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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)三個(gè)測點(diǎn)的試驗(yàn)驗(yàn)證，與仿真成果有較高的共同，進(jìn)一步驗(yàn)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(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)，缺少相應(yīng)的數(shù)值模仿或試驗(yàn)驗(yàn)證。王程、周漢義等經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(jì)劃工作的要點(diǎn)，亦是這篇文章的研討方向。

二、實(shí)驗(yàn)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(yàn)時(shí)，需求思考以下疑問：

1.IGBT元件使用時(shí)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(yàn)差錯(cuò)；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(yàn)研究時(shí)，IGBT元件不宜直接作為試驗(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為124532個(gè)，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(diǎn)，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(shí)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(shí)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(gè)裝置孔，進(jìn)行有束縛的模態(tài)剖析.因?qū)嶒?yàn)頻率規(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(shí)，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(shí)，車子自身負(fù)載慣性較大，加速（減速）時(shí)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(shí)，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(cuò)，速度反應(yīng)信號丟失或非正常時(shí)，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(shí)間內(nèi)IGBT電流值改變過大也會導(dǎo)致過電流；如瞬時(shí)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(shí)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(jì)之初到最終的產(chǎn)品，所有設(shè)計(jì)、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(yàn)，驗(yàn)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。