摘 要：以某電動(dòng)汽車電機(jī)控制器強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器為研究對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(jìn)口風(fēng)速對(duì)散熱性能的影響。在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制器 散熱系統(tǒng) 功率器件 實(shí)驗(yàn)

1 緒論

A00級(jí)純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中，功率器件MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）會(huì)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(dǎo)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(jī)驅(qū)動(dòng)器需要配備合適的散熱系統(tǒng)[1-2]。

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式具有傳熱效率高、可靠安全等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。理論上在散熱性能測試過程中，采用真實(shí)的功率器件進(jìn)行測試能夠更貼近工作實(shí)際，但是在堵轉(zhuǎn)工況下功率器件因結(jié)溫?zé)o法長時(shí)間運(yùn)行[3-5]。為此，本文針對(duì)電機(jī)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(duì)電機(jī)散熱器性能進(jìn)行測試，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)散熱器的溫度場分布情況進(jìn)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(píng)估的問題，為電機(jī)控制器散熱系統(tǒng)的性能評(píng)估提供了測試方案。

2 研究對(duì)象

研究用電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(qiáng)迫風(fēng)冷，匹配的電驅(qū)控制器功率器件MOSFET是Infineon公司生產(chǎn)，型號(hào)為IPB107N20N3G，其主要參數(shù)耐壓為200V、導(dǎo)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(gè)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(dǎo)通順序?yàn)镸1M6→M1M2→M3M2→M3M4→M5M4→M5M6→M1M6，控制器的輸出通過調(diào)整上橋PWM脈寬實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，PWM頻率為10kHz[6]。

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

3 模擬熱源方案設(shè)計(jì)

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(shí)間運(yùn)行，并且因其結(jié)溫也會(huì)造成試驗(yàn)誤差。因此，試驗(yàn)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(jì)算過程如下：B相上橋臂單個(gè)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(dǎo)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(dǎo)通電阻，UDS為電源電壓，IDS工作最大電流，tr為MOSFET開啟時(shí)間，t為關(guān)閉時(shí)間，ton為導(dǎo)通時(shí)間，開關(guān)頻率。

C相下橋臂單個(gè)MOSFET導(dǎo)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(shí)間。

總的功率損耗Ptot近似為：

Ptot=（Ptot1+Ptot2）*9 （3）

堵轉(zhuǎn)工況時(shí)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(yàn)公式估算得到整個(gè)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(yàn)裝置通過高溫陶瓷加熱片模擬MOSFET芯片的熱損耗。

4 試驗(yàn)平臺(tái)方案開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電驅(qū)控制器強(qiáng)迫風(fēng)冷形式的散熱器采集處理溫度、風(fēng)速等信號(hào)用于性能評(píng)估，自主研制由數(shù)據(jù)采集與控制卡、信號(hào)調(diào)理卡、CAN上位機(jī)等測試系統(tǒng)外圍設(shè)備組成的試驗(yàn)系統(tǒng)，并構(gòu)建了熱源模擬、風(fēng)源控制、數(shù)據(jù)傳輸、溫度風(fēng)速采集與處理、上位機(jī)開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

4.1 風(fēng)源控制方案設(shè)計(jì)

為了對(duì)比散熱器在不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的散熱效果，通過風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)器對(duì)散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改變風(fēng)速從而改變熱量的交換速度，評(píng)估散熱器的性能。風(fēng)源系統(tǒng)配備的型號(hào)為臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的HDB0812EA-A的散熱風(fēng)扇，具有雙滾珠灌膠、全密封電機(jī)，防水風(fēng)扇等特性。兩個(gè)風(fēng)扇在散熱器底部對(duì)稱分布，風(fēng)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(diǎn)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(hào)為毫伏級(jí)別，因此需要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理板卡將信號(hào)調(diào)理放大至0-10V的量程，后將放大后的信號(hào)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

信號(hào)調(diào)理卡包括電源電路、運(yùn)算放大電路等。其中，運(yùn)算放大電路選擇TI公司INA128UA精密低功耗儀表放大器，實(shí)現(xiàn)K型熱電偶傳感器從毫伏級(jí)到伏級(jí)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(dá)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(yàn)方案通過STM32F407VGT6主控芯片的FSMC接口與AD7606進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)并行采樣，具有采集速率快、采集精度高的特點(diǎn)。

4.3 風(fēng)速采集

風(fēng)速采集通過高精微型風(fēng)速傳感器進(jìn)行采集，高精微型風(fēng)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(fēng)速測量范圍線性地轉(zhuǎn)化為0-5V的電壓信號(hào)。采集地電壓信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集卡AD采集端口并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，最終AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果發(fā)送到主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.4 數(shù)據(jù)傳輸

通過車規(guī)級(jí)CAN通訊的方式及USBCAN分析儀，實(shí)現(xiàn)了主控模塊信號(hào)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸與顯示。CAN通訊的實(shí)現(xiàn)是通過NXP公司CAN收發(fā)器TJA1051T進(jìn)行主控TTL電平與差分電壓信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。CAN通訊電路設(shè)計(jì)需要考慮以下方面：TJA1051T的電源與地之間加濾波電容進(jìn)行濾波；通過共模濾波器DLW31SN9000SQ2實(shí)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(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jí)電路的輸入電容組成RC濾波器，削弱信號(hào)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(shè)計(jì)包含數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工程軟件設(shè)計(jì)及基于CAN通訊的上位機(jī)軟件開發(fā)，工程軟件通過Keil uVision5軟件開發(fā)環(huán)境進(jìn)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(jī)基于C#語言開發(fā)環(huán)境編寫，通過USBCAN提供的驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與USBCAN分析儀之間的交互與控制，上位機(jī)主要功能包括：支持CAN設(shè)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(yàn)數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果分析

為了更準(zhǔn)確地分析各工況下進(jìn)口風(fēng)速對(duì)散熱器散熱性能的影響，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)在不改變模擬芯片加熱功率的情況下，改變進(jìn)口風(fēng)速，對(duì)散熱器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。具體參數(shù)為保持加熱功率850W，風(fēng)溫為25℃，改變風(fēng)速為0.5m/s，0.8m/s，1.0m/s。從圖2中可以看出：在不同風(fēng)速下，風(fēng)速越高，溫度越低。同一風(fēng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所無法呈現(xiàn)出的全域溫度分布，按照計(jì)算模型的建立、計(jì)算域的網(wǎng)格構(gòu)建、設(shè)定初始和邊界條件、計(jì)算方法確定與數(shù)值計(jì)算等流程對(duì)散熱器的溫度場和流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。設(shè)定工況：加熱功率Q=850W，風(fēng)速為v=0.5m/s。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，在各工況下散熱器達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡溫度數(shù)據(jù)，其仿真與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)誤差，模型誤差主要來源為計(jì)算模型的近似性、幾何模型的一定程度的簡化；實(shí)驗(yàn)誤差主要來源為絕熱材料非絕對(duì)絕熱，實(shí)驗(yàn)儀器本身的誤差、熱電偶安裝位置對(duì)導(dǎo)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(gè)計(jì)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(tái)，獲取了堵轉(zhuǎn)工況下風(fēng)速對(duì)于散熱系統(tǒng)性能的影響情況，仿真與實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)其趨勢吻合且誤差合理，從而驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)裝置的正確性。

通過仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(shí)克服了功率器件結(jié)溫特性對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

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

基金項(xiàng)目：項(xiàng)目來源：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器散熱系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)研究；項(xiàng)目編號(hào)：GJJ181323。

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