基于多軟件協(xié)同的電驅(qū)系統(tǒng)DC-Link電容熱仿真研究

中圖分類號：U463.63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0101-03

Thermal Simulation of Electric Drive SystemDC-Link Based onMulti-softwareCollaboration Zhou Liping

(Anhui EIKTO Battery Co.，Ltd.，Xuancheng24200O，China）

【Abstract】With the rapid development of the new energyvehicle industry，the electric drive system as its core component，itsperformanceand reliabilityhaveadecisiveimpactonthe vehicleperformance.Asakeycomponent in the electricdrivesystem，theDC-Link capacitor isresponsibleforsmoothing voltage fluctuationsand filtering out highfrequencynoise，anditsthermalmanagementiscriticaltothestabilityandlifeofthesystem．Thispaperpresentsa methodof DC-Link capacitive thermal simulationanalysisof electric drive system basedon Matlab，Q3Dand Icepak. Firstly，thecircuit simulationiscarriedoutusing Matlab todeterminetheworkingstateandcorelossparametersof the capacitor.Then，theelectromagneticfield simulationiscarriedoutbyQ3Dsoftware toobtain theelectromagnetic lossof capacitorcopperbar.Finally，combined with Icepak，thermal simulation iscarriedout toanalyze the temperature distributionand heatflowpathof thecapacitor.This study notonly providesatheoretical basis fortheselectionof DCLink capacitors，but also provides an effective solution for the thermal management of electric drive systems.

【Key Words】 electric drive system；DC-Link capacitor; thermal simulation；MATLAB；Q3D；Icepak

0 引言

隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源和環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注，新能源汽車行業(yè)迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇[1-3]。電驅(qū)系統(tǒng)作為新能源汽車的核心部件，其性能直接影響整車的動力輸出和能效。DC-Link電容作為電驅(qū)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，對于維持電壓穩(wěn)定和減少電磁干擾具有重要作用。然而，電容在高電流工作狀態(tài)下會產(chǎn)生熱量，若不進(jìn)行有效的熱管理，將影響電容的性能和壽命4。因此，對DC-Link電容進(jìn)行熱仿真分析，以優(yōu)化其熱管理設(shè)計，對于提高電驅(qū)系統(tǒng)的整體性能至關(guān)重要。本研究采用MATLAB、Q3D和Icepak軟件聯(lián)合仿真的方法，旨在為電驅(qū)系統(tǒng)DC-Link電容的熱管理提供科學(xué)的設(shè)計依據(jù)。通過多軟件聯(lián)合仿真方法，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測和優(yōu)化DC-Link電容的熱行為，進(jìn)而提升電驅(qū)系統(tǒng)的整體效能和穩(wěn)定性。

1 DC-Link電容的結(jié)構(gòu)

1.1電容類型劃分

電子電氣中電容可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行類型劃分，如結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、極性、用途等，種類繁多。按介質(zhì)材料來進(jìn)行劃分，通常電容可以分為陶瓷電容、電解電容和薄膜電容，它們的優(yōu)缺點對比如下。

1）陶瓷電容。以陶瓷為電介質(zhì)，體積小、高頻特性好、穩(wěn)定性高，具有較高的介電常數(shù)和厚度，能在單位體積內(nèi)實現(xiàn)較大的電容。然而陶瓷電容的容量相對較小，且某些類型的陶瓷電容對溫度變化較為敏感，容量隨溫度變化較大。

2）電解電容。有極性，以電解質(zhì)為介質(zhì)的電容器，價格低廉，通常具有較大的電容量和較高的工作電壓，尤其是鋁電解電容容量大，多用于電源電路中。然而，電解電容容易受溫度變化影響，電容器與非電解質(zhì)組合使用時會增加電容器尺寸，漏電流大，壽命相對較短。

3）薄膜電容。無極性，利用金屬薄膜在電介質(zhì)表面上形成電極，可以制造高精度、高穩(wěn)定性、高頻率的電容器。薄膜電容具有耐高電壓、長壽命的優(yōu)點，且其具有優(yōu)異的高頻特性(低ESR)和溫度特性（溫度引起的靜電電容變化率小），精度高，適用于高電壓、高性能、高精度的應(yīng)用場景。

綜上所述，薄膜電容因其在高紋波電流承受能力、低ESR和ESL、高耐壓、無極性設(shè)計、良好的溫度特性、長壽命以及經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢，成為電動汽車DC-Link電容的首選。

1.2 DC-Link薄膜電容的結(jié)構(gòu)

DC-Link電容是電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)中的核心組件，其通常為薄膜電容，由聚丙烯薄膜作為介質(zhì)，金屬化薄膜作為電極，結(jié)構(gòu)精巧而高效，如圖1所示。DC-Link薄膜電容主要由以下幾個部分組成。

1）介質(zhì)材料。電容的核心是聚丙烯薄膜，這種材料以其出色的電氣絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性被廣泛采用。

2）電極。在聚丙烯薄膜的兩側(cè)，通過金屬化工藝形成電極。這一工藝在薄膜上形成一層薄而均勻的金屬層，既增強了電容的耐壓能力，也賦予了其自愈功能，即在介質(zhì)出現(xiàn)小缺陷時能夠自我修復(fù)，防止電容器損壞。

3）端子。端子是連接電容與外部電路的接口，通常由高導(dǎo)電性的金屬材料制成，以確保電流的順暢流通。

4）外殼。為了保護(hù)內(nèi)部組件并提供物理支撐，電容被封裝在一個堅固的外殼內(nèi)。外殼材料可能是塑料或金屬，設(shè)計時需兼顧機(jī)械強度和散熱需求。

5）填充物。為了保證電動汽車運行時DC-Link電容內(nèi)部不會因為振動而發(fā)生斷裂、接觸不良等失效問題，在電容內(nèi)部和外殼之間通常加入作為緩沖的填充物，常用的為環(huán)氧樹脂。

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使得DC-Link電容能夠在高電壓和大電流環(huán)境下穩(wěn)定工作，同時保持低ESR和ESL，對電驅(qū)系統(tǒng)的高效能量轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。

2 DC-Link電容的產(chǎn)熱機(jī)理

DC-Link電容的主要作用是連接電池包和逆變器，如圖2所示。平滑電池輸出的脈沖電流，防止逆變器端電壓波動過大，以及吸收逆變器產(chǎn)生的高脈沖電流。在理想情況下，電容在電路中只進(jìn)行儲存電能和釋放電能，不會像電阻那樣將電能轉(zhuǎn)化為熱能，因此被認(rèn)為是無損耗的器件，這意味著它們不會消耗能量，也不會產(chǎn)生熱量。然而，在現(xiàn)實世界中，所有的電容器都有一定的非理想特性，包括有限的耐壓、有限的容量、存在ESR和ESL、介質(zhì)損耗以及漏電流等。這些非理想因素會導(dǎo)致電容器在實際應(yīng)用中產(chǎn)生熱量損耗。例如，電容器的ESR會導(dǎo)致焦耳熱損耗，而介質(zhì)損耗（如介電材料的弛豫損耗)也會以熱的形式耗散能量。因此，雖然理想電容器不會發(fā)熱，但實際電容器在工作時總是會產(chǎn)生一定程度的熱量。

3 DC-Link電容散熱建模

在經(jīng)典的電容電性能等效電路模型里，通常認(rèn)為電容的實際電路由等效電感、等效電阻和電容串聯(lián)形成，如圖3a所示，理想電感和電容是儲能元件，是不會產(chǎn)生熱耗的，只有電阻會產(chǎn)生熱耗。然而在實際DC-Link電容傳熱分析中，電容的熱損耗通常包括串聯(lián)等效電阻損耗、漏電流損耗和電解質(zhì)損耗，因此實際電容的等效熱源模型應(yīng)當(dāng)如圖3b所示。當(dāng)然，由于對電阻損耗、漏電流損耗和電解質(zhì)損耗3種損耗源進(jìn)行分別仿真或測量都非常困難，所以在對DC-Link電容的熱耗進(jìn)行測試或仿真時，往往將3種損耗進(jìn)行集中等效為如圖3a所示的等效串聯(lián)電阻，進(jìn)而簡化模型。

利用簡化的DC-Link電容等效熱源模型，再結(jié)合上述對DC-Link薄膜電容結(jié)構(gòu)的分析，省去與散熱關(guān)系比較微弱的組件，只保留必要的組件，便可建立DC-Link電容散熱仿真結(jié)構(gòu)模型。DC-Link電容散熱仿真結(jié)構(gòu)模型自里向外包含：卷芯（包含電極和介質(zhì)材料）、填充物（如環(huán)氧樹脂）、外殼和連接銅排，其中熱源為卷芯和連接銅排。卷芯的熱源數(shù)值通過等效熱源模型計算得到，銅排的熱源數(shù)值可通過Q3D軟件進(jìn)行求解。兩者的熱源數(shù)值獲得后，即可通過熱仿真軟件Icepak進(jìn)行溫度及散熱求解分析。

4基于MATLAB、Q3D和Icepak聯(lián)合的DC-Link電容熱仿真

4.1基于MATLAB的DC-Link電容卷芯熱耗計算

MATLAB是一款強大的數(shù)學(xué)計算軟件，在本研究中，MATLAB用于搭建DC-Link電容卷芯的熱源計算程序。由圖3等效熱源模型可知，卷芯的熱耗主要通過等效電阻產(chǎn)生，故由經(jīng)典的焦耳熱公式即可以對卷芯的熱耗進(jìn)行求解。

P_coil=I_wave×ESR

式中： P_coil 卷芯的熱耗； I_wave 流過電容的紋波電流；ESR- -DC-Link電容的等效電阻。

上述公式(1)中的紋波電流可以通過公式(2)進(jìn)行求解。

I_wave=P_peak/(2×f×VDC×η)

式中： P_peak —電驅(qū)系統(tǒng)的峰值功率； f 電機(jī)控制器的開關(guān)頻率；VDC——電驅(qū)系統(tǒng)的額定電壓； η —電壓紋波系數(shù)。

4.2基于Q3D的DC-Link銅排熱耗計算

ANSYSQ3DExtractor是一款強大的三維電磁場仿真工具，它能夠從高速電子設(shè)備中的電子封裝、連接器以及電力分配系統(tǒng)中的高功率匯流排和功率變化器件中提取寄生參數(shù)，包括電阻(R)、電感（L）、電容(C)和電導(dǎo)(G)，即RLCG參數(shù)。通過在Q3D軟件中導(dǎo)入DC-Link電容的銅排結(jié)構(gòu)模型，可以快速利用Q3D求解器求取銅排的電阻值，再通過在后處理分析工具中輸入仿真工況下流過銅排的電流值，即可利用焦耳熱公式快速計算出銅排的熱耗值

4.3基于Icepak的熱仿真

Icepak是一款電子散熱仿真軟件，能夠模擬電子組件的熱流路徑和溫度分布。在本研究中，Icepak用于分析DC-Link電容的熱性能，包括溫度升高、熱流路徑和散熱效率等。在上述4.1和4.2中分別求得DC-Link電容的銅排熱耗和卷芯熱耗后，通過在Icepak中將熱耗進(jìn)行設(shè)置，再通過軟件標(biāo)準(zhǔn)化熱仿操作，即可獲得DC-Link電容的散熱性能、溫度參數(shù)等。

5結(jié)語

隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，DC-Link電容作為電驅(qū)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，其熱管理設(shè)計的重要性日益凸顯。本文對DC-Link電容的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入了解，對其產(chǎn)熱機(jī)理和散熱建模細(xì)致分析，建立了一種采用MATLAB、Q3D和Icepak等軟件工具進(jìn)行聯(lián)合仿真的方法，以精確預(yù)測和優(yōu)化電容的熱行為。這種仿真方法不僅提高了對DC-Link電容熱特性的認(rèn)識，也為電驅(qū)系統(tǒng)的整體性能優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。通過精確控制和優(yōu)化電容的熱管理，可以有效提升電驅(qū)系統(tǒng)的能效、可靠性和壽命，進(jìn)而推動新能源汽車技術(shù)的進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展。未來，隨著仿真技術(shù)的進(jìn)步和新材料的開發(fā)，DC-Link電容的熱管理設(shè)計將更加精細(xì)化，為新能源汽車行業(yè)帶來更加高效和環(huán)保的解決方案。

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（編輯楊凱麟）