CN112986707A - 一种功率模块的寿命评估方法、装置及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率模块的寿命评估方法、装置及汽车，寿命评估方法包括：根据被测车辆的整车属性及驾驶循环工况，确定在驾驶循环工况下被测车辆的功率模块所需的工作电压和工作电流；根据工作电压和工作电流及功率模块的电气参数，计算或测试功率模块的热功耗；根据热功耗及功率模块的热参数，计算功率模块的瞬态结温和瞬态壳温；根据瞬态结温和瞬态壳温，设定多个不同的温升区间，并采用雨流计数法统计在一个驾驶循环内温升在各个温升区间内出现的频次；根据频次及功率模块的寿命曲线，计算功率模块的寿命。本方案可基于仿真或试验获得的任意工况下的数据，通过数据处理评估功率模块寿命，从而有效评估功率模块是否满足整车使用寿命要求。

Description

一种功率模块的寿命评估方法、装置及汽车

技术领域

本发明涉及汽车领域，特别涉及一种功率模块的寿命评估方法、装置及汽车。

背景技术

随着汽车电动化的日益普及，驱动电机控制器、车载双向充电机和车用DCDC转换器等多种车用电能转换设备已经成为电动汽车的标配，必须具有与整车相同的使用寿命要求。这些设备的核心器件——功率模块，主要是绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，简称IGBT)和金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,简称MOSFET)，也都必须具有与整车相同的使用寿命要求。然而，如何确认功率模块能够满足整车的使用寿命要求，却是业界难题。

为此，大量的研究人员，通过试验测试、仿真模拟或模型计算等多种方法，对功率模块的寿命进行了广泛的研究，并普遍认为功率模块的结温温升幅度是影响寿命的核心因素。这些研究中，大部分针对功率模块本身展开，通过加速的温度循环或功率循环，来测试分析功率模块本身的循环寿命，如应用线性损伤累计理论预估功率模块的寿命，或基于克林-曼森公式根据应变预估功率模块的寿命。由此得出的循环寿命更适用于模块本身的寿命评估，与整车寿命的关联性则不太明确。

根据路谱结合雨流计数法分析功率模块寿命的流程，可以应用到SiC MOSFET的寿命计算中，进而研究了驾驶循环与加速温度循环测试的转换关系，旨在通过加速温度循环试验来验证功率模块的寿命满足情况。这些研究明确了路谱与功率模块寿命的关联性，但没有提出直接根据路谱或驾驶循环评估功率模块寿命的方法。另外，如果通过实车耐久性试验来确定功率模块寿命，其成本和周期都是难以接受的。

发明内容

本发明实施例提供一种功率模块的寿命评估方法、装置及汽车，用以解决现有技术一般只能评估特定温升或特定功率循环下功率模块的使用次数，并不能直观获得随机温升或随机功率下功率模块的使用寿命的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

依据本发明的一个方面，提供了一种功率模块的寿命评估方法，包括：

根据被测车辆的整车属性及驾驶循环工况，确定在所述驾驶循环工况下被测车辆的功率模块所需的工作电压和工作电流，所述整车属性包括整车重量及风阻系数；

根据所述工作电压和工作电流及所述功率模块的电气参数，计算或测试所述功率模块的热功耗，所述电气参数包括输出特性、开关损耗和工作频率；

根据所述热功耗及所述功率模块的热参数，计算所述功率模块的瞬态结温和瞬态壳温，所述热参数包括瞬态热阻、传热时间常数和冷却介质温度；

根据所述瞬态结温和瞬态壳温，设定多个不同的温升区间，并采用雨流计数法统计在一个驾驶循环内温升在各个所述温升区间内出现的频次；

根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，计算所述功率模块的寿命。

可选地，所述功率模块包括开关管和续流二极管；

所述温升包括开关管结温温升、续流二极管结温温升、开关管壳温温升及续流二极管壳温温升。

可选地，根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，计算所述功率模块的寿命，包括：

根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，分别计算得到多种温升中每种温升对应的所述功率模块的预估寿命；

取多个所述预估寿命中的最小值，作为所述功率模块的寿命。

可选地，根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，分别计算得到多种温升中每种温升对应的所述功率模块的预估寿命，包括：

根据所述功率模块的寿命曲线，得到各个所述温升区间下的多种温升中每种温升对应的所述功率模块的第一寿命；

根据所述频次与所述第一寿命，应用累积损伤理论，分别计算获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤；

分别计算每种温升对应的累积损伤的倒数，得到每种温升对应的所述功率模块的预估寿命。

可选地，根据所述频次与所述第一寿命，应用累积损伤理论，分别计算获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤，包括：

分别对各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一寿命求倒数，得到各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一损伤；

在一个驾驶循环下，分别对每种温升的所有温升区间的所述第一损伤相对于其出现的频次加权求和，获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤。

依据本发明的另一个方面，提供了一种功率模块的寿命评估装置，包括：

第一计算模块，用于根据被测车辆的整车属性及驾驶循环工况，确定在所述驾驶循环工况下被测车辆的功率模块所需的工作电压和工作电流，所述整车属性包括整车重量及风阻系数；

计算测试模块，用于根据所述工作电压和工作电流及所述功率模块的电气参数，计算或测试所述功率模块的热功耗，所述电气参数包括输出特性、开关损耗和工作频率；

第二计算模块，用于根据所述热功耗及所述功率模块的热参数，计算所述功率模块的瞬态结温和瞬态壳温，所述热参数包括瞬态热阻、传热时间常数和冷却介质温度；

温升统计模块，用于根据所述瞬态结温和瞬态壳温，设定多个不同的温升区间，并采用雨流计数法统计在一个驾驶循环内温升在各个所述温升区间内出现的频次；

寿命计算模块，用于根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，计算所述功率模块的寿命。

可选地，所述功率模块包括开关管和续流二极管；

所述温升包括开关管结温温升、续流二极管结温温升、开关管壳温温升及续流二极管壳温温升。

可选地，所述寿命计算模块包括：

寿命预估子模块，用于根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，分别计算得到多种温升中每种温升对应的所述功率模块的预估寿命；

寿命取值子模块，用于取多个所述预估寿命中的最小值，作为所述功率模块的寿命。

可选地，所述寿命预估子模块包括：

第一预估单元，用于根据所述功率模块的寿命曲线，得到各个所述温升区间下的多种温升中每种温升对应的所述功率模块的第一寿命；

第二预估单元，用于根据所述频次与所述第一寿命，应用累积损伤理论，分别计算获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤；

第三预估单元，用于分别计算每种温升对应的累积损伤的倒数，得到每种温升对应的所述功率模块的预估寿命。

可选地，所述第二预估单元包括：

第一计算子单元，用于分别对各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一寿命求倒数，得到各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一损伤；

第二计算子单元，用于在一个驾驶循环下，分别对每种温升的所有温升区间的所述第一损伤相对于其出现的频次加权求和，获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤。

依据本发明的另一个方面，提供了一种汽车，包括如上所述的寿命评估装置。

本发明的有益效果是：

上述方案，基于仿真或试验获得的任意工况(温升或功率)下的数据，能够直接通过数据处理获得功率模块的累积使用寿命，可以直观、快速以及低成本地评估电动汽车用功率模块各关键组成部分的使用寿命，从而有效评估功率模块的使用寿命是否满足整车使用寿命的需求。

附图说明

图1表示本发明实施例提供的功率模块的寿命评估方法示意图；

图2表示本发明实施例提供的功率模块的寿命评估装置示意图；

图3表示本发明实施例提供的功率模块的寿命评估方法流程图；

图4表示本发明实施例提供的功率模块单个桥臂内开关管的瞬态热阻与时间常数；

图5表示本发明实施例提供的功率模块的寿命曲线；

图6表示本发明实施例提供的整个CLTC循环内功率模块的瞬态温度变化历程；

图7表示本发明实施例提供的CLTC循环中450s-500s之间功率模块的瞬态温度变化历程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明针对现有技术一般只能评估特定温升或特定功率循环下功率模块的使用次数，并不能直观获得随机温升或随机功率下功率模块的使用寿命的问题，提供一种功率模块的寿命评估方法、装置及汽车。

如图1所示，本发明其中一实施例提供一种功率模块的寿命评估方法，包括：

S11：根据被测车辆的整车属性及驾驶循环工况，确定在所述驾驶循环工况下被测车辆的功率模块所需的工作电压和工作电流，所述整车属性包括整车重量及风阻系数。

需要说明的是，车辆的功率模块实际工作时的工作电压和工作电流，会因车辆的重量、速度或加速度等各种参数不同而不同，我们需要根据整车属性及驾驶循环工况，来确定其实际工作时的工作电压和工作电流。

具体的，出于可比性等方面的考虑，在整车性能评估时，通常采用标准的驾驶循环工况作为基本工况。国内一般采用国标和法规里常用的NEDC工况，或者采用更贴近用户实际使用情况的WLTC工况或即将推出的中国工况(ChinaLight-duty vehicle Test Cycly，简称CLTC)作为整车的基本工况。根据本发明的其中一实施例，采用CLTC工况作为驾驶循环工况，来做功率模块的寿命评估。

S12：根据所述工作电压和工作电流及所述功率模块的电气参数，计算或测试所述功率模块的热功耗，所述电气参数包括输出特性、开关损耗和工作频率。

需要说明的是，由于开关管和续流二极管为IGBT功率模块的主要组成部分，功率模块的热功耗的计算方法需要按照文献中的公式，分别计算IGBT开关管和续流二极管在一个驾驶循环内的热功耗。(参考文献：向长虎，魏跃远，蒋荣勋，葛亮.电机控制器风冷散热片的优化设计[C].中国汽车工程学会年会,2018)。

S13：根据所述热功耗及所述功率模块的热参数，计算所述功率模块的瞬态结温和瞬态壳温，所述热参数包括瞬态热阻、传热时间常数和冷却介质温度。

可选地，所述功率模块包括开关管和续流二极管；

所述温升包括开关管结温温升、续流二极管结温温升、开关管壳温温升及续流二极管壳温温升。

需要说明的是，所述功率模块的电气参数、热参数以及后文提到的寿命曲线，均可通过所述功率模块的生产厂商提供的资料获得。

需要说明的是，IGBT功率模块的瞬态温度计算也是针对开关管和续流二极管分别展开。二者的瞬态热阻和时间常数取值不相同，但计算方法相同。开关管和续流二极管的瞬态结温根据第一公式计算获得，所述第一公式为：

其中，T_j(t)是功率模块中开关管或续流二极管在时刻t的瞬态结温，单位℃；T_j(0)是开关管或续流二极管的初始结温；t是从功率模块开始工作时计起的时间，单位s；Δt是计算的时间步长，单位s；T_c(t)是功率模块在时刻t的瞬态壳温，单位℃；T_c(0)是功率模块的初始壳温；P_l,a(t)是功率模块中单个桥臂内开关管或续流二极管在时刻t的热功耗，单位W；r_i是功率模块单个桥臂内开关管或续流二极管的第i项瞬态热阻，单位℃/W，取值如图4所示；τ_i是功率模块单个桥臂内开关管或续流二极管的第i项时间常数，单位s，取值如图4所示；N是瞬态热阻或时间常数的项数，图4中的N＝4。

IGBT功率模块的瞬态壳温则根据第二公式计算获得，所述第二公式为：

其中，T_f(t)是冷却介质在时刻t的温度(即水温)，单位是℃；τ_f是功率模块与冷却介质之间的时间常数，单位是s；r_f是功率模块与冷却介质之间的热阻，单位是℃/W；P_l,a,I(t)是功率模块中单个桥臂内开关管在时刻t的热功耗，单位是W；P_l,a,D(t)是功率模块中单个桥臂内续流二极管在时刻t的热功耗，单位是W。

S14：根据所述瞬态结温和瞬态壳温，设定多个不同的温升区间，并采用雨流计数法统计在一个驾驶循环内温升在各个所述温升区间内出现的频次。

需要说明的是，所述温升区间为从预设的起始温度开始，温度上升幅度为预设幅度的一段温度区间，所述温升为所述结温和壳温的温度变化。

S15：根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，计算所述功率模块的寿命。

可选地，根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，计算所述功率模块的寿命，包括：

根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，分别计算得到多种温升中每种温升对应的所述功率模块的预估寿命；

取多个所述预估寿命中的最小值，作为所述功率模块的寿命。

需要说明的是，功率模块的寿命分别根据开关管结温的温升、续流二极管结温的温升、开关管壳温的温升和续流二极管壳温的温升计算，得到四个预估寿命。根据木桶原理，功率模块的循环寿命是各组成部分的最小循环寿命，因此取四个预估寿命中的最小值作为功率模块的使用寿命。

可选地，根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，分别计算得到多种温升中每种温升对应的所述功率模块的预估寿命，包括：

根据所述功率模块的寿命曲线，得到各个所述温升区间下的多种温升中每种温升对应的所述功率模块的第一寿命；

根据所述频次与所述第一寿命，应用累积损伤理论，分别计算获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤；

分别计算每种温升对应的累积损伤的倒数，得到每种温升对应的所述功率模块的预估寿命。

需要说明的是，本发明实施例所述功率模块的寿命指的是功率模块经过多少个驾驶循环后达到使用寿命而失效，一个驾驶循环在本发明实施例中指的是完成一个所述CLTC工况，通常需要时间1800S。

可选地，根据所述频次与所述第一寿命，应用累积损伤理论，分别计算获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤，包括：

分别对各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一寿命求倒数，得到各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一损伤；

在一个驾驶循环下，分别对每种温升的所有温升区间的所述第一损伤相对于其出现的频次加权求和，获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤。

具体的，针对每一种温升，在一个驾驶循环内，根据累计损伤，通过第三公式计算功率模块循环寿命，所述第三公式为：

其中，N_c表示功率模块在一个驾驶循环内的寿命；N_c,i表示第i种温升及平均温度下的寿命；N_i表示第i种温升及平均温度出现的频次。

需要说明的是，针对每一种温升，根据温升的变化幅度(即图5中的ΔT_j)及平均温度(即图5中的T_m)等，参考功率模块的寿命曲线插值，得到不同温升下功率模块的寿命(即驾驶循环次数)。该寿命的倒数即是相应温升下功率模块的损伤。将一个驾驶循环下，所有温升下的损伤相对于其出现的频次加权求和，即得到一个驾驶循环下的累积损伤。该累积损伤的倒数即是功率模块的驾驶循环寿命。

具体的，比如起始温度为60℃，最高温度为70℃，则对应的温升的变化幅度为10℃，对应的平均温度为60℃与70℃的算术平均值，即65℃。如图5所示，可得知温升为10℃且平均温度为60℃时，功率模块的寿命大约为1.00E+10。

为了更直观、准确地评估功率模块的使用寿命，尤其为了确保其与整车寿命相符，本发明实施例提出了根据整车驾驶循环、结合功率模块的寿命曲线以及应用累积损伤理论评估功率模块寿命的方法。

如图3所示，为本发明实施例提供的功率模块的寿命评估方法流程图：

S31：根据被测车辆的整车属性(重量、风阻系数等)及寿命评估所用的驾驶循环工况，确定在所述驾驶循环工况下被测车辆的功率模块所需的工作电压和工作电流等；

S32：根据所述工作电压和工作电流及功率模块的电气参数(输出特性、开关损耗、工作频率等)计算或测试所述功率模块实时的热功耗；

S33：根据所述热功耗及功率模块的热参数(瞬态热阻抗、传热时间常数、冷却介质温度等)计算功率模块的瞬态结温和瞬态壳温；

S34：采用雨流计数法统计一个驾驶循环内多种温升在各个所述温升区间内出现的频次，并设定不同的温升区间，以减少温升统计的范围；

S35：根据功率模块实际的寿命曲线，计算不同温升区间下的寿命；

S36：根据累积损伤理论，计算整个驾驶循环下功率模块的总损伤，得出功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤，进而计算功率模块经过多少驾驶循环后达到使用寿命而失效，最后评估功率模块的使用寿命是否满足整车里程寿命的要求。

S37：完成。

根据上述流程，本发明其中一实施例的具体过程如下：

针对纯电动汽车，在整车的转鼓试验台上，实测了冷却介质温度为55℃，以及电机控制器连续工作达到热平衡时，CLTC循环下其IGBT功率模块的工作电流和工作电压情况。

通过以上数据，瞬态热模拟时，根据参考文献中的公式计算开关管和续流二极管在一个驾驶循环内的热功耗，再根据所述热功耗和功率模块的热参数，通过所述第一公式及所述第二公式，计算所述功率模块的瞬态结温和瞬态壳温，计算结果如图6-7所示。其中，Tj_IGBT、Tj_DIODE、Tc_IGBT、Tc_DIODE分别指功率模块的开关管结温、续流二极管结温、开关管正下方的壳温和续流二极管正下方的壳温。

由图6-7可看出，开关管结温的变化最大，也最快；续流二极管结温的变化幅度和频率均略小于开关管结温；开关管正下方的壳温和续流二极管正下方的壳温变化很小，而且非常缓慢，尤其是续流二极管正下方的壳温几乎没有明显的变化。由于温升是影响功率模块寿命的主要因素，因此后续分析中不列出续流二极管正下方壳温的分析数据。

针对图6-7中功率模块的瞬态温升情况，采用雨流计数法统计不同温升区间在一个驾驶循环内的出现频次，并根据功率模块的寿命曲线计算得到损伤值，最后根据第三公式得到该功率模块的各部分寿命。

具体的，功率模块的寿命评估中，先用雨流计数法统计一个驾驶循环内所有三种温升的循环情况(“半循环”或“完全循环”、变化幅度、平均温度、开始时刻以及结束时刻等)，然后按温升、平均温度以及循环时间(结束时刻与开始时刻的差值)统计出现的频次。

需要说明的是，“半循环”中温度实际上只变化一次，而“完全循环”中温度变化实际为两次，因此统计中一个“整循环”中的温度变化都按两次统计。

具体统计结果(即功率模块的损伤及寿命评估)如下表所示：

需要说明的是，表中所示的温升区间是根据温升情况人为划分的，比如可以将温度变化在0-3℃划分为一个温升区间，把温度变化在3-6℃划分为另一个温升区间，以此类推。如图7所示，以温升幅度最大的Tj_IGBT为例，假如其起始温度为60℃，而最高温度为93℃，则其最大温升幅度为33℃，可以按照33℃来决定划分多少个以及多大幅度的温升区间。假如以3℃作为预设幅度划分温升区间，则可以划分为11个温升区间，从最小温升区间0-3℃到最大温升区间30-33℃。

根据所述累积损伤评估所述功率模块的使用寿命是否满足整车里程寿命的要求，即根据所述累计损伤，计算所述功率模块需要经过多少个驾驶循环后达到使用寿命而失效；根据被测车辆预测寿命，评估在其预测寿命内，可以进行多少次驾驶循环，以此来评估功率模块是否能够满足整车使用寿命的要求。

从表中的分析结果可以看出，功率模块各部分的寿命与其温升幅度(即温度变化幅度)正相关，最薄弱的是温升幅度最大的开关管的PN结，最小是功率模块的铜基板(即外壳)。当前条件下开关管PN结的循环寿命最短，为177万个CLTC循环。通常整车的使用寿命是30万公里，考虑到一个CLTC循环的行驶里程大约是14.48公里，则整车至少需要能够运行20718个CLTC循环才算满足寿命要求。对于功率模块也一样，N_c≥20718个CLTC循环才能满足整车的使用寿命要求。因此，在冷却充分的条件下，该被测功率模块能够满足整车的使用寿命要求。

本发明实施例中，所述功率模块的寿命评估方法可以广泛用于各种功率模块的寿命计算中，该评估方法能够直观、快速、低成本地评估电动汽车用功率模块各关键部位的使用寿命，从而能够从总行驶里程或总使用时间的角度，快速评估功率模块的使用寿命是否能够满足整车使用寿命的要求。

如图2所示，本发明实施例还提供一种功率模块的寿命评估装置，包括：

第一计算模块21，用于根据被测车辆的整车属性及驾驶循环工况，确定在所述驾驶循环工况下被测车辆的功率模块所需的工作电压和工作电流，所述整车属性包括整车重量及风阻系数。

需要说明的是，车辆的功率模块实际工作时的工作电压和工作电流，会因车辆的重量、速度或加速度等各种参数不同而不同，我们需要根据整车属性及驾驶循环工况，来确定其实际工作时的工作电压和工作电流。

具体的，出于可比性等方面的考虑，在整车性能评估时，通常采用标准的驾驶循环工况作为基本工况。国内一般采用国标和法规里常用的NEDC工况，或者采用更贴近用户实际使用情况的WLTC工况或即将推出的中国工况(ChinaLight-duty vehicle Test Cycly，简称CLTC)作为整车的基本工况。根据本发明的其中一实施例，采用CLTC工况作为驾驶循环工况，来做功率模块的寿命评估。

计算测试模块22，用于根据所述工作电压和工作电流及所述功率模块的电气参数，计算或测试所述功率模块的热功耗，所述电气参数包括输出特性、开关损耗和工作频率。

需要说明的是，由于开关管和续流二极管为IGBT功率模块的主要组成部分，功率模块的热功耗的计算方法需要按照文献中的公式，分别计算IGBT开关管和续流二极管在一个驾驶循环内的热功耗。(参考文献：向长虎，魏跃远，蒋荣勋，葛亮.电机控制器风冷散热片的优化设计[C].中国汽车工程学会年会,2018)。

第二计算模块23，用于根据所述热功耗及所述功率模块的热参数，计算所述功率模块的瞬态结温和瞬态壳温，所述热参数包括瞬态热阻、传热时间常数和冷却介质温度。

需要说明的是，所述功率模块的电气参数、热参数以及后文提到的寿命曲线，均可通过所述功率模块的生产厂商提供的资料获得。

需要说明的是，IGBT功率模块的瞬态温度计算也是针对开关管和续流二极管分别展开。二者的瞬态热阻和时间常数取值不相同，但计算方法相同。开关管和续流二极管的瞬态结温根据第一公式计算获得，所述第一公式为：

其中，T_j(t)是功率模块中开关管或续流二极管在时刻t的瞬态结温，单位℃；T_j(0)是开关管或续流二极管的初始结温；t是从功率模块开始工作时计起的时间，单位s；Δt是计算的时间步长，单位s；T_c(t)是功率模块在时刻t的瞬态壳温，单位℃；T_c(0)是功率模块的初始壳温；P_l,a(t)是功率模块中单个桥臂内开关管或续流二极管在时刻t的热功耗，单位W；r_i是功率模块单个桥臂内开关管或续流二极管的第i项瞬态热阻，单位℃/W，取值如图4所示；τ_i是功率模块单个桥臂内开关管或续流二极管的第i项时间常数，单位s，取值如图4所示；N是瞬态热阻或时间常数的项数，图4中的N＝4。

IGBT功率模块的瞬态壳温则根据第二公式计算获得，所述第二公式为：

其中，T_f(t)是冷却介质在时刻t的温度(即水温)，单位是℃；τ_f是功率模块与冷却介质之间的时间常数，单位是s；r_f是功率模块与冷却介质之间的热阻，单位是℃/W；P_l,a,I(t)是功率模块中单个桥臂内开关管在时刻t的热功耗，单位是W；P_l,a,D(t)是功率模块中单个桥臂内续流二极管在时刻t的热功耗，单位是W。

温升统计模块24，用于根据所述瞬态结温和瞬态壳温，设定多个不同的温升区间，并采用雨流计数法统计在一个驾驶循环内温升在各个所述温升区间内出现的频次；

寿命计算模块25，用于根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，计算所述功率模块的寿命。

需要说明的是，所述温升区间为从预设的起始温度开始，温度上升幅度为预设幅度的一段温度区间，所述温升为所述结温和壳温的温度变化。

可选地，所述功率模块包括开关管和续流二极管；

所述温升包括开关管结温温升、续流二极管结温温升、开关管壳温温升及续流二极管壳温温升。

可选地，所述寿命计算模块包括：

寿命预估子模块，用于根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，分别计算得到多种温升中每种温升对应的所述功率模块的预估寿命；

寿命取值子模块，用于取多个所述预估寿命中的最小值，作为所述功率模块的寿命。

需要说明的是，功率模块的寿命分别根据开关管结温的温升、续流二极管结温的温升、开关管壳温的温升和续流二极管壳温的温升计算，得到四个预估寿命。根据木桶原理，功率模块的循环寿命是各组成部分的最小循环寿命，因此取四个预估寿命中的最小值作为功率模块的使用寿命。

可选地，所述寿命预估子模块包括：

第一预估单元，用于根据所述功率模块的寿命曲线，得到各个所述温升区间下的多种温升中每种温升对应的所述功率模块的第一寿命；

第二预估单元，用于根据所述频次与所述第一寿命，应用累积损伤理论，分别计算获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤；

第三预估单元，用于分别计算每种温升对应的累积损伤的倒数，得到每种温升对应的所述功率模块的预估寿命。

需要说明的是，本发明实施例所述功率模块的寿命指的是功率模块经过多少个驾驶循环后达到使用寿命而失效，一个驾驶循环在本发明实施例中指的是完成一个所述CLTC工况，通常需要时间1800S。

可选地，所述第二预估单元包括：

第一计算子单元，用于分别对各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一寿命求倒数，得到各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一损伤；

第二计算子单元，用于在一个驾驶循环下，分别对每种温升的所有温升区间的所述第一损伤相对于其出现的频次加权求和，获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤。

具体的，针对每一种温升，在一个驾驶循环内，根据累计损伤，通过第三公式计算功率模块循环寿命，所述第三公式为：

其中，N_c表示功率模块在一个驾驶循环内的寿命；N_c,i表示第i种温升及平均温度下的寿命；N_i表示第i种温升及平均温度出现的频次。

需要说明的是，针对每一种温升，根据温升的变化幅度(即图5中的ΔT_j)及平均温度(即图5中的T_m)等，参考功率模块的寿命曲线插值，得到不同温升下功率模块的寿命(即驾驶循环次数)。该寿命的倒数即是相应温升下功率模块的损伤。将一个驾驶循环下，所有温升下的损伤相对于其出现的频次加权求和，即得到一个驾驶循环下的累积损伤。该累积损伤的倒数即是功率模块的驾驶循环寿命。

具体的，比如起始温度为60℃，最高温度为70℃，则对应的温升的变化幅度为10℃，对应的平均温度为60℃与70℃的算术平均值，即65℃。如图5所示，可得知温升为10℃且平均温度为60℃时，功率模块的寿命大约为1.00E+10。

本发明实施例中，所述功率模块的寿命评估装置能够根据驾驶循环工况下的整车电气参数等，直接计算功率模块的循环寿命，进而评估功率模块是否能够满足整车使用寿命的要求。

本发明实施例还提供一种汽车，包括如上所述的寿命评估装置。

具体的，在对功率模块做寿命评估时，首先需要根据电动汽车的整车属性和评估用的驾驶循环工况计算功率模块的工作电流和工作电压；然后根据功率模块的电气属性、传热属性先后计算或测试其热功耗及瞬态温度；再根据功率模块的寿命曲线计算不同温升区间下的损伤；最后根据累积损伤计算功率模块的循环寿命。

本发明实施例中，所述功率模块的寿命评估装置能够根据驾驶循环工况下的整车电气参数等，直接计算功率模块的循环寿命，进而评估功率模块是否能够满足整车使用寿命的要求。

以上所述的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人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种功率模块的寿命评估方法，其特征在于，包括：

根据被测车辆的整车属性及驾驶循环工况，确定在所述驾驶循环工况下被测车辆的功率模块所需的工作电压和工作电流，所述整车属性包括整车重量及风阻系数；

根据所述工作电压和工作电流及所述功率模块的电气参数，计算或测试所述功率模块的热功耗，所述电气参数包括输出特性、开关损耗和工作频率；

根据所述热功耗及所述功率模块的热参数，计算所述功率模块的瞬态结温和瞬态壳温，所述热参数包括瞬态热阻、传热时间常数和冷却介质温度；

根据所述瞬态结温和瞬态壳温，设定多个不同的温升区间，并采用雨流计数法统计在一个驾驶循环内温升在各个所述温升区间内出现的频次；

根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，计算所述功率模块的寿命。

2.根据权利要求1所述的寿命评估方法，其特征在于，

所述功率模块包括开关管和续流二极管；

所述温升包括开关管结温温升、续流二极管结温温升、开关管壳温温升及续流二极管壳温温升。

3.根据权利要求2所述的寿命评估方法，其特征在于，根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，计算所述功率模块的寿命，包括：

根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，分别计算得到多种温升中每种温升对应的所述功率模块的预估寿命；

取多个所述预估寿命中的最小值，作为所述功率模块的寿命。

4.根据权利要求3所述的寿命评估方法，其特征在于，根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，分别计算得到多种温升中每种温升对应的所述功率模块的预估寿命，包括：

根据所述功率模块的寿命曲线，得到各个所述温升区间下的多种温升中每种温升对应的所述功率模块的第一寿命；

根据所述频次与所述第一寿命，应用累积损伤理论，分别计算获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤；

分别计算每种温升对应的累积损伤的倒数，得到每种温升对应的所述功率模块的预估寿命。

5.根据权利要求4所述的寿命评估方法，其特征在于，根据所述频次与所述第一寿命，应用累积损伤理论，分别计算获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤，包括：

分别对各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一寿命求倒数，得到各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一损伤；

在一个驾驶循环下，分别对每种温升的所有温升区间的所述第一损伤相对于其出现的频次加权求和，获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤。

6.一种功率模块的寿命评估装置，其特征在于，包括：

第一计算模块，用于根据被测车辆的整车属性及驾驶循环工况，确定在所述驾驶循环工况下被测车辆的功率模块所需的工作电压和工作电流，所述整车属性包括整车重量及风阻系数；

计算测试模块，用于根据所述工作电压和工作电流及所述功率模块的电气参数，计算或测试所述功率模块的热功耗，所述电气参数包括输出特性、开关损耗和工作频率；

第二计算模块，用于根据所述热功耗及所述功率模块的热参数，计算所述功率模块的瞬态结温和瞬态壳温，所述热参数包括瞬态热阻、传热时间常数和冷却介质温度；

温升统计模块，用于根据所述瞬态结温和瞬态壳温，设定多个不同的温升区间，并采用雨流计数法统计在一个驾驶循环内温升在各个所述温升区间内出现的频次；

寿命计算模块，用于根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，计算所述功率模块的寿命。

7.根据权利要求6所述的寿命评估装置，其特征在于，

所述功率模块包括开关管和续流二极管；

所述温升包括开关管结温温升、续流二极管结温温升、开关管壳温温升及续流二极管壳温温升。

8.根据权利要求7所述的寿命评估装置，其特征在于，所述寿命计算模块包括：

寿命预估子模块，用于根据所述频次及所述功率模块的寿命曲线，分别计算得到多种温升中每种温升对应的所述功率模块的预估寿命；

寿命取值子模块，用于取多个所述预估寿命中的最小值，作为所述功率模块的寿命。

9.根据权利要求8所述的寿命评估装置，其特征在于，所述寿命预估子模块包括：

第一预估单元，用于根据所述功率模块的寿命曲线，得到各个所述温升区间下的多种温升中每种温升对应的所述功率模块的第一寿命；

第二预估单元，用于根据所述频次与所述第一寿命，应用累积损伤理论，分别计算获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤；

第三预估单元，用于分别计算每种温升对应的累积损伤的倒数，得到每种温升对应的所述功率模块的预估寿命。

10.根据权利要求9所述的寿命评估装置，其特征在于，所述第二预估单元包括：

第一计算子单元，用于分别对各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一寿命求倒数，得到各个所述温升区间下的每种温升对应的所述功率模块的第一损伤；

第二计算子单元，用于在一个驾驶循环下，分别对每种温升的所有温升区间的所述第一损伤相对于其出现的频次加权求和，获得每种温升对应的所述功率模块在一个驾驶循环下的累积损伤。

11.一种汽车，其特征在于，包括权利要求6至10任一项所述的寿命评估装置。

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