微型电动汽车电驱控制器堵转工况下散热器测试与仿真

摘 要：以某电动汽车电机控制器强迫风冷散热器为研究对象，引入模拟热源解决功率器件堵转工况测试过程中结温特性对实验的影响，开发了散热器散热性能测试系统，并测试了该工况下散热器进口风速对散热性能的影响。在此基础上，通过实验数据结果作为仿真模型的参数输入，分析了散热系统的全域温度场分布情况，为散热器的性能分析与优化设计提供依据。

关键词：电机控制器 散热系统 功率器件 实验

1 绪论

A00级纯电动汽车电机驱动过程中，功率器件MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）会伴随着热量的产生，如果因热量的累积造成控制器温度过高，从而导致控制器中的电子器件的性能下降，甚至电路元器件的损坏，因此，电机驱动器需要配备合适的散热系统[1-2]。

强迫风冷散热方式具有传热效率高、可靠安全等优点被广泛使用。理论上在散热性能测试过程中，采用真实的功率器件进行测试能够更贴近工作实际，但是在堵转工况下功率器件因结温无法长时间运行[3-5]。为此，本文针对电机控制器堵转工况引入模拟热源，研制了集成式测试系统对电机散热器性能进行测试，并在此基础上，针对散热器的温度场分布情况进行了仿真分析。解决堵转工况下散热性能参数无法获取、整体性能难以评估的问题，为电机控制器散热系统的性能评估提供了测试方案。

2 研究对象

研究用电机驱动器主要参数包括：额定电流150A、峰值电流400A、工作电压范围110-170V，冷却方式为强迫风冷，匹配的电驱控制器功率器件MOSFET是Infineon公司生产，型号为IPB107N20N3G，其主要参数耐压为200V、导通电阻10.7mΩ、额定电流88A（处于25℃）。电驱控制器输出为U/V/W三相，每相上、下桥臂各为9个并联的功率器件MOSFET。M1， M4为A相上桥臂及下桥臂；M3， M6为B相上桥臂及下桥臂；M5， M2为C相上桥臂及下桥臂。MOSFET导通顺序为M1M6→M1M2→M3M2→M3M4→M5M4→M5M6→M1M6，控制器的输出通过调整上桥PWM脉宽实现，如图1所示，PWM频率为10kHz[6]。

在每一个PWM周期内，有两种工作状态：状态1： M3和M2导通，电流I1经M3、电机线圈L、M2、流入地。状态2： M3关断，M2导通，电流I2流经电机线圈L、M2、M6，此状态称为续流状态。根据电机控制器逆变控制原理，我们假设电机堵转时，控制器MOSFET的功率损耗随着电机负载的加大而增加，控制器的MOSFET损耗达到最大。为了分析方便，我们假设电机堵转时，B相上桥臂工作在PWM模式下，C相下桥臂一直导通，B相下桥臂为同步整流工作方式[7]。

3 模拟热源方案设计

电驱控制器的主要热源是功率器件MOSFET，该功率器件因其固有特性不能在堵转工况下长时间运行，并且因其结温也会造成试验误差。因此，试验系统通过模拟热源来代替处于堵转工况下功率器件MOSFET散发热量的情况。

堵转工况功率损耗计算过程如下：B相上桥臂单个MOSFET随着PWM方波调制波形不断开关，功率损耗Ptot1为开关断损耗Psw_MOS与导通损耗Pon_Mos之和：

Ptot1=Pon_Mos+Psw_MOS=I2DS*Ron*ton*sw+

（tr+t）*sw   （1）

式中，Ron为导通电阻，UDS为电源电压，IDS工作最大电流，tr为MOSFET开启时间，t为关闭时间，ton为导通时间，开关频率。

C相下桥臂单个MOSFET导通损耗Pon_D与B相续流损耗PSW_D之和，功率损耗为Ptot2：

Ptot2=Pon_D+Psw_D=I2DS*Ron+sw*trd

（Vrd*IDS+I2DS*RD） （2）

式中，Vrd为二极管的正向导通压降，trd为MOSFET体二极管开通时间。

总的功率损耗Ptot近似为：

Ptot=（Ptot1+Ptot2）*9 （3）

堵转工况时MOSFET工作参数如下，UDS=144V，IDS=40A，tr=190ns，t=275ns，ton=85us，trd=11.5us，sw=10kHz，Ron=20mΩ（处于121℃），Vrd=1.2V。通过堵转工况下各参数值，根据损耗经验公式估算得到整个散热器功率器件的损耗850W。加热元件是通过称为焦耳加热的原理将电能直接转换为热或热能的材料或装置，试验装置通过高温陶瓷加热片模拟MOSFET芯片的热损耗。

4 试验平台方案开发

为了实现对电驱控制器强迫风冷形式的散热器采集处理温度、风速等信号用于性能评估，自主研制由数据采集与控制卡、信号调理卡、CAN上位机等测试系统外围设备组成的试验系统，并构建了热源模拟、风源控制、数据传输、温度风速采集与处理、上位机开发等关键技术，实验平台如图1所示。

4.1 风源控制方案设计

为了对比散热器在不同风扇转速下的散热效果，通过风扇速度调节器对散热风扇的转速进行调节，以改变风速从而改变热量的交换速度，评估散热器的性能。风源系统配备的型号为台达公司生产的HDB0812EA-A的散热风扇，具有双滚珠灌胶、全密封电机，防水风扇等特性。两个风扇在散热器底部对称分布，风扇的供电电压为DC12V，额定工作电流为0.38A，最大体积流量为1.4m3/min。

4.2 温度采集

功率器件的模拟热源通过K型热电偶温度传感器采集各测温点温度。因热电偶传感器采集精度高、测量范围大，但采集的信号为毫伏级别，因此需要经过信号调理板卡将信号调理放大至0-10V的量程，后将放大后的信号发送到数据采集卡中AD7606采集芯片高精度AD采集端口采集并进行AD转换，最终AD转换的结果通过板载FMSC并行通讯的方式发送到主控模块进行数据处理。

信号调理卡包括电源电路、运算放大电路等。其中，运算放大电路选择TI公司INA128UA精密低功耗仪表放大器，实现K型热电偶传感器从毫伏级到伏级的电压放大。数据采集卡包括AD采集电路、电源电路、主控电路等。AD采集电路 AD7606是Analog Device公司生产的均能以高达200kSPS的速率采样的8通道，双极性输入，16bit同步采样ADC采集芯片。该试验方案通过STM32F407VGT6主控芯片的FSMC接口与AD7606进行交互，实现并行采样，具有采集速率快、采集精度高的特点。

4.3 风速采集

风速采集通过高精微型风速传感器进行采集，高精微型风速传感器的精度为0.02%fs，分辨率为0.01m/s，供电电源为12VDC，0-5m/s地风速测量范围线性地转化为0-5V的电压信号。采集地电压信号传输给数据采集卡AD采集端口并进行AD转换，最终AD转换的结果发送到主控模块进行数据处理。

4.4 数据传输

通过车规级CAN通讯的方式及USBCAN分析仪，实现了主控模块信号与上位机之间的数据传输与显示。CAN通讯的实现是通过NXP公司CAN收发器TJA1051T进行主控TTL电平与差分电压信号的相互转换。CAN通讯电路设计需要考虑以下方面：TJA1051T的电源与地之间加滤波电容进行滤波；通过共模滤波器DLW31SN9000SQ2实现其抗高频干扰能力，提高电磁兼容性能；NUP2105用于防止静电击穿；终端电阻的设计为了实现信号源和传输线之间阻抗匹配，减少反射及噪声、避免振荡，与后级电路的输入电容组成RC滤波器，削弱信号边沿的陡峭程度。

4.5 数据处理与数据显示

软件设计包含数据采集系统工程软件设计及基于CAN通讯的上位机软件开发，工程软件通过Keil uVision5软件开发环境进行软件开发，主程序由初始化程序和ADC、CAN接收、CAN发送等主要模块组成。CAN上位机基于C#语言开发环境编写，通过USBCAN提供的驱动函数库，实现上位机与USBCAN分析仪之间的交互与控制，上位机主要功能包括：支持CAN设备配置、CAN波特率配置、CAN数据收发，数据保存，数据显示等功能。

5 试验数据及仿真结果分析

为了更准确地分析各工况下进口风速对散热器散热性能的影响，试验方案设计在不改变模拟芯片加热功率的情况下，改变进口风速，对散热器进行数值计算。具体参数为保持加热功率850W，风温为25℃，改变风速为0.5m/s，0.8m/s，1.0m/s。从图2中可以看出：在不同风速下，风速越高，温度越低。同一风速下，B相上桥臂功率器件温度最高，C相下桥臂温度其次，B 相下桥臂功率器件温度最低。

为了深入研究实验数据所无法呈现出的全域温度分布，按照计算模型的建立、计算域的网格构建、设定初始和边界条件、计算方法确定与数值计算等流程对散热器的温度场和流场进行数值计算。设定工况：加热功率Q=850W，风速为v=0.5m/s。通过对实验测试与数值模拟结果进行比较分析，在各工况下散热器达到稳态时的平衡温度数据，其仿真与实验结果趋势一致，如图3所示，误差为3-5℃，误差来源于模型误差和实验误差，模型误差主要来源为计算模型的近似性、几何模型的一定程度的简化；实验误差主要来源为绝热材料非绝对绝热，实验仪器本身的误差、热电偶安装位置对导热的影响等。

分析散热器温度场的整体分布，以全面了解散热器的散热性能，从图4整个计算区域的温度场分布情况可以看出：散热器温度最高位置在MOSFET中心热源位置处；散热器温度以功率器件排布方式中心向两端呈梯度分布。

6 结论

通过搭建了散热系统的测试平台，获取了堵转工况下风速对于散热系统性能的影响情况，仿真与实验所得到的数据其趋势吻合且误差合理，从而验证了实验装置的正确性。

通过仿真分析与实验结果的对比，表明引入模拟热源能够代替功率器件模拟发热情况，同时克服了功率器件结温特性对实验的影响。

通过对散热系统的温度场分布情况进行仿真分析，得到了温度场分布情况，为评价散热器的整体性能的优劣提供了依据。

基金项目：项目来源：江西省教育厅科学技术研究项目；项目名称：纯电动汽车电机驱动器散热系统开发与试验研究；项目编号：GJJ181323。

参考文献：

[1]何卫，高丽仙，张雪.微型纯电动汽车的节能技术路径评估[J].汽车实用技术，2023，48（19）：1-5.

[2]孟思宇，汤天宝，于海生，等.新能源汽车电机控制器功率模块热仿真[J].工程机械，2024，55（03）：61-64.

[3]吴奇飞，张戟，刘家瑞.新能源汽车电机散热器倾斜角度对性能的影响[J].汽车零部件，2023（08）：27-30.

[4]唐忠健，屈凡林，李海波，等.电动汽车永磁同步电机控制器水冷散热器的优化设计[J].西华大学学报（自然科学版），2022，41（06）：91-97.

[5]赵家琦，张鸣，朱煜，等.平面电机散热器热流建模与尺寸-拓扑并行优化设计[J].清华大学学报（自然科学版），2022，62（03）：400-407.

[6]陈亮，张超，宋蔚，等.采用多齿肋片的电机控制器散热器设计分析[J].计算机仿真，2021，38（01）：98-101.

[7]陈登峰，周诗君.增程式电机控制器高效热分析与研究[J].微特电机，2021，49（11）：34-37.