電動(dòng)汽車電機(jī)控制器IGBT溫度控制裝置和策略

郝劉丹，尹欣欣，范 浩

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益加重，電動(dòng)汽車的發(fā)展必然是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。電機(jī)控制器作為電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成的核心，對(duì)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及舒適性具有重要影響。簡(jiǎn)單來說，電機(jī)控制器在電動(dòng)汽車中是連接電池和電機(jī)的電能轉(zhuǎn)換單元，是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的“心臟”，其正常穩(wěn)定的工作是保證整車安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。而IGBT模組因其開關(guān)速度快、電流大、頻率高和導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在電機(jī)控制器中。

IGBT模組是電機(jī)控制器的核心功率元件，在電動(dòng)汽車復(fù)雜運(yùn)動(dòng)工況下，IGBT模組會(huì)因長時(shí)間的運(yùn)行以及頻繁開關(guān)而產(chǎn)生大量的熱損耗。如果熱量不能及時(shí)被帶走而聚集在控制器，溫升超過允許的溫度范圍會(huì)導(dǎo)致IGBT模組工作效率降低，影響電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，同時(shí)影響到電機(jī)的輸出特性及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)?dǎo)致IGBT模組封裝層產(chǎn)生裂紋或者燒穿，給IGBT模組造成不可逆的損壞，因此需要為IGBT模組設(shè)計(jì)專門的散熱器以保證其正常工作時(shí)溫升在允許的溫度范圍。另外，汽車在行駛中也可能出現(xiàn)冷卻回路泄漏導(dǎo)致冷卻液不足，冷卻水存在異物或變質(zhì)使冷卻能力大打折扣，同時(shí)存在電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)等異常狀態(tài)，這些狀態(tài)都會(huì)導(dǎo)致IGBT模組出現(xiàn)過溫甚至燒壞，嚴(yán)重影響IGBT模組的性能和使用壽命。

1 IGBT模組現(xiàn)有冷卻方式

目前，電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的冷卻方式主要有強(qiáng)迫風(fēng)冷和液冷兩種。風(fēng)冷散熱成本相對(duì)較低，但散熱能力有限；液冷是目前的主要冷卻方式，通過在電機(jī)控制器底側(cè)設(shè)置水道，通入循環(huán)冷卻液后可將熱量傳遞給冷卻液，從而降低電機(jī)控制器的溫度。通常IGBT模組安裝在水道殼體上側(cè)，通過導(dǎo)熱硅脂將熱量傳遞給水道殼體，水道殼體通過冷卻水進(jìn)行熱交換，但這種冷卻方式的冷卻能力較弱，特別是對(duì)于大功率電器IGBT模組的冷卻有所不足，無法使IGBT模組處于最佳工作溫度。為了提高IGBT模組的散熱性能，國內(nèi)外都是改善水道結(jié)構(gòu)或在IGBT模組下側(cè)增加液冷散熱器，通過增加散熱面積來降低IGBT模組溫度，這種方法一定程度上降低了IGBT溫度，但無法控制IGBT模組溫度，只能被動(dòng)散熱，無法使IGBT模組工作在最佳工作溫度下，一些異常情況下也無法快速降低IGBT模組溫度，導(dǎo)致IGBT模組燒毀或使用壽命大大減少。異常情況下的IGBT模組過溫，單靠液冷已無法快速降低IGBT模組溫度，嚴(yán)重影響IGBT模組的性能及使用壽命，甚至?xí)斐蒊GBT模組燒毀。電機(jī)控制器功率的不斷增加以及控制精度的提高也對(duì)IGBT模組的散熱性提出了更高的要求。

2 IGBT模組冷卻裝置

為了解決現(xiàn)有技術(shù)無法控制IGBT模組溫度的問題，本文提出一種用于電機(jī)控制器IGBT溫度控制的裝置和策略，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在對(duì)電機(jī)控制器IGBT模組冷卻不足，散熱性較差，難以控制IGBT模組溫度的技術(shù)問題，通過解算IGBT溫度、電機(jī)控制器輸出電流、IGBT使能、坡度、電機(jī)目標(biāo)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速和變速器擋位的綜合參數(shù)，計(jì)算并設(shè)定控溫目標(biāo)溫度，有效控制IGBT模組的溫度，使其保持在最佳工作溫度范圍，提高IGBT模組工作性能和穩(wěn)定性，增加其使用壽命。

為了控制IGBT模組的溫度，本方案使用了半導(dǎo)體制冷片。半導(dǎo)體制冷又稱“熱電制冷”、“溫差電制冷”，是一種采用半導(dǎo)體制冷元件，利用熱電制冷效應(yīng)的特殊制冷方式，由N型元件和P型元件串聯(lián)組成。當(dāng)直流電流通過N型元件和P型元件回路時(shí)，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料P、N的元件對(duì)數(shù)來決定，半導(dǎo)體制冷是以賽貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)和湯普遜效應(yīng)、傅里葉效應(yīng)和焦耳效應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來的制冷方式。半導(dǎo)體制冷片組件不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源，沒有運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)沒有振動(dòng)、無噪聲、壽命長、安裝容易，通過輸入電流就可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。半導(dǎo)體制冷組件熱慣量非常小，制冷制熱時(shí)間快，常規(guī)產(chǎn)品從-90～150℃都可實(shí)現(xiàn)，使用壽命也高達(dá)30萬h。

半導(dǎo)體制冷片是根據(jù)電機(jī)控制器IGBT模組的散熱量而選取的，將半導(dǎo)體制冷片冷面與IGBT模組接觸，熱面與散熱器接觸，散熱器的翅片處于冷卻水道中，與冷卻水充分接觸進(jìn)行熱交換，保證半導(dǎo)體制冷片的冷面溫度。通過半導(dǎo)體制冷片控溫單元的控制可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片冷面溫度的控制，有效降低IGBT模組的溫度。

圖1中，將IGBT模組1、半導(dǎo)體制冷片4、散熱器7各安裝面均勻涂上厚度大約0.03mm的一層導(dǎo)熱硅脂3，然后將半導(dǎo)體制冷片4的熱面與散熱器7的安裝面、冷面與IGBT模組1的安裝面平行接觸，并且輕輕旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體制冷片4，擠壓過量的導(dǎo)熱硅脂3，確保各工作面良好接觸，再用螺栓將IGBT模組1、半導(dǎo)體制冷片4、散熱器7緊固。為達(dá)到最佳制冷效果，IGBT模組1和散熱器7之間應(yīng)用隔熱墊6填充。散熱器7安裝在電機(jī)控制器水道殼體9上，接觸面上裝有密封圈8，使冷卻水道與IGBT模組完全分離，保證IGBT模組的干燥。散熱器7的翅片處于水道中，與冷卻水直接進(jìn)行熱交換。電源正極接半導(dǎo)體制冷片正極5為制冷方式，改變電流方向會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體制冷片轉(zhuǎn)換為制熱方式。

圖1 IGBT模組的散熱結(jié)構(gòu)示意圖

半導(dǎo)體制冷片由控溫單元控制溫度，控溫單元集成在電機(jī)控制器中，在多合一控制器中控溫單元可直接使用DCDC的直流24V電源，節(jié)省成本并且集成度高?？販貑卧鶕?jù)采集到的IGBT溫度、電機(jī)控制器輸出電流、IGBT使能、坡度、電機(jī)目標(biāo)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速和變速器擋位來控制半導(dǎo)體制冷片的輸入電流，以達(dá)到冷卻IGBT模組的目的，使IGBT模組處于其自身性能參數(shù)所要求的最佳工作溫度范圍，避免IGBT模組過溫及燒壞。

表1為半導(dǎo)體制冷片制冷裝置冷卻效果與風(fēng)冷和液冷的對(duì)比，從表1中可以看出盡管半導(dǎo)體制冷裝置因?yàn)樵黾影雽?dǎo)體制冷片和控溫單元而價(jià)格較高，但其制冷效果最好，且具備風(fēng)冷和液冷不具有的溫度控制和提前制冷的巨大優(yōu)勢(shì)，特別適用于大功率和對(duì)控制精度要求比較高的電機(jī)控制器中，也可以避免IGBT模組燒壞而帶來的經(jīng)濟(jì)及人員損失。

表1 制冷效果對(duì)比表

3 IGBT模組熱損耗估算

IGBT模組由IGBT芯片與續(xù)流二極管兩部分組成，IGBT模組的熱損耗也主要由兩者產(chǎn)生，所以IGBT模組運(yùn)行時(shí)的損耗由IGBT芯片和續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗4部分組成。IGBT模組損耗可以由IGBT生產(chǎn)廠家的出廠參數(shù)近似計(jì)算。本文針對(duì)環(huán)衛(wèi)車峰值功率280kW電機(jī)控制器的IGBT模組進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，電機(jī)控制器使用的IGBT型號(hào)為英飛凌FF600R12IE4。IGBT模組中PN節(jié)的最高耐溫為150℃，為確定擁有較高的壽命，通常會(huì)將IGBT模組工作的最高溫度下調(diào)一點(diǎn)，設(shè)置為125℃。

3.1 IGBT芯片導(dǎo)通損耗

IGBT模組在導(dǎo)通狀態(tài)下，飽和壓降會(huì)在電流通過時(shí)產(chǎn)生損耗，這類損耗叫做導(dǎo)通損耗。IGBT導(dǎo)通損耗的計(jì)算公式如下。

在一個(gè)脈沖內(nèi)，損耗近似值可以由P=V×I計(jì)算得到。根據(jù)PWM原理，得到平均損耗功率。

式中：P——IGBT的導(dǎo)通損耗；V——壓降；I——集電極導(dǎo)通電流；D——IGBT占空比因子。FF600R12IE4型號(hào)IGBT導(dǎo)通電流與壓降的關(guān)系如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電機(jī)控制器的峰值輸出電流為420A，考慮到電流要增加一點(diǎn)裕度，估設(shè)定I=440A，由圖2可得V=1.7V。由于占空比不斷變化，取經(jīng)驗(yàn)值D=0.8，得到P=598W。

圖2 IGBT導(dǎo)通電流與壓降關(guān)系曲線

3.2 IGBT芯片開關(guān)損耗

開關(guān)損耗是指由IGBT收到控制信號(hào)時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)所產(chǎn)生的能量損耗。IGBT開關(guān)的頻率越高，開關(guān)損耗會(huì)越大。開關(guān)損耗由兩部分組成，分別是電路接通時(shí)的損耗以及電路斷開時(shí)的損耗，其計(jì)算公式為：

式中：P——IGBT的開關(guān)損耗；f——PWM開關(guān)頻率；E——IGBT開通時(shí)損失的能量；E——IGBT斷開時(shí)損失的能量。FF600 R12IE4型 號(hào)IGBT開通和關(guān)斷損耗與電流的關(guān)系如圖3所示。

I=440A，從圖3可得：E=43mJ，E=55mJ，f=15kHz，P=1470W。

圖3 IGBT開通和關(guān)斷損耗與電流關(guān)系曲線

3.3 續(xù)流二極管導(dǎo)通損耗

二極管的導(dǎo)通損耗與IGBT類似。在一個(gè)脈沖內(nèi)，損耗近似值可以由P=V×I計(jì)算得到。根據(jù)PWM原理，得到平均損耗功率。

式中：P——二極管的導(dǎo)通損耗；V——續(xù)流二極管壓降；D——二極管占空比因子。FF600R12IE4型號(hào)的續(xù)流二極管壓降與電流關(guān)系如圖4所示。

根據(jù)I=440A，由圖4可得V=1.5V，D=1-D=0.2，得到P=132W。

圖4 續(xù)流二極管壓降與電流關(guān)系曲線

3.4 續(xù)流二極管開關(guān)損耗

二極管的開關(guān)損耗中，關(guān)斷損耗要比導(dǎo)通損耗大得多，故導(dǎo)通損耗可忽略不計(jì)，視關(guān)斷損耗為主要損耗。

式中：P——二極管的開關(guān)損耗；E——二極管反向恢復(fù)損耗。FF600R12IE4型號(hào)的續(xù)流二極管反向恢復(fù)損耗與電流關(guān)系如圖5所示。

圖5 續(xù)流二極管反向恢復(fù)損耗與電流關(guān)系曲線

由圖5可得：E=38mJ，P=570W。

IGBT模組的總損耗為IGBT芯片和續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗之和，故總損耗P可由以下公式求得。

估算出總損耗P=2770W。

計(jì)算所得的總功耗是IGBT允許最高工作溫度下的總功耗，電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行時(shí)電機(jī)控制器大多處于額定功率下，再考慮到IGBT模組與空氣也有熱交換，因此實(shí)際運(yùn)行中的總損耗是小于2000W的，因此選用2個(gè)制冷量為950W的半導(dǎo)體制冷片TEC1-312308012。

4 IGBT模組冷卻裝置控制策略

在電動(dòng)汽車行駛過程中，半導(dǎo)體制冷片控溫單元按照溫度控制使IGBT模塊處于最佳工作溫度；也可根據(jù)轉(zhuǎn)速、扭矩的趨勢(shì)提前預(yù)判溫度變化的趨勢(shì)和幅度，可提前降低冷面溫度，從而使IGBT模塊溫度快速下降，使其在最佳工作溫度范圍。當(dāng)某些異常情況導(dǎo)致散熱異常時(shí)，IGBT溫度急劇上升，半導(dǎo)體制冷片控溫單元可根據(jù)檢測(cè)到的輸入信號(hào)快速降低半導(dǎo)體制冷片冷面溫度，快速降低IGBT模組的溫度，并報(bào)警反饋給整車控制器，避免IGBT模組燒毀，提高IGBT模組的使用壽命。

電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)，特別是在擁堵路況時(shí)頻繁啟停，此時(shí)控制器的IGBT模塊工作電流會(huì)相應(yīng)地頻繁升降，從而導(dǎo)致IGBT的結(jié)溫快速變化，對(duì)于IGBT模塊的壽命是很大的考驗(yàn)；車輛爬坡時(shí)，電機(jī)輸出扭矩大，IGBT工作電流大，發(fā)熱嚴(yán)重；車輛駐坡時(shí)，電機(jī)工作在近似堵轉(zhuǎn)工況，此時(shí)的IGBT模塊持續(xù)承受著大電流，從而會(huì)造成模塊的局部過熱，這些都對(duì)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。IGBT模組的冷卻裝置控溫單元的控制策略如圖6所示。

圖6 IGBT模組的冷卻裝置控溫單元的控制策略

圖6中T為IGBT模組在不影響其使用性能及使用壽命下的最低溫度，（T，T）為IGBT的最佳工作溫度范圍，而T、T、T均為已知的IGBT模組溫度參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到電動(dòng)汽車掛起步擋、爬坡?lián)趸虻管嚀?，且電?dòng)汽車處于停車狀態(tài)或電動(dòng)汽車處于駐坡狀態(tài)時(shí)，控溫單元提前降低半導(dǎo)體冷面溫度防止車輛起動(dòng)時(shí)IGBT模組溫度急劇增加，提高IGBT的穩(wěn)定性及使用壽命，同時(shí)控溫單元目標(biāo)溫度設(shè)為IGBT模組在不影響其使用性能及使用壽命下的最低溫度T。當(dāng)電動(dòng)汽車為爬坡?lián)跣熊嚂r(shí)，控溫單元目標(biāo)溫度為T=a+bT，其中a，b值為電動(dòng)汽車爬坡時(shí)實(shí)際標(biāo)定測(cè)試后取的最優(yōu)值，在特定工況使用的電動(dòng)汽車可實(shí)際標(biāo)定后固化參數(shù)；T值與電機(jī)扭矩以及轉(zhuǎn)速有關(guān)，即與電機(jī)功率正相關(guān)，為避免半導(dǎo)體制冷片的溫度設(shè)定值不斷變化而造成其輸入電流不斷變化，從而影響半導(dǎo)體制冷片的工作效率及使用壽命，因此在不同的功率段取不同的T值，且功率段不易過多，T在功率較小的范圍時(shí)為0。當(dāng)車輛處于前進(jìn)擋或倒擋時(shí)，控溫單元目標(biāo)溫度為T，若檢測(cè)到IGBT模組溫度在（T，T）范圍內(nèi)時(shí)控溫單元輸出電流保持不變，若檢測(cè)到IGBT模組溫度高于T溫度時(shí)，增大電流使IGBT模組溫度在（T，T）范圍內(nèi)。

車輛爬坡扭矩急劇增加且功率較為恒定，為了快速響應(yīng)且使測(cè)量溫度達(dá)到設(shè)定溫度，半導(dǎo)體制冷片的溫度控制采用模糊PID控制。模糊控制器的輸入量為溫度的偏差和溫度的變化率。溫差e為本次實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度的差，而溫度變化率ec為單位時(shí)間內(nèi)（一個(gè)采樣周期）的溫度差。模糊控制器利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。模糊控制器輸出PID控制器3個(gè)預(yù)整定參數(shù)，即K、K、K的修正參數(shù)，預(yù)整定參數(shù)是在電動(dòng)汽車實(shí)際工況測(cè)試標(biāo)定后固化的參數(shù)初始值，修正參數(shù)與原PID控制參數(shù)（預(yù)整定參數(shù)）相加，得到控制參數(shù)K、K、K。

完成PID控制器參數(shù)的在線整定過程，從而調(diào)節(jié)PWM脈沖信號(hào)，對(duì)半導(dǎo)體制冷片的溫度進(jìn)行控制，其控制原理如圖7所示。

圖7 半導(dǎo)體制冷片模糊PID控溫原理框圖

5 結(jié)束語

本文闡述了一種電動(dòng)汽車電機(jī)控制器IGBT溫度控制方法和裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)存在對(duì)電機(jī)控制器IGBT模組冷卻不足，散熱性較差，難以控制IGBT模組溫度的技術(shù)問題。本文通過解算IGBT溫度、電機(jī)控制器輸出電流、IGBT使能、坡度、電機(jī)目標(biāo)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速和變速器擋位的綜合參數(shù)，計(jì)算并設(shè)定控溫目標(biāo)溫度，有效控制IGBT模組的溫度，使其保持在最佳工作溫度范圍，并且不同功率段設(shè)定不同的控溫目標(biāo)溫度，采用模糊PID控制方法提高控溫精度，使其保持在最佳工作溫度范圍。同時(shí)，本文還提出了基于上述方法的電動(dòng)汽車電機(jī)控制器IGBT溫度控制裝置，包括半導(dǎo)體制冷片、散熱器以及控溫單元。