廣告
增程式電機(jī)控制器高效熱分析與研究
2021-11-02 17:22:11· 來源：電動(dòng)學(xué)堂 作者：陳登峰
文章來源：上海汽車電驅(qū)動(dòng)有限公司0引言國(guó)外關(guān)于增程式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究開始比較早。寶馬、日產(chǎn)和通用關(guān)于增程式混動(dòng)方案研究較早，尤其是通用汽車已有相關(guān)增程式
文章來源：上海汽車電驅(qū)動(dòng)有限公司
0引言
國(guó)外關(guān)于增程式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究開始比較早。寶馬、日產(chǎn)和通用關(guān)于增程式混動(dòng)方案研究
較早，尤其是通用汽車已有相關(guān)增程式車型在市面上批量銷售。國(guó)內(nèi)車廠如長(zhǎng)安、吉利、廣汽等，雖然也都在針對(duì)增程式混動(dòng)方案進(jìn)行研究，但是到現(xiàn)在市面上還沒有批量的車型在銷售;互聯(lián)網(wǎng)汽車公司理想ONE車型將增程式混動(dòng)方案推向市場(chǎng)，給國(guó)內(nèi)增程式方案的發(fā)展帶來新希望，并最終獲得大眾的喜愛。
但是，增程式電機(jī)直接與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸集成連接，發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生的高溫也會(huì)傳遞給電機(jī)系統(tǒng)，使其工作環(huán)境非常惡劣，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致電機(jī)控制器溫升過高損壞或者故障，因此開發(fā)增程式電機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵便是有效的熱管理設(shè)計(jì)。
本文正是針對(duì)一款增程式電機(jī)控制器的散熱需求，設(shè)計(jì)了增程式電機(jī)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(jié)構(gòu)和其散熱器冷卻結(jié)構(gòu)。
為了進(jìn)一步研究其散熱器冷卻效果，分別對(duì)該增程式電機(jī)控制器的功率模塊和薄膜電容進(jìn)行了熱仿真研究和臺(tái)架溫升測(cè)試，通過對(duì)比分析可知，本文的增程式電機(jī)控制器散熱器冷卻結(jié)構(gòu)具有良好的散熱效果，能夠滿足在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍長(zhǎng)時(shí)間工作的需求，對(duì)于同類型增程式控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。
1總體設(shè)計(jì)
1.1控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖1(a)為本文設(shè)計(jì)的增程式二合一發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電機(jī)控制器位于電機(jī)右上方，電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，電機(jī)機(jī)殼法蘭面與發(fā)動(dòng)機(jī)外殼法蘭安裝面連接固定，電機(jī)轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子輪轂與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸法蘭盤連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)增程式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的集成。
圖1(b)為本文設(shè)計(jì)的增程式電機(jī)控制器。增程式電機(jī)控制器采用平板式IGBT模塊(GD400HTX75P7S)，薄膜電容規(guī)格設(shè)計(jì)為500V/250μF(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(nèi)部進(jìn)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(huán)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(huán)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(zhuǎn)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(duì)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(fā)電機(jī)系統(tǒng)軸向空間狹小的使用需求。
1.2冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
增程式電機(jī)控制器位于發(fā)動(dòng)機(jī)附近，其外部環(huán)境溫度通常達(dá)到105℃以上，再加上控制器，其內(nèi)部功率器件和薄膜電容器均是比較大的發(fā)熱源。如果沒有很好的熱管理設(shè)計(jì)，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(fā)生短路燒毀。并且IGBT模塊超出芯片結(jié)溫，也會(huì)使其發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的故障，導(dǎo)致整個(gè)控制器報(bào)廢，嚴(yán)重限制了控制器功能的正常發(fā)揮。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)增程式電機(jī)控制器更好的熱管理設(shè)計(jì)，如圖2所示，本文采用三明治疊層式結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱硅脂，薄膜電容設(shè)置在散熱器的底面，并與散熱器中間通過鋪設(shè)一層導(dǎo)熱墊實(shí)現(xiàn)無縫接觸。這樣就實(shí)現(xiàn)了一塊散熱器上下兩面同時(shí)對(duì)IGBT模塊底面和薄膜電容上表面間的冷卻散熱。
圖3為本文設(shè)計(jì)的散熱器結(jié)構(gòu)。散熱器本體由散熱器殼體和底板組成，散熱器殼體內(nèi)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(shè)有兩個(gè)圓孔分別作為散熱器的進(jìn)水口和出水口。散熱器通過螺栓壓在箱體內(nèi)部進(jìn)出水口上表面，連接部位通過O形圈實(shí)現(xiàn)平面密封，從而實(shí)現(xiàn)散熱器與箱體內(nèi)的水路貫通。圖4為控制器的冷卻系統(tǒng)散熱水道模型。
2控制器熱仿真與分析
本文設(shè)計(jì)的增程式二合一電機(jī)系統(tǒng)的額定功率為40kW，峰值功率為60kW，考核電容的溫升是額定工況下熱量累計(jì)的效果，而考核IGBT溫升則是在峰值工況下芯片的瞬時(shí)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(duì)電容進(jìn)行熱仿真分析，在峰值工況下對(duì)IGBT內(nèi)部芯片進(jìn)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(huán)境溫度105℃，入水口溫度為65℃，流量為8L/min。
仿真工況為額定工況，芯子紋波電流為69A(rms)，直流輸入有效值為117A，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(zhǎng)期使用需求。
控制器IGBT模塊仿真工況為峰值工況，圖6為IGBT內(nèi)部芯片溫度分布。由此可知，IGBT內(nèi)部芯片最高溫度97.1℃，NTC探測(cè)面溫度為81.3℃，模塊長(zhǎng)期使用溫度不超過150℃，可滿足長(zhǎng)期使用需求。
3控制器溫升臺(tái)架測(cè)試
為了進(jìn)一步研究本文的增程式電機(jī)控制器的IGBT模塊和薄膜電容的溫升，制作了增程式電機(jī)控制器樣機(jī)，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)其進(jìn)行溫升測(cè)試，臺(tái)架測(cè)試環(huán)境如圖7所示。樣機(jī)負(fù)載電機(jī)為永磁同步電機(jī)，額定功率40kW，峰值功率60kW，對(duì)應(yīng)額定扭矩109N·m，峰值扭矩163N·m?？刂破魅胨跍囟日{(diào)為65℃，冷卻液流量8L/min，環(huán)境艙溫度設(shè)為105℃，IGBT模塊開關(guān)頻率為10kHz。
峰值工況下，電機(jī)處于3500r/min，163N·m的發(fā)電工況下運(yùn)行30s，可以得到IGBT模塊的溫度隨時(shí)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(wěn)定在80.6℃，相比仿真結(jié)果的81.3℃，略低0.7℃。據(jù)此推測(cè)，模塊芯片處實(shí)際溫度比仿真結(jié)果97.1℃高0.7℃，約為98℃左右，最高不超過110℃，遠(yuǎn)小于IGBT模塊許用溫度150℃，可見，所開發(fā)的散熱器對(duì)功率模塊也具有較好的散熱效果，完全滿足控制器長(zhǎng)期運(yùn)行工作需求。
為方便測(cè)量電容內(nèi)部芯子和銅排的溫度，在電容內(nèi)埋設(shè)有3只熱電偶，熱電偶的埋設(shè)位置如圖9所示。隨后測(cè)試額定工況下電容的溫升，測(cè)試時(shí)間為60min，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(yùn)行20min后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后實(shí)測(cè)3只熱電偶處的溫度均不超過75℃?？紤]熱電偶埋設(shè)位置為芯子表面，不是芯子中心熱源位置，因此實(shí)際芯子中心溫度還是會(huì)稍微大于75℃，但小于電容長(zhǎng)時(shí)間工作可承受的最高溫度(105℃)，可以滿足使用需求。
4結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)增程式電機(jī)控制器的散熱需求，開發(fā)了一款增程式電機(jī)控制器及其高效雙面冷卻散熱器，并介紹了該增程式電機(jī)控制器的整體結(jié)構(gòu)和其散熱器的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)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(jī)控制器中的散熱效果。
制造樣機(jī)，搭建相應(yīng)測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的散熱器對(duì)增程式控制器具有優(yōu)良的散熱效果，既可以快速帶走功率器件自身產(chǎn)生的熱量，也可規(guī)避環(huán)境溫度對(duì)功率器件的影響，滿足增程式控制器的散熱需求，對(duì)于同類型增程式控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。
點(diǎn)贊 0 反對(duì) 0 舉報(bào) 0
收藏 0
評(píng)論 0 分享 47
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
聯(lián)合國(guó)法規(guī)R60對(duì)兩輪車操縱件與指示裝置的
2026-03-04 12:08
-
標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)|《汽車異種材料鉚接接頭拉伸性能
2026-03-04 11:40
-
“汽車大角度座椅 第1部分：通用要求”將有
2026-03-04 11:39
-
“汽車大角度座椅 第2部分：可靠性要求”將
2026-03-04 11:39
-
電池耐久評(píng)價(jià)開始從“電池單體性能指標(biāo)”轉(zhuǎn)
2026-03-04 11:38
