东风汽车在电机控制器电容温升仿真方法与应用

“在整个技术实现流程中，我们大量使用了 Altair 的仿真软件，助力我们高效实现了最终的仿真目标。

—— 智新科技 CAE 工程师 袁田

在 2024 年 Altair 技术大会的精彩演讲”

大家好，我是来自于智新科技的一名 CAE 工程师，今天分享一下电容温升的仿真方法与应用。本次分享主要从以下几个方面展开：

一、智新科技业务领域介绍；

二、电容温升仿真的背景与意义；

三、电容温升仿真方法；

四、电容温升仿真建模过程；

五、应用实例。

以下是本次演讲具体内容：

一、智新科技业务领域介绍

智新科技股份有限公司是东风汽车集团股份有限公司（简称东风汽车）的控股子公司，是东风自主乘用车动力总成事业单元。

为落实东风新能源发展战略，按照产业链纵向贯穿、业务横向打通的发展布局，东风汽车于 2022 年 1 月决策启动原智新科技股份有限公司、东风鼎新动力系统科技有限公司、东风汽车（武汉）有限公司的战略整合，当年 5 月份完成上述三家公司一体化运营。2023 年 1 月又并入了东风乘用车公司发动机业务，实现“四合一”一体化运营，公司名称沿用智新科技股份有限公司。

整合后，公司业务涵盖马赫动力总成系列产品，为保障供应链安全可控，公司快速推进关键零部件的自主开发及工业化建设，在原有总成业务的基础上拓展了电机、控制器、电池 PACK“三电”业务，建成了东风新能源动力总成关键技术和核心资源的主阵地

二、电容温升仿真的背景与意义

现在电驱动总成是一个高度集成化的产品，将减速器、电机、控制器整合到一块，这样会带来一个比较大的问题：温升问题，如何保证温度在合理的范围内。

电机控制器的内部结构比较复杂，一旦温度过高（峰值情况下甚至可能达到 100 度），对旁边的精密器件，比如 PCB 板上的元器件，就会产生一些危害，让元器件工作不稳定。

我们为什么要进行电容的温升仿真呢？在设计选型的时候，需要把不同的电容产品整合到电驱动总成里，观察工作效率以及耐高温性能如何。选择最终的产品之后，还要设计一个散热方案，检验最高温度是不是满足设计要求，最后还需要识别一些比较极端的风险。

三、电容温升仿真方法

先介绍一下温升仿真的原理。如下图所示，是一个逆变电路的简化模型：最左边的是电池，也就是我们的电源；中间是功率模块、IGBT、碳化硅模块等；最右边是负载。在理想情况下，电容仅进行充放电，不会发热。但实际上，电容可以等效为与电阻和电感串联的产品，这会导致发热。

图中截了三张图，都是相电流的结果。这里有一个寄生电感的概念，因为车载线束、电驱动总成线束都要通电，是由好几根导线缠绕到一块合成一个线束，所以实际在通入产品里面的时候，会产生电感，对输出电流造成干扰。

如下图，第一张图里没有寄生电感和电容，是最理想的情况，这个时候输出的电流是非常光滑的曲线。但实际上电路接入导线比较多的情况下，就会产生电感，输出的电流不是很稳定，电机传输出来的转速也不是很稳定。

为了保证结果的稳定性，就需要在电路里面搭载一个电容进行滤波。仔细观察可以看到，最下面这张图的左边电流还有锯齿状，是比较粗糙的，但是到了右边就比较平滑。这是因为最开始电容还只是充放电，到后面就是平滑曲线了。图中间是仿真的纹波电流，是我们仿真出来的结果。

接下来介绍一下电容温升的技术路线图和用到的应用软件。首先我们需要有一个电机的模型，其次需要有电容的寄生参数，才能仿真出准确的纹波电流结果。

通过电机模型和机身参数的结果，就可以在 PSIM 软件里面搭建逆变电路。有了逆变电路之后，就可以仿真出想要的纹波电流和直流电流的有效值。

接下来是大家熟悉的技术，比较成熟的电热仿真，比如铜排损耗仿真、电容芯子仿真，根据损耗仿真温度。可以看到在整个技术实现流程中，大量使用了 Altair 的仿真软件，助力我们高效实现了最终的仿真目标。

四、电容温升仿真建模过程

下面主要介绍电容温升的全过程以及我们使用的方法。通过 FluxMotor 可以提取电机的主要参数，比如绕组电阻、DQ 电感等，然后将电机模型降阶为一维的，导入到电路中，如下图所示。

搭建了电机模型之后，还需要有非常准确的电容器参数，通过 SimLab 里自带的 PE 模块，可以算出电容器件的阻抗。这里有三个参数是 PSIM 里需要输入的三个参数：电容、电阻、电感，其中电容是自带的，电阻和电感是需要仿真的。

SimLab PE 模块有两个计算内容，一种是计算 S 参数（散射参数），另一种是计算 Z 参数（阻抗参数）。

PSIM 软件自带一个比较详细的电机降阶模型，如下图所示，最左边的是电容，中间的是功率模块，右边是电机、负载，下面是控制方式。

PSIM 软件提供了一个接口，可以和 Simulink 联合仿真。电机控制器主要有两个发热器件：电容和功率模块。功率模块可以根据 Datasheet 建立热模型。通过这个电路图也可以仿真 IGBT 的散热和损耗。

对于电容，主要关心的是它的直流电流有效值和纹波电流有效值。对于相电流不是很关心，因为我们知道电机转速和负载之后设计会告诉我们输出相电流的有效值。

下图提供的是一个简化的三边电路图，最下面采用的是空间矢量调制的控制方法。通过这个电路图可以仿真出直流电流与纹波电流，从而仿真出铜排的损耗、电容芯子的损耗。

通过 SimLab 自带的 ACSC 模块可以算出焦耳热损耗，再根据铜排的体积就可以算出它的体积热。有了体积热就相当于整个电容的仿真过程有热源了。

然后用 SimLab 的 Thermal 模块以及电子散热模块都可以实现温升仿真，这两个模块求解器是不一样的，Thermal 模块里面求解器用的 OptiStruct 求解器，电子散热模块是自带一个求解器，但两个仿真差别并不大。从仿真结果可以看出，温度主要集中在电容芯子。

五、应用实例

最后展示一下应用实例，主要分享电容温升测试以及仿真和实验的对标。

我们通过改制样机将电容及铜排接入热电偶进行测温，如下图为峰值工况下的实测与仿真对标，结果精度很高，误差最大只有 3 度。

通过这些应用实例，我们可以看到电容温升仿真在电机控制器设计中的实际价值。

Altair 的仿真软件不仅帮助我们预测和解决了潜在的热问题，还提高了设计效率，降低了开发成本，并最终提升了产品的市场竞争力。

Altair 是计算智能领域的全球领导者之一，在仿真、高性能计算 (HPC) 和人工智能等领域提供软件和云解决方案。Altair 能使跨越广泛行业的企业们在连接的世界中更高效地竞争，并创造更可持续的未来。Altair 服务于 16000 多家全球企业，应用行业包括汽车、消费电子、航空航天、能源、机车车辆、造船、国防军工、金融、零售等。

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