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文献综述
- 研究背景
随着经济的发展，能源危机和环境污染日益成为人们关注的焦点。因此使用绿色低碳的新能源汽车替代现有燃油动力汽车，已成为我国实施可持续发展的重大战略课题。新能源汽车控制器作为新能源汽车的核心技术之一，对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。随着控制器向着大功率、小体积和高防护等级的趋势发展，以及功率器件的大量使用和高度集中，导致控制器单位体积内热流密度不断加大、热损耗升高，在大电流及冷却不足的情况下，内部器件温升加剧，严重影响了控制器的可靠性，进而影响整车的安全运行。因而，为保证新能源汽车的可靠运行，对其控制器的温升特性进行研究具有重要的实际应用价值。
新能源汽车控制器是控制主牵引电源与电机之间的能量传输装置，由外界控制信号接口电路、电机控制电路和驱动电路组成，电机控制器作为整个制动系统的控制中心，主要由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接受电池输送的直流电能，逆变成三相交流电给电机进行供电，控制器接受电机转速等信息反馈到仪表，当发生加速或制动等行为时，控制器控制变频器频率的升降从而达到加速或减速的目的。电机控制器主要具有对整车行驶控制、整车的网络化管理、制动能量的回馈控制、整车能量管理和优化、故障诊断与处理等作用。因此，电机控制器的质量决定电机运行质量进而影响整车的运行情况，最终影响到驾驶人员的舒适性、安全性、稳定性等驾驶体验。所以，新能源汽车电机控制器的研究在整车研发过程中具有至关重要的作用。
本项目研究可为控制器结构的优化提供理论基础，进而达到实现控制器和整车稳定安全运行的目的。
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- 研究概述
电子器件热分析又被称为热仿真设计，它是利用一系列数学知识对电子产品在工作时的温度进行计算，得出电子产品的温度分布场的分析方法，通过热仿真分析，设计师在设计阶段就能找到电子产品存在的各种热缺陷，并进行改进及重新设计的过程。传统的电子器件热设计存在耗费时间长、研发成本高、实验结果不准确等多种局限性，现代热设计可以使用 ESC、TMG、FLOTHERM和ANSYS等软件进行热设计仿真分析，通过这些热仿真软件，可以节省大量的研究时间和研究经费，并大大提高热设计的准确性，从而提高热设计的效率和质量。
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)[1]因为其能量密度高、运行效率高、可靠性强等优点，受到汽车生产厂商的青睐。王淑旺[1]为研究永磁同步电机三维温升分布规律，以一台48槽的纯电动车用水冷永磁同步电机作为研究对象，首先分析了电机的热损耗，计算了绕组的等效导热系数；然后采用流体场与温度场耦合法仿真计算额定工况下电机的三维温度场与峰值工况下电机的温升，最后通过试验验证了仿真分析的正确性。变频调速的PMSM谐波含量大，发热严重，产生过高温升。若电机产生的热量不能及时散去，会缩短电机的使用寿命，并影响电动汽车安全行驶的可靠性。因此，需要分析变频调速的PMSM温升分布规律。为了准确得到电机的温升分布情况，国内外学者对此做了大量研究。Airoldi G等[2]通过引入径向和轴向热模型，采用等效热网络法计算出电机的二维热网络模型;李伟力[3]等根据牛顿放热基本定律计算出电机定子表面等效散热系数，利用有限元法计算出超导同步电机温度场;Y.J．Liu等[4]利用耦合的热网络法和有限元法计算分析电机的三维稳态温度场。王淑旺采用流体场与温度场耦合的方法，利用ANSYS Workbench中的CFX模块仿真计算纯电动车用水冷PMSM运行在额定工况条件下的三维稳态温度场以及运行在峰值工况条件下的温升是否符合电机的设计要求，并搭建试验平台，对仿真结果进行验证，得到以下结论:由于对电机模型的简化与求解域内的基本假设，使电机温升的仿真值与试验值存在可允许的误差，电机在额定工况、峰值工况下运行时，绕组端部温升仿真值与试验值基本吻合，验证了基于流体场与温度场耦合法对本文所建电机模型进行温升计算的正确性与有效性。
刘雄等[5]针对电动汽车驱动电机在整车极限工况下的温升问题，采用流-固共轭传热数值计算方法对永磁同步电机的散热性能进行了仿真计算，得到了不同工况下电机定转子的温度分布规律。利用滑环模块解决了转子温升测试的难题，将不同整车工况下电机的温升测试数据和计算流体动力学(CFD)仿真结果对比，验证了仿真计算模型及方法的准确性，为整车在各种行驶路况下准确获取电机内永磁体工作温度提供了理论支持。
任国峰[6]提出了电控单元的热模型和热优化设计的一种方法，采用计算机辅助热设计方法，建立电控单元的热仿真设计模型，并对影响模型仿真精度的关键影响因素，功率MOSFET管的热功耗模型进行了试验验证。通过温度测量试验验证了仿真模型对温度预测的有效性，基于经过验证后的有效热模型，通过热仿真寻找影响控制器热表现的关键影响因素及其影响规律，从而开展从元器件、PCB 板到ECU(Electronic control unit)的热-机-电综合HTCU(Hybrid Transmission Control Unit)热优化设计。通过元器件的热模型和功耗模型的建立，功率管的功耗模型及温度预测验证，建立印制PCB板的热模型以及控制器的热模型，包括控制方程及边界条件的确定和设置,最终得到完整的仿真结果。
张斌[7]通过对电动汽车车辆模型及行驶特性进行分析得出了驱动电机输出特性与电动汽车行驶工况之间的关系。为了使永磁同步驱动电机获得区域型高效率，在不同工况下对其进行了电磁分析。并且针对不同的绕组结构的永磁同步电机进行热分析的研究对比。在不同的转矩过载工况下对不同的绕组结构的永磁同步电机的电流，损耗，温升，热流进行了分析，并且利用有限元对不同的绕组结构的永磁同步电机进行了瞬态热分析。并且通过引入进化策略并釆用加权的单元适应度对其进行了改进。为了提高耦合计算收敛的精度与速度，结合电磁场有限元与热阻网络将改进的进化策略应用到永磁同步驱动电机电磁热耦合分析中。针对改进的耦合分析方法对驱动电机在不同工况下进行电磁热计算。最后，利用36KW驱动电机样机对电磁热分析结果进行了实验验证。
Seok J K等[8]提出了一种是用PWM逆变器识别感应电机参数的新方法。往往感应电机磁场定向控制需要精确的感应电机参数。为了克服逆变器参数获取的困难，作者提出来一种利用逆变器本身在静止状态下的机器参数辨识法，采用两个不同感应电机进行验证以此说明其可行性。
Lee T-Y等[9]评估了CFD工具对于手持便携产品和组件级产品的冷却过程热模型的仿真效果。评估了两个案例研究的结果。第一种情况着眼于便携式消费类产品的典型密封系统外壳;第二种情况则着眼于具有内部空腔的密封多芯片模块分析。将模拟预测的温度与实验数据进行比较，以评估软件解决耦合的流体动力学和传热学问题的能力。在这两种情况下，所有仿真结果误差均在实验结果的10％以内，表明该软件很容易提供良好的热性能预测。
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