介紹電機控制器DC電容的溫度計算模型

1. 簡介

為了提高電機控制器的功率密度，發(fā)揮出電機控制器的最大系統(tǒng)性能，就需要實時地監(jiān)控電控單元內(nèi)各器件的溫度，避免器件因溫度過高而燒壞。這樣就需要測量或估算出各器件的溫度，在某些特殊情況下，電機控制器的某器件溫度過高，可以觸發(fā)“降功率模式”限制電機的輸出功率，來限制其溫度上升，所以電機控制器各器件的溫度計算或測量非常有必要。下面將介紹電機控制器DC電容的溫度計算模型。

2. DC電容器件熱模型

通過計算DC電容器件內(nèi)部的損耗，并根據(jù)器件的熱阻和熱容量來計算該損耗引起的溫升。熱等效回路如圖1所示。

圖1. 熱等效回路

溫度計算如下:

其中：

對于熱模型的軟件實現(xiàn)，像（2-2）中那樣計算e函數(shù)是不可行的，因為始終必須從時間起點開始進(jìn)行計算。換句話說，（2-2）中的e函數(shù)是微分方程（2-4）的解，如果輸入量發(fā)生變化，則e函數(shù)必須重新計算每個時間步長。因此，對于每一個步長時間段，要求分段求解微分方程。微分方程的分段解是就好比是個濾波過程，暫且命名為PTTH-Filter。PTTH-Filter源自圖1中的熱等效循環(huán)，計算如下：

PTTH的離散實現(xiàn)的方程式在（2-5）中進(jìn)行了描述，并從（2-4）推導(dǎo)如下：

PTTH-Filter僅計算了元器件與冷卻液的溫差，因此要得到元器件溫度，還需加上冷卻液溫度，如下：

**2. **電機控制器電容溫度模型

根據(jù)上述數(shù)學(xué)公式（2-5），可建立電機控制器電容DC-link的模型，如圖2為DC電容溫度計算的 Simulink 模型。

圖2.DC電容溫度計算的Simulink模型

3. 模型的準(zhǔn)確性分析

為了提高DC電容溫計算模型的準(zhǔn)確性，我們需要考慮兩方面：

1. 模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。DC電容本身包含多種材質(zhì)，不同的材質(zhì)，其熱傳導(dǎo)系數(shù)不同。如圖1 所的熱等效回路，只考慮了一層模型，將電容視為一種材質(zhì)。為了提高準(zhǔn)確性，可根據(jù)不同的材質(zhì)結(jié)構(gòu)，分多層建模，如T模型或π模型，則模型更復(fù)雜，標(biāo)定量和工程應(yīng)用標(biāo)定的工作量激增。在實際應(yīng)用中，可以考慮一層建模，只要標(biāo)定精細(xì)，則DC電容溫度計算精度可控制在8k內(nèi)。
2. 提高模型輸入量的精度，如下所示。
3. 電機控制器電容的損耗，其計算如下：

考慮到電流的波動，進(jìn)一步優(yōu)化電容損耗的計算，可參考論文[1]得：

1. 熱阻Rth會隨著冷卻液流量的變化而變化，需要考慮使用一維表查表來根據(jù)冷卻液流量進(jìn)行標(biāo)定修正；
2. 熱容充滿的時間常數(shù)，即Tau 可通過FEA仿真獲取，一般可定義在20μs~80μs之間，再根據(jù)不同冷卻液量做一定的修正。
3. 如果冷卻液溫度變化非?？欤瑒t元器件的溫度也會以相同的方式變化。為了防止這種情況，用于計算元器件溫度的冷卻液溫度也需通過低通濾波器進(jìn)行過濾。
4. 根據(jù)元器件溫度與冷卻液溫度的溫差變化率來確定元器件溫度上升還是下降，即確定時間常數(shù)Tau_rise或Tau_rise。
5. 初始化過程，在電機控制器掉電即關(guān)機持續(xù)的時間超過5個τ以后，被視為穩(wěn)態(tài)，即熱平衡，溫度變化不在改變，這時熱容對熱阻沒有任何影響，這時電容的溫度就非常接近冷卻液的溫度。對于電機控制器短期斷電，在建模是需要考慮以下幾點：

-.讀取斷電時間長度，用于估算補償冷卻掉的溫度, 例如：時間長度用查表標(biāo)定來修正補償溫度。

-.有必要在斷電之前將最新的有效元器件溫度存儲在NVM中，以便調(diào)用來更好修正溫度。