Thermal Modeling of Power Modules in a Hybrid Vehicle Application

skrivet av Martin Borgqvist (SP)
Disputation, LTH 2013-12-04
Thermal Modeling of Power Modules in a Hybrid Vehicle Application
Jonas Ottosson
Det var ett 40-tal personer som samlats på Lunds Tekniska Högskola onsdagen den 4 december för att lyssna på när Jonas Ottosson försvarade sin avhandling om termisk modellering av kraftelektronikkomponenter. Projektet har finansierats av BorgWarner och Energimyndigheten och har varit en del av projektet eTVD (electric Torque Vectoring Device) som tidigare hette e-BAX (elektrisk bakaxel). Handledare för avhandlingen har varit professor Mats Alaküla och opponenten för dagen var professor Josef Lutz från Technische Universität Chemnitz i Tyskland.
Jonas började med att ge en kort introduktion av principen för hybridfordon samt en orientering om kraftelektronik. Därefter beskrev Jonas motivet för och syftet med sitt forskningsprojekt; Normalt sett packas kraftelektroniken och elmotorn i hybridfordon i separata enheter med egna kylsystem. Detta är utrymmeskrävande och innebär också att dyra kablage behövs för att koppla ihop enheterna.  Om det skulle gå att integrera elmotorn och kraftelektroniken i en enhet skulle ett kylsystem kunna tas bort, den totala volymen skulle kunna minska och modulariteten skulle öka. Resultatet skulle kunna bli en lägre systemkostnad vilket i förlängningen gynnar upptaget av hybrid- och elfordon på marknaden.
En sådan integration av kraftelektronik och elmotor innebär dock utmaningar, t ex blir designen av kraftelektroniken mer komplicerad ur ett termiskt perspektiv, och det blir nödvändigt att kunna prediktera kylbehovet på ett bra sätt.
När föraren av ett hybridfordon trycker på gaspedalen så motsvarar detta ett begärt moment som skall levereras från elmaskinen, moment-signalen översätts till en ström i kraftelektroniken. Kraftelektroniken består utav kraftmoduler som i sin tur består av komponenter såsom dioder och IGBT:er, vilka kontrollerar strömmen till elmotorn. I samband med detta uppstår de förluster i form av värme som behöver kylas bort från kraftelektroniken. När kraftelektroniken används och förluster kyls bort uppstår temperaturvariationer, vilket kallas för termisk cykling. Djupa termiska cykler (stora temperaturskillnader) och hög medeltemperatur sliter på kraftelektroniken. Kraftmodulerna byggs upp av olika lager som monteras ovanpå varandra. Varje lager har en funktion; IGBT:er och dioder av kisel vilka är lödda på en isolator av koppar och keram, en basplatta som ger mekanisk stabilitet och som sprider den värme som uppstår från förlusterna, samt en värmesänka som transporterar bort värmeförlusterna . Varje lager består av olika material med olika termiska egenskaper, vilket innebär att de expanderar olika mycket när temperaturen varierar. Detta leder vid termisk cykling till flexning i modulen som i sin tur kan orsaka att komponenten går sönder.
Det finns två olika typer av förluster; switch-förluster som uppstår när kraftelektroniken slår av, samt konduktiva förluster som uppstår när kraftelektroniken är på. Det normala är att kyla bort förlusterna konvektivt med en fläkt eller med t ex vattenkylning. I avhandlingen studeras olika grader av kylning genom att applicera olika konvektionskoefficienter i simuleringarna. Konvektionskoefficienten beskriver värmetransporten och har enheten kW/m2, °C. Ju högre värde på konvektionskoefficienten, desto bättre värmetransport och kylning. Värden mellan 0.5 och 50 kW/m2, °C har studerats i projektet för att täcka in den variation av kylmöjligheter som finns för kraftelektronik i hybridfordon.
För att studera termiska effekter i kraftelektroniken har Jonas tagit fram en systemmodell där olika körcykler kan användas för att uppskatta förlusterna i kraftelektroniken samt temperaturer och deras påverkan på komponenternas livslängd. En utmaning i sådan modellering är att förloppen i kraftelektroniken är mycket snabba (mikrosekunder), medan körcyklerna för fordonet är långa (tusentals sekunder). Det är inte praktiskt att simulera en hel körcykel i mikrosekundsskala (tar för lång tid). För att lösa detta problem så har en termisk modell utvecklats där geometriska data och materialdata används i en finita element-analys. Resultaten från denna analys kurv-anpassas för att kunna användas i uppslagstabeller i systemmodellen som simulerar körcykler. Detta innebär att nya tabeller behöver tas fram för olika fall som skall simuleras.
De framtagna modellerna har använts för att studera kylbehovet, uttryckt som den konvektionskoefficient som krävs för att temperaturen i modulerna inte skall överstiga 125 °C, samt livslängden hos kraftelektroniken. Detta har undersökts givet olika körcykler, temperatur på kylmedium, olika sammansättningar samt olika material. Jonas har även undersökt vad som händer om en variabel switch-frekvens används i kraftelektroniken. Dessutom har två olika koncept för kylning undersökts; kylning på en respektive två sidor av modulen. Livslängden på kraftmodulerna har uppskattats med två vanliga modeller för tillförlitlighet (LESIT och CIPS08).
Resultaten från Jonas simuleringar visar att livslängden hos kraftelektroniken kan förbättras avsevärt med rätt design på kylningen.  Om kraftmodulerna kyls på två sidor istället för en så minskar kylbehovet pga att den termiska resistansen i materialen minskar. Detta innebär t ex att det är möjligt att använda kylmedium med en högre temperatur. Om kraftelektronik och elmotor skall integreras i en enhet i ett hybridfordon, så är det önskvärt att kunna använda samma kylsystem som till förbränningsmotorn.  Kylbehovet kan även minskas genom att använda variabel switch-frekvens i kraftelektroniken, eftersom switch-förlusterna då minskar. Även livslängden på kraftelektroniken ökar med variabel switch-frekvens, men olika mycket för olika körcykler. Störst ökning av komponenternas livslängd erhålls för körcykler med låga och varierande hastigheter.  Med SiC-komponenter minskar kylbehovet (storleken på konvektionskoefficienten) givet en viss kylmedietemperatur. Men eftersom switch-förlusterna är låga för SiC, vinner man inte särkskilt mycket på variabel switch-frekvens i detta fall.
Efter Jonas presentation var det dags för opponenten Prof. Josef Lutz och därefter betygskommittén och publiken att ställa frågor och diskutera innehållet i avhandlingen. I diskussionen avhandlades bland annat modeller för livslängdsberäkning, förlustberäkningar, kallstarter och olika felfall. En sak som efterfrågades var validering av modeller och resultat genom tester, kanske ett ämne för ett fortsättningsprojekt? Modellerna som Jonas utvecklat borde ganska lätt kunna användas även för andra applikationer där kraftelektronik används.
En intressant kommentar från en av medlemmarna i betygskommittéen gällde SiC i kraftelektronik och löd ungefär så här (min tolkning); ”SiC kan ge mindre enheter och högre effektivitet. Men om du använder SiC så kommer folk att försöka få dig att använda materialets fulla potential för att få ut mer effekt, vilket i själva verket riskerar att leda till en hög termisk stress och kortare livslängd!”
På frågan om det är möjligt att integrera elmotor och kraftelektronik i en enhet, svarade Jonas att detta borde vara möjligt ur ett termiskt perspektiv. Det finns inget i projektet som pekar på att en sådan integration skulle innebära några orimlig krav på kylsystemet.
Efter diskussion och frågestund sammanträdde betygskommittén och efter en stund kunde de meddela det enhälliga beslutet att godkänna avhandlingen.
Grattis till doktor Jonas Ottosson.
Vid tangenterna,
Martin Borgqvist