碳化硅電驅(qū)動總成設(shè)計與測試

陳登峰，宋君峰，位超群

(上海汽車電驅(qū)動有限公司 上海汽車電驅(qū)動工程技術(shù)研究中心，上海 201806)

0 引 言

新能源電驅(qū)動系統(tǒng)的核心零部件包括驅(qū)動電機(jī)、控制器以及減速器，隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對相關(guān)電驅(qū)動系統(tǒng)的要求也越來越高，高集成度、高效率和高功率密度成了新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]。高集成化和高功率密度離不開驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器以及減速器的結(jié)構(gòu)集成，也就是用“三合一”集成設(shè)計方案來替代傳統(tǒng)的分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,這樣使得整個系統(tǒng)體積更小、質(zhì)量更輕、布置更靈活、功率密度更高[2]。雖然，通過這種物理集成方式可以減小體積、提升系統(tǒng)功率密度，但是在電驅(qū)動系統(tǒng)整體系統(tǒng)效率提升方面并不明顯。而對于三合一驅(qū)動系統(tǒng)總成來說，驅(qū)動電機(jī)本身受電磁方案的限制很難大幅度提升效率，因此，提升三合一總成系統(tǒng)效率的關(guān)鍵方式還在于提高電機(jī)控制器效率[3]。

目前，國內(nèi)量產(chǎn)應(yīng)用的三合一電驅(qū)動總成搭配的電機(jī)控制器基本選用IGBT模塊，這種IGBT模塊本身耐受工作溫度低，使用開關(guān)頻率低，也進(jìn)一步限制了電機(jī)控制器的功率密度和效率的提升。而碳化硅MOSFET作為新一代半導(dǎo)體材料，其可允許的工作溫度更高，開關(guān)頻率更高，可以滿足電機(jī)控制器進(jìn)一步提升效率和功率密度的需求。因此，采用碳化硅MOSFET設(shè)計的電機(jī)控制器效率更高，進(jìn)而也會提升三合一電驅(qū)動總成產(chǎn)品的系統(tǒng)效率和功率密度[4-6]。

國外整車廠關(guān)于碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的研究和量產(chǎn)應(yīng)用較早，比較有代表性的就是特斯拉和豐田。國內(nèi)整車廠關(guān)于碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的研究也一直在進(jìn)行，以比亞迪漢為代表的碳化硅三合一系統(tǒng)已經(jīng)獲得量產(chǎn)應(yīng)用，但是同類型其它國內(nèi)整車廠還沒有推出可量產(chǎn)的三合一碳化硅產(chǎn)品，基本停留在碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的分析研究和測試階段[7]。

本文正是基于進(jìn)一步提升電驅(qū)動總成系統(tǒng)效率和功率密度的需求，設(shè)計了一款碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)，介紹了碳化硅控制器和驅(qū)動電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并詳細(xì)闡述了碳化硅三合一電驅(qū)動總成的冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案。為了進(jìn)一步驗證本文所設(shè)計碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的性能，對電驅(qū)動總成系統(tǒng)制作樣機(jī)并搭建臺架進(jìn)行測試驗證，測試結(jié)果表明，本文的碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的整體性能優(yōu)越，且碳化硅控制器效率明顯優(yōu)于采用IGBT模塊的控制器，對于整車電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計選型及功率密度提升具有一定的實(shí)際參考價值。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 碳化硅控制器設(shè)計

功率模塊選型，不僅要考慮模塊本身的關(guān)鍵參數(shù)及可靠性，同時還要考慮所搭配電機(jī)的反電動勢、效率等因素[8]。圖1為碳化硅電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)方案。

圖1 碳化硅電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)方案

圖1(a)為本文選用的碳化硅模塊，其上下底面均為銅材質(zhì)DBC結(jié)構(gòu)，可以同時進(jìn)行兩面散熱，模塊電壓900 V，模塊電流800 A，每個半橋模塊內(nèi)置一路NTC溫度檢測傳感器，開關(guān)頻率可以達(dá)到2 kHz～30 kHz。

圖1(b)為本文的碳化硅控制器結(jié)構(gòu)方案。從圖1(b)中可以看出，本文的碳化硅控制器主要包括箱蓋、薄膜電容、碳化硅模塊、三相組件、箱體組件、正負(fù)輸入組件以及電路板等。箱體分為上腔體和下腔體，除了電路板安裝在下腔體以外，所有零部件均安裝在箱體的上腔體里面。碳化硅模塊搭配有雙面水冷散熱器并通過板簧夾緊固定在箱體上底面，其模塊輸入和輸出側(cè)銅端子均豎直朝向，并分別與電容端子和三相輸出極板接觸連接，連接處均采用激光焊接工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺栓連接方式固定。

1.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2為本文所設(shè)計的三合一總成驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。電機(jī)主要包括轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)殼、后端蓋、旋轉(zhuǎn)變壓器和蓋板等零件。電機(jī)定子鐵心外徑選擇φ230 mm的沖片疊壓而成，驅(qū)動電機(jī)機(jī)殼自帶的螺旋式冷卻水道通過砂心成型，然后將成型的水道砂心放置在電機(jī)機(jī)殼模具內(nèi)部低壓鑄造成型機(jī)殼，電機(jī)的前端蓋與減速器的右半殼體一體化成型，實(shí)際裝配過程中先完成減速器裝配，再在減速器的基礎(chǔ)上完成電機(jī)總成裝配。

圖2 驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 三合一總成結(jié)構(gòu)

圖3為本文設(shè)計的碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從圖3中可以看出，驅(qū)動電機(jī)前端與減速器通過螺栓連接固定，碳化硅控制器設(shè)置在驅(qū)動電機(jī)與減速器的正上方，四周有4個支腳分別用螺栓固定在電機(jī)和減速器上面，碳化硅控制器的三相輸出組件與驅(qū)動電機(jī)三相輸入端子連接固定，形成一個集成化的三合一總成系統(tǒng)，也實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、電氣和熱三個物理域的高度集成，可以大幅度提升系統(tǒng)的可靠性。

圖3 碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

三合一電驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的熱量主要來自于驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器的自發(fā)熱[9-11]。因此，三合一總成冷卻系統(tǒng)的設(shè)計在于驅(qū)動電機(jī)和控制器集成一體化散熱水道結(jié)構(gòu)設(shè)計。驅(qū)動電機(jī)工作時產(chǎn)生的熱量，使電機(jī)內(nèi)部各部件的溫度升高，尤其磁鋼溫升過高會引起磁鋼退磁，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的性能輸出偏差，因此電機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計重點(diǎn)在于快速將繞組和鐵心產(chǎn)生的溫度帶走，以免磁鋼過溫；電機(jī)控制器內(nèi)部的核心發(fā)熱器件為功率模塊，如果模塊溫升過高會導(dǎo)致內(nèi)部芯片損壞，影響電機(jī)控制器的功能正常輸出。

本文設(shè)計的碳化硅電機(jī)控制器的箱體組件上面集成有進(jìn)水管和出水管，控制器出水管與驅(qū)動電機(jī)的進(jìn)水管通過一段軟管連接，這樣電機(jī)控制器的冷卻水道和驅(qū)動電機(jī)的冷卻水道就串聯(lián)為一個集成一體化的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖4為本文設(shè)計的碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的冷卻水道結(jié)構(gòu)模型。工作時，冷卻液最先由整車的冷卻循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入碳化硅電機(jī)控制器內(nèi)部的雙面水冷散熱器，對碳化硅功率模塊進(jìn)行雙面冷卻，然后再流入驅(qū)動電機(jī)機(jī)殼的冷卻水道內(nèi)部，并對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行冷卻，最終冷卻液從驅(qū)動電機(jī)的出水管處流出，完成對碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的冷卻散熱。

圖4 碳化硅三合一電驅(qū)動總成冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 臺架測試

本文設(shè)計的三合一電驅(qū)動總成的驅(qū)動電機(jī)峰值輸出功率155 kW，峰值轉(zhuǎn)矩為300 N·m。為了進(jìn)一步驗證本文碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)性能，對電驅(qū)動總成系統(tǒng)制作樣機(jī)并搭建臺架進(jìn)行測試驗證。圖5為本文測試臺架。利用此臺架分別對系統(tǒng)進(jìn)行外特性測試、控制器效率測試和系統(tǒng)效率測試。實(shí)驗時環(huán)境溫度30 ℃，冷卻液入口溫度65 ℃，流量為8 L/min。

圖5 系統(tǒng)測試臺架

3.1 系統(tǒng)外特性測試

圖6為本文碳化硅三合一系統(tǒng)總成的外特性測試結(jié)果。從圖6中可以看出，該三合一總成可以穩(wěn)定輸出155 kW的峰值功率和300 N·m的峰值扭矩。

圖6 系統(tǒng)外特性測試

3.2 控制器效率測試

圖7(a)為碳化硅控制器效率。由圖7(a)可以看出，本文所設(shè)計的碳化硅電機(jī)控制器最高效率約為99.2%，最低效率為89%。圖7(b)為控制器效率MAP圖。通過軟件計算碳化硅電機(jī)控制器效率，大于90%的高效區(qū)面積占比約92.2%。

圖7 碳化硅控制器效率測試結(jié)果

為了更好地對比分析，將本文三合一電驅(qū)動總成的碳化硅控制器替換成用IGBT模塊設(shè)計的控制器(型號：GD820HTX75P6H)再次進(jìn)行效率測試，圖8為IGBT模塊控制器效率MAP圖。從圖8可以看出，采用IGBT模塊的電機(jī)控制器最高效率約為98.45%，其控制器效率大于90%的高效區(qū)面積占比約85.17%。可見，本文設(shè)計的碳化硅控制器最高效率和高效區(qū)占比相比于IGBT控制器均有比較出色的表現(xiàn)。

圖8 控制器(IGBT模塊)效率MAP圖

3.3 系統(tǒng)效率測試

圖9為本文設(shè)計的三合一總成系統(tǒng)效率MAP圖。從圖9可以看出，本文設(shè)計的三合一總成的最高系統(tǒng)效率為96.4%，系統(tǒng)效率大于85%高效區(qū)占比為85.1%。由此可見，碳化硅三合一系統(tǒng)的最高效率和高效區(qū)占比都是非常高的，這是因為系統(tǒng)采用碳化硅模塊，可以大幅度減小碳化硅控制器的損耗，進(jìn)而提升碳化硅控制器的效率，也使得系統(tǒng)效率得到了提升。

圖9 系統(tǒng)效率MAP圖

4 結(jié) 語

本文正是基于進(jìn)一步提升電驅(qū)動總成系統(tǒng)效率和功率密度的需求，設(shè)計了一款碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)，介紹了碳化硅控制器和驅(qū)動電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并詳細(xì)闡述了碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案。為了進(jìn)一步驗證本文所設(shè)計碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的性能，對該電驅(qū)動總成系統(tǒng)制作樣機(jī)并搭建臺架進(jìn)行測試驗證，測試結(jié)果表明：

1)本文的碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的整體性能優(yōu)越，且碳化硅控制器效率明顯優(yōu)于采用IGBT模塊開發(fā)的控制器；

2)采用碳化硅模塊可以提升開關(guān)頻率、大幅度降低電機(jī)控制器損耗，進(jìn)而提升電驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度，同時開關(guān)頻率提高還可以減小薄膜電容體積，減小電機(jī)控制器的體積，進(jìn)而提升系統(tǒng)功率密度，這對于整車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計選型具有一定的實(shí)際參考價值。