾，致使控制信號過錯，速度反應信號丟失或非正常時，也會致使過電流。

7.電機控制器的容量挑選與負載特性不匹配，致使電機控制器功能和作業反常，形成過電流；

8.電機控制器參數設定不正確和硬件電路出問題，也可以導致過電流。

9.短時間內IGBT電流值改變過大也會導致過電流；如瞬時斷電，電流發生尖峰，致使過電流；電機控制器復位后再起動造成過電流。

電機控制器過電流主要是加減速時間太短、負載發生驟變、電壓過低或過高、斷相、短路、漏電流、電磁干擾及電機控制器內部元件故障等導致。

四、結束語

電動汽車用電機控制器的過電流保護非常重要，故障保護從電機控制器的設計之初到最終的產品，所有設計、研制、采購、加工、調試都需要分析，系統地思考故障疑問。本文根據Fluent流體剖析軟件對純電動汽車某新式電機控制器IGBT模塊進行了三維溫度場和流場的仿真，直觀地表示出控制器IGBT模塊冷卻系統的溫度散布狀況和流場散布狀況，有利于對控制器散熱剖析和構造改進。通過仿真和試驗，驗證了該控制器的散熱構造散熱作用杰出，符合控制器安穩運轉的目標。

作者簡介：

韓新江（1977.11-），男，漢，上海，本科，研究方向：新能源汽車驅動系統研究。