陳登峰，周詩(shī)君

(上海汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)有限公司，上海 201806)

0 引 言

隨著囯家對(duì)燃油汽車(chē)節(jié)能指標(biāo)越來(lái)越高的要求，國(guó)內(nèi)各大整車(chē)廠(chǎng)商逐步選擇開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)作為節(jié)能減排的替代方案。而常規(guī)的新能源汽車(chē)包括純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)兩種，電池技術(shù)限制了整車(chē)?yán)m(xù)航里程，純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展目前還處在一個(gè)瓶頸期，混合動(dòng)力汽車(chē)現(xiàn)階段作為一種過(guò)渡方案，受到消費(fèi)者青睞，并可能在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)決定著市場(chǎng)的發(fā)展方向[1-3]?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)根據(jù)其動(dòng)力系統(tǒng)耦合方式的不同，分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種方式。關(guān)于并聯(lián)和混聯(lián)兩種方式的混合動(dòng)力汽車(chē)研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)十分廣泛，并且也有很多成功開(kāi)發(fā)的量產(chǎn)車(chē)型在暢銷(xiāo)，但是這兩種混合動(dòng)力汽車(chē)均需要加裝燃油和純電兩套單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這對(duì)整車(chē)成本來(lái)說(shuō)是非常高的，而且還使得整車(chē)質(zhì)量超重。

基于此，考慮采用串聯(lián)方式的增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)，這種混動(dòng)方案只需要將發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)集成，其發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)輪不存在機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)輪解耦，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在最高效的區(qū)域，其具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低、結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，目前這種技術(shù)方案也越來(lái)越受到一些車(chē)廠(chǎng)的關(guān)注[4-6]。

國(guó)外關(guān)于增程式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究開(kāi)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(chē)已有相關(guān)增程式車(chē)型在市面上批量銷(xiāo)售[7]。國(guó)內(nèi)車(chē)廠(chǎng)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(méi)有批量的車(chē)型在銷(xiāo)售；互聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)公司理想ONE車(chē)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(lái)新希望，并最終獲得大眾的喜愛(ài)[8]。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(guò)高損壞或者故障，因此開(kāi)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)[9]。

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(guò)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(mǎn)足在發(fā)動(dòng)機(jī)周?chē)L(zhǎng)時(shí)間工作的需求，對(duì)于同類(lèi)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(guò)轉(zhuǎn)子輪轂與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸法蘭盤(pán)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 增程式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局方案

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500 V/250 μF(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(guò)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(guò)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(méi)有很好的熱管理設(shè)計(jì)，造成溫度超過(guò)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(guò)鋪設(shè)一層導(dǎo)熱墊實(shí)現(xiàn)無(wú)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2 功率組件

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(guò)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(guò)螺栓壓在箱體內(nèi)部進(jìn)出水口上表面，連接部位通過(guò)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。

圖3 散熱器冷卻結(jié)構(gòu)

圖4 冷卻系統(tǒng)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40 kW，峰值功率為60 kW，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8 L/min。

仿真工況為額定工況，芯子紋波電流為69 A(rms)，直流輸入有效值為117 A,圖5為電容溫度分布。由圖5可見(jiàn)，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(guò)程中薄膜電容芯子耐溫105 ℃，可滿(mǎn)足長(zhǎng)期使用需求。

圖5 電容溫度分布

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(guò)150 ℃，可滿(mǎn)足長(zhǎng)期使用需求。

圖6 IGBT模塊溫度分布

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40 kW，峰值功率60 kW，對(duì)應(yīng)額定扭矩109 N·m，峰值扭矩163 N·m?？刂破魅胨跍囟日{(diào)為65 ℃，冷卻液流量8 L/min，環(huán)境艙溫度設(shè)為105 ℃，IGBT模塊開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。

圖7 控制器臺(tái)架測(cè)試

峰值工況下，電機(jī)處于3 500 r/min，163 N·m的發(fā)電工況下運(yùn)行30 s，可以得到IGBT模塊的溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，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(guò)110 ℃，遠(yuǎn)小于IGBT模塊許用溫度150 ℃，可見(jiàn)，所開(kāi)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(mǎn)足控制器長(zhǎng)期運(yùn)行工作需求。

圖8 峰值工況下模塊NTC溫度曲線(xiàn)

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60 min，可以得到薄膜電容的溫升曲線(xiàn)，如圖10所示。由圖10中可以得出，薄膜電容的溫度在運(yùn)行20 min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(guò)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(mǎn)足使用需求。

圖9 熱電偶埋設(shè)位置

圖10 電容熱電偶處溫升測(cè)試數(shù)據(jù)

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(kāi)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(mǎn)足增程式控制器的散熱需求，對(duì)于同類(lèi)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。