一种电机控制器功率模块寿命预估及自适应健康管控方法及系统与流程

本技术涉及新能源汽车，具体涉及一种电机控制器功率模块寿命预估及自适应健康管控方法及系统。

背景技术：

1、新能源汽车的驱动电机控制器是整车电驱系统中的关键组成部分，其中功率模块承担电能变换及大功率输出功能，通常采用igbt或sic mosfet等功率半导体器件，并由芯片、键合线、焊料层、dbc陶瓷基板等多层异质材料结构组成。在新能源汽车实际行驶过程中，由于车辆会频繁经历起步、加速、减速、高速巡航、重载爬坡及怠速等不同运行工况，驱动电机的输出转矩、转速及功率需求持续变化，使功率模块承受具有随机性和周期性的电气负荷波动，并进一步引起功率器件芯片结温的反复升降。

2、由于功率模块内部不同材料的热膨胀系数存在差异，长期的温度循环会在键合线、焊料层及基板连接区域产生反复的热机械应力，进而可能造成键合线剥离或断裂、焊料层空洞或开裂、热阻增大以及器件导通压降劣化等失效现象。

3、针对新能源汽车功率模块的热可靠性问题，现有技术通常采用固定温度阈值进行过温保护，通过监测功率模块壳体温度，并在温度超过设定阈值时执行降低输出功率或停机保护；部分方案采用基于平均工况、固定热循环次数等参数建立的经验寿命模型，对功率模块寿命进行离线折算；还有部分方案采用固定热阻模型，根据模块壳温和功率损耗静态估算芯片结温，并据此判断功率模块的热状态。

4、此外，现有新能源汽车电机控制器中的寿命评估功能通常与电机矢量控制、pwm发波、开关频率调节及转矩控制等功能相对独立，寿命评估结果主要用于状态监测或故障提示。

5、现有技术存在的不足之处：

6、上述技术方案虽然能够在一定程度上实现新能源汽车功率模块的过温保护或寿命状态评估，但仍存在较为明显的局限性。首先，仅依据功率模块壳温或固定热阻进行结温估算，难以准确反映功率器件芯片在新能源汽车频繁加减速、重载爬坡及高速巡航等动态工况下的瞬态温度变化，同时容易忽略温度幅值较小但出现频率较高的热循环，导致实际热疲劳损伤被低估。

7、其次，现有简化经验寿命模型通常考虑的影响因素较少，未能充分耦合结温变化幅度、峰值结温、导通持续时间以及工作电流、电压等电气应力因素，因此难以适应新能源汽车复杂且随机变化的整车运行工况，寿命预测结果的准确性和适用性有限。

8、再次，现有方案大多属于被动式保护，即只有在温度达到预设阈值后才采取降功率或停机措施，寿命评估结果与pwm开关频率、转矩输出上限及发波策略等电机控制参数之间缺乏有效的闭环联动，因而无法根据功率模块的实际老化程度主动降低后续热循环应力并抑制老化速率。

9、此外，现有技术通常缺少统一的健康状态分级、剩余使用寿命量化、历史运行数据存储以及整车网络预警和运维追溯机制，难以为新能源汽车功率模块的预防性维护、故障预警及全生命周期健康管理提供有效的技术支撑。

10、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种电机控制器功率模块寿命预估及自适应健康管控方法及系统，以解决上述背景技术中的问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种电机控制器功率模块寿命预估及自适应健康管控方法，包括以下步骤：

3、实时采集功率模块的电气参数、热参数以及电机整车工况参数，根据电气参数和电机整车工况参数分别计算功率模块的导通损耗和开关损耗，获取功率模块的瞬时损耗功率序列；

4、将瞬时损耗功率序列作为热输入，将热参数作为热边界条件输入三阶foster电热网络模型，对功率模块的瞬态热响应进行动态计算，获得功率器件芯片的瞬态结温时序；

5、针对瞬态结温时序执行雨流计数，对其中的热循环进行分解，提取各热循环对应的结温温变幅度、峰值结温以及导通时长，获得用于功率模块寿命预估的疲劳特征量；

6、将疲劳特征量以及对应的电气参数输入多变量功率模块寿命模型，计算各热循环对应的疲劳损伤，采用miner线性损伤累积准则对各热循环对应的疲劳损伤进行累积，计算功率模块的累积疲劳损伤以及剩余使用寿命；

7、按照累积疲劳损伤划分功率模块的多级健康状态，根据多级健康状态自适应调节电机矢量控制参数、空间矢量脉宽调制发波参数以及转矩输出限值，以降低功率模块后续运行过程中的热循环应力，同时对累积疲劳损伤、剩余使用寿命及多级健康状态进行在线存储，输出对应的故障预警信息及运维提示信息。

8、优选的，电气参数、热参数以及电机整车工况参数分别具有对应的采集周期，各参数按照时间标识映射至统一计算时刻；其中，电气参数包括三相定子电流和母线直流电压，热参数包括功率模块壳温、冷却介质温度和环境温度，电机整车工况参数包括电机转速、输出转矩、脉宽调制开关频率、占空比和加速踏板开度。

9、优选的，导通损耗按照当前工作电流、与当前工作状态对应的功率器件导通特性以及占空比确定；开关损耗由当前工作电流、母线直流电压、开通能量、关断能量和脉宽调制开关频率确定，同一功率器件在连续计算时刻产生的导通损耗与开关损耗构成对应的瞬时损耗功率序列。

10、优选的，瞬时结温参与后一计算周期的功率器件导通特性、开通能量及关断能量选取，当前工作电流与瞬时结温共同确定导通特性，当前工作电流、母线直流电压与瞬时结温共同确定开通能量和关断能量，由此更新后一计算周期的导通损耗及开关损耗。

11、优选的，三阶foster电热网络模型具有三个对应不同时间尺度的等效热响应支路，各等效热响应支路配置热阻参数和时间常数，利用上一计算周期保留的温升分量与当前瞬时损耗功率更新当前温升分量，并将各当前温升分量的累加结果与功率模块壳温关联得到当前瞬态结温。

12、优选的，热参数中的功率模块壳温构成瞬态结温计算的热边界基准，冷却介质温度和环境温度表征当前热运行工况；三阶foster电热网络模型的热阻参数和时间常数按照功率器件对应的瞬态热阻抗特性预先配置，并按照当前热运行工况调用相匹配的热参数组。

13、优选的，雨流计数对瞬态结温时序中的温度变化方向进行连续识别，将温度变化方向发生反转的位置确定为候选峰值或候选谷值，利用最小有效结温温变阈值筛除不满足疲劳循环条件的温度变化，再按照保留峰谷的时间顺序识别满足循环闭合关系的热循环。

14、优选的，热循环分解期间尚未满足循环闭合关系的峰谷数据保留在待处理峰谷序列中，车辆退出可运行状态时保存待处理峰谷序列，车辆再次进入可运行状态后恢复保存的峰谷数据，并接续新产生的瞬态结温时序完成跨运行周期的热循环识别。

15、优选的，疲劳特征量中的结温温变幅度由同一热循环的峰值结温与谷值结温之差获得，导通时长表征该热循环内功率器件承受有效电功率负荷的累计时间；每一热循环还关联其持续期间的工作电流有效值和母线直流电压时间平均值，以建立同一热循环对应的热应力与电气应力数据关系。

16、优选的，多变量功率模块寿命模型分别配置结温温变幅度、峰值结温、导通时长、工作电流以及母线直流电压对应的寿命修正关系，将各寿命修正关系与功率器件对应的寿命标定参数进行运算，获得当前热循环对应的允许失效次数，并由允许失效次数确定当前热循环的疲劳损伤。

17、优选的，miner线性损伤累积准则以各热循环的实际发生次数与对应允许失效次数之间的比值表征疲劳损伤，将新增疲劳损伤累加至历史累积疲劳损伤；累积疲劳损伤作为功率模块服役期间的不可逆寿命消耗量，在当前瞬态结温下降时保持已经累积的损伤结果。

18、优选的，剩余使用寿命通过预设有效运行时间窗口内的累积疲劳损伤变化量与对应有效运行时间确定单位时间平均损伤速率，再利用预设寿命损伤边界与当前累积疲劳损伤之间的剩余可用损伤量以及单位时间平均损伤速率获得等效剩余运行时间。

19、优选的，多级健康状态由功率模块内各待监测功率器件的累积疲劳损伤确定，各待监测功率器件分别对应瞬时损耗功率序列、瞬态结温时序及累积疲劳损伤，并选取其中最大的累积疲劳损伤作为功率模块健康状态的判定参数，以表征功率模块中寿命消耗程度最大的功率器件。

20、优选的，多级健康状态分别配置对应的健康管控参数集合，健康管控参数集合至少包含脉宽调制开关频率修正参数、最大允许转矩以及空间矢量脉宽调制发波参数；当前健康状态发生变化时调用对应的健康管控参数集合，并将调整后的运行参数反馈至后续瞬时损耗功率序列的计算过程。

21、优选的，转矩输出限值由车辆请求转矩与当前健康状态对应的最大允许转矩共同确定，并根据最大允许转矩限定电机矢量控制中的转矩电流目标值；空间矢量脉宽调制发波参数包括有效矢量作用时间分配、零矢量作用时间分配以及开关序列选择参数，用于调节后续运行过程中的电流负荷及开关状态。

22、一种电机控制器功率模块寿命预估及自适应健康管控系统，包括多源参数采集单元、实时损耗计算单元、结温估算与寿命核算控制单元、自适应控制与驱动单元以及存储与控制器局域网通信预警单元；

23、多源参数采集单元用于实时采集功率模块的电气参数、热参数以及电机整车工况参数，电气参数包括定子电流和母线电压，热参数包括功率模块温度、冷却液温度和环境温度，电机整车工况参数包括电机转速、输出转矩、脉宽调制开关频率、脉宽调制占空比和加速踏板开度；

24、实时损耗计算单元用于根据电气参数和电机整车工况参数分别计算功率模块的导通损耗和开关损耗，获得瞬时损耗功率序列；

25、结温估算与寿命核算控制单元用于将瞬时损耗功率序列作为热输入，将热参数作为热边界条件输入三阶foster电热网络模型，获得功率器件芯片的瞬态结温时序，并针对瞬态结温时序执行雨流计数，提取各热循环对应的结温温变幅度、峰值结温以及导通时长形成疲劳特征量，将疲劳特征量及对应的电气参数输入多变量功率模块寿命模型，并采用miner线性损伤累积准则获得累积疲劳损伤及剩余使用寿命；

26、自适应控制与驱动单元用于按照累积疲劳损伤划分多级健康状态，并根据多级健康状态自适应调节电机矢量控制参数、空间矢量脉宽调制发波参数以及转矩输出限值，以降低功率模块后续运行过程中的热循环应力并驱动电机功率模块；

27、存储与控制器局域网通信预警单元用于在线存储累积疲劳损伤、剩余使用寿命及多级健康状态，并向整车控制器及仪表输出对应的故障预警信息及运维提示信息。

28、在上述技术方案中，本技术提供的技术效果和优点：

29、本技术通过实时采集功率模块运行过程中的电气参数和热参数，将导通损耗与开关损耗转换为连续瞬时损耗功率序列，再利用三阶foster电热网络模型在线计算功率器件芯片的瞬态结温时序，有效保留新能源汽车在频繁起步、加速、减速以及重载运行过程中的动态温升变化；进一步通过雨流计数对连续结温时序进行热循环分解，将不同结温温变幅度和峰值结温对应的疲劳循环提取出来，从而将芯片实际承受的热循环过程转化为可用于寿命核算的疲劳特征量，提高功率模块热状态表征与疲劳损伤计算之间的对应程度。

30、本技术将结温温变幅度、峰值结温、导通时长以及对应电气应力共同纳入功率模块寿命预估过程，并通过miner线性损伤累积准则持续更新累积疲劳损伤，再根据累积疲劳损伤和单位时间平均损伤速率计算剩余使用寿命，有效反映新能源汽车复杂随机工况长期作用下的寿命消耗情况；在此基础上按照累积疲劳损伤划分多级健康状态，将寿命状态由单一温度监测结果扩展为能够反映历史热循环消耗程度的连续健康信息，为后续故障预警、维修时机判断以及功率模块全生命周期状态管理提供量化参考。

31、本技术将多级健康状态进一步用于调节电机矢量控制参数、空间矢量脉宽调制发波参数以及转矩输出限值，在功率模块老化程度增加后，将开关频率调整、转矩限制和发波参数控制反馈至后续运行过程，有效降低后续开关损耗、导通损耗及热循环应力，从而延缓累积疲劳损伤增长速度；同时将累积疲劳损伤、剩余使用寿命和健康状态进行在线存储，并输出故障预警信息及运维提示信息，在优选实施方式下可利用新能源汽车电机控制器及整车网络已有运行参数完成处理，无需设置直接测量芯片结温的附加检测器件，有利于在新能源乘用车及商用车电驱平台中推广应用。