增程式電機控制器高效熱分析與研究

陳登峰，周詩君

(上海汽車電驅動有限公司，上海 201806)

0 引 言

隨著囯家對燃油汽車節能指標越來越高的要求，國內各大整車廠商逐步選擇開發新能源汽車作為節能減排的替代方案。而常規的新能源汽車包括純電動汽車和混合動力汽車兩種，電池技術限制了整車續航里程，純電動汽車的發展目前還處在一個瓶頸期，混合動力汽車現階段作為一種過渡方案，受到消費者青睞，并可能在相當長的一段時間內決定著市場的發展方向[1-3]。混合動力汽車根據其動力系統耦合方式的不同，分為串聯、并聯和混聯三種方式。關于并聯和混聯兩種方式的混合動力汽車研究在國內外已經十分廣泛，并且也有很多成功開發的量產車型在暢銷，但是這兩種混合動力汽車均需要加裝燃油和純電兩套單獨的驅動系統，這對整車成本來說是非常高的，而且還使得整車質量超重。

基于此，考慮采用串聯方式的增程式混合動力系統，這種混動方案只需要將發動機和電機集成，其發動機與車輪不存在機械連接，發動機與車輪解耦，使得發動機可以運行在最高效的區域，其具有系統簡單、成本相對較低、結構容易實現等優點，目前這種技術方案也越來越受到一些車廠的關注[4-6]。

國外關于增程式驅動系統的研究開始比較早。寶馬、日產和通用關于增程式混動方案研究較早，尤其是通用汽車已有相關增程式車型在市面上批量銷售[7]。國內車廠如長安、吉利、廣汽等，雖然也都在針對增程式混動方案進行研究，但是到現在市面上還沒有批量的車型在銷售；互聯網汽車公司理想ONE車型將增程式混動方案推向市場，給國內增程式方案的發展帶來新希望，并最終獲得大眾的喜愛[8]。但是，增程式電機直接與發動機曲軸集成連接，發動機本身產生的高溫也會傳遞給電機系統，使其工作環境非常惡劣，嚴重時甚至導致電機控制器溫升過高損壞或者故障，因此開發增程式電機系統的關鍵便是有效的熱管理設計[9]。

本文正是針對一款增程式電機控制器的散熱需求，設計了增程式電機控制器及其高效的雙面水冷散熱器，并介紹了該增程控制器整體結構和其散熱器冷卻結構。為了進一步研究其散熱器冷卻效果，分別對該增程式電機控制器的功率模塊和薄膜電容進行了熱仿真研究和臺架溫升測試，通過對比分析可知，本文的增程式電機控制器散熱器冷卻結構具有良好的散熱效果，能夠滿足在發動機周圍長時間工作的需求，對于同類型增程式控制器的結構設計具有一定的參考價值和借鑒意義。

1 總體設計

1.1 控制器結構設計

圖1(a)為本文設計的增程式二合一發電機系統結構，電機控制器位于電機右上方，電機由定子和轉子組成，電機機殼法蘭面與發動機外殼法蘭安裝面連接固定，電機轉子通過轉子輪轂與發動機曲軸法蘭盤連接，實現整個增程式電驅動系統與發動機的集成。

圖1 增程式發電機系統結構布局方案

圖1(b)為本文設計的增程式電機控制器。增程式電機控制器采用平板式IGBT模塊(GD400HTX75P7S)，薄膜電容規格設計為500 V/250 μF(C362H257N0026A8)，其中，薄膜電容固定在箱體底部，散熱器位于薄膜電容上方，與箱體內部進出水口相連接。功率IGBT模塊通過螺栓安裝在散熱器上表面，磁環濾波組件、三相輸出組件分別安裝箱體底部的兩端，并且磁環濾波組件與薄膜電容輸入銅排電氣連接，三相輸出組件通過轉接銅排與功率IGBT模塊的輸出端子電氣連接。此種布局方式，對控制器外形輪廓尺寸需求小，尤其是控制器的寬度尺寸只需略大于模塊寬度，適合增程式發電機系統軸向空間狹小的使用需求。

1.2 冷卻系統設計

增程式電機控制器位于發動機附近，其外部環境溫度通常達到105 ℃以上，再加上控制器，其內部功率器件和薄膜電容器均是比較大的發熱源。如果沒有很好的熱管理設計，造成溫度超過薄膜電容和IGBT功率模塊使用允許溫度，電容芯子將失效，甚至發生短路燒毀。并且IGBT模塊超出芯片結溫，也會使其發生不可逆轉的故障，導致整個控制器報廢，嚴重限制了控制器功能的正常發揮。

為了實現對增程式電機控制器更好的熱管理設計，如圖2所示，本文采用三明治疊層式結構布置。將IGBT功率模塊、散熱器、薄膜電容層疊式布局，散熱器處于中間位置，IGBT功率模塊固定在散熱器的上表面，其與散熱器接觸面縫隙涂抹導熱硅脂，薄膜電容設置在散熱器的底面，并與散熱器中間通過鋪設一層導熱墊實現無縫接觸。這樣就實現了一塊散熱器上下兩面同時對IGBT模塊底面和薄膜電容上表面間的冷卻散熱。

圖2 功率組件

圖3為本文設計的散熱器結構。散熱器本體由散熱器殼體和底板組成，散熱器殼體內部分布有均勻排列的散熱PIN針，散熱底板通過攪拌摩擦焊的工藝固定在散熱器殼體的下表面，散熱底板兩端設有兩個圓孔分別作為散熱器的進水口和出水口。散熱器通過螺栓壓在箱體內部進出水口上表面，連接部位通過O形圈實現平面密封，從而實現散熱器與箱體內的水路貫通。圖4為控制器的冷卻系統散熱水道模型。

圖3 散熱器冷卻結構

圖4 冷卻系統水道模型

2 控制器熱仿真與分析

本文設計的增程式二合一電機系統的額定功率為40 kW，峰值功率為60 kW，考核電容的溫升是額定工況下熱量累計的效果，而考核IGBT溫升則是在峰值工況下芯片的瞬時溫升最高。因此，為了研究該散熱器的冷卻性能，需要在額定工況下對電容進行熱仿真分析，在峰值工況下對IGBT內部芯片進行熱仿真分析，仿真邊界條件：冷卻液為乙二醇與水1∶1的混合液，環境溫度105 ℃，入水口溫度為65 ℃，流量為8 L/min。

仿真工況為額定工況，芯子紋波電流為69 A(rms)，直流輸入有效值為117 A,圖5為電容溫度分布。由圖5可見，電容輸入端銅排溫度最高為109.2 ℃，芯子最高溫度為99.6 ℃，小于使用過程中薄膜電容芯子耐溫105 ℃，可滿足長期使用需求。

圖5 電容溫度分布

控制器IGBT模塊仿真工況為峰值工況，圖6為IGBT內部芯片溫度分布。由此可知，IGBT內部芯片最高溫度97.1 ℃，NTC探測面溫度為81.3 ℃，模塊長期使用溫度不超過150 ℃，可滿足長期使用需求。

圖6 IGBT模塊溫度分布

3 控制器溫升臺架測試

為了進一步研究本文的增程式電機控制器的IGBT模塊和薄膜電容的溫升，制作了增程式電機控制器樣機，并搭建實驗臺架，對其進行溫升測試，臺架測試環境如圖7所示。樣機負載電機為永磁同步電機，額定功率40 kW，峰值功率60 kW，對應額定扭矩109 N·m，峰值扭矩163 N·m。控制器入水口溫度調為65 ℃，冷卻液流量8 L/min，環境艙溫度設為105 ℃，IGBT模塊開關頻率為10 kHz。

圖7 控制器臺架測試

峰值工況下，電機處于3 500 r/min，163 N·m的發電工況下運行30 s，可以得到IGBT模塊的溫度隨時間的變化曲線，如圖8所示。由圖8可以得出，模塊NTC處溫度穩定在80.6 ℃，相比仿真結果的81.3 ℃，略低0.7 ℃。據此推測，模塊芯片處實際溫度比仿真結果97.1 ℃高0.7 ℃，約為98 ℃左右，最高不超過110 ℃，遠小于IGBT模塊許用溫度150 ℃，可見，所開發的散熱器對功率模塊也具有較好的散熱效果，完全滿足控制器長期運行工作需求。

圖8 峰值工況下模塊NTC溫度曲線

為方便測量電容內部芯子和銅排的溫度，在電容內埋設有3只熱電偶，熱電偶的埋設位置如圖9所示。隨后測試額定工況下電容的溫升，測試時間為60 min，可以得到薄膜電容的溫升曲線，如圖10所示。由圖10中可以得出，薄膜電容的溫度在運行20 min后趨于穩定，穩定后實測3只熱電偶處的溫度均不超過75 ℃。考慮熱電偶埋設位置為芯子表面，不是芯子中心熱源位置，因此實際芯子中心溫度還是會稍微大于75 ℃，但小于電容長時間工作可承受的最高溫度(105 ℃)，可以滿足使用需求。

圖9 熱電偶埋設位置

圖10 電容熱電偶處溫升測試數據

4 結 語

本文針對增程式電機控制器的散熱需求，開發了一款增程式電機控制器及其高效雙面冷卻散熱器，并介紹了該增程式電機控制器的整體結構和其散熱器的結構和工藝設計方案，并對其進行了有限元仿真分析，從理論上研究了該散熱器在增程式電機控制器中的散熱效果。制造樣機，搭建相應測試臺架進行實測，測試結果表明，本文所設計的散熱器對增程式控制器具有優良的散熱效果，既可以快速帶走功率器件自身產生的熱量，也可規避環境溫度對功率器件的影響，滿足增程式控制器的散熱需求，對于同類型增程式控制器結構設計具有一定的參考價值和借鑒意義。