知识点:电机控制器 随着新能源汽车的发展,高性能的电动汽车在市场上有较好的需求,特斯拉的Model3电机功率达到220kW,蔚来的ES6电机功率达到160kW。 为了满足对大功率电机的高性能控制,需要不断地提升电驱系统的功率密度。在电机控制器方面,当前国外电机控制器主流的封装形式是采用IGBT芯片双面焊接和系统级封装。电装、博世、大陆等公司的电机控制器功率密度已达到16-25kW/L
知识点:电机控制器
随着新能源汽车的发展,高性能的电动汽车在市场上有较好的需求,特斯拉的Model3电机功率达到220kW,蔚来的ES6电机功率达到160kW。
为了满足对大功率电机的高性能控制,需要不断地提升电驱系统的功率密度。在电机控制器方面,当前国外电机控制器主流的封装形式是采用IGBT芯片双面焊接和系统级封装。电装、博世、大陆等公司的电机控制器功率密度已达到16-25kW/L。随着技术的进一步发展,在2025年电机控制器的功率密度会进一步提升,预计乘用车的电机控制器功率密度可以达到30-40kW/L;在电机方面,近年来随着Hair-Pin高密度绕组技术的应用,大幅度降低了绕组发热,提升了转矩、功率密度以及效率,例如荣威MarvelX就采用了华域电动自主研发的Hair-Pin绕组结构的高速驱动电机,功率密度达到3.8-4.6kW/L。电机控制器和电机的功率密度提升,意味着单位时间内积累的热能会更多,为了满足车辆大功率的使用场景,对电驱动系统的热量管理提出了更加严格的要求。
IGBT是电机控制器最为关键的功率器件,为了提高电驱系统的可靠性和性能,需要获得IGBT的温升情况并主动进行热管理。文献通过改变IGBT开关频率、调整调制模式等方法降低开关损耗,来降低结温波动,但没有考虑电频率对结温的影响。文献提出基于频段导向的功率器件热管理控制技术,在不同频率内采用不同的热管理策略,但是这种方法没有考虑实际的整车运行工况。文献提出适用于电动汽车的IGBT热管理策略,但仅考虑了电流限制的方法,而没有考虑开关频率等因素的影响。
本文在上述研究的基础上,提出了一种适用于电动汽车电机控制器功率器件的热管理技术,既可以满足整车的最大功率输出,又可以有效地保护功率器件的安全。
01
电机控制器主要包含控制板、驱动板、接插件、壳体和冷却管道等几个部分,发热较大的关键器件为功率器件IGBT、电容和直流母排等,其中最为关键的器件是IGBT。图1为上汽某项目的电机控制器爆炸图。
图1上汽某项目电机控制器爆炸图
表1是在保持电压等级、电机油温、入水口温度和冷却水流量一致的情况下,且逆变器相同工作点在不同环境温度下的温度测试结果。表2是在同样的环境温度、电压、油温和冷却水流量的情况下,且逆变器各部件在不同入水口温度条件下的测试结果。从表1和表2的测试结果可以看出,在各个测试点中,IGBT最高结温的温升最大,是影响电机控制器工作能力的最重要因素,因此有必要开发一种合理高效的IGBT热管理应用技术,对IGBT进行热保护。
表1上汽某项目系统不同环温热测试结果
表2 上汽某项目系统不同入水口温度热测试结果
02
目前,主流电机控制器的功率器件采用英飞凌HPD模块,它并未集成IGBT结温传感器,因此需要开发准确的结温估算算法,即通过对IGBT的传热路径和散热条件进行数学建模,完成热阻-热容的热网络搭建,通过计算IGBT的实时损耗,并输入到热网络模型中,得到IGBT结温的实时值后,再采取热管理策略进行热保护。
图2为IGBT物理层的结构图,从图中可以看出,IGBT由基板层、系统焊接层、铜片、陶瓷层、芯片焊接层及芯片组成,为多层结构,其热量传输路径比较复杂。
图2 IGBT物理层结构图
功率器件损耗计算
功率器件的损耗分为两大类:开关损耗和导通损耗。对于开关损耗,由于含有IGBT和二极管两种器件,可分为IGBT开通损耗E、IGBT关断损耗E和二极管的反向恢复损耗E。
IGBT开关损耗测试及拟合
一般地,IGBT模块开关损耗结果主要通过IGBT双脉冲测试获得,对于IGBT开关损耗主要关注E和E,对于二极管开关损耗主要关注E,双脉冲测试设置方式如图3所示。
图3 IGBT下桥开关损耗测试设置示意图
在图3中,下桥IGBT作为被测对象,用高压隔离探头取V电压、用罗氏线圈取I电流、用高压隔离探头测量V信号以及用普通探头测量PWM信号,同时对上桥IGBT的门极施加负压,使上桥IGBT保持关断状态,仅使其续流二极管起作用。T1为双脉冲第一个开通时段,T3为双脉冲第二个开通时段。在驱动参数确定后,开关测试的数据E、E、E与母线电压、电流和结温都相关,因此开关损耗需要根据此3个维度的不同组合来获得。
通过图4可以看出,在一定结温和电压下,开通损耗Eon和关断损耗Eoff与电流基本呈线性关系,因此可以采用一次或二次线性多项式对其进行拟合。根据双脉冲在不同温度和不同电流下测到的开关损耗数据绘制Eon、Eoff与母线电压Udc之间的关系图并进行拟合,在Eon、Eoff与电流呈线性关系的基础上,IGBT开关损耗表达式为
式中:U为逆变器母线电压值;Tj为IGBT结温;I为集电极电流。a0、b0与Tj的关系如式(2)和式(3)所示,呈一次线性关系,而c0设为定值,此处c0取最高结温下的值:
图4 IGBT不同工况下的损耗测试结果
通过大量的试验数据,可以拟合出比较准确的参数,进而用于计算各种不同工况下的开关损耗。
二极管反向恢复损耗
二极管的反向恢复损耗Erec与电流I呈非线性关系,同时需要兼顾在各个温度和电压下的关系,Erec与流过二极管的电流IF、母线电压U及二极管结温Tj的关系如式(4)所示,拟合的步骤同IGBT开关损耗。
导通损耗
IGBT/二极管的导通和前向压降主要与瞬时电流和结温相关,其关系需要利用定制的仪器进行测试,因此通常通过供应商获得IGBT/二极管的导通和前向压降与瞬时电流和结温的关系曲线及数据。
热阻网络模型计算
目前,行业内主要有两种方法来进行热网络模型的建立。一种是基于物理模型———Cauer模型,每一组热阻热容都对应到实际物理模型的热阻热容参数。如图5所示,该模型比较容易理解,每一层散热材料都可以用相应的热阻热容来表示。但是Cauer模型有一定的缺陷,热容参数都是相对于GND的参考点,一旦该参考点变化,比如参考点IGBT基板DCB温度变为IGBT散热器温度,则需要重新评估和测量热容参数。
图5 Cauer模型示意图
第二种是局部网络热路模型———Foster模型。如图6所示,Foster模型不同于Cauer模型,RC节点不再与导热材料一一对应,网络节点没有任何物理意义,只需要结温和传感器测量点之间的温差就足够了。
图6 Foster模型示意图
结温估算算法开发及闭环测试
本文采用Foster模型,基于精确拟合的损耗参数和Foster热阻参数,按照上述方法通过软件实时计算IGBT和二极管的热点温度。结温估算原理框图如图7所示,首先通过精确IGBT损耗实时计算模块得到IGBT和二极管的损耗,将其代入到冷却液水温计算模块,获得冷却液的温度。最后,热点温度计算模块根据IGBT损耗、二极管损耗和冷却液温度得到IGBT和二极管的最高温度,并取两者的最大值作为功率器件的最高热点温度T。
图7 结温估算原理框图
英飞凌公司提供了用于算法验证的黑模块,如图8所示。这种方法属于破坏性测量方法,需要将IGBT模块打开,除去透明硅脂,然后将待测器件的芯片表面涂黑,通过红外热成像仪来进行测试。表面涂黑处理可以提高温度测量的准确性,便于算法的精确标定及验证。
图8 用于闭环验证的IGBT模块
如图9-11所示,与实际温度相比,IGBT和二极管估算的温度精度都在(-5,0)℃以内。而实际应用中需要通过标定的修正系数将温度估算偏差补偿到(0,+5)℃,使得IGBT在应用过程中有一个较好的温度余量,避免因过温而影响IGBT寿命。
图9 低频(10Hz)下IGBT和二极管估算温度与实测温度
图10 中频(100Hz)IGBT和二极管估算温度与实测温度
图11 高频(800Hz)IGBT和二极管估算温度与实测温度
IGBT热管理策略
从控制方面看,影响结温的主要因素包含以下几个方面:
(1)开关频率对结温的影响及控制方法。随着开关频率的增大,IGBT的最大结温和结温变化值都近似于线性增加。若能够在一定范围内对开关频率进行调整,可以对结温进行有效控制;
(2)电流对结温的影响及控制方法。电流越大,导通损耗和开关损耗均会变大,IGBT的最大结温也随之增大。可根据估算结温对电流幅值进行限制;
(3)不同输出频率下的温度性能分析。输出频率对损耗和结温都会产生较大的影响。输出频率对结温波动的影响较大,尤其在低频时,效果更加明显。当器件长期工作在较低的输出频率时,
在产生损耗的正周期阶段,器件会一直处于升温状态,连续工作时间越长,器件温度的上升幅度越大,在经过足够长的时间后,器件容易发生热击穿;当输出频率较大时,器件己经恢复到正常的工作循环模式,输出周期时间短,因此器件升温和降温的时间也较为短暂,不会对器件造成过多的热冲击。
本文综合考虑以上几个因素,设计了IGBT的热管理策略,如图12所示。在实际应用中,当结温过高时,首先根据转速和扭矩命令获得最低的开关频率,在最低开关频率以上,优先通过降低开关频率来降低开关损耗,缓解逆变器的热冲击,保证系统输出大电流,而不影响输出扭矩。当在最低开关频率无法满足功率输出时,可以通过降低扭矩命令来降低输出电流,可有效降低导通损耗,从而降低结温,保护功率器件的安全。
图13为电机转速为15r/min、冷却液温度为65℃下的热管理策略测试结果:当结温T接近125℃时,为了保持250N·m的扭矩输出,开关频率首先开始下降,当频率下降到6kHz的最低开关频率时,因开关频率无法再下降,需要降低扭矩来维持结温的上限,最终扭矩命令下降到210N·m附近上下波动,在结温不过温和最低的开关频率下实现了最大的能力输出。
图12 GBT热管理策略框图
图13 IGBT热管理策略测试结果
03
本文阐述了电机控制器里最核心的功率器件IGBT的热管理技术,开发了一套可以产品化的结温估算开发方法,经过实际的测试,验证了其具备较好的性能指标,为IGBT在新能源汽车上的高性能应用提供了依据,确保了新能源汽车核心零部件电机控制器的稳定性和可靠性。结合IGBT热管理应用策略,在大功率运行环境下可以优先进行降频控制,既可保证电驱系统的大功率输出,又可保护功率器件的安全。
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