碳化硅電驅(qū)動總成設計與測試

摘 要

基于進一步提升電驅(qū)動總成系統(tǒng)效率和功率密度的需求,設計了一款碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng),介紹了碳化硅控制器和驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)設計方案,并詳細闡述了碳化硅三合一電驅(qū)動總成的冷卻系統(tǒng)設計方案。為了進一步驗證該碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的性能,對電驅(qū)動總成系統(tǒng)制作樣機并搭建臺架進行測試驗證,測試結(jié)果表明,該碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(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,采用碳化硅模塊設計電驅(qū)動總成有助于提升整車電驅(qū)動系統(tǒng)功率密度,并對整車電驅(qū)動系統(tǒng)設計選型具有一定的實際參考價值。

0 引 言

新能源電驅(qū)動系統(tǒng)的核心零部件包括驅(qū)動電機、控制器以及減速器,隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展,對相關電驅(qū)動系統(tǒng)的要求也越來越高,高集成度、高效率和高功率密度成了新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。高集成化和高功率密度離不開驅(qū)動電機、電機控制器以及減速器的結(jié)構(gòu)集成,也就是用“三合一”集成設計方案來替代傳統(tǒng)的分離式結(jié)構(gòu)設計方案,這樣使得整個系統(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)動系統(tǒng)整體系統(tǒng)效率提升方面并不明顯。而對于三合一驅(qū)動系統(tǒng)總成來說,驅(qū)動電機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)效率的關鍵方式還在于提高電機控制器效率。

目前,國內(nèi)量產(chǎn)應用的三合一電驅(qū)動總成搭配的電機控制器基本選用 IGBT 模塊,這種 IGBT 模塊本身耐受工作溫度低,使用開關頻率低,也進一步限制了電機控制器的功率密度和效率的提升。而碳化硅MOSFET 作為新一代半導體材料,其可允許的工作溫度更高,開關頻率更高,可以滿足電機控制器進一步提升效率和功率密度的需求。因此,采用碳化硅MOSFET 設計的電機控制器效率更高,進而也會提升三合一電驅(qū)動總成產(chǎn)品的系統(tǒng)效率和功率密度。

國外整車廠關于碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的研究和量產(chǎn)應用較早,比較有代表性的就是特斯拉和豐田。國內(nèi)整車廠關于碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的研究也一直在進行,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)應用,但是同類型其它國內(nèi)整車廠還沒有推出可量產(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)動總成系統(tǒng)的分析研究和測試階段。

本文正是基于進一步提升電驅(qū)動總成系統(tǒng)效率和功率密度的需求,設計了一款碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng),介紹了碳化硅控制器和驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)設計方案,并詳細闡述了碳化硅三合一電驅(qū)動總成的冷卻系統(tǒng)設計方案。為了進一步驗證本文所設計碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的性能,對電驅(qū)動總成系統(tǒng)制作樣機并搭建臺架進行測試驗證,測試結(jié)果表明,本文的碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(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,對于整車電驅(qū)動系統(tǒng)設計選型及功率密度提升具有一定的實際參考價值。

1 結(jié)構(gòu)設計

1. 1 碳化硅控制器設計

功率模塊選型,不僅要考慮模塊本身的關鍵參數(shù)及可靠性,同時還要考慮所搭配電機的反電動勢、效率等因素。圖 1 為碳化硅電機控制器結(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),可以同時進行兩面散熱,模塊電壓 900 V,模塊電流 800 A,每個半橋模塊內(nèi)置一路 NTC 溫度檢測傳感器, 開關頻率可以達到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 電機結(jié)構(gòu)設計

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

1. 3 三合一總成結(jié)構(gòu)

圖 3 為本文設計的碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從圖 3 中可以看出,驅(qū)動電機前端與減速器通過螺栓連接固定,碳化硅控制器設置在驅(qū)動電機與減速器的正上方,四周有 4 個支腳分別用螺栓固定在電機和減速器上面,碳化硅控制器的三相輸出組件與驅(qū)動電機三相輸入端子連接固定,形成一個集成化的三合一總成系統(tǒng),也實現(xiàn)了機械、電氣和熱三個物理域的高度集成,可以大幅度提升系統(tǒng)的可靠性。

2 冷卻系統(tǒng)設計

三合一電驅(qū)動系統(tǒng)運行過程中所產(chǎn)生的熱量主要來自于驅(qū)動電機和電機控制器的自發(fā)熱。因此,三合一總成冷卻系統(tǒng)的設計在于驅(qū)動電機和控制器集成一體化散熱水道結(jié)構(gòu)設計。驅(qū)動電機工作時產(chǎn)生的熱量,使電機內(nèi)部各部件的溫度升高,尤其磁鋼溫升過高會引起磁鋼退磁,進而導致電機的性能輸出偏差,因此電機的冷卻系統(tǒng)設計重點在于快速將繞組和鐵心產(chǎn)生的溫度帶走,以免磁鋼過溫;電機控制器內(nèi)部的核心發(fā)熱器件為功率模塊,如果模塊溫升過高會導致內(nèi)部芯片損壞,影響電機控制器的功能正常輸出。

本文設計的碳化硅電機控制器的箱體組件上面集成有進水管和出水管,控制器出水管與驅(qū)動電機的進水管通過一段軟管連接,這樣電機控制器的冷卻水道和驅(qū)動電機的冷卻水道就串聯(lián)為一個集成一體化的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖 4 為本文設計的碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的冷卻水道結(jié)構(gòu)模型。工作時,冷卻液最先由整車的冷卻循環(huán)系統(tǒng)進入碳化硅電機控制器內(nèi)部的雙面水冷散熱器,對碳化硅功率模塊進行雙面冷卻,然后再流入驅(qū)動電機機殼的冷卻水道內(nèi)部,并對驅(qū)動電機進行冷卻,最終冷卻液從驅(qū)動電機的出水管處流出,完成對碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的冷卻散熱。

3 臺架測試

本文設計的三合一電驅(qū)動總成的驅(qū)動電機峰值輸出功率 155 kW,峰值轉(zhuǎn)矩為 300 N·m。為了進一步驗證本文碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)性能,對電驅(qū)動總成系統(tǒng)制作樣機并搭建臺架進行測試驗證。圖 5 為本文測試臺架。利用此臺架分別對系統(tǒng)進行外特性測試、控制器效率測試和系統(tǒng)效率測試。實驗時環(huán)境溫度 30 ℃ ,冷卻液入口溫度 65 ℃ ,流量為 8 L / min。

3. 1 系統(tǒng)外特性測試

圖 6 為本文碳化硅三合一系統(tǒng)總成的外特性測試結(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,本文所設計的碳化硅電機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。通過軟件計算碳化硅電機控制器效率,大于 90%的高效區(qū)面積占比約 92. 2%。

為了更好地對比分析,將本文三合一電驅(qū)動總成的碳化硅控制器替換成用 IGBT 模塊設計的控制器(型號:GD820HTX75P6H)再次進行效率測試,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?本文設計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)效率測試

圖 9 為本文設計的三合一總成系統(tǒng)效率 MAP圖。從圖 9 可以看出,本文設計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,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,這是因為系統(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

本文正是基于進一步提升電驅(qū)動總成系統(tǒng)效率和功率密度的需求,設計了一款碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng),介紹了碳化硅控制器和驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)設計方案,并詳細闡述了碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設計方案。為了進一步驗證本文所設計碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)的性能,對該電驅(qū)動總成系統(tǒng)制作樣機并搭建臺架進行測試驗證,測試結(jié)果表明:

1)本文的碳化硅三合一電驅(qū)動總成系統(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 模塊開發(fā)的控制器;

2)采用碳化硅模塊可以提升開關頻率、大幅度降低電機控制器損耗,進而提升電驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度,同時開關頻率提高還可以減小薄膜電容體積,減小電機控制器的體積,進而提升系統(tǒng)功率密度,這對于整車驅(qū)動系統(tǒng)設計選型具有一定的實際參考價值。