介紹

當(dāng)前，為鼓勵(lì)節(jié)能減排，我國(guó)將新能源汽車作為重點(diǎn)扶持的新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展新能源汽車已成為保障能源安全、轉(zhuǎn)變低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。作為新能源電動(dòng)汽車三大核心技術(shù)之一，控制器未來的發(fā)展趨勢(shì)是高功率密度、高集成度和輕量化。

為了實(shí)現(xiàn)高功率密度，電機(jī)控制器通常采用電力電子模塊集成技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)理念。元器件高度集成，進(jìn)行大功率、大功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的產(chǎn)品優(yōu)化和集成設(shè)計(jì)。控制器中的功率模塊是提高功率密度的關(guān)鍵器件。隨著新能源汽車大功率、小型化的發(fā)展，功率模塊也呈現(xiàn)出高能小型化的趨勢(shì)。功率密度更高的模塊需要散熱能力更強(qiáng)的散熱。結(jié)構(gòu)體。車輛及控制系統(tǒng)大多采用水冷方式，因此高功率密度控制器的散熱對(duì)控制器的可靠運(yùn)行非常重要，

針對(duì)新能源汽車電機(jī)控制器的高功率密度要求，本文采用雙面焊接和單面散熱的IGBT，開發(fā)了一種高集成度、高功率密度的電機(jī)控制器，并著重于電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)?？刂破?。設(shè)計(jì)了控制器的冷卻方案，并進(jìn)行了水道熱力仿真研究。最后，對(duì)該控制器的樣機(jī)進(jìn)行了試制，并對(duì)臺(tái)架的性能進(jìn)行了測(cè)試。從測(cè)試驗(yàn)證中可以看出，開發(fā)的電機(jī)控制器性能優(yōu)異，體積功率密度可達(dá)23.1kW/L，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電氣原理

為了實(shí)現(xiàn)高功率密度，充分利用控制器的內(nèi)部體積，同時(shí)兼顧組裝和制造的簡(jiǎn)單性，本文開發(fā)的控制器主要通過研究高封裝來實(shí)現(xiàn)功率元件IGBT模塊、驅(qū)動(dòng)電路、薄膜電容、高效散熱片的集成。直焊互聯(lián)的一體化設(shè)計(jì)和焊接工藝為電機(jī)控制器在車輛高溫、高濕、振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境條件下的可靠性提供了保障，同時(shí)提高了電機(jī)的功率密度水平控制器。本文設(shè)計(jì)的控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分解圖如圖1所示。

圖 2 顯示了本文設(shè)計(jì)的控制器的內(nèi)部模塊級(jí)集成組件?？刂破鞑捎脝蚊嫔酙GBT模塊的雙面焊接，薄膜電容端子通過電阻焊連接到IGBT模塊的直流端、IGBT模塊的交流端和三相銅排過程。裝置直接粘接一體化，避免了大量螺栓的使用，實(shí)現(xiàn)了連接可靠性和空間利用率的提高，使結(jié)構(gòu)布局更加緊湊，進(jìn)一步提高了功率密度。

同時(shí)從圖2可以看出，水道蓋板與水冷板之間采用攪拌摩擦焊工藝焊接，實(shí)現(xiàn)蓋板與水冷焊縫處的固相連接。板，避免使用大量螺栓，改進(jìn)了控制器。內(nèi)部空間比也保證了水道的水密性，實(shí)現(xiàn)了同等功率級(jí)別的控制器小型化?；谥焙富ヂ?lián)工藝技術(shù)路線，本文研制的控制器樣機(jī)功率密度達(dá)到23.1kW/L，峰值功率為125kW。集成度和性能水平可與國(guó)外同類量產(chǎn)產(chǎn)品媲美。

電機(jī)控制器框圖如圖3所示。電機(jī)控制器的控制系統(tǒng)工作在12V供電網(wǎng)絡(luò)下，通過CAN網(wǎng)絡(luò)與車輛通信?？刂破鞴β什糠值哪孀儐卧梢詫⒅绷麟娹D(zhuǎn)換成交流電輸入到永磁同步電機(jī)?？刂破鲀?nèi)成熟的底層配置 配合軟件算法、采樣電路和保護(hù)電路汽車散熱器設(shè)計(jì)計(jì)算，使電機(jī)控制器工作穩(wěn)定可靠。

2. IGBT模塊和薄膜電容器

2.1 IGBT模塊 本文設(shè)計(jì)的控制器采用扁平雙面焊接單面散熱IGBT模塊，如圖4(a)所示。IGBT的電壓為750V，電流為800A。IGBT模塊的體積比傳統(tǒng)的IGBT大。體積小，模塊內(nèi)部芯片采用雙面焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功率模塊熱阻遠(yuǎn)小于平面結(jié)構(gòu)。同等條件下，功率模塊的輸出能力大大提高，功率密度提高。

圖 4(b) 顯示了 IGBT 模塊的雙面焊接結(jié)構(gòu)。芯片背面焊接非對(duì)稱結(jié)構(gòu)DBC，芯片正面焊接銅片結(jié)構(gòu)正面。外部電源極和信號(hào)極通過引線框快速方便地引出，減少了內(nèi)部的鋁線鍵合工藝，降低了模塊本身的雜電感，提高了IGBT模塊電氣連接的可靠性。圖4（c）顯示了雙面焊接的真實(shí)對(duì)象。這種全新的IGBT封裝工藝，取消了鍵合線工藝，使結(jié)構(gòu)振動(dòng)更加可靠，并可大大節(jié)省控制器內(nèi)部空間。

2.2 薄膜電容為了降低模組與電容之間的寄生電感，改善模組與電容之間的連接空間，縮短模組與電容之間的連接線，研究了電容與電容之間的連接技術(shù)。電源模塊被執(zhí)行。為了進(jìn)一步降低電路所需薄膜電容器的額定電壓和容量，同時(shí)提高電容器的耐電流水平，從而達(dá)到減小電容器體積的目的，通過比較研究，最終采用電阻焊工藝的連接方式。圖 5 為本文設(shè)計(jì)的控制器薄膜電容器的結(jié)構(gòu)示意圖。

為了進(jìn)一步確認(rèn)薄膜電容器在減小電容體積和提高電感后的熱可靠性，需要對(duì)薄膜電容器進(jìn)行進(jìn)一步的熱仿真分析。根據(jù)控制器的運(yùn)行環(huán)境條件，將薄膜電容的底面溫度設(shè)置為80℃，環(huán)境溫度設(shè)置為85℃，利用仿真軟件對(duì)薄膜電容進(jìn)行熱仿真。

薄膜電容器的熱模擬結(jié)果如圖6所示。模擬結(jié)果表明，薄膜電容器的熱量主要集中在母線側(cè)和薄膜電容器的上側(cè)。熱點(diǎn)區(qū)域最高溫度98.2℃，比芯膜最高耐溫低105℃，滿足長(zhǎng)期耐溫要求。.

3、散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 IGBT模塊在運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生大量的熱損失。需要采用相應(yīng)的散熱結(jié)構(gòu)，增加熱交換面積，帶走模塊產(chǎn)生的熱量。本文設(shè)計(jì)的控制器功率模塊由水平放置在散熱基板上的3個(gè)IGBT模塊組成。需要在IGBT和基板之間涂抹導(dǎo)熱硅脂填充間隙，然后用壓板將模塊壓在散熱基板上。散熱底板背面設(shè)計(jì)有冷卻水通道，如圖7(a)所示。冷卻液從入口流入控制器的冷卻水通道。水道內(nèi)有間隔分布的云狀散熱片。當(dāng)冷卻液流入時(shí)，云狀散熱翅片可以分流，增加有效熱交換面積，降低熱阻。影響。冷卻液帶走IGBT產(chǎn)生的熱量，最后通過冷卻水通道的出口流入驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而達(dá)到冷卻整個(gè)系統(tǒng)的目的。

考慮到高溫會(huì)縮短 IGBT 的壽命，并可能降低整個(gè)控制器在使用過程中的可靠性，控制器需要對(duì)冷卻系統(tǒng)（水道）進(jìn)行可靠性分析。仿真軟件計(jì)算了IGBT在不同工況下的最高溫度以及后續(xù)樣機(jī)的驗(yàn)證分析。散熱仿真結(jié)果如圖7(b)所示?？梢钥闯?，模塊峰值工作狀態(tài)下芯片最高溫度為131.05℃，IGBT模塊長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的耐溫為150℃，在使用范圍內(nèi)要求。

4、在臺(tái)架試驗(yàn)中，為保證電機(jī)控制器在整車不同工況下能夠平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)使控制器具有經(jīng)濟(jì)適用性，將所設(shè)計(jì)的控制器制作成樣機(jī)，進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，并測(cè)試系統(tǒng)性能?？刂破餍试诶鋮s液溫度設(shè)置為 65°C 的情況下進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 系統(tǒng)性能測(cè)試 控制系統(tǒng)的外部特性如圖8所示。根據(jù)測(cè)試圖，在峰值功率125kW、峰值扭矩300N·m的工況下，控制系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，沒有大的波動(dòng).

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器效率MAP和系統(tǒng)效率MAP的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，在電氣條件下，控制器的最大效率為97.82%，最大效率系統(tǒng)占94.69%；發(fā)電工況下，控制器最高效率為98.23%，系統(tǒng)最高效率為94.83%；控制器效率大于90%。高效區(qū)占比84.66%，系統(tǒng)效率大于80%的高效區(qū)占比83.56%。

4.2 溫升測(cè)試 當(dāng)功率密度提高時(shí)，IGBT產(chǎn)生的熱量也迅速增加，因此需要注意IGBT本身的溫升效應(yīng)?？刂破鬟M(jìn)行溫升試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如圖10所示。峰值工況下，模塊內(nèi)部溫度傳感器的最高溫度為95℃。因此，IGBT芯片的最高溫度不會(huì)超過120℃，低于IGBT芯片。芯片結(jié)溫150℃，可長(zhǎng)時(shí)間工作。

5. 結(jié)論 本文通過結(jié)構(gòu)、硬件理論設(shè)計(jì)、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，開發(fā)了一種控制器。電機(jī)控制器高效區(qū)（η>90）占84.86%，系統(tǒng)高效區(qū)（η>90）占84.86%。80）占比83.56%汽車散熱器設(shè)計(jì)計(jì)算，可穩(wěn)定輸出峰值功率125kW，峰值扭矩300N·m。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器功率密度可達(dá)23.1kW/L，為新能源汽車電機(jī)控制器提供了有效的設(shè)計(jì)方案。