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上海联孚新能源科技集团有限公司
【摘 要】纯电动汽车电机控制器用IGBT水冷散热器的构造紧凑，冷却水在槽道中的活动情况复杂，致使水冷散热器热仿真时很难确定适宜的活动状态模型。对于新型水冷电机控制器的首要热源IGBT模块，依据实践工作情况规划了相应的冷却系统，并根据Fluent软件对其进行散热剖析，得出其温度场和水流场的具体散布。剖析成果表明，该散热构造规划合理，在满足实践要求的情况下确保了充沛的温升余量。经过热敏电阻定点三个测点的试验验证，与仿真成果有较高的共同，進一步验证了该冷却系统的合理性。
【关键词】纯电动汽车；电机控制器；热仿真
引言
随着环保与环境问题的日益凸显，清洁、节能和高效的电动汽车越来越成国为内外研究的热门。关于电动汽车的开发，其整车的环境及工况对电机控制器的散热规划提出了很多严苛的请求，例如：电动汽车在坡道上频繁地直接发动，要求电机控制器具有很强的过载承受能力和稳定的性能；电动汽车本身操控与轻量化设计规划，要求电机控制器的构造十分紧凑，电机控制器用IGBT水冷散热器白天的最高水温可达65℃左右，这要求IGBT水冷散热器具有很强的散热性能。
考虑到过高的温度会缩短设备寿命并造成可靠性下降，所以需要开发合理的散热体系使其运行在可靠的温度范围内。在现在的工程使用中，散热剖析大多依靠经验设计，缺少相应的数值模仿或试验验证。王程、周汉义等经过试验验证了电路板铜箔厚度是影响电机控制器散热的最主要要素，但缺少相应的数值模仿。旭良、陶文锉等对某正方形截面叉排扰流柱的水冷散热器进行了三维层流活动与换热的数值模仿，但没触及湍流模型和试验验证。
一、水冷结构的选择
1.集中式水冷电机的水冷通道分布在电机机壳内，依据其内部冷却液的流向可分为周向水路型和轴向水路型两类构造。
2.周向水路沿着机壳的圆周方向呈螺旋状分布，冷却水沿着肋片的螺旋方向作圆周行进活动。其特点是水路滑润，流程丢失小。
3.轴向水路是在电机的轴向方向安置平行肋片而构成水路，水流入水道后沿着肋片的轴向方向环绕电机作行进活动。其特点是构造简略，且在电机两头不易出现较大温度梯度。
本文以某电动汽车电机控制器的构造为例，它由机壳、外盖、IGBT元件、水冷散热器、支撑电容器、控制板组件、驱动板组件、复合母排、铜排和接线座等构成。6个2MBI1400VXB-120P-50型IGBT元件安装在水冷散热器上，经过复合母排联接，与控制电路一同构成逆变电路。IGBT元件发热的损耗占电机控制器损耗的绝大部分，且IGBT元件的热量经过水冷散热器进行散热，因而IGBT元件和水冷散热器是电机控制器热分析计划工作的要点，亦是这篇文章的研讨方向。
二、实验研究
（一）准备过程
以IGBT元件为热源对散热器进行热性能测验时，需求思考以下疑问：
1.IGBT元件使用时需要驱动、控制等设备，体系构成复杂。
2.IGBT元件不能在极限工况下长期运转。
3.IGBT元件的损耗特性与芯片温度有很大的联系，简单因温度的变化而带来很大的试验差错；因IGBT元件的芯片被绝缘材料封装起来，需将绝缘材料去除后才干测出其内部芯片的温度，这很容易使IGBT元件遭受机械损害。
4.IGBT元件的成本高。诸多要素标明，对水冷散热器进行较为精密的试验研究时，IGBT元件不宜直接作为试验热源，需要选用模仿热源来替代。这篇文章选用的模仿热源本体是250mmx90mmx35mm的铝块，铝块底部铣削出截面为4mmx4mm的线槽，在铝块上钻12个直径为14mm圆孔后装置12根发热均匀的电热管。
（二）几何模型的建立
这篇文章选用PRO/E软件进行建模。由于实际模型较为复杂，为了减小仿真系统的核算量，提高核算速度，需对模型进行合理简化，即忽略掉一些螺纹孔和倒角等影响较小的细节部分等。树立冷却水模型时用元件操作的切除指令切割出冷却水在散热柱邻近的凹槽。因模型是轴对称模型，可取其一半进行分析。
（三）網格划分
使用ICEM-CFD软件强大的区分网格才能对模型进行网格区分。将其中最大网格尺度设为0.0lm，散热柱最大网格尺度设为0.001m，选用四面体网格区分方法。区分后模型网格总数为813317个，节点数为124532个，IGBT模块和水流模块主动复合。研究发现，网格质量良好，无负值网格存在，满足下一步核算的请求。
（四）仿真模型
依据电机控制器的构造特点，将机壳、盖板、水冷散热器、IGBT元件、电容、控制板、驱动板等部件选用实体单元模仿，装置板、母排等部件选用壳单元模仿.网格划分工作选用专业的前处理软件Hy-perMesh完结.
（五）模态分析
振荡模态是弹性构造的固有特性，经过模态剖析能够知道构造在各种振源效果下产生的实际振荡响应特征，因而，模态剖析是构造动态规划及设备故障诊断的主要办法，束缚水冷散热器上的6个装置孔，进行有束缚的模态剖析.因实验频率规模是10Hz至500Hz，故通过获取500Hz以内的各阶段振荡频率结果，将模态阶数与对应的频率值绘制成。
三、电机控制器过电流故障产生原因
过电流故障是电动车电机控制器的常见故障，主要是突变性和峰值性的电流值，通常表现为：
1.电动汽车电机控制器输出端三相线出现短路，致使过电流。
2.电动车出现冲击负载或着电动车爬坡呈现驱动电机堵转时，致使驱动电机的两相长期接通，相线电感饱满，致使过电流。
3.电动车急速刹车时，车子自身负载惯性较大，加速（减速）时间设定太短，电机控制器的作业频率上升太快，同步电机的转速迅速上升和下降，使得同步电机本来处于转子发生的磁场与定子发生的旋转磁场同步，当出现急瞬间刹车时，电机的转子转速因惯性较大，转子速度仍处于高速旋转，转子发生的磁场与定子的旋转磁场呈现转差过大，致使绕组切开磁感线太快，发生过大的感应电动势，致使发生过电流；
4.电机控制器电源侧缺相、输出侧断线、电动机内部故障致使过电流故障。
5.驱动电机受电磁干扰的影响，漏电流变大，发生轴电流、轴电压，致使电机控制器过电流。
6.电机控制器的控制电路遭到电磁干扰，致使控制信号过错，速度反应信号丢失或非正常时，也会致使过电流。
7.电机控制器的容量挑选与负载特性不匹配，致使电机控制器功能和作业反常，形成过电流；
8.电机控制器参数设定不正确和硬件电路出问题，也可以导致过电流。
9.短时间内IGBT电流值改变过大也会导致过电流；如瞬时断电，电流发生尖峰，致使过电流；电机控制器复位后再起动造成过电流。
电机控制器过电流主要是加减速时间太短、负载发生骤变、电压过低或过高、断相、短路、漏电流、电磁干扰及电机控制器内部元件故障等导致。
四、结束语
电动汽车用电机控制器的过电流保护非常重要，故障保护从电机控制器的设计之初到最终的产品，所有设计、研制、采购、加工、调试都需要分析，系统地思考故障疑问。本文根据Fluent流体剖析软件对纯电动汽车某新式电机控制器IGBT模块进行了三维温度场和流场的仿真，直观地表示出控制器IGBT模块冷却系统的温度散布状况和流场散布状况，有利于对控制器散热剖析和构造改进。通过仿真和试验，验证了该控制器的散热构造散热作用杰出，符合控制器安稳运转的目标。
作者简介：
韩新江（1977.11-），男，汉，上海，本科，研究方向：新能源汽车驱动系统研究。
【摘 要】纯电动汽车电机控制器用IGBT水冷散热器的构造紧凑，冷却水在槽道中的活动情况复杂，致使水冷散热器热仿真时很难确定适宜的活动状态模型。对于新型水冷电机控制器的首要热源IGBT模块，依据实践工作情况规划了相应的冷却系统，并根据Fluent软件对其进行散热剖析，得出其温度场和水流场的具体散布。剖析成果表明，该散热构造规划合理，在满足实践要求的情况下确保了充沛的温升余量。经过热敏电阻定点三个测点的试验验证，与仿真成果有较高的共同，進一步验证了该冷却系统的合理性。
【关键词】纯电动汽车；电机控制器；热仿真
引言
随着环保与环境问题的日益凸显，清洁、节能和高效的电动汽车越来越成国为内外研究的热门。关于电动汽车的开发，其整车的环境及工况对电机控制器的散热规划提出了很多严苛的请求，例如：电动汽车在坡道上频繁地直接发动，要求电机控制器具有很强的过载承受能力和稳定的性能；电动汽车本身操控与轻量化设计规划，要求电机控制器的构造十分紧凑，电机控制器用IGBT水冷散热器白天的最高水温可达65℃左右，这要求IGBT水冷散热器具有很强的散热性能。
考虑到过高的温度会缩短设备寿命并造成可靠性下降，所以需要开发合理的散热体系使其运行在可靠的温度范围内。在现在的工程使用中，散热剖析大多依靠经验设计，缺少相应的数值模仿或试验验证。王程、周汉义等经过试验验证了电路板铜箔厚度是影响电机控制器散热的最主要要素，但缺少相应的数值模仿。旭良、陶文锉等对某正方形截面叉排扰流柱的水冷散热器进行了三维层流活动与换热的数值模仿，但没触及湍流模型和试验验证。
一、水冷结构的选择
1.集中式水冷电机的水冷通道分布在电机机壳内，依据其内部冷却液的流向可分为周向水路型和轴向水路型两类构造。
2.周向水路沿着机壳的圆周方向呈螺旋状分布，冷却水沿着肋片的螺旋方向作圆周行进活动。其特点是水路滑润，流程丢失小。
3.轴向水路是在电机的轴向方向安置平行肋片而构成水路，水流入水道后沿着肋片的轴向方向环绕电机作行进活动。其特点是构造简略，且在电机两头不易出现较大温度梯度。
本文以某电动汽车电机控制器的构造为例，它由机壳、外盖、IGBT元件、水冷散热器、支撑电容器、控制板组件、驱动板组件、复合母排、铜排和接线座等构成。6个2MBI1400VXB-120P-50型IGBT元件安装在水冷散热器上，经过复合母排联接，与控制电路一同构成逆变电路。IGBT元件发热的损耗占电机控制器损耗的绝大部分，且IGBT元件的热量经过水冷散热器进行散热，因而IGBT元件和水冷散热器是电机控制器热分析计划工作的要点，亦是这篇文章的研讨方向。
二、实验研究
（一）准备过程
以IGBT元件为热源对散热器进行热性能测验时，需求思考以下疑问：
1.IGBT元件使用时需要驱动、控制等设备，体系构成复杂。
2.IGBT元件不能在极限工况下长期运转。
3.IGBT元件的损耗特性与芯片温度有很大的联系，简单因温度的变化而带来很大的试验差错；因IGBT元件的芯片被绝缘材料封装起来，需将绝缘材料去除后才干测出其内部芯片的温度，这很容易使IGBT元件遭受机械损害。
4.IGBT元件的成本高。诸多要素标明，对水冷散热器进行较为精密的试验研究时，IGBT元件不宜直接作为试验热源，需要选用模仿热源来替代。这篇文章选用的模仿热源本体是250mmx90mmx35mm的铝块，铝块底部铣削出截面为4mmx4mm的线槽，在铝块上钻12个直径为14mm圆孔后装置12根发热均匀的电热管。
（二）几何模型的建立
这篇文章选用PRO/E软件进行建模。由于实际模型较为复杂，为了减小仿真系统的核算量，提高核算速度，需对模型进行合理简化，即忽略掉一些螺纹孔和倒角等影响较小的细节部分等。树立冷却水模型时用元件操作的切除指令切割出冷却水在散热柱邻近的凹槽。因模型是轴对称模型，可取其一半进行分析。
（三）網格划分
使用ICEM-CFD软件强大的区分网格才能对模型进行网格区分。将其中最大网格尺度设为0.0lm，散热柱最大网格尺度设为0.001m，选用四面体网格区分方法。区分后模型网格总数为813317个，节点数为124532个，IGBT模块和水流模块主动复合。研究发现，网格质量良好，无负值网格存在，满足下一步核算的请求。
（四）仿真模型
依据电机控制器的构造特点，将机壳、盖板、水冷散热器、IGBT元件、电容、控制板、驱动板等部件选用实体单元模仿，装置板、母排等部件选用壳单元模仿.网格划分工作选用专业的前处理软件Hy-perMesh完结.
（五）模态分析
振荡模态是弹性构造的固有特性，经过模态剖析能够知道构造在各种振源效果下产生的实际振荡响应特征，因而，模态剖析是构造动态规划及设备故障诊断的主要办法，束缚水冷散热器上的6个装置孔，进行有束缚的模态剖析.因实验频率规模是10Hz至500Hz，故通过获取500Hz以内的各阶段振荡频率结果，将模态阶数与对应的频率值绘制成。
三、电机控制器过电流故障产生原因
过电流故障是电动车电机控制器的常见故障，主要是突变性和峰值性的电流值，通常表现为：
1.电动汽车电机控制器输出端三相线出现短路，致使过电流。
2.电动车出现冲击负载或着电动车爬坡呈现驱动电机堵转时，致使驱动电机的两相长期接通，相线电感饱满，致使过电流。
3.电动车急速刹车时，车子自身负载惯性较大，加速（减速）时间设定太短，电机控制器的作业频率上升太快，同步电机的转速迅速上升和下降，使得同步电机本来处于转子发生的磁场与定子发生的旋转磁场同步，当出现急瞬间刹车时，电机的转子转速因惯性较大，转子速度仍处于高速旋转，转子发生的磁场与定子的旋转磁场呈现转差过大，致使绕组切开磁感线太快，发生过大的感应电动势，致使发生过电流；
4.电机控制器电源侧缺相、输出侧断线、电动机内部故障致使过电流故障。
5.驱动电机受电磁干扰的影响，漏电流变大，发生轴电流、轴电压，致使电机控制器过电流。
6.电机控制器的控制电路遭到电磁干扰，致使控制信号过错，速度反应信号丢失或非正常时，也会致使过电流。
7.电机控制器的容量挑选与负载特性不匹配，致使电机控制器功能和作业反常，形成过电流；
8.电机控制器参数设定不正确和硬件电路出问题，也可以导致过电流。
9.短时间内IGBT电流值改变过大也会导致过电流；如瞬时断电，电流发生尖峰，致使过电流；电机控制器复位后再起动造成过电流。
电机控制器过电流主要是加减速时间太短、负载发生骤变、电压过低或过高、断相、短路、漏电流、电磁干扰及电机控制器内部元件故障等导致。
四、结束语
电动汽车用电机控制器的过电流保护非常重要，故障保护从电机控制器的设计之初到最终的产品，所有设计、研制、采购、加工、调试都需要分析，系统地思考故障疑问。本文根据Fluent流体剖析软件对纯电动汽车某新式电机控制器IGBT模块进行了三维温度场和流场的仿真，直观地表示出控制器IGBT模块冷却系统的温度散布状况和流场散布状况，有利于对控制器散热剖析和构造改进。通过仿真和试验，验证了该控制器的散热构造散热作用杰出，符合控制器安稳运转的目标。
作者简介：
韩新江（1977.11-），男，汉，上海，本科，研究方向：新能源汽车驱动系统研究。