CN112448657A - 一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法及装置 - Google Patents

一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法及装置，方法包括：根据电机驱动器中功率模块的实时数据和实时结温，得到功率模块实时损耗；根据功率模块实时损耗及功率模块热网络模型，得到第一结温值、第二结温值和第三结温值；根据电机驱动器的输出频率，将其工作状态分为低频段或高频段；在低频段，调制方式采用SVPWM连续调制方式，根据第一结温值和第一滞环比较器，得到第一开关频率，根据第二结温值和第二滞环比较器，得到第二开关频率；在高频段，根据第三结温值和第三滞环比较器，调制方式在SVPWM连续调制方式和DPWM不连续调制方式之间切换。本发明针对电机驱动器工作状态使用不同的控制策略，提高了电机驱动器可靠性，且性能影响小。

Description

一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电动汽车电机驱动器领域，具体涉及一种驱动器的主动温度控制方法及装置。
背景技术
随着世界经济快速发展，汽车数量迅速增加，电动汽车作为一种无尾气污染、低噪声绿色车辆具有良好的发展前景，已经成为了新能源汽车领域的研究热点。电动汽车作为一种交通工具，人们对其性能和可靠性有着较高要求，高性能的电机驱动器是电动汽车的核心技术，功率模块又是电机驱动器的核心组件。作为最基础的核心元件，功率器件是电力系统最易损坏的部分。因此，电力电子器件的可靠性问题正在引发越来越多的关注，而可靠性问题的根源在于热应力引起的材料形变。
当器件热负荷增大或散热能力下降时，壳温急剧上升，达到热平衡时平均结温较高，会引起过热失效。此外，由于器件各层材料特性和制造工艺不同，当功率加载到器件上，各层热膨胀程度不一致，会出现裂纹甚至断裂形成的失效，特别是器件内部结温波动较大时。因此，不加以控制的平均结温和结温波动会影响器件的功率循环能力，功率循环的疲劳累计使得器件的结温超出安全应用范围，发生损坏，减少器件使用寿命。
在电动汽车的应用中，随着行驶状态、路况等因素的变化，其转速具有随机性和不确定性，在电机的启动和制动期间，电流的大幅度变化会导致功率半导体器件出现高温摆幅，器件一直处于一个不稳定的工况下运行，结温频繁变化，波动大。而功率模块内部温度循环的频繁变化必然会加快模块老化失效过程，使得使用寿命远远不及预期。为了避免驱动器过热而影响电机安全的情况发生，电机驱动的热管理越来越引起重视。
目前电机驱动器多采用被动温度控制，以最恶劣的工况环境(电机堵转时)为参考环境，在系统控制中设定固定的电流/转矩/功率值，留有较大的安全裕量。这样虽然确保了功率模块温度保持在安全范围内，却不可避免地忽略了实时温度对系统的影响，不能充分挖掘驱动系统潜在的带载能力。而对于风扇、大散热器这样的被动温度控制方法，一方面受到成本和技术的限制；另一方面无法从源头上减小器件的热应力冲击，一旦状态确定后，基本上没有调节的余地。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于电动汽车驱动器的主动温度控制方法及装置，针对低频段和高频段分别使用不同的控制策略，大大提高了电机驱动器的可靠性，且对其性能影响很小。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，本发明提出一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法，包括：
根据电机驱动器中功率模块的实时数据和实时结温，计算得到功率模块实时损耗；
根据功率模块实时损耗及功率模块热网络模型，得到第一结温值、第二结温值和第三结温值；
根据电机驱动器的输出频率，将其工作状态分为低频段或高频段；
在低频段，调制方式采用SVPWM连续调制方式，根据第一结温值和第一滞环比较器，得到第一开关频率，同时根据第二结温值和第二滞环比较器，得到第二开关频率，第一开关频率和第二开关频率中较小者为电机驱动器的开关频率；
在高频段，根据第三结温值和第三滞环比较器，调制方式在SVPWM连续调制方式和DPWM不连续调制方式之间切换；
其中，所述第一结温值为功率模块一个控制周期内结温波动最大值，所述第二结温值为功率模块一个控制周期内平均结温值，所述第三结温值为功率模块一个控制周期内平均结温值。
进一步的，所述电机驱动器包括由六个功率模块组成的三相桥臂，所述功率模块包括一个功率开关管及一个反向并联的功率二极管。
进一步的，根据电机驱动器中功率模块的实时数据和实时结温，计算得到功率模块实时损耗：
Figure RE-GDA0002830098050000031
其中，Ploss为功率模块的损耗，PQ_cond为功率开关管的导通损耗，PD_cond为功率二极管的导通损耗，PQ_SW为功率开关管的开关损耗，PD_rec为功率二极管的反向恢复损耗， UQ_cond为功率开关管的导通电压，iC为导通电流，δT为占空比，UD_cond为功率二极管导通电压，fSW为开关频率，Eon为功率开关管开通一次能耗，Eoff为功率开关管关断一次的能耗， Urated为数据手册测定损耗时的额定电压，UQ_SW为功率开关管开关过程中实际承受的电压， Erec为功率二极管反向恢复一次的能耗，UD_rec为功率二极管反向恢复过程中实际承受的电压。
进一步的，根据数据手册或有限元仿真或实验得到功率模块的热阻抗曲线：
Figure RE-GDA0002830098050000032
其中，Zjc(t)为功率模块结壳热阻抗，Tj(t)为结温，Tc(t)为壳温，Ploss为功率模块损耗；
根据热阻抗曲线，由公式
Figure RE-GDA0002830098050000033
指数级拟合后得到热网络模型的各阶热阻、热容值，从而得到功率模块的热网络模型；
其中，Rthi为功率模块第i阶热阻，τi＝RthiCthi为时间常数，Cthi为第i阶热容，n为阶数；
根据热网络模型和初始壳温，得到功率模块的实时结温曲线，从而得到第一结温值、第二结温值及第三结温值。
进一步的，所述实时数据包括功率模块的导通电压、导通电流、开关频率及占空比。
第二方面，本发明提出一种用于电动汽车驱动器的主动温度控制装置，包括：
损耗计算模块，用于根据功率模块的实时数据和实时结温，计算得到功率模块的实时损耗；
结温获取模块，用于根据所述功率模块的实时损耗和功率模块的热网络模型，得到功率模块的实时结温曲线；
数值计算模块，用于根据所述实时结温曲线，得到所述第一结温值、第二结温值和第三结温值；
输出频率分段模块，用于根据电机驱动器的输出频率，将其工作状态分为低频段及高频段；
滞环频率控制模块，用于在低频段，根据第一结温值和第一滞环比较器，得到第一开关频率；同时根据第二结温值和第二滞环比较器，得到第二开关频率；选择所述第一开关频率和所述第二开关频率中较小者为电机驱动器的开关频率；
滞环调制方式控制模块，用于在高频段，根据所述第三结温值和第三滞环比较器，将电机驱动器的调制方式在SVPWM连续调制方式和DPWM不连续调制方式之间切换。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
在电动汽车用电机驱动器的实际工况中，输出频率较低即低频段时，功率循环次数主要受结温波动和平均结温的共同影响；输出频率较高即高频段时，结温波动很小，功率循环次数主要受平均结温的影响。因此，结合输出频率对结温的影响，将输出频率的动态变化纳入到主动温度控制中是很有必要的。本发明针对低频段和高频段分别使用不同的控制策略，大大提高了电机驱动器的可靠性，且对其性能影响很小。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的电动汽车电机驱动器主功率电路拓扑图；
图3是本发明一实施例提供的功率模块Foster热网络模型示意图；
图4是本发明一实施例提供的功率模块平均结温Tj,avg和结温波动ΔTj对功率循环次数 Nf的影响示意图；
图5是本发明一实施例提供的输出频率fo对平均结温Tj,avg和结温波动ΔTj的影响示意图；
图6是本发明一实施例提供的一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制装置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明一实施例提供的一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法流程示意图，包括：
根据电机驱动器中功率模块的实时数据和实时结温，计算得到功率模块实时损耗；
根据功率模块实时损耗及功率模块热网络模型，得到第一结温值、第二结温值和第三结温值；
根据电机驱动器的输出频率，将其工作状态分为低频段或高频段；
在低频段，调制方式采用SVPWM连续调制方式，根据第一结温值和第一滞环比较器，得到第一开关频率，同时根据第二结温值和第二滞环比较器，得到第二开关频率，第一开关频率和第二开关频率中较小者为电机驱动器的开关频率；
在高频段，根据第三结温值和第三滞环比较器，调制方式在SVPWM连续调制方式和DPWM不连续调制方式之间切换；
其中，所述第一结温值为功率模块一个控制周期内结温波动最大值，所述第二结温值为功率模块一个控制周期内平均结温值，所述第三结温值为功率模块一个控制周期内平均结温值。
图2示出了本发明一实施例提供的电动汽车电机驱动器主功率电路拓扑图，所述电机驱动器包括直流母线电压、输入电容、永磁同步电机PAMS以及由六个功率模块组成的三相桥臂，所述功率模块包括一个功率开关管及一个反向并联的功率二极管。
本实施例根据电机驱动器功率模块的损耗与热网络模型得出实时温度、结温波动和平均结温作为控制反馈量，主动管理功率模块的结温及其波动范围，并与电压逆变器的调制方式集成，保证电机驱动器高可靠性的同时实现输出性能最大化利用，是未来电动汽车电机驱动器的一种有力竞争方案。
具体的，根据电机驱动器中功率模块的实时数据和实时结温，计算得到功率模块实时损耗：
Figure RE-GDA0002830098050000061
其中，Ploss为功率模块的损耗，PQ_cond为功率开关管的导通损耗，PD_cond为功率二极管的导通损耗，PQ_SW为功率开关管的开关损耗，PD_rec为功率二极管的反向恢复损耗， UQ_cond为功率开关管的导通电压，iC为导通电流，δT为占空比，UD_cond为功率二极管导通电压，fSW为开关频率，Eon为功率开关管开通一次能耗，Eoff为功率开关管关断一次的能耗， Urated为数据手册测定损耗时的额定电压，UQ_SW为功率开关管开关过程中实际承受的电压， Erec为功率二极管反向恢复一次的能耗，UD_rec为功率二极管反向恢复过程中实际承受的电压。
图3示出了本发明一实施例提供的功率模块Foster热网络模型，包括：
根据数据手册或有限元仿真或实验得到功率模块的热阻抗曲线：
Figure RE-GDA0002830098050000062
其中，Zjc(t)为功率模块结壳热阻抗，Tj(t)为结温，Tc(t)为壳温，Ploss为功率模块损耗；根据热阻抗曲线，由公式
Figure RE-GDA0002830098050000071
指数级拟合后得到热网络模型的各阶热阻、热容值，从而得到功率模块的热网络模型；
其中，Rthi为功率模块第i阶热阻，τi＝RthiCthi为时间常数，Cthi为第i阶热容，n为阶数；
根据热网络模型和初始壳温，得到功率模块的实时结温曲线，从而得到第一结温值、第二结温值及第三结温值。
图4示出了本发明一实施例提供的功率模块平均结温Tj,avg和结温波动ΔTj对功率循环次数Nf的影响；
其中，平均结温和结温波动影响器件运行寿命，且结温波动对器件运行寿命影响更大，为了提高器件可靠性，必须把两者结合考虑，应该在减小温度波动的同时，也降低平均温度，提高器件的功率循环次数。
图5示出了本发明一实施例提供的输出频率fo对平均结温Tj，avg和结温波动ΔTj的影响；
其中，当电机驱动器工作在较低的输出频率(fo≤fc)时，功率模块的平均结温和结温波动都很高，容易发生热击穿，因此在低频段要既要考虑平均结温，也要考虑结温波动；当输出频率较大(fo>fc)时，输出周期时间小，器件升温和降温的时间也较为短暂，结温波动很小，因此在高频段，只考虑降低平均结温，减小控制复杂度。
图6示出了本发明一实施例提供的一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制装置示意图，包括：
损耗计算模块，用于根据功率模块的实时数据和实时结温，计算得到功率模块的实时损耗，包括：
Figure RE-GDA0002830098050000081
其中，Ploss为功率模块的损耗，PQ_cond为功率开关管的导通损耗，PD_cond为功率二极管的导通损耗，PQ_SW为功率开关管的开关损耗，PD_rec为功率二极管的反向恢复损耗， UQ_cond为功率开关管的导通电压，iC为导通电流，δT为占空比，UD_cond为功率二极管导通电压，fSW为开关频率，Eon为功率开关管开通一次能耗，Eoff为功率开关管关断一次的能耗， Urated为数据手册测定损耗时的额定电压，UQ_SW为功率开关管开关过程中实际承受的电压， Erec为功率二极管反向恢复一次的能耗，UD_rec为功率二极管反向恢复过程中实际承受的电压。
结温获取模块，用于根据所述功率模块的实时损耗和功率模块的热网络模型，得到功率模块的实时结温曲线。包括：
根据数据手册或有限元仿真或实验得到功率模块的热阻抗曲线：
Figure RE-GDA0002830098050000082
其中，Zjc(t)为功率模块结壳热阻抗，Tj(t)为结温，Tc(t)为壳温，Ploss为功率模块损耗；
根据热阻抗曲线，由公式
Figure RE-GDA0002830098050000083
指数级拟合后得到热网络模型的各阶热阻、热容值，从而得到功率模块的热网络模型；
其中，Rthi为功率模块第i阶热阻，τi＝RthiCthi为时间常数，Cthi为第i阶热容，n为阶数；
数值计算模块，用于根据所述实时结温曲线，得到所述第一结温值、第二结温值和第三结温值；
具体的，根据热网络模型和初始壳温，得到功率模块的实时结温曲线，从而得到第一结温值、第二结温值及第三结温值。
输出频率分段模块，用于根据电机驱动器的输出频率，将其工作状态分为低频段及高频段；
具体的，根据输出频率分段参考值fc，当电机驱动器工作在fo≤fc的低频段时，控制装置执行滞环频率控制模块；当电机驱动器工作在fo>fc的高频段时，控制装置执行滞环调制方式控制模块。
滞环频率控制模块，用于在低频段，根据第一结温值和第一滞环比较器，得到第一开关频率；同时根据第二结温值和第二滞环比较器，得到第二开关频率；选择所述第一开关频率和所述第二开关频率中较小者为电机驱动器的开关频率；
具体的，所述第一滞环比较器以第一结温值为控制量，当第一结温值增大时，经过第一滞环比较器控制开关频率逐档下降，此时第一滞环比较器输出第一开关频率；所述第二滞环比较器以第二结温值为控制量，当第二结温值增大时，经过第二滞环比较器控制开关频率逐档下降，此时第二滞环比较器输出第二开关频率；
滞环调制方式控制模块，用于在高频段，根据所述第三结温值和第三滞环比较器，将电机驱动器的调制方式在SVPWM连续调制方式和DPWM不连续调制方式之间切换。
具体的，所述第三滞环比较器以第三结温值为控制量，第三滞环比较器的横坐标是平均结温，纵坐标为M。当平均结温<Tc时，M＝1，对应的调制方式为SVPWM连续调制方式；当平均结温>Tc时，M＝0，对应的调制方式为DPWM不连续调制方式。
本发明提出了一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法及装置，针对电动汽车电机驱动器输出频率的低频段和高频段分别采用了不同的控制策略，大大提高了电机驱动器的可靠性，且对其性能影响很小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法，其特征在于，包括：
根据电机驱动器中功率模块的实时数据和实时结温，计算得到功率模块实时损耗；
根据功率模块实时损耗及功率模块热网络模型，得到第一结温值、第二结温值和第三结温值；
根据电机驱动器的输出频率，将其工作状态分为低频段或高频段；
在低频段，调制方式采用SVPWM连续调制方式，根据第一结温值和第一滞环比较器，得到第一开关频率，同时根据第二结温值和第二滞环比较器，得到第二开关频率，第一开关频率和第二开关频率中较小者为电机驱动器的开关频率；
在高频段，根据第三结温值和第三滞环比较器，调制方式在SVPWM连续调制方式和DPWM不连续调制方式之间切换；
其中，所述第一结温值为功率模块一个控制周期内结温波动最大值，所述第二结温值为功率模块一个控制周期内平均结温值，所述第三结温值为功率模块一个控制周期内平均结温值。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法，其特征在于：所述电机驱动器包括由六个功率模块组成的三相桥臂，所述功率模块包括一个功率开关管及一个反向并联的功率二极管。
3.根据权利要求1所述的用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法，其特征在于：根据电机驱动器中功率模块的实时数据和实时结温，计算得到功率模块实时损耗：
Figure RE-FDA0002830098040000011
其中，Ploss为功率模块的损耗，PQ_cond为功率开关管的导通损耗，PD_cond为功率二极管的导通损耗，PQ_SW为功率开关管的开关损耗，PD_rec为功率二极管的反向恢复损耗，UQ_cond为功率开关管的导通电压，iC为导通电流，δT为占空比，UD_cond为功率二极管导通电压，fSW为开关频率，Eon为功率开关管开通一次能耗，Eoff为功率开关管关断一次的能耗，Urated为数据手册测定损耗时的额定电压，UQ_SW为功率开关管开关过程中实际承受的电压，Erec为功率二极管反向恢复一次的能耗，UD_rec为功率二极管反向恢复过程中实际承受的电压。
4.根据权利要求3所述的用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法，其特征在于：根据数据手册或有限元仿真或实验得到功率模块的热阻抗曲线：
Figure RE-FDA0002830098040000021
其中，Zjc(t)为功率模块结壳热阻抗，Tj(t)为结温，Tc(t)为壳温，Ploss为功率模块损耗；根据热阻抗曲线，由公式
Figure RE-FDA0002830098040000022
指数级拟合后得到热网络模型的各阶热阻、热容值，从而得到功率模块的热网络模型；其中，Rthi为功率模块第i阶热阻，τi＝RthiCthi为时间常数，Cthi为第i阶热容，n为阶数；根据热网络模型和初始壳温，得到功率模块的实时结温曲线，从而得到第一结温值、第二结温值及第三结温值。
5.根据权利要求1所述的用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制方法，其特征在于：所述实时数据包括功率模块的导通电压、导通电流、开关频率及占空比。
6.一种用于电动汽车电机驱动器的主动温度控制装置，其特征在于，包括：
损耗计算模块，用于根据功率模块的实时数据和实时结温，计算得到功率模块的实时损耗；
结温获取模块，用于根据所述功率模块的实时损耗和功率模块的热网络模型，得到功率模块的实时结温曲线；
数值计算模块，用于根据所述实时结温曲线，得到所述第一结温值、第二结温值和第三结温值；
输出频率分段模块，用于根据电机驱动器的输出频率，将其工作状态分为低频段及高频段；
滞环频率控制模块，用于在低频段，根据第一结温值和第一滞环比较器，得到第一开关频率；同时根据第二结温值和第二滞环比较器，得到第二开关频率；选择所述第一开关频率和所述第二开关频率中较小者为电机驱动器的开关频率；
滞环调制方式控制模块，用于在高频段，根据所述第三结温值和第三滞环比较器，将电机驱动器的调制方式在SVPWM连续调制方式和DPWM不连续调制方式之间切换。
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