摘要：为了更好的保护电机控制器的安全，各大主机厂都对功率模块进行温度检测。本文对各大主机厂的结温估算功能进行分析。其中，结温估算策略分为两个部分进行介绍：（1）常规工况温度估算策略（2）低流量以及零流量结温估算策略。
关键词：电机控制器、结温估算
0前言
随着世界各国对汽车排放要求的不断提高，现在各大主流整车厂均投入大量资源对纯电汽车以及混动汽车的进行研发，但也面临着巨大的挑战。电驱单元作为电动汽车的动力核心，其重要程度与传动燃油汽车的发动机一致。只有掌握了顶尖的电力驱动技术，才能在激烈的新能源竞争中保持优势地位。
电机控制器是电驱单元的控制核心，其主要电子元器件为功率模块（IGBT或者SIC）以及母线支撑电容。其中功率模块所占的成本较大。因此功率器件的安全是极其重要的，而导致功率模块失效的主要原因就是热失控。为了更好的保护电机控制器的安全，因此对于功率模型
的温度检测是及其重要的。各大主机厂以及高校对于功率模块的结温估算均展开了深入的研究。本文主要介绍了几类主流结温估算的方法以及优缺点。
图 1 电机控制器电路拓扑图
1 常规工况温度估算
基于模型的结温估算方法主要的内容是对于功率模块的损耗模型计算。国内外关于功率模块损耗模型有很多。虽然其中计算精度很高，但是需要考虑很多因素，计算复杂度搞。不
利于在整车上实现实时计算[1][2]。因此，大部分主机厂以及供应商对于功率模块的损耗计算均为平均损耗计算。主要的区别在于各大主机厂功率模块结构上的设计差异导致的暂态模型的差异。功率模块在电机控制中是由几个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)和FWD(Backward diode)组成，如图1所示。下面将简单介绍一下英飞凌功率模块平均损耗模型，如图2所示。其损耗模型的原理是计算一个调制波下功率模块导通损耗与开关损耗的均值。根据功率模块的工作原理，其损耗模型可以由以下结果损耗叠加得到：
PIGBT = PIGBT_on + PIGBT_sw
PFWD = PFWD_on + PFWD_sw
PIGBT on_ = 1/2(Vce*i/π + r*i^2/4)+m*cosφ(Vce*i/8+1/(3π)*r*i^2)
PIGBT sw = fsw/π(Eon + Eoff)*i/Inom * Vdc/Vnom
PFWD on_ = 1/2(Vce*i/π + r*i^2/4)-m*cosφ(Vce*i/8+1/(3π)*r*i^2)
PFWD_sw= fswErec*(0.8/π*1.2i/Inom +0.1)* Vdc/Vnom
其中：
PIGBT：为IGBT总损耗；
PIGBT_on：为IGBT导通损耗；
PIGBT_sw：为IGBT开关损耗；
PFWD：为FWD总损耗；
PFWD _on：为FWD导通损耗；
PFWD _sw：为FWD开关损耗；
Vce ：为IGBT或者FWD导通压降;
i : 基波电流；
fsw ：开关频率；
Eon、Eoff：开关损耗，单位：J；
m : 调制比；
cosφ ： 功率因素；
Vdc ：直流电压；
Inom：额定电流
Vnom：额定电压；
图 2 一个基波下的电流与开关对应的关系
损耗模型中的IGBT导通压降、IGBT开关损耗、FWD导通压降、FWD开关损耗可以通过供
应商的数据手册查询得到。在得到损耗模型之后，可以对功率模块的稳态温升进行有效的估算。由于功率模块的热容较小，往往功率模块的温度会在短时间内快速提升。因此需要建立暂态模型对功率模块的温升过程进行估算，由于各大主机厂以及供应商功率模块结构各不相同，因此其暂态温升模型以及基准温度的选取也会有较大差异。一部分主机厂的基准温度选取为功率模块进水口温度，例如吉利提出结温估算模型，吉利[3]的损耗模型与上述的模型一致，结温估算模块的基准温度是基于估算的进水口温度得到的，而进水口的温度是通过离进水口最近的那一项的NTC温度以及芯片损耗进行估算得到的。其水温的计算公式为：Tw = Tntc – (PIGBT+ PFWD)*R(th-w)，其中R(th-w)为NTC到水的热阻。计算得到水温后，功率模块的结温可以写为：Tj = R(j-w)*PIGBT +Tw，其中Tj为芯片结温估算值，其结构如图3所示。与吉利的模型不同一部分主机厂的基准温度选取为NTC温度，蔚来[4]的结温估算专利为了提高估算精度，在原有的损耗模型基础上对芯片的开关损耗进行了修正，即IGBT损耗模型可以写为PFWD_sw= λ*fsw/π(Eon + Eoff)*i/Inom * Vdc/Vnom，λ是随着卡开关频率变化而变化。之所以需要对开关损耗进行补偿，是因为蔚来电机控制器的驱动电路与数据手册上测得参数的驱动电路差异较大，导致实测与数据手册上的开关损耗差异较大，才需要引入补偿修正系数对开关损耗进行补偿。
图 3 估算水温作为结温基准温度的芯片温升模型
图 4 水温估算示意图
图 5 NTC传感器温度作为结温基准温度
联合电子[5]的功率模型设计了一种新的结构，并考虑了不同位置位置芯片间的交叉热，其
功率模块结构如图6所示。由图可知，当计算处于中间位置的芯片时，需要考虑相邻两个芯片对于中间芯片的热交换，例如，当计算UL芯片温升时，需要考虑UH与VH对于UL芯片的热交换，则UL的温升可以写成：TUL = TUL_self+TUH_UL+TVH_UL。
图 6 联合电子功率模块结构示意图
以上提到三种方法均可以对功率模块的温度进行有效的估算，只是针对不同型号的模块，不同的驱动电路以及不同结构，做出了相应的改善。
混动汽车2、低流量以及零流量结温估算策略
在实际应用工况中，冷却液的流量并不都是固定，冷却液漏液、水泵堵转或者损坏都有可
能造成冷却液流量的波动甚至是流量降为零。在第一章节中介绍的结温估算模型都是基于固定流量计算得到的。随着冷却液流量降低，此时功率模块的热阻会不断增大。此时第一章节中，计算的结温会比实际芯片温度低很多，无法起到温度监测以及保护功能。因此需要针对低流量时，芯片的热阻进行补偿或者建立不同流量与热阻的表格。各大主机厂针对低流量结温估算保护也提出很多方法。
比亚迪[6]、吉利[3]等主机厂提出的是通过实测得到不同流量下与等效热阻的查表参数，再通过监测各项参数得到当下冷却液流量值，并确定对应的等效热阻，从而对功率模块进行有效的结温估算。其中比亚迪的热阻参数仅有两个，一个为正常流量热阻参数，一个为零流量下等效热阻参数。其好处在于保护冗余大，可以最大程度的保护功率模块的安全，缺点就是相较于吉利的策略，在低流量情况下的功率释放更低。吉利提出的低流量策略，这是根据相应模块计算出冷却液流量，再查表得出对应流量下等效热阻。其好处在于在安全前提下可以最大限度的释放功率模型功率，提升电驱的性能。其缺点在于严重依赖于离线标定，且复杂度相较于比亚迪提出的策略较高。
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