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基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略

杨尚明 马其华

杨尚明, 马其华. 基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(4): 387-396. doi: 10.12299/jsues.22-0374
引用本文: 杨尚明, 马其华. 基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(4): 387-396. doi: 10.12299/jsues.22-0374
YANG Shangming, MA Qihua. Dynamic IGBT thermal management strategy based on real-time junction temperature estimation[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(4): 387-396. doi: 10.12299/jsues.22-0374
Citation: YANG Shangming, MA Qihua. Dynamic IGBT thermal management strategy based on real-time junction temperature estimation[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(4): 387-396. doi: 10.12299/jsues.22-0374

基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略

doi: 10.12299/jsues.22-0374
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(51705306)
详细信息
    作者简介:

    杨尚明(1996−),男,在读硕士,研究方向为电机设计与控制研究. E-mail:744653800@qq.com

    通讯作者:

    马其华(1980−),男,副教授,博士,研究方向为新能源汽车电控和轻量化研究. E-mail:mqh0386@sues.edu.cn

  • 中图分类号: TM464

Dynamic IGBT thermal management strategy based on real-time junction temperature estimation

  • 摘要: 绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是电动汽车重要的能源传输和转换元件. 但IGBT长期在变化工况下工作,导致热负荷较高,严重影响其使用寿命. 通过建立IGBT结温估计模型进行实时结温观测,定性分析IGBT结温与开关频率、母线电压之间的关系. 为降低IGBT在循环工况下的热负荷,提出一种IGBT结温区域控制策略,以控制最高结温和结温波动为目标,将控制区域进行划分,分别采用模糊控制和PI控制对开关频率和母线电压进行控制. 结果表明,在 NEDC工况下最高结温平均降低5.1 ℃,IGBT结温波动平均降低2.6 ℃,验证了该控制策略的有效性,提高了IGBT的可靠性和运行寿命.
  • 图  1  IGBT四阶Foster热网络模型

    Figure  1.  Model of IGBT fourth-order foster thermal network

    图  2  IGBT结温波动

    Figure  2.  IGBT junction temperature fluctuation

    图  3  电动汽车驱动控制系统

    Figure  3.  Electric vehicle drive control system

    图  4  逆变器联合控制Simulink模型

    Figure  4.  Inverter joint control simulink model

    图  5  电动汽车IGBT热管理试验台架

    Figure  5.  Electric vehicle IGBT thermal management test bench

    图  6  开关频率调制原理

    Figure  6.  Principle of switching frequency modulation

    图  7  不同开关频率下IGBT结温变化

    Figure  7.  IGBT junction temperature changes under different switching frequencies

    图  8  不同母线电压下IGBT结温变化

    Figure  8.  IGBT junction temperature changes under different bus voltages

    图  9  IGBT最高结温随开关频率和母线电压变化图

    Figure  9.  The maximum junction temperature of IGBT with switching frequency and busbar voltage variation diagram

    图  10  IGBT结温波动随开关频率和母线电压变化图

    Figure  10.  IGBT junction temperature fluctuation with switching frequency and busbar voltage variation diagram

    图  11  IGBT结温区域控制示意图

    Figure  11.  IGBT junction temperature area control diagram

    图  12  过热区域控制图

    Figure  12.  Overheated area control diagram

    图  13  IGBT过热区域调节过程

    Figure  13.  Regulation process of IGBT overheating region

    图  14  高/低功率循环区域控制图

    Figure  14.  High/low power cycle area control diagram

    图  15  高/低功率循环区域调节过程

    Figure  15.  High/low power cycle area regulation process

    图  16  IGBT控制前后结温图

    Figure  16.  IGBT control before and after junction temperature diagram

    表  1  部件热容参数

    Table  1.   Component heat capacity parameters

    部件项目参数
    电机绕组 材料
    质量/kg
    纯铜
    5
    电机外壳 材料
    质量/kg
    铸铝
    2
    电机转子 材料
    质量/kg
    密度/(${\rm{kg}} \cdot {{\rm{m}}^{ - 3} }$)
    材料热值/(${\rm{J }}\cdot {{\rm{kg}}^{ - 1} } \cdot {{\rm{K}}^{ - 1} }$)
    热导率/(${\rm{W}} \cdot {{\rm{m}}^{ - 1} } \cdot {{\rm{K}}^{ - 1} }$)
    环氧基树脂
    10
    2400
    1000
    130
    电机控制器半导体 材料
    质量/kg
    碳素钢
    1
    电机控制器外壳 材料
    质量/kg
    碳素钢
    2
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    表  2  电动汽车IGBT热管理模型验证结果

    Table  2.   Verification results of IGBT thermal management model for electric vehicle

    工况仿真温度/℃试验温度/℃相对误差/%
    电机转速
    1000 ${\rm{r}}/\min$,
    负载250 ${\rm{N}} \cdot {\rm{m}}$
    56.554.04.7
    电机转速
    2000 ${\rm{r}}/\min$,
    负载100 ${\rm{N}} \cdot {\rm{m}}$
    40.139.02.7
    电机转速
    5000 ${\rm{r}}/\min$,
    负载50 ${\rm{N}} \cdot {\rm{m}}$
    39.438.03.8
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    表  3  过热区域开关频率模糊控制规则表

    Table  3.   Table of fuzzy control rules for switching frequency in overheated area

    开关频率IGBT最高结温
    NBNMNSZOPSPMPB
    NBNBNBNBNMNSNSZO
    NMNBNBNMNMNSZOZO
    NSNBNMNSNSZOZOPS
    ZONMNSNSZOZOPMPM
    PSNSNSZOPSPMPMPM
    PMNSZOPSPMPMPMPB
    PBZOPSPMPMPBPBPB
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    表  4  高/低功率循环区域开关频率模糊控制规则

    Table  4.   Fuzzy control rules for switching frequency in high/low power cycle regions

    开关频率IGBT结温波动
    NBNMNSZOPSPMPB
    NBNBNBNBNMNSNSZO
    NMNBNMNMNMNSZOZO
    NSNMNMNSNSZOZOPS
    ZONMNSNSZOZOPMPM
    PSNSNSZOPSPMPMPM
    PMNSZOPSPMPMPMPB
    PBZOPSPMPMPBPBPB
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-17
  • 刊出日期:  2023-12-30

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