碳化硅电驱动总成设计与测试

摘 要

基于进一步提升电驱动总成系统效率和功率密度的需求,设计了一款碳化硅三合一电驱动总成系统,介绍了碳化硅控制器和驱动电机的结构设计方案,并详细阐述了碳化硅三合一电驱动总成的冷却系统设计方案。为了进一步验证该碳化硅三合一电驱动总成系统的性能,对电驱动总成系统制作样机并搭建台架进行测试验证,测试结果表明,该碳化硅三合一电驱动总成系统的整体性能优越,且碳化硅控制器效率明显优于采用 IGBT 模块的控制器,采用碳化硅模块设计电驱动总成有助于提升整车电驱动系统功率密度,并对整车电驱动系统设计选型具有一定的实际参考价值。

0 引 言

新能源电驱动系统的核心零部件包括驱动电机、控制器以及减速器,随着新能源汽车行业的快速发展,对相关电驱动系统的要求也越来越高,高集成度、高效率和高功率密度成了新能源汽车电驱动系统发展的必然趋势。高集成化和高功率密度离不开驱动电机、电机控制器以及减速器的结构集成,也就是用“三合一”集成设计方案来替代传统的分离式结构设计方案,这样使得整个系统体积更小、质量更轻、布置更灵活、功率密度更高。虽然,通过这种物理集成方式可以减小体积、提升系统功率密度,但是在电驱动系统整体系统效率提升方面并不明显。而对于三合一驱动系统总成来说,驱动电机本身受电磁方案的限制很难大幅度提升效率,因此,提升三合一总成系统效率的关键方式还在于提高电机控制器效率。

目前,国内量产应用的三合一电驱动总成搭配的电机控制器基本选用 IGBT 模块,这种 IGBT 模块本身耐受工作温度低,使用开关频率低,也进一步限制了电机控制器的功率密度和效率的提升。而碳化硅MOSFET 作为新一代半导体材料,其可允许的工作温度更高,开关频率更高,可以满足电机控制器进一步提升效率和功率密度的需求。因此,采用碳化硅MOSFET 设计的电机控制器效率更高,进而也会提升三合一电驱动总成产品的系统效率和功率密度。

国外整车厂关于碳化硅三合一电驱动总成系统的研究和量产应用较早,比较有代表性的就是特斯拉和丰田。国内整车厂关于碳化硅三合一电驱动总成系统的研究也一直在进行,以比亚迪汉为代表的碳化硅三合一系统已经获得量产应用,但是同类型其它国内整车厂还没有推出可量产的三合一碳化硅产品,基本停留在碳化硅三合一电驱动总成系统的分析研究和测试阶段。

本文正是基于进一步提升电驱动总成系统效率和功率密度的需求,设计了一款碳化硅三合一电驱动总成系统,介绍了碳化硅控制器和驱动电机的结构设计方案,并详细阐述了碳化硅三合一电驱动总成的冷却系统设计方案。为了进一步验证本文所设计碳化硅三合一电驱动总成系统的性能,对电驱动总成系统制作样机并搭建台架进行测试验证,测试结果表明,本文的碳化硅三合一电驱动总成系统的整体性能优越,且碳化硅控制器效率明显优于采用 IGBT 模块的控制器,对于整车电驱动系统设计选型及功率密度提升具有一定的实际参考价值。

1 结构设计

1. 1 碳化硅控制器设计

功率模块选型,不仅要考虑模块本身的关键参数及可靠性,同时还要考虑所搭配电机的反电动势、效率等因素。图 1 为碳化硅电机控制器结构方案。

图 1(a)为本文选用的碳化硅模块,其上下底面均为铜材质 DBC 结构,可以同时进行两面散热,模块电压 900 V,模块电流 800 A,每个半桥模块内置一路 NTC 温度检测传感器, 开关频率可以达到2 kHz~30 kHz。

图 1( b)为本文的碳化硅控制器结构方案。从图 1( b)中可以看出,本文的碳化硅控制器主要包括箱盖、薄膜电容、碳化硅模块、三相组件、箱体组件、正负输入组件以及电路板等。箱体分为上腔体和下腔体,除了电路板安装在下腔体以外,所有零部件均安装在箱体的上腔体里面。碳化硅模块搭配有双面水冷散热器并通过板簧夹紧固定在箱体上底面,其模块输入和输出侧铜端子均竖直朝向,并分别与电容端子和三相输出极板接触连接,连接处均采用激光焊接工艺代替传统的螺栓连接方式固定。

1. 2 电机结构设计

图 2 为本文所设计的三合一总成驱动电机结构图。电机主要包括转子、定子、机壳、后端盖、旋转变压器 和 盖 板 等 零 件。电 机 定 子 铁 心 外 径 选 择φ230 mm 的冲片叠压而成,驱动电机机壳自带的螺旋式冷却水道通过砂心成型,然后将成型的水道砂心放置在电机机壳模具内部低压铸造成型机壳,电机的前端盖与减速器的右半壳体一体化成型,实际装配过程中先完成减速器装配,再在减速器的基础上完成电机总成装配。

1. 3 三合一总成结构

图 3 为本文设计的碳化硅三合一电驱动总成系统结构。从图 3 中可以看出,驱动电机前端与减速器通过螺栓连接固定,碳化硅控制器设置在驱动电机与减速器的正上方,四周有 4 个支脚分别用螺栓固定在电机和减速器上面,碳化硅控制器的三相输出组件与驱动电机三相输入端子连接固定,形成一个集成化的三合一总成系统,也实现了机械、电气和热三个物理域的高度集成,可以大幅度提升系统的可靠性。

2 冷却系统设计

三合一电驱动系统运行过程中所产生的热量主要来自于驱动电机和电机控制器的自发热。因此,三合一总成冷却系统的设计在于驱动电机和控制器集成一体化散热水道结构设计。驱动电机工作时产生的热量,使电机内部各部件的温度升高,尤其磁钢温升过高会引起磁钢退磁,进而导致电机的性能输出偏差,因此电机的冷却系统设计重点在于快速将绕组和铁心产生的温度带走,以免磁钢过温;电机控制器内部的核心发热器件为功率模块,如果模块温升过高会导致内部芯片损坏,影响电机控制器的功能正常输出。

本文设计的碳化硅电机控制器的箱体组件上面集成有进水管和出水管,控制器出水管与驱动电机的进水管通过一段软管连接,这样电机控制器的冷却水道和驱动电机的冷却水道就串联为一个集成一体化的冷却系统结构。图 4 为本文设计的碳化硅三合一电驱动总成系统的冷却水道结构模型。工作时,冷却液最先由整车的冷却循环系统进入碳化硅电机控制器内部的双面水冷散热器,对碳化硅功率模块进行双面冷却,然后再流入驱动电机机壳的冷却水道内部,并对驱动电机进行冷却,最终冷却液从驱动电机的出水管处流出,完成对碳化硅三合一电驱动总成系统的冷却散热。

3 台架测试

本文设计的三合一电驱动总成的驱动电机峰值输出功率 155 kW,峰值转矩为 300 N·m。为了进一步验证本文碳化硅三合一电驱动总成系统性能,对电驱动总成系统制作样机并搭建台架进行测试验证。图 5 为本文测试台架。利用此台架分别对系统进行外特性测试、控制器效率测试和系统效率测试。实验时环境温度 30 ℃ ,冷却液入口温度 65 ℃ ,流量为 8 L / min。

3. 1 系统外特性测试

图 6 为本文碳化硅三合一系统总成的外特性测试结果。从图 6 中可以看出,该三合一总成可以稳定输出 155 kW 的峰值功率和 300 N·m 的峰值扭矩。

3. 2 控制器效率测试

图 7(a)为碳化硅控制器效率。由图 7(a)可以看出,本文所设计的碳化硅电机控制器最高效率约为 99. 2%,最低效率为 89%。图 7(b)为控制器效率MAP 图。通过软件计算碳化硅电机控制器效率,大于 90%的高效区面积占比约 92. 2%。

为了更好地对比分析,将本文三合一电驱动总成的碳化硅控制器替换成用 IGBT 模块设计的控制器(型号:GD820HTX75P6H)再次进行效率测试,图8 为 IGBT 模块控制器效率 MAP 图。从图 8 可以看出,采用 IGBT 模块的电机控制器最高效率约为98. 45%,其控制器效率大于 90%的高效区面积占比约 85. 17%。可见,本文设计的碳化硅控制器最高效率和高效区占比相比于 IGBT 控制器均有比较出色的表现。

3. 3 系统效率测试

图 9 为本文设计的三合一总成系统效率 MAP图。从图 9 可以看出,本文设计的三合一总成的最高系统效率为 96. 4%,系统效率大于 85%高效区占比为 85. 1%。由此可见,碳化硅三合一系统的最高效率和高效区占比都是非常高的,这是因为系统采用碳化硅模块,可以大幅度减小碳化硅控制器的损耗,进而提升碳化硅控制器的效率,也使得系统效率得到了提升。

4 结 语

本文正是基于进一步提升电驱动总成系统效率和功率密度的需求,设计了一款碳化硅三合一电驱动总成系统,介绍了碳化硅控制器和驱动电机的结构设计方案,并详细阐述了碳化硅三合一电驱动总成系统的冷却系统设计方案。为了进一步验证本文所设计碳化硅三合一电驱动总成系统的性能,对该电驱动总成系统制作样机并搭建台架进行测试验证,测试结果表明:

1)本文的碳化硅三合一电驱动总成系统的整体性能优越,且碳化硅控制器效率明显优于采用IGBT 模块开发的控制器;

2)采用碳化硅模块可以提升开关频率、大幅度降低电机控制器损耗,进而提升电驱动系统的功率密度,同时开关频率提高还可以减小薄膜电容体积,减小电机控制器的体积,进而提升系统功率密度,这对于整车驱动系统设计选型具有一定的实际参考价值。