汽车电子水泵控制器热分析与散热优化
发布时间：2021-02-25 11:47
大功率汽车电子冷却水泵是汽车发动机冷却系统的关键部件,电子水泵由电机驱动,可不受发动机工况影响。采用电子水泵替代机械水泵,可以精确控制冷却效果,是解决发动机油耗和排放的主要措施。2016年10月,节能与新能源汽车技术战略咨询委员会发布了节能与新能源汽车技术路线图,明确提出至2030年乘用车平均油耗要降至3.2L/100km,并明确指出发动机热管理技术是重点发展方向。电子水泵是发动机热管理技术的重要组成部分。在2018年中国年度十佳发动机评选中,绝大多数发动机采用了电子水泵技术。由于工作环境恶劣,大功率汽车电子水泵功率器件和电机热损耗大,设计难度大,目前仅有Magna、Pierburg和Bosch等国际大厂有成熟的量产产品。本文以大功率汽车电子水泵为载体,采用符合AEC-Q200的ELMOS汽车级处理器E523.52为主控芯片,设计了一款600W载重汽车电子水泵。为使该水泵满足通用汽车公司环境与耐久性标准GMW-3172测试,本文对控制器发热、电机绕组发热和散热进行了研究。首先,对控制器驱动电路部分的金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、铝电解电容、功率电感和电机绕组的发热机理...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
寿命曲线图
第四章控制器系统搭建43图4-3转换因子相对于频率f的曲线Fig.4-3Thecurveoftheconversionfactorwithrespecttofrequencyf已知纹波电流和环境温度情况下的电解电容使用寿命是由寿命曲线图决定的，商曲线是在给定环境温度和额定纹波电流下确定的，相应的使用寿命值由穿过当前环境温度和商坐标的曲线给出，该过程未考虑纹波电流的频率依赖性，必须以附加因子的形式将其引入计算中，为此提供了转换因子IAC,f/IAC,10kHz相对于频率f的曲线4-3，电解电容的寿命计算公式（4-2）如下：()()20010010102TITTILLK=（4-2）式中T表示电解电容的工作温度，T0表示电解电容的最高工作温度，T0表示最高温度下电解电容允许温升，L表示温度为T时的电解电容寿命，L0表示工作在最高温度下的电解电容寿命，K表示纹波对电解电容的寿命系数，I0表示最高温度下额定纹波电流有效值，I表示温度为T时的纹波电流有效值。本设计选用TDK-B41689型铝电解电容，满足全球工程标准GMW-3172中的相关使用寿命标准[58]。4.2.3功率电感的选型对于给定的电压校准应用（连续导电模式），应选择适合电流纹波的电感，滤波电感值的确定是根据指定的最大电感电流纹波和相应的操作条件确定的。在电感的选择过程中，首先要考虑的是损耗的优化，一个合适的电感应能够平衡好铁损和铜损；第二个需要考虑的是整个电感器的阻抗频率特性范围，该参数会影响电路的差模噪声特性，特别是在高频部分，电感的阻抗等级越高，差模噪声越
天津工业大学硕士学位论文64根据表6-2可知，6号MOSFET的表面温度最低，且MOSFET表面温度与正下方翅片温度的温差最小，说明6号过孔的导热性能最好。图6-2X光照射图Fig.6-2X-rayexposure图6-2是焊接好的MOSFET在X光照射下的实物图，可以看出MOSFET下方焊盘焊锡量和过孔中过锡量的情况：颜色越深代表焊锡量越多，依据颜色深浅可得焊盘焊锡量充足，焊盘下方过孔有焊锡漏进，且PCB表面无焊锡流出，因此本设计采用焊盘下打30个15mil孔径的过孔方案可行。6.4功率器件的分布说明PMSM控制器主要功率器件的种类、数量及发热功耗见表6-3：表6-3功率器件的功耗Tab.6-3Powerconsumptionofpowerdevices器件名称发热量（W）数量（个）总损耗（W）驱动MOSFET1.051212.6采样电阻1.02411.024MCU111铝电解电容1.5623.12功率电感0.721.4防反接MOSFET0.3120.62以上六种器件总损耗19.764W，其他损耗5W，控制器总损耗24.764W，绕组铜耗18.18W，绕组铁耗4.5W，功率器件的分布情况见图6-3所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]通信设备盒式电源模块MOS管的散热优化设计[J]. 沈悦. 通信电源技术. 2019(07)
[2]基于纹波电流计算的面装式永磁同步电机驱动系统逆变器死区补偿[J]. 李红梅,候书寒,姚宏洋. 电工技术学报. 2017(S2)
[3]薄外延CMOS芯片阱掺杂浓度与击穿电压的关系[J]. 韩兆芳,谢达,乔艳敏. 电子与封装. 2016(08)
[4]中高频振动引起车内噪声分析研究[J]. 刘辉,罗伟宾,赵克刚. 机械与电子. 2015(06)
[5]汽车发动机冷却系统的构成和保养维护[J]. 李晓辉. 科技创新与应用. 2014(25)
[6]铁粉纯度和粒径对磷化铁粉软磁复合材料磁性能的影响[J]. 李发长,李一,柳学全,贾成厂,李楠,霍静,李金普. 功能材料. 2012(18)
[7]最优最小开关损耗SVPWM地板水暖变频调速系统[J]. 杨喜军,蒋婷,佘焱. 电机与控制学报. 2011(06)
[8]谐振型软开关在无刷直流电机驱动器中的PSpice仿真[J]. 唐鸿凯,汤宁平,马婧颖. 电工电气. 2010(02)
[9]航空三相静止变流器设计与仿真[J]. 刘桉,唐虹,刘慧英. 电力电子技术. 2009(06)
[10]一种用于无刷直流电机控制系统的MOSFET栅极驱动电路[J]. 段德山,徐申,孙伟锋. 电子器件. 2008(02)
博士论文
[1]雪崩器件非线性效应及高次倍频机理研究[D]. 赵明华.电子科技大学 2009
硕士论文
[1]临界连续模式高效率无桥PFC整流器研究[D]. 徐厚建.浙江大学 2018
[2]车载卫星定位设备结构设计[D]. 顾锋.苏州大学 2017
[3]微光像素单元物理机理及电路设计研究[D]. 熊扬.西安电子科技大学 2017
[4]场效应管瞬态电热特性的谱元法分析[D]. 程笑林.南京理工大学 2015
[5]航天用高压电源模块热电耦合仿真及虚拟可靠性评估[D]. 蒙航.哈尔滨工业大学 2014
[6]基于模型的电动汽车冷却控制系统研究与开发[D]. 李珍珍.武汉理工大学 2014
[7]电子设备核心元件热结构设计与分析[D]. 周慧敏.南京理工大学 2013
[8]采用挖槽填充工艺的DMOS的雪崩耐量研究[D]. 邓光敏.电子科技大学 2013
[9]结型半导体桥的结构设计及性能研究[D]. 乔争光.南京理工大学 2012
[10]大功率软开关PWM整流器技术研究[D]. 王天亮.北京交通大学 2009
本文编号：3050921
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
寿命曲线图
第四章控制器系统搭建43图4-3转换因子相对于频率f的曲线Fig.4-3Thecurveoftheconversionfactorwithrespecttofrequencyf已知纹波电流和环境温度情况下的电解电容使用寿命是由寿命曲线图决定的，商曲线是在给定环境温度和额定纹波电流下确定的，相应的使用寿命值由穿过当前环境温度和商坐标的曲线给出，该过程未考虑纹波电流的频率依赖性，必须以附加因子的形式将其引入计算中，为此提供了转换因子IAC,f/IAC,10kHz相对于频率f的曲线4-3，电解电容的寿命计算公式（4-2）如下：()()20010010102TITTILLK=（4-2）式中T表示电解电容的工作温度，T0表示电解电容的最高工作温度，T0表示最高温度下电解电容允许温升，L表示温度为T时的电解电容寿命，L0表示工作在最高温度下的电解电容寿命，K表示纹波对电解电容的寿命系数，I0表示最高温度下额定纹波电流有效值，I表示温度为T时的纹波电流有效值。本设计选用TDK-B41689型铝电解电容，满足全球工程标准GMW-3172中的相关使用寿命标准[58]。4.2.3功率电感的选型对于给定的电压校准应用（连续导电模式），应选择适合电流纹波的电感，滤波电感值的确定是根据指定的最大电感电流纹波和相应的操作条件确定的。在电感的选择过程中，首先要考虑的是损耗的优化，一个合适的电感应能够平衡好铁损和铜损；第二个需要考虑的是整个电感器的阻抗频率特性范围，该参数会影响电路的差模噪声特性，特别是在高频部分，电感的阻抗等级越高，差模噪声越
天津工业大学硕士学位论文64根据表6-2可知，6号MOSFET的表面温度最低，且MOSFET表面温度与正下方翅片温度的温差最小，说明6号过孔的导热性能最好。图6-2X光照射图Fig.6-2X-rayexposure图6-2是焊接好的MOSFET在X光照射下的实物图，可以看出MOSFET下方焊盘焊锡量和过孔中过锡量的情况：颜色越深代表焊锡量越多，依据颜色深浅可得焊盘焊锡量充足，焊盘下方过孔有焊锡漏进，且PCB表面无焊锡流出，因此本设计采用焊盘下打30个15mil孔径的过孔方案可行。6.4功率器件的分布说明PMSM控制器主要功率器件的种类、数量及发热功耗见表6-3：表6-3功率器件的功耗Tab.6-3Powerconsumptionofpowerdevices器件名称发热量（W）数量（个）总损耗（W）驱动MOSFET1.051212.6采样电阻1.02411.024MCU111铝电解电容1.5623.12功率电感0.721.4防反接MOSFET0.3120.62以上六种器件总损耗19.764W，其他损耗5W，控制器总损耗24.764W，绕组铜耗18.18W，绕组铁耗4.5W，功率器件的分布情况见图6-3所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]通信设备盒式电源模块MOS管的散热优化设计[J]. 沈悦. 通信电源技术. 2019(07)
[2]基于纹波电流计算的面装式永磁同步电机驱动系统逆变器死区补偿[J]. 李红梅,候书寒,姚宏洋. 电工技术学报. 2017(S2)
[3]薄外延CMOS芯片阱掺杂浓度与击穿电压的关系[J]. 韩兆芳,谢达,乔艳敏. 电子与封装. 2016(08)
[4]中高频振动引起车内噪声分析研究[J]. 刘辉,罗伟宾,赵克刚. 机械与电子. 2015(06)
[5]汽车发动机冷却系统的构成和保养维护[J]. 李晓辉. 科技创新与应用. 2014(25)
[6]铁粉纯度和粒径对磷化铁粉软磁复合材料磁性能的影响[J]. 李发长,李一,柳学全,贾成厂,李楠,霍静,李金普. 功能材料. 2012(18)
[7]最优最小开关损耗SVPWM地板水暖变频调速系统[J]. 杨喜军,蒋婷,佘焱. 电机与控制学报. 2011(06)
[8]谐振型软开关在无刷直流电机驱动器中的PSpice仿真[J]. 唐鸿凯,汤宁平,马婧颖. 电工电气. 2010(02)
[9]航空三相静止变流器设计与仿真[J]. 刘桉,唐虹,刘慧英. 电力电子技术. 2009(06)
[10]一种用于无刷直流电机控制系统的MOSFET栅极驱动电路[J]. 段德山,徐申,孙伟锋. 电子器件. 2008(02)
博士论文
[1]雪崩器件非线性效应及高次倍频机理研究[D]. 赵明华.电子科技大学 2009
硕士论文
[1]临界连续模式高效率无桥PFC整流器研究[D]. 徐厚建.浙江大学 2018
[2]车载卫星定位设备结构设计[D]. 顾锋.苏州大学 2017
[3]微光像素单元物理机理及电路设计研究[D]. 熊扬.西安电子科技大学 2017
[4]场效应管瞬态电热特性的谱元法分析[D]. 程笑林.南京理工大学 2015
[5]航天用高压电源模块热电耦合仿真及虚拟可靠性评估[D]. 蒙航.哈尔滨工业大学 2014
[6]基于模型的电动汽车冷却控制系统研究与开发[D]. 李珍珍.武汉理工大学 2014
[7]电子设备核心元件热结构设计与分析[D]. 周慧敏.南京理工大学 2013
[8]采用挖槽填充工艺的DMOS的雪崩耐量研究[D]. 邓光敏.电子科技大学 2013
[9]结型半导体桥的结构设计及性能研究[D]. 乔争光.南京理工大学 2012
[10]大功率软开关PWM整流器技术研究[D]. 王天亮.北京交通大学 2009
本文编号：3050921
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/qiche/3050921.html
