一 . 电机控制器概述 1.1 电机控制器分类原则 驱动电机控制器的最核心器件是IGBT,结构工程师最关心它的尺寸和封装形式:它的大小直接影响到外壳的尺寸以及水道的布置形式。 据此,我将控制器分为三代: Ⅰ、Ⅱ代电机控制器均在市场上被广泛应用,因为成本或者应用环境的要求搭载在不同的车型上。 Ⅲ代控制器大多在工程样机阶段,本文中将分享Ⅲ代控制器的实物图片。 产品迭代需要综合因素的考量,控制器产品的迭代需求并不强烈,成本因素起着至关重要的作用。 本文只单纯讨论控制器单机的发展趋势,以机械设计为主,软硬件需求为辅进行阐述,对于特斯拉的并联IGBT方案,碳化硅IGBT的兴起等另发文论述。 分类:1代
分类:2代
分类:3代
二 . Ⅰ代电机控制器 2.1 Ⅰ代电机控制器概述 Ⅰ代电机控制器的显著特点是金属壳体上需要设计水道,水流与IGBT不进行任何接触,IGBT散发出的热量需要通过其下部的金属平板,依靠传导方式将热量传递给壳体外侧的冷却水进行散热。 为减少传导热阻,通常需要在 IGBT金属底板上涂抹导热硅脂再与主壳体贴合。 下图是2010年左右,新能源汽车刚刚兴起时的设计方案,薄膜电容是借用的工业常用的圆柱电容。 现在车用电机控制器基本已经没有使用圆柱电容的了。(上图缺失了一个覆盖除端子座外的塑料罩板,用以隔离接线出接线区域;另外还缺少一个通气塞,用以平衡高低温变换时壳体内的压强。) 2.2 Ⅰ代电机控制器实物范例一 ▲控制器总布置 ▲IGBT模块安装位置 ▲三相单独封装IGBT模块背面 ▲IGBT模块与驱动电路板总成 ▲工业电容外形的薄膜电容 ▲薄膜电容参数 ▲水冷盖板外形 ▲主壳体的水道造型 2.3 Ⅰ代电机控制器实物范例二 ▲控制线接口 ▲高压线接口及水管接头 ▲交流母排及电流传感器Ⅰ ▲交流母排及电流传感器Ⅱ ▲直流母排及绝缘隔板 ▲高压线束快插接头座 ▲控制电路板 ▲通气塞位置及通气塞 2.4 Ⅰ代电机控制器后结构设计发展概要 分享的实物电机控制器是2010年左右比较有代表性的车用控制器产品,随着新能源汽车市场的快速发展,电机控制器的各部分零部件均有不同程度的改进和发展,与结构设计相关的进展有如下几点:
三 . Ⅱ代电机控制器 3.1 Ⅱ代电机控制器概述 Ⅱ代IGBT模块集成的Pin-Fin散热结构与冷却水直接接触,换热面积大,热交换效率高,能有效降低控制器的温升速度,提高控制器的输出容量上限。同时,降低了机械设计工程师的匹配设计难度,方便搭载和应用。目前该模块形式广泛应用于乘用车车型中,应用Ⅱ代IGBT模块的电机控制器具有如下特点:
经试验测试, Ⅱ代模块与Ⅰ代模块相比,模块总热阻大大降低,如水温约20℃、水流量4~9L/min时,模块的总热阻最高降低33%。另外Ⅱ代模块内各芯片的温度分布更为均匀,利于模块的均流特性。 3.2 Ⅱ代电机控制器软硬件要求 高可靠性设计
完善的保护功能
快速的动态响应
四 . Ⅲ代电机控制器 4.1 Ⅲ代电机控制器模块概述 Ⅲ代IGBT模块双面冷却方案是把温度传感器和电流传感器功能集成,实现对整个模块进行芯片级的管理,同时集成水冷流道的散热结构。 以散热器内部使用经典的Pin-Fin散热流道方案为例,阐述一下双面水冷模组的优势。 水冷设计的重点包括流量的均恒,散热流族限制下的Pin针形状和大小的优化设计。基于同样的总流量假设,双面水冷较之单面水冷,热阻可以减小32%,同时水路压降跌落也只有其35%。 同时,对于双面散热,仅增大27.5%的压力,就能获得双倍于单面水冷的总散热流量。同等条件下,采用双面水冷散热后,输出功率能够增加30%以上。如果采用更优化的水冷板设计,控制器的电流能力能够增加50%甚至更多。 双面水冷模组:功率密度提升88%: 4.2 Ⅲ代电机控制器 Ⅲ代电机控制器以高功率密度、抗过载能力强,深得乘用车厂的青睐,工程样机屡见不鲜,是否已经量产却不得而知。双面水冷方案使Si基的IGBT模块性能发挥到了极致,是值得推广应用的技术方案,但模块的高温可靠性还需时日加以验证。
模块化设计:功率覆盖全车型 根据外形推测这两款控制器应用的是富士双面水冷M653 IGBT模块: 五 . 电机控制器技术发展趋势 5.1 电机控制器硬件发展趋势 IGBT应用双面水冷结构增加散热能力,辅助结温检测功能强化温度精确管控,增大电流通流量。 母线电容受限于材料特性,薄膜电容最高耐温105℃,随着IGBT散热能力的大幅改善,母线电容成为了制约控制器整体的耐温上限(125℃)的“最短板”,因此必须提升母线电容的散热能力,所以集成水冷结构的薄膜电容将会受到重用。同时在电容直流输入端集成共模电感或滤波电路,加强EMC的防护能力也将会在部分产品中加以实施。 PCB将会以“多层、分区、合板” 的设计原则进行发展,减少连接器和线束,提升抗干扰能力。 IGBT
母线电容
PCB
▲IGBT结温检测:速度提升1倍,精度提高10% 5.2 电机控制器软件发展趋势
智能化波形控制策略 ▲提升高速带载能力,基于DPWM调制,减少开关次数 ▲提升低频发波工况下控制器效率 ▲抖动抑制控制拓扑图 ▲转速、电流双抑制模块实现扭矩高效抑制。汽车启动过程的抖动时间:3.5s 缩短到 0.5s。 关注旺材动力总成,领取更多干货资料! 欢 迎 关 注 旺材动力总成 和他背后的小编 点 |
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