水冷BSG電機控制系統(tǒng)設(shè)計與驗證

陳 雷，陳登峰，董大偉，史偉偉，秦基偉

(1.上海汽車電驅(qū)動有限公司，上海 201806；2.上海汽車電驅(qū)動工程技術(shù)研究中心，上海 201806；3.Broad-Ocean Technologies,Novi 48377)

0 引 言

隨著發(fā)動機國Ⅵ排放標準的發(fā)布和加速實施，傳統(tǒng)燃油汽車要達到百公里5 L以內(nèi)燃油消耗指標也已經(jīng)成了整車廠必須滿足的硬指標[1-2]。從經(jīng)濟性和技術(shù)可行性上考慮，給傳統(tǒng)發(fā)動機加裝一套低壓48 V系統(tǒng)來實現(xiàn)發(fā)動機節(jié)油的方法尤為重要，這種低壓48 V輕混系統(tǒng)可以幫助發(fā)動機避開低效率工作區(qū)域，制動能量回收和靈活的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)策略，正在日趨成為研究的焦點，并成為輕混汽車技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向[3-4]。相對于傳統(tǒng)燃油汽車而言，增加一套皮帶傳動起動/發(fā)電一體化電機(以下簡稱BSG)驅(qū)動系統(tǒng)，相對整車成本只需要增加1 500元左右，而燃油經(jīng)濟性卻可以提升15%左右，具有較高的性價比。目前，國外汽車零部件廠商已經(jīng)研發(fā)出48 V BSG輕混系統(tǒng)，如法雷奧、大陸、博世等，并且已有配套整車的量產(chǎn)產(chǎn)品推出[5]。而在BSG總成產(chǎn)品開發(fā)方面，我們國家目前基本上還處于弱勢階段，量產(chǎn)產(chǎn)品還處于空白狀態(tài)，國內(nèi)整車廠，如一汽、長安、上汽等也在抓緊BSG總成研發(fā)布局，以滿足整車節(jié)能需求。

本文針對發(fā)動機節(jié)油的需求，開發(fā)了一款水冷BSG系統(tǒng)，詳細介紹了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和電氣原理，并分析了BSG電機控制系統(tǒng)的冷卻設(shè)計方案，仿真和實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的BSG電機控制系統(tǒng)具有良好的輸出性能，滿足整車設(shè)計指標要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計BSG電機控制系統(tǒng)的整車主要技術(shù)指標：BSG總成電動工況峰值功率不低于9 kW，發(fā)電工況峰值功率不低于12 kW，峰值轉(zhuǎn)矩50 N·m，功率模塊電壓等級不低于100 V，電流等級不低于600 A，系統(tǒng)超過80%的高效率區(qū)占比60%以上。

水冷BSG系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1(a)所示。水冷BSG系統(tǒng)主要包括電機和固定后端的控制器兩部分，將電機和對應(yīng)的控制器有機集成，實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)共用。其中，BSG電機固定在汽車發(fā)動機上面，BSG電機前端是皮帶輪，通過皮帶將BSG電機與發(fā)動機轉(zhuǎn)動軸連在一起，電機控制器固定在BSG電機的軸向后端面。這樣，駕駛車輛的時候，駕駛員可以根據(jù)需求，通過軟件控制電機在電動狀態(tài)下運行，輸出相應(yīng)的電動扭矩，從而實現(xiàn)電動助力和扭矩分配的功能；當駕駛員剎車的時候，電機還可以在發(fā)電狀態(tài)下工作，給整車電池充電，完成制動能量回收[6-7]。

如圖1(b)所示,控制器主要由散熱器、半導(dǎo)體模塊、電容器、霍爾傳感器、裝配印刷電路板(PCBA)、內(nèi)部線束、上箱體等零件構(gòu)成。本文所設(shè)計控制器的半導(dǎo)體模塊選用100 V/300 A芯片進行芯片級封裝與集成，通過直接覆銅法(DBC)焊接工藝將功率模塊與水冷板集成封裝，同時實現(xiàn)電容器與功率模塊的低壓MOS直焊互聯(lián)，并集成霍爾傳感器，BSG電機三相銅排穿過霍爾傳感器和功率半導(dǎo)體模塊的三相輸出端焊接，實現(xiàn)BSG電機和控制器一體化設(shè)計。

(a)BSG電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

BSG系統(tǒng)是一種輕度混合動力技術(shù)，與電動汽車不同的是，BSG系統(tǒng)對傳統(tǒng)發(fā)動機的工況進行優(yōu)化，并且在怠速和起動等情況下提高燃油經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)油的目的。BSG系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：1)在起動和停止的時候，汽車能夠自動關(guān)閉發(fā)動機，降低燃油消耗和有害物質(zhì)排放；2)BSG系統(tǒng)的起停-停止-助力僅需要幾百毫秒，不會有延遲感[8]。

BSG系統(tǒng)的電氣工作原理如圖2所示。整車上面的直流高壓電池電流經(jīng)過功率半導(dǎo)體逆變轉(zhuǎn)換為交流電，并輸入電機的三相輸入端，使得電機運轉(zhuǎn)；光電編碼器通過檢測電機的位置信號、霍爾傳感器，實時反饋交流電的電流大小進入到控制器的主控芯片內(nèi)部，通過主控芯片生成SVPWM信號控制功率MOS的開通和關(guān)斷，來實現(xiàn)對電機的精確控制。控制器本身的通訊線束可以與整車進行相互通信，并同步將整車上面的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向和運行模式傳輸給控制器，然后，控制器再根據(jù)傳感器檢測的位置和電流參數(shù)產(chǎn)生電機工作所需要的交流電，實現(xiàn)電機的正常工作[9-10]。

圖2 BSG系統(tǒng)電氣工作原理圖

本文所設(shè)計的BSG電機控制器采用集成式控制板，同時將電源部分、驅(qū)動部分和控制部分等集成設(shè)計在同一個PCBA板上面，同時在板的接口位置處增加了共模、差模電感，合理配置X電容和Y電容，能夠有效地抑制共模和差模干擾的影響?？偟膩碚f，PCBA板設(shè)計上高度集成，同時將驅(qū)動、電源、旋變位置、溫度和電流等電路集成在一塊板上，可以同時實現(xiàn)多種功能。

3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計與仿真

本文BSG系統(tǒng)中控制器的半導(dǎo)體模塊由多個MOSFET芯片并聯(lián)定制化集成封裝設(shè)計，半導(dǎo)體模塊通過DBC法直接焊接在上層板上表面，相比較于傳統(tǒng)的銅基板加導(dǎo)熱硅脂的散熱方式，極大地降低了系統(tǒng)的熱阻，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。電機控制器水冷板結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示，水冷板包括上層板、中間板、下層板和散熱翅片，在中間板的空隙里面填放散熱翅片，然后三層板材通過真空釬焊的方式焊接在一起，下層板有進水口和出水口，這樣電機控制器的水冷板就形成一個完整的散熱水道。BSG電機殼體采用內(nèi)外套的方式組合，機殼中間設(shè)計為C形的散熱水道，BSG電機的散熱水道入口與電機控制器水冷板的出口連通，形成一個串聯(lián)式的循環(huán)冷卻水路，如圖3(b)水道模型所示。工作過程中，冷卻液首先由BSG電機殼體的水管接頭進入電機控制器水冷板內(nèi)部對電機控制器進行散熱，然后從水冷板出口進入BSG電機水道入口，進入BSG電機殼體內(nèi)部的C型水道，對BSG電機進行冷卻，最后從出水管流出，完成對整個BSG電機控制系統(tǒng)的散熱。

(a)控制器水冷板結(jié)構(gòu)

BSG電機控制系統(tǒng)因為安裝在發(fā)動機旁邊，周圍工作的環(huán)境溫度最高可達110 ℃，而在峰值工況下，BSG電機控制系統(tǒng)又會產(chǎn)生最大的熱量，尤其是半導(dǎo)體模塊的芯片工作時瞬時溫度很高，如果芯片的溫度超過結(jié)溫，會引起半導(dǎo)體芯片損壞，BSG系統(tǒng)喪失工作能力。因此，有必要對BSG電機控制系統(tǒng)中的電機控制器半導(dǎo)體模塊，在環(huán)境溫度110 ℃的峰值工況下，進行芯片溫升仿真研究。

半導(dǎo)體模塊芯片溫升仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，半導(dǎo)體模塊芯片在峰值工況下的芯片最高溫度為122.61 ℃，半導(dǎo)體芯片結(jié)溫為150 ℃，因此模塊選擇可以滿足實際應(yīng)用需求。

圖4 半導(dǎo)體模塊芯片溫升

4 測試驗證

本文對BSG系統(tǒng)的樣機進行了測試，驗證輸出性能，其中電機的電動峰值功率9 kW，發(fā)電峰值功率為12 kW，峰值轉(zhuǎn)矩均為50 N·m。分別對所設(shè)計的BSG電機控制系統(tǒng)進行半導(dǎo)體模塊雙脈沖、外特性和BSG系統(tǒng)效率的實驗。

4.1 雙脈沖測試

雙脈沖測試主要是用來模擬功率半導(dǎo)體的開通和關(guān)斷，以反映控制器的寄生參數(shù)，記錄功率半導(dǎo)體的開通時間和關(guān)斷時間、以及關(guān)斷尖峰能否滿足應(yīng)用的要求。測試時，輸入電壓48 V，輸入電流700 A左右，觀察功率MOSFET關(guān)斷尖峰。

測試結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)和圖5(b)中可以看到，在給定驅(qū)動參數(shù)情況下，功率模塊的開通時間為1.42 μs，功率模塊的關(guān)斷時間為1.4 μs；從圖5(c)可以看到，峰值扭矩情況下的電壓尖峰峰值為66 V，而功率模塊自身耐壓為100 V，遠大于66 V的電壓尖峰，因此66 V尖峰電壓為安全電壓，完全滿足設(shè)計使用要求。

(a)模塊開通時間

4.2 系統(tǒng)外特性測試

設(shè)定BSG電機控制系統(tǒng)母線電壓48 V，在環(huán)境溫度110 ℃下，對樣機進行外特性實驗。

系統(tǒng)的外特性結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在電動工況下，BSG電機可以穩(wěn)定輸出峰值轉(zhuǎn)矩50 N·m，峰值功率9 kW；發(fā)電工況下，BSG電機可以穩(wěn)定地輸出峰值轉(zhuǎn)矩50 N·m，峰值功率12 kW。可見，本文所設(shè)計的BSG電機控制系統(tǒng)的外特性滿足整車設(shè)計指標的要求。

(a)電動工況電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線

4.3 效率測試

設(shè)定BSG電機控制系統(tǒng)母線電壓48 V，在環(huán)境溫度110 ℃情況下，分別對BSG電機控制系統(tǒng)進行效率測試，結(jié)果如圖7所示。

(a)電機效率MAP

從圖7(a)可以看出，通過軟件計算BSG電機效率大于85%的高效區(qū)面積占比為65.8%；從圖7(b)可以看出，通過軟件計算BSG電機控制器效率大于80%的高效區(qū)面積占比為89.2%；從圖7(c)可以看出，通過軟件計算BSG系統(tǒng)效率大于80%的高效區(qū)面積占比為63.3%?？梢姡疚乃O(shè)計BSG電機控制系統(tǒng)的效率滿足設(shè)計指標大于60%的要求。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)國內(nèi)某整車廠關(guān)于發(fā)動機節(jié)油的指標需求，開發(fā)了一款水冷BSG系統(tǒng)。首先對所設(shè)計的BSG系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行介紹，并提出了串聯(lián)式散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，利用仿真軟件對所設(shè)計散熱冷卻系統(tǒng)的散熱效果進行研究；然后詳細分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案；最后，對BSG電機控制系統(tǒng)的樣機進行了臺架實驗，實驗結(jié)果顯示，本文的BSG電機控制系統(tǒng)具有出色的控制性能和輸出能力，完全滿足整車設(shè)計指標要求。