电动汽车电机控制器IGBT温度控制装置和策略

郝刘丹，尹欣欣，范 浩

（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710119）

随着能源危机和环境污染的日益加重，电动汽车的发展必然是汽车行业发展的趋势。电机控制器作为电动汽车电驱动总成的核心，对整车动力性、经济性以及舒适性具有重要影响。简单来说，电机控制器在电动汽车中是连接电池和电机的电能转换单元，是驱动系统和控制系统的“心脏”，其正常稳定的工作是保证整车安全可靠运行的关键。而IGBT模组因其开关速度快、电流大、频率高和导通电阻小等特点，广泛应用在电机控制器中。

IGBT模组是电机控制器的核心功率元件，在电动汽车复杂运动工况下，IGBT模组会因长时间的运行以及频繁开关而产生大量的热损耗。如果热量不能及时被带走而聚集在控制器，温升超过允许的温度范围会导致IGBT模组工作效率降低，影响电动汽车的续航里程，同时影响到电机的输出特性及电驱动系统运行的可靠性及稳定性，严重的情况下甚至会导致IGBT模组封装层产生裂纹或者烧穿，给IGBT模组造成不可逆的损坏，因此需要为IGBT模组设计专门的散热器以保证其正常工作时温升在允许的温度范围。另外，汽车在行驶中也可能出现冷却回路泄漏导致冷却液不足，冷却水存在异物或变质使冷却能力大打折扣，同时存在电机出现堵转等异常状态，这些状态都会导致IGBT模组出现过温甚至烧坏，严重影响IGBT模组的性能和使用寿命。

1 IGBT模组现有冷却方式

目前，电动汽车电机控制器的冷却方式主要有强迫风冷和液冷两种。风冷散热成本相对较低，但散热能力有限；液冷是目前的主要冷却方式，通过在电机控制器底侧设置水道，通入循环冷却液后可将热量传递给冷却液，从而降低电机控制器的温度。通常IGBT模组安装在水道壳体上侧，通过导热硅脂将热量传递给水道壳体，水道壳体通过冷却水进行热交换，但这种冷却方式的冷却能力较弱，特别是对于大功率电器IGBT模组的冷却有所不足，无法使IGBT模组处于最佳工作温度。为了提高IGBT模组的散热性能，国内外都是改善水道结构或在IGBT模组下侧增加液冷散热器，通过增加散热面积来降低IGBT模组温度，这种方法一定程度上降低了IGBT温度，但无法控制IGBT模组温度，只能被动散热，无法使IGBT模组工作在最佳工作温度下，一些异常情况下也无法快速降低IGBT模组温度，导致IGBT模组烧毁或使用寿命大大减少。异常情况下的IGBT模组过温，单靠液冷已无法快速降低IGBT模组温度，严重影响IGBT模组的性能及使用寿命，甚至会造成IGBT模组烧毁。电机控制器功率的不断增加以及控制精度的提高也对IGBT模组的散热性提出了更高的要求。

2 IGBT模组冷却装置

为了解决现有技术无法控制IGBT模组温度的问题，本文提出一种用于电机控制器IGBT温度控制的装置和策略，以解决现有技术存在对电机控制器IGBT模组冷却不足，散热性较差，难以控制IGBT模组温度的技术问题，通过解算IGBT温度、电机控制器输出电流、IGBT使能、坡度、电机目标扭矩、电机转速和变速器挡位的综合参数，计算并设定控温目标温度，有效控制IGBT模组的温度，使其保持在最佳工作温度范围，提高IGBT模组工作性能和稳定性，增加其使用寿命。

为了控制IGBT模组的温度，本方案使用了半导体制冷片。半导体制冷又称“热电制冷”、“温差电制冷”，是一种采用半导体制冷元件，利用热电制冷效应的特殊制冷方式，由N型元件和P型元件串联组成。当直流电流通过N型元件和P型元件回路时，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料P、N的元件对数来决定，半导体制冷是以赛贝克效应、珀尔帖效应和汤普逊效应、傅里叶效应和焦耳效应为基础建立起来的制冷方式。半导体制冷片组件不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源，没有运动部件，工作时没有振动、无噪声、寿命长、安装容易，通过输入电流就可实现高精度的温度控制，便于组成自动控制系统。半导体制冷组件热惯量非常小，制冷制热时间快，常规产品从-90～150℃都可实现，使用寿命也高达30万h。

半导体制冷片是根据电机控制器IGBT模组的散热量而选取的，将半导体制冷片冷面与IGBT模组接触，热面与散热器接触，散热器的翅片处于冷却水道中，与冷却水充分接触进行热交换，保证半导体制冷片的冷面温度。通过半导体制冷片控温单元的控制可实现半导体制冷片冷面温度的控制，有效降低IGBT模组的温度。

图1中，将IGBT模组1、半导体制冷片4、散热器7各安装面均匀涂上厚度大约0.03mm的一层导热硅脂3，然后将半导体制冷片4的热面与散热器7的安装面、冷面与IGBT模组1的安装面平行接触，并且轻轻旋转半导体制冷片4，挤压过量的导热硅脂3，确保各工作面良好接触，再用螺栓将IGBT模组1、半导体制冷片4、散热器7紧固。为达到最佳制冷效果，IGBT模组1和散热器7之间应用隔热垫6填充。散热器7安装在电机控制器水道壳体9上，接触面上装有密封圈8，使冷却水道与IGBT模组完全分离，保证IGBT模组的干燥。散热器7的翅片处于水道中，与冷却水直接进行热交换。电源正极接半导体制冷片正极5为制冷方式，改变电流方向会导致半导体制冷片转换为制热方式。

图1 IGBT模组的散热结构示意图

半导体制冷片由控温单元控制温度，控温单元集成在电机控制器中，在多合一控制器中控温单元可直接使用DCDC的直流24V电源，节省成本并且集成度高。控温单元根据采集到的IGBT温度、电机控制器输出电流、IGBT使能、坡度、电机目标扭矩、电机转速和变速器挡位来控制半导体制冷片的输入电流，以达到冷却IGBT模组的目的，使IGBT模组处于其自身性能参数所要求的最佳工作温度范围，避免IGBT模组过温及烧坏。

表1为半导体制冷片制冷装置冷却效果与风冷和液冷的对比，从表1中可以看出尽管半导体制冷装置因为增加半导体制冷片和控温单元而价格较高，但其制冷效果最好，且具备风冷和液冷不具有的温度控制和提前制冷的巨大优势，特别适用于大功率和对控制精度要求比较高的电机控制器中，也可以避免IGBT模组烧坏而带来的经济及人员损失。

表1 制冷效果对比表

3 IGBT模组热损耗估算

IGBT模組由IGBT芯片与续流二极管两部分组成，IGBT模组的热损耗也主要由两者产生，所以IGBT模组运行时的损耗由IGBT芯片和续流二极管的导通损耗和开关损耗4部分组成。IGBT模组损耗可以由IGBT生产厂家的出厂参数近似计算。本文针对环卫车峰值功率280kW电机控制器的IGBT模组进行散热设计，电机控制器使用的IGBT型号为英飞凌FF600R12IE4。IGBT模组中PN节的最高耐温为150℃，为确定拥有较高的寿命，通常会将IGBT模组工作的最高温度下调一点，设置为125℃。

3.1 IGBT芯片导通损耗

IGBT模组在导通状态下，饱和压降会在电流通过时产生损耗，这类损耗叫做导通损耗。IGBT导通损耗的计算公式如下。

在一个脉冲内，损耗近似值可以由P=V×I计算得到。根据PWM原理，得到平均损耗功率。

式中：P——IGBT的导通损耗；V——压降；I——集电极导通电流；D——IGBT占空比因子。FF600R12IE4型号IGBT导通电流与压降的关系如图2所示。

根据设计要求，电机控制器的峰值输出电流为420A，考虑到电流要增加一点裕度，估设定I=440A，由图2可得V=1.7V。由于占空比不断变化，取经验值D=0.8，得到P=598W。

图2 IGBT导通电流与压降关系曲线

3.2 IGBT芯片开关损耗

开关损耗是指由IGBT收到控制信号时，对电路进行开关操作时所产生的能量损耗。IGBT开关的频率越高，开关损耗会越大。开关损耗由两部分组成，分别是电路接通时的损耗以及电路断开时的损耗，其计算公式为：

式中：P——IGBT的开关损耗；f——PWM开关频率；E——IGBT开通时损失的能量；E——IGBT断开时损失的能量。FF600 R12IE4型 号IGBT开通和关断损耗与电流的关系如图3所示。

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

图3 IGBT开通和关断损耗与电流关系曲线

3.3 续流二极管导通损耗

二极管的导通损耗与IGBT类似。在一个脉冲内，损耗近似值可以由P=V×I计算得到。根据PWM原理，得到平均损耗功率。

式中：P——二极管的导通损耗；V——续流二极管压降；D——二极管占空比因子。FF600R12IE4型号的续流二极管压降与电流关系如图4所示。

根据I=440A，由图4可得V=1.5V，D=1-D=0.2，得到P=132W。

图4 续流二极管压降与电流关系曲线

3.4 续流二极管开关损耗

二极管的开关损耗中，关断损耗要比导通损耗大得多，故导通损耗可忽略不计，视关断损耗为主要损耗。

式中：P——二极管的开关损耗；E——二极管反向恢复损耗。FF600R12IE4型号的续流二极管反向恢复损耗与电流关系如图5所示。

图5 续流二极管反向恢复损耗与电流关系曲线

由图5可得：E=38mJ，P=570W。

IGBT模组的总损耗为IGBT芯片和续流二极管的导通损耗与开关损耗之和，故总损耗P可由以下公式求得。

估算出总损耗P=2770W。

计算所得的总功耗是IGBT允许最高工作温度下的总功耗，电动汽车实际运行时电机控制器大多处于额定功率下，再考虑到IGBT模组与空气也有热交换，因此实际运行中的总损耗是小于2000W的，因此选用2个制冷量为950W的半导体制冷片TEC1-312308012。

4 IGBT模组冷却装置控制策略

在电动汽车行驶过程中，半导体制冷片控温单元按照温度控制使IGBT模块处于最佳工作温度；也可根据转速、扭矩的趋势提前预判温度变化的趋势和幅度，可提前降低冷面温度，从而使IGBT模块温度快速下降，使其在最佳工作温度范围。当某些异常情况导致散热异常时，IGBT温度急剧上升，半导体制冷片控温单元可根据检测到的输入信号快速降低半导体制冷片冷面温度，快速降低IGBT模组的温度，并报警反馈给整车控制器，避免IGBT模组烧毁，提高IGBT模组的使用寿命。

电动汽车运行时，特别是在拥堵路况时频繁启停，此时控制器的IGBT模块工作电流会相应地频繁升降，从而导致IGBT的结温快速变化，对于IGBT模块的寿命是很大的考验；车辆爬坡时，电机输出扭矩大，IGBT工作电流大，发热严重；车辆驻坡时，电机工作在近似堵转工况，此时的IGBT模块持续承受着大电流，从而会造成模块的局部过热，这些都对散热系统的设计带来了挑战。IGBT模组的冷却装置控温单元的控制策略如图6所示。

图6 IGBT模组的冷却装置控温单元的控制策略

图6中T为IGBT模组在不影响其使用性能及使用寿命下的最低温度，（T，T）为IGBT的最佳工作温度范围，而T、T、T均为已知的IGBT模组温度参数。当检测到电动汽车挂起步挡、爬坡挡或倒车挡，且电动汽车处于停车状态或电动汽车处于驻坡状态时，控温单元提前降低半导体冷面温度防止车辆起动时IGBT模组温度急剧增加，提高IGBT的稳定性及使用寿命，同时控温单元目标温度设为IGBT模组在不影响其使用性能及使用寿命下的最低温度T。当电动汽车为爬坡挡行车时，控温单元目标温度为T=a+bT，其中a，b值为电动汽车爬坡时实际标定测试后取的最优值，在特定工况使用的电动汽车可实际标定后固化参数；T值与电机扭矩以及转速有关，即与电机功率正相关，为避免半导体制冷片的温度设定值不断变化而造成其输入电流不断变化，从而影响半导体制冷片的工作效率及使用寿命，因此在不同的功率段取不同的T值，且功率段不易过多，T在功率较小的范围时为0。当车辆处于前进挡或倒挡时，控温单元目标温度为T，若检测到IGBT模组温度在（T，T）范围内时控温单元输出电流保持不变，若检测到IGBT模组温度高于T温度时，增大电流使IGBT模组温度在（T，T）范围内。

车辆爬坡扭矩急剧增加且功率较为恒定，为了快速响应且使测量温度达到设定温度，半导体制冷片的温度控制采用模糊PID控制。模糊控制器的输入量为温度的偏差和温度的变化率。温差e为本次实测温度与设定温度的差，而温度变化率ec为单位时间内（一个采样周期）的温度差。模糊控制器利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表对PID控制器的参数进行调整。模糊控制器输出PID控制器3个预整定参数，即K、K、K的修正参数，预整定参数是在电动汽车实际工况测试标定后固化的参数初始值，修正参数与原PID控制参数（预整定参数）相加，得到控制参数K、K、K。

完成PID控制器参数的在线整定过程，从而调节PWM脉冲信号，对半导体制冷片的温度进行控制，其控制原理如图7所示。

图7 半导体制冷片模糊PID控温原理框图

5 结束语

本文阐述了一种电动汽车电机控制器IGBT温度控制方法和装置，解决现有技术存在对电机控制器IGBT模组冷却不足，散热性较差，难以控制IGBT模组温度的技术问题。本文通过解算IGBT温度、电机控制器输出电流、IGBT使能、坡度、电机目标扭矩、电机转速和变速器挡位的综合参数，计算并设定控温目标温度，有效控制IGBT模组的温度，使其保持在最佳工作温度范围，并且不同功率段设定不同的控温目标温度，采用模糊PID控制方法提高控温精度，使其保持在最佳工作温度范围。同时，本文还提出了基于上述方法的电动汽车电机控制器IGBT温度控制装置，包括半导体制冷片、散热器以及控温单元。