新能源純電動汽車電機(jī)控制器的熱仿真與熱探究

上海聯(lián)孚新能源科技集團(tuán)有限公司

【摘 要】純電動汽車電機(jī)控制器用IGBT水冷散熱器的構(gòu)造緊湊，冷卻水在槽道中的活動情況復(fù)雜，致使水冷散熱器熱仿真時很難確定適宜的活動狀態(tài)模型。對于新型水冷電機(jī)控制器的首要熱源IGBT模塊，依據(jù)實踐工作情況規(guī)劃了相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，并根據(jù)Fluent軟件對其進(jìn)行散熱剖析，得出其溫度場和水流場的具體散布。剖析成果表明，該散熱構(gòu)造規(guī)劃合理，在滿足實踐要求的情況下確保了充沛的溫升余量。經(jīng)過熱敏電阻定點三個測點的試驗驗證，與仿真成果有較高的共同，進(jìn)一步驗證了該冷卻系統(tǒng)的合理性。

【關(guān)鍵詞】純電動汽車；電機(jī)控制器；熱仿真

引言

隨著環(huán)保與環(huán)境問題的日益凸顯，清潔、節(jié)能和高效的電動汽車越來越成國為內(nèi)外研究的熱門。關(guān)于電動汽車的開發(fā)，其整車的環(huán)境及工況對電機(jī)控制器的散熱規(guī)劃提出了很多嚴(yán)苛的請求，例如：電動汽車在坡道上頻繁地直接發(fā)動，要求電機(jī)控制器具有很強(qiáng)的過載承受能力和穩(wěn)定的性能；電動汽車本身操控與輕量化設(shè)計規(guī)劃，要求電機(jī)控制器的構(gòu)造十分緊湊，電機(jī)控制器用IGBT水冷散熱器白天的最高水溫可達(dá)65℃左右，這要求IGBT水冷散熱器具有很強(qiáng)的散熱性能。

考慮到過高的溫度會縮短設(shè)備壽命并造成可靠性下降，所以需要開發(fā)合理的散熱體系使其運(yùn)行在可靠的溫度范圍內(nèi)。在現(xiàn)在的工程使用中，散熱剖析大多依靠經(jīng)驗設(shè)計，缺少相應(yīng)的數(shù)值模仿或試驗驗證。王程、周漢義等經(jīng)過試驗驗證了電路板銅箔厚度是影響電機(jī)控制器散熱的最主要要素，但缺少相應(yīng)的數(shù)值模仿。旭良、陶文銼等對某正方形截面叉排擾流柱的水冷散熱器進(jìn)行了三維層流活動與換熱的數(shù)值模仿，但沒觸及湍流模型和試驗驗證。

一、水冷結(jié)構(gòu)的選擇

1.集中式水冷電機(jī)的水冷通道分布在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)，依據(jù)其內(nèi)部冷卻液的流向可分為周向水路型和軸向水路型兩類構(gòu)造。

2.周向水路沿著機(jī)殼的圓周方向呈螺旋狀分布，冷卻水沿著肋片的螺旋方向作圓周行進(jìn)活動。其特點是水路滑潤，流程丟失小。

3.軸向水路是在電機(jī)的軸向方向安置平行肋片而構(gòu)成水路，水流入水道后沿著肋片的軸向方向環(huán)繞電機(jī)作行進(jìn)活動。其特點是構(gòu)造簡略，且在電機(jī)兩頭不易出現(xiàn)較大溫度梯度。

本文以某電動汽車電機(jī)控制器的構(gòu)造為例，它由機(jī)殼、外蓋、IGBT元件、水冷散熱器、支撐電容器、控制板組件、驅(qū)動板組件、復(fù)合母排、銅排和接線座等構(gòu)成。6個2MBI1400VXB-120P-50型IGBT元件安裝在水冷散熱器上，經(jīng)過復(fù)合母排聯(lián)接，與控制電路一同構(gòu)成逆變電路。IGBT元件發(fā)熱的損耗占電機(jī)控制器損耗的絕大部分，且IGBT元件的熱量經(jīng)過水冷散熱器進(jìn)行散熱，因而IGBT元件和水冷散熱器是電機(jī)控制器熱分析計劃工作的要點，亦是這篇文章的研討方向。

二、實驗研究

（一）準(zhǔn)備過程

以IGBT元件為熱源對散熱器進(jìn)行熱性能測驗時，需求思考以下疑問：

1.IGBT元件使用時需要驅(qū)動、控制等設(shè)備，體系構(gòu)成復(fù)雜。

2.IGBT元件不能在極限工況下長期運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.IGBT元件的損耗特性與芯片溫度有很大的聯(lián)系，簡單因溫度的變化而帶來很大的試驗差錯；因IGBT元件的芯片被絕緣材料封裝起來，需將絕緣材料去除后才干測出其內(nèi)部芯片的溫度，這很容易使IGBT元件遭受機(jī)械損害。

4.IGBT元件的成本高。諸多要素標(biāo)明，對水冷散熱器進(jìn)行較為精密的試驗研究時，IGBT元件不宜直接作為試驗熱源，需要選用模仿熱源來替代。這篇文章選用的模仿熱源本體是250mmx90mmx35mm的鋁塊，鋁塊底部銑削出截面為4mmx4mm的線槽，在鋁塊上鉆12個直徑為14mm圓孔后裝置12根發(fā)熱均勻的電熱管。

（二）幾何模型的建立

這篇文章選用PRO/E軟件進(jìn)行建模。由于實際模型較為復(fù)雜，為了減小仿真系統(tǒng)的核算量，提高核算速度，需對模型進(jìn)行合理簡化，即忽略掉一些螺紋孔和倒角等影響較小的細(xì)節(jié)部分等。樹立冷卻水模型時用元件操作的切除指令切割出冷卻水在散熱柱鄰近的凹槽。因模型是軸對稱模型，可取其一半進(jìn)行分析。

（三）網(wǎng)格劃分

使用ICEM-CFD軟件強(qiáng)大的區(qū)分網(wǎng)格才能對模型進(jìn)行網(wǎng)格區(qū)分。將其中最大網(wǎng)格尺度設(shè)為0.0lm，散熱柱最大網(wǎng)格尺度設(shè)為0.001m，選用四面體網(wǎng)格區(qū)分方法。區(qū)分后模型網(wǎng)格總數(shù)為813317個，節(jié)點數(shù)為124532個，IGBT模塊和水流模塊主動復(fù)合。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格質(zhì)量良好，無負(fù)值網(wǎng)格存在，滿足下一步核算的請求。

（四）仿真模型

依據(jù)電機(jī)控制器的構(gòu)造特點，將機(jī)殼、蓋板、水冷散熱器、IGBT元件、電容、控制板、驅(qū)動板等部件選用實體單元模仿，裝置板、母排等部件選用殼單元模仿.網(wǎng)格劃分工作選用專業(yè)的前處理軟件Hy-perMesh完結(jié).

（五）模態(tài)分析

振蕩模態(tài)是彈性構(gòu)造的固有特性，經(jīng)過模態(tài)剖析能夠知道構(gòu)造在各種振源效果下產(chǎn)生的實際振蕩響應(yīng)特征，因而，模態(tài)剖析是構(gòu)造動態(tài)規(guī)劃及設(shè)備故障診斷的主要辦法，束縛水冷散熱器上的6個裝置孔，進(jìn)行有束縛的模態(tài)剖析.因?qū)嶒烆l率規(guī)模是10Hz至500Hz，故通過獲取500Hz以內(nèi)的各階段振蕩頻率結(jié)果，將模態(tài)階數(shù)與對應(yīng)的頻率值繪制成。

三、電機(jī)控制器過電流故障產(chǎn)生原因

過電流故障是電動車電機(jī)控制器的常見故障，主要是突變性和峰值性的電流值，通常表現(xiàn)為：

1.電動汽車電機(jī)控制器輸出端三相線出現(xiàn)短路，致使過電流。

2.電動車出現(xiàn)沖擊負(fù)載或著電動車爬坡呈現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)堵轉(zhuǎn)時，致使驅(qū)動電機(jī)的兩相長期接通，相線電感飽滿，致使過電流。

3.電動車急速剎車時，車子自身負(fù)載慣性較大，加速（減速）時間設(shè)定太短，電機(jī)控制器的作業(yè)頻率上升太快，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升和下降，使得同步電機(jī)本來處于轉(zhuǎn)子發(fā)生的磁場與定子發(fā)生的旋轉(zhuǎn)磁場同步，當(dāng)出現(xiàn)急瞬間剎車時，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速因慣性較大，轉(zhuǎn)子速度仍處于高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子發(fā)生的磁場與定子的旋轉(zhuǎn)磁場呈現(xiàn)轉(zhuǎn)差過大，致使繞組切開磁感線太快，發(fā)生過大的感應(yīng)電動勢，致使發(fā)生過電流；

4.電機(jī)控制器電源側(cè)缺相、輸出側(cè)斷線、電動機(jī)內(nèi)部故障致使過電流故障。

5.驅(qū)動電機(jī)受電磁干擾的影響，漏電流變大，發(fā)生軸電流、軸電壓，致使電機(jī)控制器過電流。

6.電機(jī)控制器的控制電路遭到電磁干擾，致使控制信號過錯，速度反應(yīng)信號丟失或非正常時，也會致使過電流。

7.電機(jī)控制器的容量挑選與負(fù)載特性不匹配，致使電機(jī)控制器功能和作業(yè)反常，形成過電流；

8.電機(jī)控制器參數(shù)設(shè)定不正確和硬件電路出問題，也可以導(dǎo)致過電流。

9.短時間內(nèi)IGBT電流值改變過大也會導(dǎo)致過電流；如瞬時斷電，電流發(fā)生尖峰，致使過電流；電機(jī)控制器復(fù)位后再起動造成過電流。

電機(jī)控制器過電流主要是加減速時間太短、負(fù)載發(fā)生驟變、電壓過低或過高、斷相、短路、漏電流、電磁干擾及電機(jī)控制器內(nèi)部元件故障等導(dǎo)致。

四、結(jié)束語

電動汽車用電機(jī)控制器的過電流保護(hù)非常重要，故障保護(hù)從電機(jī)控制器的設(shè)計之初到最終的產(chǎn)品，所有設(shè)計、研制、采購、加工、調(diào)試都需要分析，系統(tǒng)地思考故障疑問。本文根據(jù)Fluent流體剖析軟件對純電動汽車某新式電機(jī)控制器IGBT模塊進(jìn)行了三維溫度場和流場的仿真，直觀地表示出控制器IGBT模塊冷卻系統(tǒng)的溫度散布狀況和流場散布狀況，有利于對控制器散熱剖析和構(gòu)造改進(jìn)。通過仿真和試驗，驗證了該控制器的散熱構(gòu)造散熱作用杰出，符合控制器安穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的目標(biāo)。

作者簡介：

韓新江（1977.11-），男，漢，上海，本科，研究方向：新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)研究。