電動(dòng)汽車電機(jī)控制器功率器件熱管理技術(shù)

導(dǎo)讀

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隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，電驅(qū)系統(tǒng)的功率密度越來越高，進(jìn)而對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的熱管理能力提出了更高的要求，尤其是針對(duì)電機(jī)控制器中的關(guān)鍵功率器件———IGBT。文章介紹了電驅(qū)系統(tǒng)中IGBT的溫度估算和熱管理技術(shù)，該技術(shù)既能夠滿足最大能力輸出，又能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)控制器安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)新能源汽車功率器件熱管理技術(shù)的應(yīng)用有較好的借鑒和推廣意義。

隨著新能源汽車的發(fā)展，高性能的電動(dòng)汽車在市場上有較好的需求，特斯拉的Model3電機(jī)功率達(dá)到220kW，蔚來的ES6電機(jī)功率達(dá)到160kW。

為了滿足對(duì)大功率電機(jī)的高性能控制，需要不斷地提升電驅(qū)系統(tǒng)的功率密度。在電機(jī)控制器方面，當(dāng)前國外電機(jī)控制器主流的封裝形式是采用IGBT芯片雙面焊接和系統(tǒng)級(jí)封裝。電裝、博世、大陸等公司的電機(jī)控制器功率密度已達(dá)到16－25kW/L。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在2025年電機(jī)控制器的功率密度會(huì)進(jìn)一步提升，預(yù)計(jì)乘用車的電機(jī)控制器功率密度可以達(dá)到30－40kW/L;在電機(jī)方面，近年來隨著Hair-Pin高密度繞組技術(shù)的應(yīng)用，大幅度降低了繞組發(fā)熱，提升了轉(zhuǎn)矩、功率密度以及效率，例如榮威MarvelX就采用了華域電動(dòng)自主研發(fā)的Hair-Pin繞組結(jié)構(gòu)的高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，功率密度達(dá)到3.8－4.6kW/L。電機(jī)控制器和電機(jī)的功率密度提升，意味著單位時(shí)間內(nèi)積累的熱能會(huì)更多，為了滿足車輛大功率的使用場景，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的熱量管理提出了更加嚴(yán)格的要求。

IGBT是電機(jī)控制器最為關(guān)鍵的功率器件，為了提高電驅(qū)系統(tǒng)的可靠性和性能，需要獲得IGBT的溫升情況并主動(dòng)進(jìn)行熱管理。文獻(xiàn)通過改變IGBT開關(guān)頻率、調(diào)整調(diào)制模式等方法降低開關(guān)損耗，來降低結(jié)溫波動(dòng)，但沒有考慮電頻率對(duì)結(jié)溫的影響。文獻(xiàn)提出基于頻段導(dǎo)向的功率器件熱管理控制技術(shù)，在不同頻率內(nèi)采用不同的熱管理策略，但是這種方法沒有考慮實(shí)際的整車運(yùn)行工況。文獻(xiàn)提出適用于電動(dòng)汽車的IGBT熱管理策略，但僅考慮了電流限制的方法，而沒有考慮開關(guān)頻率等因素的影響。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于電動(dòng)汽車電機(jī)控制器功率器件的熱管理技術(shù)，既可以滿足整車的最大功率輸出，又可以有效地保護(hù)功率器件的安全。

01

電機(jī)控制器組成

電機(jī)控制器主要包含控制板、驅(qū)動(dòng)板、接插件、殼體和冷卻管道等幾個(gè)部分，發(fā)熱較大的關(guān)鍵器件為功率器件IGBT、電容和直流母排等，其中最為關(guān)鍵的器件是IGBT。圖1為上汽某項(xiàng)目的電機(jī)控制器爆炸圖。

圖1上汽某項(xiàng)目電機(jī)控制器爆炸圖

表1是在保持電壓等級(jí)、電機(jī)油溫、入水口溫度和冷卻水流量一致的情況下，且逆變器相同工作點(diǎn)在不同環(huán)境溫度下的溫度測試結(jié)果。表2是在同樣的環(huán)境溫度、電壓、油溫和冷卻水流量的情況下，且逆變器各部件在不同入水口溫度條件下的測試結(jié)果。從表1和表2的測試結(jié)果可以看出，在各個(gè)測試點(diǎn)中，IGBT最高結(jié)溫的溫升最大，是影響電機(jī)控制器工作能力的最重要因素，因此有必要開發(fā)一種合理高效的IGBT熱管理應(yīng)用技術(shù)，對(duì)IGBT進(jìn)行熱保護(hù)。

表1上汽某項(xiàng)目系統(tǒng)不同環(huán)溫?zé)釡y試結(jié)果

表2 上汽某項(xiàng)目系統(tǒng)不同入水口溫度熱測試結(jié)果

02

IGBT熱管理技術(shù)

目前，主流電機(jī)控制器的功率器件采用英飛凌HPD模塊，它并未集成IGBT結(jié)溫傳感器，因此需要開發(fā)準(zhǔn)確的結(jié)溫估算算法，即通過對(duì)IGBT的傳熱路徑和散熱條件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，完成熱阻－熱容的熱網(wǎng)絡(luò)搭建，通過計(jì)算IGBT的實(shí)時(shí)損耗，并輸入到熱網(wǎng)絡(luò)模型中，得到IGBT結(jié)溫的實(shí)時(shí)值后，再采取熱管理策略進(jìn)行熱保護(hù)。

圖2為IGBT物理層的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，IGBT由基板層、系統(tǒng)焊接層、銅片、陶瓷層、芯片焊接層及芯片組成，為多層結(jié)構(gòu)，其熱量傳輸路徑比較復(fù)雜。

圖2 IGBT物理層結(jié)構(gòu)圖

功率器件損耗計(jì)算

功率器件的損耗分為兩大類:開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。對(duì)于開關(guān)損耗，由于含有IGBT和二極管兩種器件，可分為IGBT開通損耗E、IGBT關(guān)斷損耗E和二極管的反向恢復(fù)損耗E。

IGBT開關(guān)損耗測試及擬合

一般地，IGBT模塊開關(guān)損耗結(jié)果主要通過IGBT雙脈沖測試獲得，對(duì)于IGBT開關(guān)損耗主要關(guān)注E和E，對(duì)于二極管開關(guān)損耗主要關(guān)注E，雙脈沖測試設(shè)置方式如圖3所示。

圖3 IGBT下橋開關(guān)損耗測試設(shè)置示意圖

在圖3中，下橋IGBT作為被測對(duì)象，用高壓隔離探頭取V電壓、用羅氏線圈取I電流、用高壓隔離探頭測量V信號(hào)以及用普通探頭測量PWM信號(hào)，同時(shí)對(duì)上橋IGBT的門極施加負(fù)壓，使上橋IGBT保持關(guān)斷狀態(tài)，僅使其續(xù)流二極管起作用。T1為雙脈沖第一個(gè)開通時(shí)段，T3為雙脈沖第二個(gè)開通時(shí)段。在驅(qū)動(dòng)參數(shù)確定后，開關(guān)測試的數(shù)據(jù)E、E、E與母線電壓、電流和結(jié)溫都相關(guān)，因此開關(guān)損耗需要根據(jù)此3個(gè)維度的不同組合來獲得。

通過圖4可以看出，在一定結(jié)溫和電壓下，開通損耗Eon和關(guān)斷損耗Eoff與電流基本呈線性關(guān)系，因此可以采用一次或二次線性多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行擬合。根據(jù)雙脈沖在不同溫度和不同電流下測到的開關(guān)損耗數(shù)據(jù)繪制Eon、Eoff與母線電壓Udc之間的關(guān)系圖并進(jìn)行擬合，在Eon、Eoff與電流呈線性關(guān)系的基礎(chǔ)上，IGBT開關(guān)損耗表達(dá)式為

式中:U為逆變器母線電壓值;Tj為IGBT結(jié)溫;I為集電極電流。a0、b0與Tj的關(guān)系如式(2)和式(3)所示，呈一次線性關(guān)系，而c0設(shè)為定值，此處c0取最高結(jié)溫下的值:

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圖4 IGBT不同工況下的損耗測試結(jié)果

通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以擬合出比較準(zhǔn)確的參數(shù)，進(jìn)而用于計(jì)算各種不同工況下的開關(guān)損耗。

二極管反向恢復(fù)損耗

二極管的反向恢復(fù)損耗Erec與電流I呈非線性關(guān)系，同時(shí)需要兼顧在各個(gè)溫度和電壓下的關(guān)系，Erec與流過二極管的電流IF、母線電壓U及二極管結(jié)溫Tj的關(guān)系如式(4)所示，擬合的步驟同IGBT開關(guān)損耗。

導(dǎo)通損耗

IGBT/二極管的導(dǎo)通和前向壓降主要與瞬時(shí)電流和結(jié)溫相關(guān)，其關(guān)系需要利用定制的儀器進(jìn)行測試，因此通常通過供應(yīng)商獲得IGBT/二極管的導(dǎo)通和前向壓降與瞬時(shí)電流和結(jié)溫的關(guān)系曲線及數(shù)據(jù)。

熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算

目前，行業(yè)內(nèi)主要有兩種方法來進(jìn)行熱網(wǎng)絡(luò)模型的建立。一種是基于物理模型———Cauer模型，每一組熱阻熱容都對(duì)應(yīng)到實(shí)際物理模型的熱阻熱容參數(shù)。如圖5所示，該模型比較容易理解，每一層散熱材料都可以用相應(yīng)的熱阻熱容來表示。但是Cauer模型有一定的缺陷，熱容參數(shù)都是相對(duì)于GND的參考點(diǎn)，一旦該參考點(diǎn)變化，比如參考點(diǎn)IGBT基板DCB溫度變?yōu)镮GBT散熱器溫度，則需要重新評(píng)估和測量熱容參數(shù)。

圖5 Cauer模型示意圖

第二種是局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型———Foster模型。如圖6所示，F(xiàn)oster模型不同于Cauer模型，ＲC節(jié)點(diǎn)不再與導(dǎo)熱材料一一對(duì)應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沒有任何物理意義，只需要結(jié)溫和傳感器測量點(diǎn)之間的溫差就足夠了。

圖6 Foster模型示意圖

結(jié)溫估算算法開發(fā)及閉環(huán)測試

本文采用Foster模型，基于精確擬合的損耗參數(shù)和Foster熱阻參數(shù)，按照上述方法通過軟件實(shí)時(shí)計(jì)算IGBT和二極管的熱點(diǎn)溫度。結(jié)溫估算原理框圖如圖7所示，首先通過精確IGBT損耗實(shí)時(shí)計(jì)算模塊得到IGBT和二極管的損耗，將其代入到冷卻液水溫計(jì)算模塊，獲得冷卻液的溫度。最后，熱點(diǎn)溫度計(jì)算模塊根據(jù)IGBT損耗、二極管損耗和冷卻液溫度得到IGBT和二極管的最高溫度，并取兩者的最大值作為功率器件的最高熱點(diǎn)溫度T。

圖7 結(jié)溫估算原理框圖

英飛凌公司提供了用于算法驗(yàn)證的黑模塊，如圖8所示。這種方法屬于破壞性測量方法，需要將IGBT模塊打開，除去透明硅脂，然后將待測器件的芯片表面涂黑，通過紅外熱成像儀來進(jìn)行測試。表面涂黑處理可以提高溫度測量的準(zhǔn)確性，便于算法的精確標(biāo)定及驗(yàn)證。

圖8 用于閉環(huán)驗(yàn)證的IGBT模塊

如圖9－11所示，與實(shí)際溫度相比，IGBT和二極管估算的溫度精度都在(－5，0)℃以內(nèi)。而實(shí)際應(yīng)用中需要通過標(biāo)定的修正系數(shù)將溫度估算偏差補(bǔ)償?shù)?0，+5)℃，使得IGBT在應(yīng)用過程中有一個(gè)較好的溫度余量，避免因過溫而影響IGBT壽命。

圖9 低頻(10Hz)下IGBT和二極管估算溫度與實(shí)測溫度

圖10 中頻(100Hz)IGBT和二極管估算溫度與實(shí)測溫度

圖11 高頻(800Hz)IGBT和二極管估算溫度與實(shí)測溫度

IGBT熱管理策略

從控制方面看，影響結(jié)溫的主要因素包含以下幾個(gè)方面:

(1)開關(guān)頻率對(duì)結(jié)溫的影響及控制方法。隨著開關(guān)頻率的增大，IGBT的最大結(jié)溫和結(jié)溫變化值都近似于線性增加。若能夠在一定范圍內(nèi)對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)整，可以對(duì)結(jié)溫進(jìn)行有效控制;

(2)電流對(duì)結(jié)溫的影響及控制方法。電流越大，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗均會(huì)變大，IGBT的最大結(jié)溫也隨之增大。可根據(jù)估算結(jié)溫對(duì)電流幅值進(jìn)行限制;

(3)不同輸出頻率下的溫度性能分析。輸出頻率對(duì)損耗和結(jié)溫都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。輸出頻率對(duì)結(jié)溫波動(dòng)的影響較大，尤其在低頻時(shí)，效果更加明顯。當(dāng)器件長期工作在較低的輸出頻率時(shí)，

在產(chǎn)生損耗的正周期階段，器件會(huì)一直處于升溫狀態(tài)，連續(xù)工作時(shí)間越長，器件溫度的上升幅度越大，在經(jīng)過足夠長的時(shí)間后，器件容易發(fā)生熱擊穿;當(dāng)輸出頻率較大時(shí)，器件己經(jīng)恢復(fù)到正常的工作循環(huán)模式，輸出周期時(shí)間短，因此器件升溫和降溫的時(shí)間也較為短暫，不會(huì)對(duì)器件造成過多的熱沖擊。

本文綜合考慮以上幾個(gè)因素，設(shè)計(jì)了IGBT的熱管理策略，如圖12所示。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)結(jié)溫過高時(shí)，首先根據(jù)轉(zhuǎn)速和扭矩命令獲得最低的開關(guān)頻率，在最低開關(guān)頻率以上，優(yōu)先通過降低開關(guān)頻率來降低開關(guān)損耗，緩解逆變器的熱沖擊，保證系統(tǒng)輸出大電流，而不影響輸出扭矩。當(dāng)在最低開關(guān)頻率無法滿足功率輸出時(shí)，可以通過降低扭矩命令來降低輸出電流，可有效降低導(dǎo)通損耗，從而降低結(jié)溫，保護(hù)功率器件的安全。

圖13為電機(jī)轉(zhuǎn)速為15r/min、冷卻液溫度為65℃下的熱管理策略測試結(jié)果:當(dāng)結(jié)溫T接近125℃時(shí)，為了保持250N·m的扭矩輸出，開關(guān)頻率首先開始下降，當(dāng)頻率下降到6kHz的最低開關(guān)頻率時(shí)，因開關(guān)頻率無法再下降，需要降低扭矩來維持結(jié)溫的上限，最終扭矩命令下降到210N·m附近上下波動(dòng)，在結(jié)溫不過溫和最低的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)了最大的能力輸出。

圖12 GBT熱管理策略框圖

圖13 IGBT熱管理策略測試結(jié)果

03

結(jié)語

本文闡述了電機(jī)控制器里最核心的功率器件IGBT的熱管理技術(shù)，開發(fā)了一套可以產(chǎn)品化的結(jié)溫估算開發(fā)方法，經(jīng)過實(shí)際的測試，驗(yàn)證了其具備較好的性能指標(biāo)，為IGBT在新能源汽車上的高性能應(yīng)用提供了依據(jù)，確保了新能源汽車核心零部件電機(jī)控制器的穩(wěn)定性和可靠性。結(jié)合IGBT熱管理應(yīng)用策略，在大功率運(yùn)行環(huán)境下可以優(yōu)先進(jìn)行降頻控制，既可保證電驅(qū)系統(tǒng)的大功率輸出，又可保護(hù)功率器件的安全。

審核編輯 ：李倩