碳化矽電驅動總成設計與測試

圖1(a)為本文選用的碳化碳化矽模塊,其上下底麵均為銅材質DBC結構,可以同時進行兩麵散熱,模塊電壓900V,模塊電流800A,每個半橋模塊內置一路NTC溫度檢測傳感器,開關頻率可以達到2kHz~30kHz。碳化矽模塊搭配有雙麵水冷散熱器並通過板簧夾緊固定在箱體上底麵,硅电其模塊輸入和輸出側銅端子均豎直朝向,並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傳統的螺栓連接方式固定。加VX：tuoke08。驱动布置更靈活、总成定子、设计

1.2電機結構設計

圖2為本文所設計的测试三合一總成驅動電機結構圖。圖7(b)為控製器效率MAP圖。碳化從圖3中可以看出,硅电驅動電機前端與減速器通過螺栓連接固定,碳化矽控製器設置在驅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麵,碳化矽控製器的三相輸出組件與驅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係統,也實現了機械、由圖7(a)可以看出,驱动本文所設計的碳化矽電機控製器最高效率約為99.2%,最低效率為89%。雖然,总成通過這種物理集成方式可以減小體積、機殼、设计從圖6中可以看出,测试該三合一總成可以穩定輸出155kW的峰值功率和300N·m的峰值扭矩。

本文正是碳化基於進一步提升電驅動總成係統效率和功率密度的需求,設計了一款碳化矽三合一電驅動總成係統,介紹了碳化矽控製器和驅動電機的結構設計方案,並詳細闡述了碳化矽三合一電驅動總成的冷卻係統設計方案。高效率和高功率密度成了新能源汽車電驅動係統發展的硅电必然趨勢。功率密度更高。驱动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裏麵。正負輸入組件以及電路板等。從圖8可以看出,采用IGBT模塊的電機控製器最高效率約為98.45%,其控製器效率大於90%的高效區麵積占比約85.17%。

2冷卻係統設計

三合一電驅動係統運行過程中所產生的熱量主要來自於驅動電機和電機控製器的自發熱。

目前,國內量產應用的三合一電驅動總成搭配的電機控製器基本選用IGBT模塊,這種IGBT模塊本身耐受工作溫度低,使用開關頻率低,也進一步限製了電機控製器的功率密度和效率的提升。

為了更好地對比分析,將本文三合一電驅動總成的碳化矽控製器替換成用IGBT模塊設計的控製器(型號:GD820HTX75P6H)再次進行效率測試,圖8為IGBT模塊控製器效率MAP圖。實驗時環境溫度30℃,冷卻液入口溫度65℃,流量為8L/min。圖4為本文設計的碳化矽三合一電驅動總成係統的冷卻水道結構模型。由此可見,碳化矽三合一係統的最高效率和高效區占比都是非常高的,這是因為係統采用碳化矽模塊,可以大幅度減小碳化矽控製器的損耗,進而提升碳化矽控製器的效率,也使得係統效率得到了提升。電機控製器以及減速器的結構集成,也就是用“三合一”集成設計方案來替代傳統的分離式結構設計方案,這樣使得整個係統體積更小、為了進一步驗證該碳化矽三合一電驅動總成係統的性能,對電驅動總成係統製作樣機並搭建台架進行測試驗證,測試結果表明,該碳化矽三合一電驅動總成係統的整體性能優越,且碳化矽控製器效率明顯優於采用IGBT模塊的控製器,采用碳化矽模塊設計電驅動總成有助於提升整車電驅動係統功率密度,並對整車電驅動係統設計選型具有一定的實際參考價值。從圖1(b)中可以看出,本文的碳化矽控製器主要包括箱蓋、質量更輕、大幅度降低電機控製器損耗,進而提升電驅動係統的功率密度,同時開關頻率提高還可以減小薄膜電容體積,減小電機控製器的體積,進而提升係統功率密度,這對於整車驅動係統設計選型具有一定的實際參考價值。而碳化矽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,可以滿足電機控製器進一步提升效率和功率密度的需求。圖5為本文測試台架。

0引言

新能源電驅動係統的核心零部件包括驅動電機、薄膜電容、

圖1(b)為本文的碳化矽控製器結構方案。可見,本文設計的碳化矽控製器最高效率和高效區占比相比於IGBT控製器均有比較出色的表現。工作時,冷卻液最先由整車的冷卻循環係統進入碳化矽電機控製器內部的雙麵水冷散熱器,對碳化矽功率模塊進行雙麵冷卻,然後再流入驅動電機機殼的冷卻水道內部,並對驅動電機進行冷卻,最終冷卻液從驅動電機的出水管處流出,完成對碳化矽三合一電驅動總成係統的冷卻散熱。電機主要包括轉子、碳化矽模塊、控製器效率測試和係統效率測試。為了進一步驗證本文碳化矽三合一電驅動總成係統性能,對電驅動總成係統製作樣機並搭建台架進行測試驗證。國內整車廠關於碳化矽三合一電驅動總成係統的研究也一直在進行,以比亞迪漢為代表的碳化矽三合一係統已經獲得量產應用,但是同類型其它國內整車廠還沒有推出可量產的三合一碳化矽產品,基本停留在碳化矽三合一電驅動總成係統的分析研究和測試階段。

國外整車廠關於碳化矽三合一電驅動總成係統的研究和量產應用較早,比較有代表性的就是特斯拉和豐田。通過軟件計算碳化矽電機控製器效率,大於90%的高效區麵積占比約92.2%。後端蓋、從圖9可以看出,本文設計的三合一總成的最高係統效率為96.4%,係統效率大於85%高效區占比為85.1%。箱體組件、控製器以及減速器,隨著新能源汽車行業的快速發展,對相關電驅動係統的要求也越來越高,高集成度、為了進一步驗證本文所設計碳化矽三合一電驅動總成係統的性能,對電驅動總成係統製作樣機並搭建台架進行測試驗證,測試結果表明,本文的碳化矽三合一電驅動總成係統的整體性能優越,且碳化矽控製器效率明顯優於采用IGBT模塊的控製器,對於整車電驅動係統設計選型及功率密度提升具有一定的實際參考價值。提升係統功率密度,但是在電驅動係統整體係統效率提升方麵並不明顯。而對於三合一驅動係統總成來說,驅動電機本身受電磁方案的限製很難大幅度提升效率,因此,提升三合一總成係統效率的關鍵方式還在於提高電機控製器效率。高集成化和高功率密度離不開驅動電機、為了進一步驗證本文所設計碳化矽三合一電驅動總成係統的性能,對該電驅動總成係統製作樣機並搭建台架進行測試驗證,測試結果表明:

1)本文的碳化矽三合一電驅動總成係統的整體性能優越,且碳化矽控製器效率明顯優於采用IGBT模塊開發的控製器;

2)采用碳化矽模塊可以提升開關頻率、因此,三合一總成冷卻係統的設計在於驅動電機和控製器集成一體化散熱水道結構設計。電機定子鐵心外徑選擇φ230mm的衝片疊壓而成,驅動電機機殼自帶的螺旋式冷卻水道通過砂心成型,然後將成型的水道砂心放置在電機機殼模具內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。加入三代半交流群，

1.3三合一總成結構

圖3為本文設計的碳化矽三合一電驅動總成係統結構。電氣和熱三個物理域的高度集成,可以大幅度提升係統的可靠性。

作者：陳登峰,宋君峰,位超群(上海汽車電驅動有限公司，

3.3係統效率測試

圖9為本文設計的三合一總成係統效率MAP圖。三相組件、利用此台架分別對係統進行外特性測試、效率等因素。

3.2控製器效率測試

圖7(a)為碳化矽控製器效率。

驅動電機工作時產生的熱量,使電機內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,因此電機的冷卻係統設計重點在於快速將繞組和鐵心產生的溫度帶走,以免磁鋼過溫;電機控製器內部的核心發熱器件為功率模塊,如果模塊溫升過高會導致內部芯片損壞,影響電機控製器的功能正常輸出。旋轉變壓器和蓋板等零件。

4結語

本文正是基於進一步提升電驅動總成係統效率和功率密度的需求,設計了一款碳化矽三合一電驅動總成係統,介紹了碳化矽控製器和驅動電機的結構設計方案,並詳細闡述了碳化矽三合一電驅動總成係統的冷卻係統設計方案。

1結構設計

1.1碳化矽控製器設計

功率模塊選型,不僅要考慮模塊本身的關鍵參數及可靠性,同時還要考慮所搭配電機的反電動勢、

本文設計的碳化矽電機控製器的箱體組件上麵集成有進水管和出水管,控製器出水管與驅動電機的進水管通過一段軟管連接,這樣電機控製器的冷卻水道和驅動電機的冷卻水道就串聯為一個集成一體化的冷卻係統結構。上海汽車電驅動工程技術研究中心)

摘要：基於進一步提升電驅動總成係統效率和功率密度的需求,設計了一款碳化矽三合一電驅動總成係統,介紹了碳化矽控製器和驅動電機的結構設計方案,並詳細闡述了碳化矽三合一電驅動總成的冷卻係統設計方案。

3台架測試

本文設計的三合一電驅動總成的驅動電機峰值輸出功率155kW,峰值轉矩為300N·m。

3.1係統外特性測試

圖6為本文碳化矽三合一係統總成的外特性測試結果。因此,采用碳化矽MOSFET設計的電機控製器效率更高,進而也會提升三合一電驅動總成產品的係統效率和功率密度。