微型電動汽車電驅控制器堵轉工況下散熱器測試與仿真

摘 要：以某電動汽車電機控制器強迫風冷散熱器為研究對象，引入模擬熱源解決功率器件堵轉工況測試過程中結溫特性對實驗的影響，開發了散熱器散熱性能測試系統，并測試了該工況下散熱器進口風速對散熱性能的影響。在此基礎上，通過實驗數據結果作為仿真模型的參數輸入，分析了散熱系統的全域溫度場分布情況，為散熱器的性能分析與優化設計提供依據。

關鍵詞：電機控制器 散熱系統 功率器件 實驗

1 緒論

A00級純電動汽車電機驅動過程中，功率器件MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應晶體管）會伴隨著熱量的產生，如果因熱量的累積造成控制器溫度過高，從而導致控制器中的電子器件的性能下降，甚至電路元器件的損壞，因此，電機驅動器需要配備合適的散熱系統[1-2]。

強迫風冷散熱方式具有傳熱效率高、可靠安全等優點被廣泛使用。理論上在散熱性能測試過程中，采用真實的功率器件進行測試能夠更貼近工作實際，但是在堵轉工況下功率器件因結溫無法長時間運行[3-5]。為此，本文針對電機控制器堵轉工況引入模擬熱源，研制了集成式測試系統對電機散熱器性能進行測試，并在此基礎上，針對散熱器的溫度場分布情況進行了仿真分析。解決堵轉工況下散熱性能參數無法獲取、整體性能難以評估的問題，為電機控制器散熱系統的性能評估提供了測試方案。

2 研究對象

研究用電機驅動器主要參數包括：額定電流150A、峰值電流400A、工作電壓范圍110-170V，冷卻方式為強迫風冷，匹配的電驅控制器功率器件MOSFET是Infineon公司生產，型號為IPB107N20N3G，其主要參數耐壓為200V、導通電阻10.7mΩ、額定電流88A（處于25℃）。電驅控制器輸出為U/V/W三相，每相上、下橋臂各為9個并聯的功率器件MOSFET。M1， M4為A相上橋臂及下橋臂；M3， M6為B相上橋臂及下橋臂；M5， M2為C相上橋臂及下橋臂。MOSFET導通順序為M1M6→M1M2→M3M2→M3M4→M5M4→M5M6→M1M6，控制器的輸出通過調整上橋PWM脈寬實現，如圖1所示，PWM頻率為10kHz[6]。

在每一個PWM周期內，有兩種工作狀態：狀態1： M3和M2導通，電流I1經M3、電機線圈L、M2、流入地。狀態2： M3關斷，M2導通，電流I2流經電機線圈L、M2、M6，此狀態稱為續流狀態。根據電機控制器逆變控制原理，我們假設電機堵轉時，控制器MOSFET的功率損耗隨著電機負載的加大而增加，控制器的MOSFET損耗達到最大。為了分析方便，我們假設電機堵轉時，B相上橋臂工作在PWM模式下，C相下橋臂一直導通，B相下橋臂為同步整流工作方式[7]。

3 模擬熱源方案設計

電驅控制器的主要熱源是功率器件MOSFET，該功率器件因其固有特性不能在堵轉工況下長時間運行，并且因其結溫也會造成試驗誤差。因此，試驗系統通過模擬熱源來代替處于堵轉工況下功率器件MOSFET散發熱量的情況。

堵轉工況功率損耗計算過程如下：B相上橋臂單個MOSFET隨著PWM方波調制波形不斷開關，功率損耗Ptot1為開關斷損耗Psw_MOS與導通損耗Pon_Mos之和：

Ptot1=Pon_Mos+Psw_MOS=I2DS*Ron*ton*sw+

（tr+t）*sw   （1）

式中，Ron為導通電阻，UDS為電源電壓，IDS工作最大電流，tr為MOSFET開啟時間，t為關閉時間，ton為導通時間，開關頻率。

C相下橋臂單個MOSFET導通損耗Pon_D與B相續流損耗PSW_D之和，功率損耗為Ptot2：

Ptot2=Pon_D+Psw_D=I2DS*Ron+sw*trd

（Vrd*IDS+I2DS*RD） （2）

式中，Vrd為二極管的正向導通壓降，trd為MOSFET體二極管開通時間。

總的功率損耗Ptot近似為：

Ptot=（Ptot1+Ptot2）*9 （3）

堵轉工況時MOSFET工作參數如下，UDS=144V，IDS=40A，tr=190ns，t=275ns，ton=85us，trd=11.5us，sw=10kHz，Ron=20mΩ（處于121℃），Vrd=1.2V。通過堵轉工況下各參數值，根據損耗經驗公式估算得到整個散熱器功率器件的損耗850W。加熱元件是通過稱為焦耳加熱的原理將電能直接轉換為熱或熱能的材料或裝置，試驗裝置通過高溫陶瓷加熱片模擬MOSFET芯片的熱損耗。

4 試驗平臺方案開發

為了實現對電驅控制器強迫風冷形式的散熱器采集處理溫度、風速等信號用于性能評估，自主研制由數據采集與控制卡、信號調理卡、CAN上位機等測試系統外圍設備組成的試驗系統，并構建了熱源模擬、風源控制、數據傳輸、溫度風速采集與處理、上位機開發等關鍵技術，實驗平臺如圖1所示。

4.1 風源控制方案設計

為了對比散熱器在不同風扇轉速下的散熱效果，通過風扇速度調節器對散熱風扇的轉速進行調節，以改變風速從而改變熱量的交換速度，評估散熱器的性能。風源系統配備的型號為臺達公司生產的HDB0812EA-A的散熱風扇，具有雙滾珠灌膠、全密封電機，防水風扇等特性。兩個風扇在散熱器底部對稱分布，風扇的供電電壓為DC12V，額定工作電流為0.38A，最大體積流量為1.4m3/min。

4.2 溫度采集

功率器件的模擬熱源通過K型熱電偶溫度傳感器采集各測溫點溫度。因熱電偶傳感器采集精度高、測量范圍大，但采集的信號為毫伏級別，因此需要經過信號調理板卡將信號調理放大至0-10V的量程，后將放大后的信號發送到數據采集卡中AD7606采集芯片高精度AD采集端口采集并進行AD轉換，最終AD轉換的結果通過板載FMSC并行通訊的方式發送到主控模塊進行數據處理。

信號調理卡包括電源電路、運算放大電路等。其中，運算放大電路選擇TI公司INA128UA精密低功耗儀表放大器，實現K型熱電偶傳感器從毫伏級到伏級的電壓放大。數據采集卡包括AD采集電路、電源電路、主控電路等。AD采集電路 AD7606是Analog Device公司生產的均能以高達200kSPS的速率采樣的8通道，雙極性輸入，16bit同步采樣ADC采集芯片。該試驗方案通過STM32F407VGT6主控芯片的FSMC接口與AD7606進行交互，實現并行采樣，具有采集速率快、采集精度高的特點。

4.3 風速采集

風速采集通過高精微型風速傳感器進行采集，高精微型風速傳感器的精度為0.02%fs，分辨率為0.01m/s，供電電源為12VDC，0-5m/s地風速測量范圍線性地轉化為0-5V的電壓信號。采集地電壓信號傳輸給數據采集卡AD采集端口并進行AD轉換，最終AD轉換的結果發送到主控模塊進行數據處理。

4.4 數據傳輸

通過車規級CAN通訊的方式及USBCAN分析儀，實現了主控模塊信號與上位機之間的數據傳輸與顯示。CAN通訊的實現是通過NXP公司CAN收發器TJA1051T進行主控TTL電平與差分電壓信號的相互轉換。CAN通訊電路設計需要考慮以下方面：TJA1051T的電源與地之間加濾波電容進行濾波；通過共模濾波器DLW31SN9000SQ2實現其抗高頻干擾能力，提高電磁兼容性能；NUP2105用于防止靜電擊穿；終端電阻的設計為了實現信號源和傳輸線之間阻抗匹配，減少反射及噪聲、避免振蕩，與后級電路的輸入電容組成RC濾波器，削弱信號邊沿的陡峭程度。

4.5 數據處理與數據顯示

軟件設計包含數據采集系統工程軟件設計及基于CAN通訊的上位機軟件開發，工程軟件通過Keil uVision5軟件開發環境進行軟件開發，主程序由初始化程序和ADC、CAN接收、CAN發送等主要模塊組成。CAN上位機基于C#語言開發環境編寫，通過USBCAN提供的驅動函數庫，實現上位機與USBCAN分析儀之間的交互與控制，上位機主要功能包括：支持CAN設備配置、CAN波特率配置、CAN數據收發，數據保存，數據顯示等功能。

5 試驗數據及仿真結果分析

為了更準確地分析各工況下進口風速對散熱器散熱性能的影響，試驗方案設計在不改變模擬芯片加熱功率的情況下，改變進口風速，對散熱器進行數值計算。具體參數為保持加熱功率850W，風溫為25℃，改變風速為0.5m/s，0.8m/s，1.0m/s。從圖2中可以看出：在不同風速下，風速越高，溫度越低。同一風速下，B相上橋臂功率器件溫度最高，C相下橋臂溫度其次，B 相下橋臂功率器件溫度最低。

為了深入研究實驗數據所無法呈現出的全域溫度分布，按照計算模型的建立、計算域的網格構建、設定初始和邊界條件、計算方法確定與數值計算等流程對散熱器的溫度場和流場進行數值計算。設定工況：加熱功率Q=850W，風速為v=0.5m/s。通過對實驗測試與數值模擬結果進行比較分析，在各工況下散熱器達到穩態時的平衡溫度數據，其仿真與實驗結果趨勢一致，如圖3所示，誤差為3-5℃，誤差來源于模型誤差和實驗誤差，模型誤差主要來源為計算模型的近似性、幾何模型的一定程度的簡化；實驗誤差主要來源為絕熱材料非絕對絕熱，實驗儀器本身的誤差、熱電偶安裝位置對導熱的影響等。

分析散熱器溫度場的整體分布，以全面了解散熱器的散熱性能，從圖4整個計算區域的溫度場分布情況可以看出：散熱器溫度最高位置在MOSFET中心熱源位置處；散熱器溫度以功率器件排布方式中心向兩端呈梯度分布。

6 結論

通過搭建了散熱系統的測試平臺，獲取了堵轉工況下風速對于散熱系統性能的影響情況，仿真與實驗所得到的數據其趨勢吻合且誤差合理，從而驗證了實驗裝置的正確性。

通過仿真分析與實驗結果的對比，表明引入模擬熱源能夠代替功率器件模擬發熱情況，同時克服了功率器件結溫特性對實驗的影響。

通過對散熱系統的溫度場分布情況進行仿真分析，得到了溫度場分布情況，為評價散熱器的整體性能的優劣提供了依據。

基金項目：項目來源：江西省教育廳科學技術研究項目；項目名稱：純電動汽車電機驅動器散熱系統開發與試驗研究；項目編號：GJJ181323。

參考文獻：

[1]何衛，高麗仙，張雪.微型純電動汽車的節能技術路徑評估[J].汽車實用技術，2023，48（19）：1-5.

[2]孟思宇，湯天寶，于海生，等.新能源汽車電機控制器功率模塊熱仿真[J].工程機械，2024，55（03）：61-64.

[3]吳奇飛，張戟，劉家瑞.新能源汽車電機散熱器傾斜角度對性能的影響[J].汽車零部件，2023（08）：27-30.

[4]唐忠健，屈凡林，李海波，等.電動汽車永磁同步電機控制器水冷散熱器的優化設計[J].西華大學學報（自然科學版），2022，41（06）：91-97.

[5]趙家琦，張鳴，朱煜，等.平面電機散熱器熱流建模與尺寸-拓撲并行優化設計[J].清華大學學報（自然科學版），2022，62（03）：400-407.

[6]陳亮，張超，宋蔚，等.采用多齒肋片的電機控制器散熱器設計分析[J].計算機仿真，2021，38（01）：98-101.

[7]陳登峰，周詩君.增程式電機控制器高效熱分析與研究[J].微特電機，2021，49（11）：34-37.