碳化硅電驅(qū)動(dòng)總成設(shè)計(jì)與測(cè)試

摘 要

基于進(jìn)一步提升電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)效率和功率密度的需求,設(shè)計(jì)了一款碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng),介紹了碳化硅控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并詳細(xì)闡述了碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的性能,對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)制作樣機(jī)并搭建臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果表明,該碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的整體性能優(yōu)越,且碳化硅控制器效率明顯優(yōu)于采用 IGBT 模塊的控制器,采用碳化硅模塊設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)總成有助于提升整車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率密度,并對(duì)整車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

0 引 言

新能源電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心零部件包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器以及減速器,隨著新能源汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)相關(guān)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高,高集成度、高效率和高功率密度成了新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。高集成化和高功率密度離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器以及減速器的結(jié)構(gòu)集成,也就是用“三合一”集成設(shè)計(jì)方案來(lái)替代傳統(tǒng)的分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,這樣使得整個(gè)系統(tǒng)體積更小、質(zhì)量更輕、布置更靈活、功率密度更高。雖然,通過(guò)這種物理集成方式可以減小體積、提升系統(tǒng)功率密度,但是在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體系統(tǒng)效率提升方面并不明顯。而對(duì)于三合一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成來(lái)說(shuō),驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身受電磁方案的限制很難大幅度提升效率,因此,提升三合一總成系統(tǒng)效率的關(guān)鍵方式還在于提高電機(jī)控制器效率。

目前,國(guó)內(nèi)量產(chǎn)應(yīng)用的三合一電驅(qū)動(dòng)總成搭配的電機(jī)控制器基本選用 IGBT 模塊,這種 IGBT 模塊本身耐受工作溫度低,使用開(kāi)關(guān)頻率低,也進(jìn)一步限制了電機(jī)控制器的功率密度和效率的提升。而碳化硅MOSFET 作為新一代半導(dǎo)體材料,其可允許的工作溫度更高,開(kāi)關(guān)頻率更高,可以滿(mǎn)足電機(jī)控制器進(jìn)一步提升效率和功率密度的需求。因此,采用碳化硅MOSFET 設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器效率更高,進(jìn)而也會(huì)提升三合一電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)品的系統(tǒng)效率和功率密度。

國(guó)外整車(chē)廠(chǎng)關(guān)于碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的研究和量產(chǎn)應(yīng)用較早,比較有代表性的就是特斯拉和豐田。國(guó)內(nèi)整車(chē)廠(chǎng)關(guān)于碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的研究也一直在進(jìn)行,以比亞迪漢為代表的碳化硅三合一系統(tǒng)已經(jīng)獲得量產(chǎn)應(yīng)用,但是同類(lèi)型其它國(guó)內(nèi)整車(chē)廠(chǎng)還沒(méi)有推出可量產(chǎn)的三合一碳化硅產(chǎn)品,基本停留在碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的分析研究和測(cè)試階段。

本文正是基于進(jìn)一步提升電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)效率和功率密度的需求,設(shè)計(jì)了一款碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng),介紹了碳化硅控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并詳細(xì)闡述了碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的性能,對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)制作樣機(jī)并搭建臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果表明,本文的碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的整體性能優(yōu)越,且碳化硅控制器效率明顯優(yōu)于采用 IGBT 模塊的控制器,對(duì)于整車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型及功率密度提升具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 1 碳化硅控制器設(shè)計(jì)

功率模塊選型,不僅要考慮模塊本身的關(guān)鍵參數(shù)及可靠性,同時(shí)還要考慮所搭配電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、效率等因素。圖 1 為碳化硅電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)方案。

圖 1(a)為本文選用的碳化硅模塊,其上下底面均為銅材質(zhì) DBC 結(jié)構(gòu),可以同時(shí)進(jìn)行兩面散熱,模塊電壓 900 V,模塊電流 800 A,每個(gè)半橋模塊內(nèi)置一路 NTC 溫度檢測(cè)傳感器, 開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到2 kHz~30 kHz。

圖 1( b)為本文的碳化硅控制器結(jié)構(gòu)方案。從圖 1( b)中可以看出,本文的碳化硅控制器主要包括箱蓋、薄膜電容、碳化硅模塊、三相組件、箱體組件、正負(fù)輸入組件以及電路板等。箱體分為上腔體和下腔體,除了電路板安裝在下腔體以外,所有零部件均安裝在箱體的上腔體里面。碳化硅模塊搭配有雙面水冷散熱器并通過(guò)板簧夾緊固定在箱體上底面,其模塊輸入和輸出側(cè)銅端子均豎直朝向,并分別與電容端子和三相輸出極板接觸連接,連接處均采用激光焊接工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺栓連接方式固定。

1. 2 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖 2 為本文所設(shè)計(jì)的三合一總成驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。電機(jī)主要包括轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)殼、后端蓋、旋轉(zhuǎn)變壓器 和 蓋 板 等 零 件。電 機(jī) 定 子 鐵 心 外 徑 選 擇φ230 mm 的沖片疊壓而成,驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)殼自帶的螺旋式冷卻水道通過(guò)砂心成型,然后將成型的水道砂心放置在電機(jī)機(jī)殼模具內(nèi)部低壓鑄造成型機(jī)殼,電機(jī)的前端蓋與減速器的右半殼體一體化成型,實(shí)際裝配過(guò)程中先完成減速器裝配,再在減速器的基礎(chǔ)上完成電機(jī)總成裝配。

1. 3 三合一總成結(jié)構(gòu)

圖 3 為本文設(shè)計(jì)的碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從圖 3 中可以看出,驅(qū)動(dòng)電機(jī)前端與減速器通過(guò)螺栓連接固定,碳化硅控制器設(shè)置在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器的正上方,四周有 4 個(gè)支腳分別用螺栓固定在電機(jī)和減速器上面,碳化硅控制器的三相輸出組件與驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相輸入端子連接固定,形成一個(gè)集成化的三合一總成系統(tǒng),也實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、電氣和熱三個(gè)物理域的高度集成,可以大幅度提升系統(tǒng)的可靠性。

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量主要來(lái)自于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器的自發(fā)熱。因此,三合一總成冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器集成一體化散熱水道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量,使電機(jī)內(nèi)部各部件的溫度升高,尤其磁鋼溫升過(guò)高會(huì)引起磁鋼退磁,進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的性能輸出偏差,因此電機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于快速將繞組和鐵心產(chǎn)生的溫度帶走,以免磁鋼過(guò)溫;電機(jī)控制器內(nèi)部的核心發(fā)熱器件為功率模塊,如果模塊溫升過(guò)高會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部芯片損壞,影響電機(jī)控制器的功能正常輸出。

本文設(shè)計(jì)的碳化硅電機(jī)控制器的箱體組件上面集成有進(jìn)水管和出水管,控制器出水管與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的進(jìn)水管通過(guò)一段軟管連接,這樣電機(jī)控制器的冷卻水道和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻水道就串聯(lián)為一個(gè)集成一體化的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖 4 為本文設(shè)計(jì)的碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的冷卻水道結(jié)構(gòu)模型。工作時(shí),冷卻液最先由整車(chē)的冷卻循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入碳化硅電機(jī)控制器內(nèi)部的雙面水冷散熱器,對(duì)碳化硅功率模塊進(jìn)行雙面冷卻,然后再流入驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)殼的冷卻水道內(nèi)部,并對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行冷卻,最終冷卻液從驅(qū)動(dòng)電機(jī)的出水管處流出,完成對(duì)碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的冷卻散熱。

3 臺(tái)架測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的三合一電驅(qū)動(dòng)總成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值輸出功率 155 kW,峰值轉(zhuǎn)矩為 300 N·m。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)性能,對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)制作樣機(jī)并搭建臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。圖 5 為本文測(cè)試臺(tái)架。利用此臺(tái)架分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行外特性測(cè)試、控制器效率測(cè)試和系統(tǒng)效率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度 30 ℃ ,冷卻液入口溫度 65 ℃ ,流量為 8 L / min。

3. 1 系統(tǒng)外特性測(cè)試

圖 6 為本文碳化硅三合一系統(tǒng)總成的外特性測(cè)試結(jié)果。從圖 6 中可以看出,該三合一總成可以穩(wěn)定輸出 155 kW 的峰值功率和 300 N·m 的峰值扭矩。

3. 2 控制器效率測(cè)試

圖 7(a)為碳化硅控制器效率。由圖 7(a)可以看出,本文所設(shè)計(jì)的碳化硅電機(jī)控制器最高效率約為 99. 2%,最低效率為 89%。圖 7(b)為控制器效率MAP 圖。通過(guò)軟件計(jì)算碳化硅電機(jī)控制器效率,大于 90%的高效區(qū)面積占比約 92. 2%。

為了更好地對(duì)比分析,將本文三合一電驅(qū)動(dòng)總成的碳化硅控制器替換成用 IGBT 模塊設(shè)計(jì)的控制器(型號(hào):GD820HTX75P6H)再次進(jìn)行效率測(cè)試,圖8 為 IGBT 模塊控制器效率 MAP 圖。從圖 8 可以看出,采用 IGBT 模塊的電機(jī)控制器最高效率約為98. 45%,其控制器效率大于 90%的高效區(qū)面積占比約 85. 17%?？梢?jiàn),本文設(shè)計(jì)的碳化硅控制器最高效率和高效區(qū)占比相比于 IGBT 控制器均有比較出色的表現(xiàn)。

3. 3 系統(tǒng)效率測(cè)試

圖 9 為本文設(shè)計(jì)的三合一總成系統(tǒng)效率 MAP圖。從圖 9 可以看出,本文設(shè)計(jì)的三合一總成的最高系統(tǒng)效率為 96. 4%,系統(tǒng)效率大于 85%高效區(qū)占比為 85. 1%。由此可見(jiàn),碳化硅三合一系統(tǒng)的最高效率和高效區(qū)占比都是非常高的,這是因?yàn)橄到y(tǒng)采用碳化硅模塊,可以大幅度減小碳化硅控制器的損耗,進(jìn)而提升碳化硅控制器的效率,也使得系統(tǒng)效率得到了提升。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文正是基于進(jìn)一步提升電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)效率和功率密度的需求,設(shè)計(jì)了一款碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng),介紹了碳化硅控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并詳細(xì)闡述了碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的性能,對(duì)該電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)制作樣機(jī)并搭建臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果表明:

1)本文的碳化硅三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的整體性能優(yōu)越,且碳化硅控制器效率明顯優(yōu)于采用IGBT 模塊開(kāi)發(fā)的控制器;

2)采用碳化硅模塊可以提升開(kāi)關(guān)頻率、大幅度降低電機(jī)控制器損耗,進(jìn)而提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度,同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率提高還可以減小薄膜電容體積,減小電機(jī)控制器的體積,進(jìn)而提升系統(tǒng)功率密度,這對(duì)于整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。