新能源汽車用電機控制器的設計與測試*

陳登峰, 孫臣玉， 陳 雷, 位超群, 李藝晗

(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)

0 引 言

當前，中國為了鼓勵節能減排，將新能源汽車作為重點扶持的新興產業，發展新能源汽車已經成為保障能源安全和轉型低碳經濟的重要途徑。控制器作為新能源電動汽車的三大核心技術之一，其未來的發展趨勢是高功率密度、高度集成化、輕量化[1-3]。

電機控制器要想實現高功率密度通常采用電力電子模塊集成技術和模塊化的設計理念，將汽車級功率器件IGBT、IGBT驅動和控制單元、復合母排、膜電容器以及低熱阻的散熱器等關鍵部件高度集成，開展大功率、高功率密度驅動電機控制器的產品優化與集成設計[4-5]。控制器中的功率模塊是提升功率密度的關鍵器件，隨著新能源汽車大功率、小型化發展，功率模塊也呈現高能量小型化的趨勢，更高功率密度的模塊需要散熱能力更強的散熱結構[6-8]。在整車及控制系統中大多采用水冷方式，因此高功率密度控制器的散熱對控制器的可靠運行至關重要，而優化散熱底板設計，減小散熱底板體積，降低散熱底板重量，可以達到提高系統功率密度的目的[9]。

本文針對新能源汽車電機控制器高功率密度的要求，使用雙面焊接單面散熱IGBT，開發了一款集成度高、功率密度高的電機控制器，重點介紹了該控制器的結構和硬件設計方案，并對控制器的冷卻方案進行設計，開展了水道熱仿真研究。最終，試制了控制器樣機并進行臺架性能測試，通過試驗驗證可以看出，所開發的電機控制器性能優異,體積功率密度可達23.1 kW/L,滿足設計指標要求。

1 結構設計與電氣原理

為了實現高功率密度，充分利用控制器內部的體積，同時兼顧裝配和制造簡捷，本文開發的控制器主要通過研究IGBT模塊、驅動電路、薄膜電容器、高效散熱器的高度封裝集成，實現了功率部件的直焊互連集成設計與焊接工藝，為整車高溫、高濕、振動等復雜環境條件下電機控制器的可靠性提供保障，同時提升了電機控制器功率密度水平。本文所設計控制器內部結構爆炸圖如圖1所示。

圖1 控制器內部結構爆炸圖

圖2為本文所設計控制器內部模塊級集成組件，控制器采用雙面焊接單面散熱IGBT模塊，并通過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，實現了連接的可靠性與空間利用率的提升，使結構布局更加緊湊，功率密度的進一步提升。同時，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行焊接，實現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，在提高控制器內部空間率的同時也保證了水道密封性，實現了控制器同功率等級的小型化。基于直焊互連工藝技術路線，本文研制的控制器樣機功率密度達到23.1 kW/L，峰值功率125 kW，集成度與性能水平與國外同類量產產品相當。

圖2 控制器內部模塊級集成組件

電機控制器的原理框圖如圖3所示。電機控制器的控制系統工作在12 V電源網絡下，通過CAN網絡與整車通信，控制器功率部分的逆變單元能夠將直流電轉化為交流電并輸入到永磁同步電機，控制器中成熟的底層配置和軟件算法以及各采樣電路、保護電路相互配合，可以使電機控制器穩定可靠地工作。

圖3 電機控制器原理框圖

2 IGBT模塊和膜電容器

2.1 IGBT模塊

本文所設計控制器采用扁平化的雙面焊接單面散熱IGBT模塊實物，如圖4(a)所示，該IGBT的電壓為750 V，電流為800 A，該IGBT模塊比傳統的IGBT體積小，模塊內部芯片采用雙面焊接結構設計，在功率模塊熱阻上遠小于平面型結構，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模塊雙面焊接結構，芯片背面焊接于非對稱結構DBC，芯片正面焊接于正面焊接銅片結構，外部功率極以及信號極通過引線框架快速方便引出，減少模塊內部鋁線鍵合工藝，降低模塊自身雜感，提高IGBT模塊電氣連接可靠性。圖4(c)為雙面焊接實物。這種省去了綁定線工藝的新型IGBT封裝工藝，使結構振動可靠性更高，并且可以大幅度節省控制器內部的空間。

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路，開展了電容器與功率模塊的連接技術研究。為了進一步減小電路所需薄膜電容器的額定電壓和容量，同時提高電容器的耐電流水平，從而達到減小電容器體積的目的，通過對比研究，最后采用電阻焊工藝的連接方式。圖5所示為本文所設計控制器薄膜電容器結構示意圖。

為了進一步確認薄膜電容器減少容值體積和改善電感以后的熱可靠性，需要進一步對薄膜電容器開展熱仿真分析。根據控制器整機運行環境條件，將薄膜電容器底面溫度設定為80 ℃，周圍環境溫度設定為85 ℃，使用仿真軟件對薄膜電容器進行熱仿真。

圖5 薄膜電容器結構

薄膜電容器熱仿真結果如圖6所示。仿真結果表明，薄膜電容器的熱主要集中在薄膜電容器的灌封面母排側及上側母排處，熱點區域最高溫度為98.2 ℃，小于芯子薄膜最高耐溫105 ℃，滿足長期耐溫使用要求。

圖6 薄膜電容器熱仿真結構

3 冷卻結構設計與仿真

IGBT模塊在運行狀態下會產生大量的熱損耗，需要用相應的散熱結構增加熱交換面積，帶走模塊所產生的熱量。本文設計的控制器的功率模塊由3個IGBT模塊水平鋪在散熱底板上，在IGBT與底板之間需涂抹導熱硅脂來填充間隙，再用壓板壓緊模塊貼緊散熱底板。散熱底板背面設計有冷卻水道，如圖7(a)所示。冷卻液從入口流入控制器的散熱水道，水道內部有間隔分布的呈云朵狀的散熱翅片，冷卻液流入時，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的產生熱量,最后通過冷卻水道的出口流入驅動電機內部，從而達到對整個系統散熱的目的。

圖7 控制器冷卻水道及溫升仿真

考慮到過高的溫度會縮短IGBT的壽命并可能降低整個控制器在使用過程中的可靠性，該款控制器需要對散熱系統(水道)進行可靠性的分析，在目前散熱分析中，主要通過仿真軟件計算IGBT在不同工況下的最高溫度以及后續樣機的驗證分析。散熱仿真結果如圖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模塊長期穩定運行的耐溫為150 ℃，在使用要求范圍內。

4 臺架試驗

為了確保電機控制器能夠在整車的不同工況下平穩的運行，同時，使該控制器具有經濟適用性，對所設計控制器制作樣機，對系統進行系統性能測試，并對控制器效率進行測試，冷卻液溫度設定為65 ℃。

4.1 系統性能測試

控制系統外特性如圖8所示，根據測試圖可知，在峰值功率125 kW，峰值轉矩300 N·m的工況下，控制系統的輸出平穩，沒有較大的波動。

圖8 控制系統外特性測試

對本文所設計的電機控制器效率MAP與系統效率MAP測試，測試結果如圖9所示。由圖9可知，電動工況下，控制器最高效率為97.82%，系統最高效率為94.69%；發電工況下，控制器最高效率為98.23%，系統最高效率為94.83%；控制器效率大于90%的高效區面積占84.66%，系統效率大于80%的高效區面積占83.56%。

圖9 控制器效率MAP與系統效率MAP測試

4.2 溫升測試

在功率密度得到提高的同時，IGBT產生的熱量也迅速増加，因此要著重關注IGBT本身的溫升效果。對控制器進行溫升測試，試驗結果如圖10所示，在峰值工況下模塊內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超過120 ℃，低于IGBT芯片結溫150 ℃，可長期運行。

圖10 電機控制器IGBT實測溫度

5 結 語

本文通過結構、硬件的理論設計、有限元仿真、試驗驗證相結合的方式開發了一款控制器，該電機控制器高效區(η>90)占84.86%，系統高效區(η>80)占83.56%，可以穩定地輸出峰值功率125 kW，峰值轉矩300 N·m。本文所設計電機控制器功率密度可達23.1 kW/L，為新能源汽車電機控制器提供了一種有效的設計方案。