微型電動汽車電驅(qū)控制器堵轉(zhuǎn)工況下散熱器測試與仿真

摘 要：以某電動汽車電機控制器強迫風冷散熱器為研究對象，引入模擬熱源解決功率器件堵轉(zhuǎn)工況測試過程中結(jié)溫特性對實驗的影響，開發(fā)了散熱器散熱性能測試系統(tǒng)，并測試了該工況下散熱器進口風速對散熱性能的影響。在此基礎上，通過實驗數(shù)據(jù)結(jié)果作為仿真模型的參數(shù)輸入，分析了散熱系統(tǒng)的全域溫度場分布情況，為散熱器的性能分析與優(yōu)化設計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電機控制器 散熱系統(tǒng) 功率器件 實驗

1 緒論

A00級純電動汽車電機驅(qū)動過程中，功率器件MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應晶體管）會伴隨著熱量的產(chǎn)生，如果因熱量的累積造成控制器溫度過高，從而導致控制器中的電子器件的性能下降，甚至電路元器件的損壞，因此，電機驅(qū)動器需要配備合適的散熱系統(tǒng)[1-2]。

強迫風冷散熱方式具有傳熱效率高、可靠安全等優(yōu)點被廣泛使用。理論上在散熱性能測試過程中，采用真實的功率器件進行測試能夠更貼近工作實際，但是在堵轉(zhuǎn)工況下功率器件因結(jié)溫無法長時間運行[3-5]。為此，本文針對電機控制器堵轉(zhuǎn)工況引入模擬熱源，研制了集成式測試系統(tǒng)對電機散熱器性能進行測試，并在此基礎上，針對散熱器的溫度場分布情況進行了仿真分析。解決堵轉(zhuǎn)工況下散熱性能參數(shù)無法獲取、整體性能難以評估的問題，為電機控制器散熱系統(tǒng)的性能評估提供了測試方案。

2 研究對象

研究用電機驅(qū)動器主要參數(shù)包括：額定電流150A、峰值電流400A、工作電壓范圍110-170V，冷卻方式為強迫風冷，匹配的電驅(qū)控制器功率器件MOSFET是Infineon公司生產(chǎn)，型號為IPB107N20N3G，其主要參數(shù)耐壓為200V、導通電阻10.7mΩ、額定電流88A（處于25℃）。電驅(qū)控制器輸出為U/V/W三相，每相上、下橋臂各為9個并聯(lián)的功率器件MOSFET。M1， M4為A相上橋臂及下橋臂；M3， M6為B相上橋臂及下橋臂；M5， M2為C相上橋臂及下橋臂。MOSFET導通順序為M1M6→M1M2→M3M2→M3M4→M5M4→M5M6→M1M6，控制器的輸出通過調(diào)整上橋PWM脈寬實現(xiàn)，如圖1所示，PWM頻率為10kHz[6]。

在每一個PWM周期內(nèi)，有兩種工作狀態(tài)：狀態(tài)1： M3和M2導通，電流I1經(jīng)M3、電機線圈L、M2、流入地。狀態(tài)2： M3關(guān)斷，M2導通，電流I2流經(jīng)電機線圈L、M2、M6，此狀態(tài)稱為續(xù)流狀態(tài)。根據(jù)電機控制器逆變控制原理，我們假設電機堵轉(zhuǎn)時，控制器MOSFET的功率損耗隨著電機負載的加大而增加，控制器的MOSFET損耗達到最大。為了分析方便，我們假設電機堵轉(zhuǎn)時，B相上橋臂工作在PWM模式下，C相下橋臂一直導通，B相下橋臂為同步整流工作方式[7]。

3 模擬熱源方案設計

電驅(qū)控制器的主要熱源是功率器件MOSFET，該功率器件因其固有特性不能在堵轉(zhuǎn)工況下長時間運行，并且因其結(jié)溫也會造成試驗誤差。因此，試驗系統(tǒng)通過模擬熱源來代替處于堵轉(zhuǎn)工況下功率器件MOSFET散發(fā)熱量的情況。

堵轉(zhuǎn)工況功率損耗計算過程如下：B相上橋臂單個MOSFET隨著PWM方波調(diào)制波形不斷開關(guān)，功率損耗Ptot1為開關(guān)斷損耗Psw_MOS與導通損耗Pon_Mos之和：

Ptot1=Pon_Mos+Psw_MOS=I2DS*Ron*ton*sw+

（tr+t）*sw   （1）

式中，Ron為導通電阻，UDS為電源電壓，IDS工作最大電流，tr為MOSFET開啟時間，t為關(guān)閉時間，ton為導通時間，開關(guān)頻率。

C相下橋臂單個MOSFET導通損耗Pon_D與B相續(xù)流損耗PSW_D之和，功率損耗為Ptot2：

Ptot2=Pon_D+Psw_D=I2DS*Ron+sw*trd

（Vrd*IDS+I2DS*RD） （2）

式中，Vrd為二極管的正向?qū)▔航?，trd為MOSFET體二極管開通時間。

總的功率損耗Ptot近似為：

Ptot=（Ptot1+Ptot2）*9 （3）

堵轉(zhuǎn)工況時MOSFET工作參數(shù)如下，UDS=144V，IDS=40A，tr=190ns，t=275ns，ton=85us，trd=11.5us，sw=10kHz，Ron=20mΩ（處于121℃），Vrd=1.2V。通過堵轉(zhuǎn)工況下各參數(shù)值，根據(jù)損耗經(jīng)驗公式估算得到整個散熱器功率器件的損耗850W。加熱元件是通過稱為焦耳加熱的原理將電能直接轉(zhuǎn)換為熱或熱能的材料或裝置，試驗裝置通過高溫陶瓷加熱片模擬MOSFET芯片的熱損耗。

4 試驗平臺方案開發(fā)

為了實現(xiàn)對電驅(qū)控制器強迫風冷形式的散熱器采集處理溫度、風速等信號用于性能評估，自主研制由數(shù)據(jù)采集與控制卡、信號調(diào)理卡、CAN上位機等測試系統(tǒng)外圍設備組成的試驗系統(tǒng)，并構(gòu)建了熱源模擬、風源控制、數(shù)據(jù)傳輸、溫度風速采集與處理、上位機開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，實驗平臺如圖1所示。

4.1 風源控制方案設計

為了對比散熱器在不同風扇轉(zhuǎn)速下的散熱效果，通過風扇速度調(diào)節(jié)器對散熱風扇的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，以改變風速從而改變熱量的交換速度，評估散熱器的性能。風源系統(tǒng)配備的型號為臺達公司生產(chǎn)的HDB0812EA-A的散熱風扇，具有雙滾珠灌膠、全密封電機，防水風扇等特性。兩個風扇在散熱器底部對稱分布，風扇的供電電壓為DC12V，額定工作電流為0.38A，最大體積流量為1.4m3/min。

4.2 溫度采集

功率器件的模擬熱源通過K型熱電偶溫度傳感器采集各測溫點溫度。因熱電偶傳感器采集精度高、測量范圍大，但采集的信號為毫伏級別，因此需要經(jīng)過信號調(diào)理板卡將信號調(diào)理放大至0-10V的量程，后將放大后的信號發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡中AD7606采集芯片高精度AD采集端口采集并進行AD轉(zhuǎn)換，最終AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過板載FMSC并行通訊的方式發(fā)送到主控模塊進行數(shù)據(jù)處理。

信號調(diào)理卡包括電源電路、運算放大電路等。其中，運算放大電路選擇TI公司INA128UA精密低功耗儀表放大器，實現(xiàn)K型熱電偶傳感器從毫伏級到伏級的電壓放大。數(shù)據(jù)采集卡包括AD采集電路、電源電路、主控電路等。AD采集電路 AD7606是Analog Device公司生產(chǎn)的均能以高達200kSPS的速率采樣的8通道，雙極性輸入，16bit同步采樣ADC采集芯片。該試驗方案通過STM32F407VGT6主控芯片的FSMC接口與AD7606進行交互，實現(xiàn)并行采樣，具有采集速率快、采集精度高的特點。

4.3 風速采集

風速采集通過高精微型風速傳感器進行采集，高精微型風速傳感器的精度為0.02%fs，分辨率為0.01m/s，供電電源為12VDC，0-5m/s地風速測量范圍線性地轉(zhuǎn)化為0-5V的電壓信號。采集地電壓信號傳輸給數(shù)據(jù)采集卡AD采集端口并進行AD轉(zhuǎn)換，最終AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果發(fā)送到主控模塊進行數(shù)據(jù)處理。

4.4 數(shù)據(jù)傳輸

通過車規(guī)級CAN通訊的方式及USBCAN分析儀，實現(xiàn)了主控模塊信號與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸與顯示。CAN通訊的實現(xiàn)是通過NXP公司CAN收發(fā)器TJA1051T進行主控TTL電平與差分電壓信號的相互轉(zhuǎn)換。CAN通訊電路設計需要考慮以下方面：TJA1051T的電源與地之間加濾波電容進行濾波；通過共模濾波器DLW31SN9000SQ2實現(xiàn)其抗高頻干擾能力，提高電磁兼容性能；NUP2105用于防止靜電擊穿；終端電阻的設計為了實現(xiàn)信號源和傳輸線之間阻抗匹配，減少反射及噪聲、避免振蕩，與后級電路的輸入電容組成RC濾波器，削弱信號邊沿的陡峭程度。

4.5 數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)顯示

軟件設計包含數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工程軟件設計及基于CAN通訊的上位機軟件開發(fā)，工程軟件通過Keil uVision5軟件開發(fā)環(huán)境進行軟件開發(fā)，主程序由初始化程序和ADC、CAN接收、CAN發(fā)送等主要模塊組成。CAN上位機基于C#語言開發(fā)環(huán)境編寫，通過USBCAN提供的驅(qū)動函數(shù)庫，實現(xiàn)上位機與USBCAN分析儀之間的交互與控制，上位機主要功能包括：支持CAN設備配置、CAN波特率配置、CAN數(shù)據(jù)收發(fā)，數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)顯示等功能。

5 試驗數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果分析

為了更準確地分析各工況下進口風速對散熱器散熱性能的影響，試驗方案設計在不改變模擬芯片加熱功率的情況下，改變進口風速，對散熱器進行數(shù)值計算。具體參數(shù)為保持加熱功率850W，風溫為25℃，改變風速為0.5m/s，0.8m/s，1.0m/s。從圖2中可以看出：在不同風速下，風速越高，溫度越低。同一風速下，B相上橋臂功率器件溫度最高，C相下橋臂溫度其次，B 相下橋臂功率器件溫度最低。

為了深入研究實驗數(shù)據(jù)所無法呈現(xiàn)出的全域溫度分布，按照計算模型的建立、計算域的網(wǎng)格構(gòu)建、設定初始和邊界條件、計算方法確定與數(shù)值計算等流程對散熱器的溫度場和流場進行數(shù)值計算。設定工況：加熱功率Q=850W，風速為v=0.5m/s。通過對實驗測試與數(shù)值模擬結(jié)果進行比較分析，在各工況下散熱器達到穩(wěn)態(tài)時的平衡溫度數(shù)據(jù)，其仿真與實驗結(jié)果趨勢一致，如圖3所示，誤差為3-5℃，誤差來源于模型誤差和實驗誤差，模型誤差主要來源為計算模型的近似性、幾何模型的一定程度的簡化；實驗誤差主要來源為絕熱材料非絕對絕熱，實驗儀器本身的誤差、熱電偶安裝位置對導熱的影響等。

分析散熱器溫度場的整體分布，以全面了解散熱器的散熱性能，從圖4整個計算區(qū)域的溫度場分布情況可以看出：散熱器溫度最高位置在MOSFET中心熱源位置處；散熱器溫度以功率器件排布方式中心向兩端呈梯度分布。

6 結(jié)論

通過搭建了散熱系統(tǒng)的測試平臺，獲取了堵轉(zhuǎn)工況下風速對于散熱系統(tǒng)性能的影響情況，仿真與實驗所得到的數(shù)據(jù)其趨勢吻合且誤差合理，從而驗證了實驗裝置的正確性。

通過仿真分析與實驗結(jié)果的對比，表明引入模擬熱源能夠代替功率器件模擬發(fā)熱情況，同時克服了功率器件結(jié)溫特性對實驗的影響。

通過對散熱系統(tǒng)的溫度場分布情況進行仿真分析，得到了溫度場分布情況，為評價散熱器的整體性能的優(yōu)劣提供了依據(jù)。

基金項目：項目來源：江西省教育廳科學技術(shù)研究項目；項目名稱：純電動汽車電機驅(qū)動器散熱系統(tǒng)開發(fā)與試驗研究；項目編號：GJJ181323。

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