混合电动汽车用逆变器关键技术研究

中心论题：

• 电气系统设计
• 逆变器设计关键技术
• 系统可靠性设计
• 实验室测试和实车运行考核

解决方案：

• 主电路参数计算
• 散热器和风机计算
• 数字控制电路设计和软件设计
• 总体结构设计

电动汽车（EV）、混合电动汽车(HEV)和燃料电池汽车（FCEV）具有良好的应用前景和经济效益，其中HEV的应用在当前一段时期可能达到较大的规模。许多公司和科研机构对HEV的研究非常深入，所包括的不同于普通汽车的关键技术有：电池；电机及其驱动系统；系统能源管理等。

电机及其驱动系统是HEV的关键部件。首先，其高可靠性必须能够保证HEV长期可靠工作；其次，系统效率对HEV的能耗水平具有决定影响。现在得到大规模应用的有基于永磁电机和感应电机的变频调速系统（以下简称逆变器）。基于永磁电机的逆变器，以日立、川崎等日本公司的产品最为成熟；基于异步电机的逆变器，ABB、SIEMENS、ALSTON等欧洲著名公司都能够提供不同功率等级的应用系统。在电力机车市场方面，产品应用和发展趋势也是一致的。本文研究的是基于异步电机的逆变器，配套电机为湘电股份公司生产的YQ57型变频牵引异步电动机，应用于湘电股份公司的XD6120型HEV客车上。
   
不同于普通的风机、水泵等一般工业应用场合，应用于HEV的逆变器由于使用环境的特殊性，其关键要求有：结构设计可靠，安装维修方便，防护等级高，适应恶劣的环境。

电气系统设计
HEV的电气系统主要包括三个部分：蓄电池、电机、逆变器。参考文献对电气系统设计过程进行了详细说明，而且也对这三个部分的参数进行了详细的说明和分析。

a.电机基本参数确定：电机的功率和转矩参数应根据HEV的速度要求、转矩特性和传动比来确定,最后确定和XD6120型混合电动汽车配套的电机功率为57kW，额定转速为2000r/min, 最大起动转矩为2Tn。

b.电压等级确定：由于汽车以安全为第一要素，因此在HEV上应用的IGBT以600V和1200V系列最为广泛。确定电池和电机电压的等级应考虑如下因数：IGBT在关断时有可能产生过电压，因此600V系列IGBT实际使用时的直流侧电压低于400V；电池电压是浮动的，按照一般要求，最高电压等于额定电压的120％；功率相同时，电压等级越高，电流越小，电机和变频器的体积就相对越小。综合以上因素，确定电池的电压等级为312V，电机的电压等级为230V。

c.其他参数确定：蓄电池电压选定后，还应根据HEV的续航里程等要求选定蓄电池的安时数；根据电机电流计算逆变器电流；根据系统电压和电流等级选择保护用开关及其熔断器、电线电缆的型号规格、各种电气系统的绝缘和电气间隙等。

逆变器设计关键技术
逆变器设计关键技术包括：主电路参数计算；散热器和风机计算；数字控制电路设计和软件设计；总体结构设计。

a.主电路电气图和主要器件参数计算
逆变器采用电压源型主电路，直流侧加支撑电容，附加直流继电器和预充电电路。其电路图如图1所示。
 

                      
在主电路设计时，最重要的是确定功率器件的电压和电流等级。本系统选择的IGBT电压等级为600V，对应的蓄电池电压等级选择为312V，电机额定电流In=192A，考虑到在低速起动时要求起动转矩为2Tn，对应的电机的启动电流约为2In，因此选择IGBT的电流等级为600A。
   
根据所选择的电压等级，直流侧电容电压等级选定为450V。其容量则一般使用如下经验公式进行计算：

 
   

   
式中，P为逆变器输出功率，VDC为直流侧电压，CDC为直流侧电容容量。经计算得到需要的电容容量为0.0175F≤CDC≤0.035F。实际系统中的电容容量为20000μF。

b.功率器件损耗计算
功率器件的损耗由IGBT静态损耗、IGBT开关损耗、二级管静态损耗和二极管动态损耗等四个部分组成。

IGBT静态损耗计算公式为：
 

   

式中，ICP为额定输出电流；Vce(sat)为在额定输出电流时的饱和压降；D为平均占空比；cosθ为功率因数。

IGBT开关损耗计算公式为：
 

式中，fC为开关频率；PSW(ON)为IGBT开通能耗；PSW(OFF)为IGBT关断能耗。

二极管静态损耗计算公式为：

    
式中，Vec为二极管导通压降。

二极管动态损耗计算公式为：
 

  

式中：Irr为二极管反向恢复电流；trr为二极管反向恢复时间。
   
综合上述四项，计算得到的最大损耗为1350W。

c.数字控制电路设计和控制软件设计
逆变器的控制算法由数字控制电路完成，数字控制电路包括两大部分：电源及功率器件驱动板和数字控制电路板。
   
数字控制电路板的核心芯片使用TI公司的TMS320F240，它接收外部命令，检测外部模拟信号，完成复杂的数字控制算法，产生PWM脉冲；使用CPLD芯片作为外围接口芯片；使用AMP防水插座接收外部信号。
   
由于HEV传动系统的速度和转矩变换范围非常大，系统采用的是有速度传感器的转子磁场定向控制，参考文献对此控制有详细的叙述，并给出了完整的DSP算法实现。

系统可靠性设计
对于HEV车辆用变频器，由于安装位置在车底下，工作环境非常差，具体表现为：环境温度差别非常大，在实际运行测试中曾经监测的温度最高达到了50℃，最低为－10℃；在天气晴朗时工作环境有灰尘，在下雨天时则有雨水；变频器需要承受很强的冲击和振动。
   
为了保证车辆能安全运行，系统的可靠性设计是最重要的。

a.散热器和风机计算
在计算了功率器件的损耗之后，就可以根据损耗确定散热器和风机。为此，使用热分析软件FLOTHERM进行仿真计算，仿真结果要求散热器温升在30K以下。
   
软件计算结果：表1为散热器的物理结构和参数；表2为风机的风量和风压计算结果；表3为散热器上选择的五个测试点的温度值。

 

                         
根据软件仿真计算结果，散热器选择钎焊式铝散热器，风机选择EBM公司的EBM6224N。

b.一体化结构设计
为了减轻重量，外壳使用铝合金材料，强度好、重量轻。在结构设计上尽量减小体积，因此使用一体化结构设计。

驱动板直接压接在IGBT上；直流侧电容通过复合母排直接连接在IGBT上，减小电感；风机直接安装在散热器底部；数字控制电路板安装在铝外壳上，方便拆卸。
   
使用一体化结构设计后，系统的维修时间大大缩短。数字控制板和外部信号的连接都使用AMP连接件，使用可靠、拆装方便；电源板和IGBT之间的连接使用容易拆卸的针式连接。所有的拆卸工作和更换工作都可以在5分钟内完成。由于系统组成简单，所以维修工作也非常简单，只需要更换损坏的电路板。因此所有工作都可以在非常短的时间内完成。

c.宽范围工作温度设计
由于使用环境的不同，实际的工作环境温度有可能比条件(1)更加恶劣，这就要求变频器能够适应非常宽的工作环境温度。系统设计时充分考虑了使用环境的问题，在生产和出厂试验中要保证变频器能够长期可靠地工作。具体采取了如下措施：选择器件的工作温度范围为－40℃～85℃，并对所有器件进行筛选；对所有功率器件都进行额定功率24小时通电试验；电路板测试完成后进行－40℃的低温存放48小时试验；电路板测试完成后进行80℃的高温存放48小时试验；电路板测试完成后进行－40℃和85℃的高低温循环试验，试验3次共24小时；变频器装配完成后进行4小时的额定工况试验；试验结果要求散热器温升在30K以下。通过以上措施可以保证变频器在宽温度范围内工作。

d.防水防尘设计
考虑到变频器安装在车底下，工作环境非常差，有雨水和灰尘，所以系统必须采用防水防尘结构设计。

机壳和散热底座之间加密封防水橡胶；电机电缆通过防水插座和内部功率器件连接；外部控制电源和电源线通过AMP防水插座和内部控制电路板连接；使用EBM公司的防水风机对散热器进行强制风冷，其控制线通过防水插座和内部控制电路板相连。
   
采用这些措施使系统整体防护等级达到IP55，在使用过程中，可以用水冲洗变频器。虽然由于环境因素导致变频器的外部都是灰尘，但是并不影响变频器的正常工作。

e.软件上的特殊设计
为了使变频器适用于HEV，软件也进行了一些特殊设计：控制方式为开环转矩控制；限制转矩变化率，使驾驶者感觉加速和减速都非常平稳；限制电机和变频器的温度上升速度，以提高系统的可靠运行能力；限制充电电流，以保护蓄电池。这些软件上的特殊设计使系统可靠性得到大大提高。

f.完善的保护功能
为系统提供了完善的保护功能：对蓄电池、电机和功率器件提供过压和过流保护功能，对电机和变频器提供过温保护功能；对功率器件的故障及时响应，以提高电气系统的可靠性能。

实验室测试
电机额定功率为57kW，额定转矩为270N•m，额定转速为2000r/min，额定端电压为230V。变频器系统参数根据使用的电机进行匹配。在额定功率下运行时的转矩和电流波形如图2所示。
 

                         

使用采集系统对直流输入电压和电流、交流输出电压和电流进行分析，得到了变频器效率和电机效率。具体的数据如表4所示。

 

                            
在功率大于50%时，变频器效率在98％左右，电机效率在93%左右，系统总效率大于91％。在低速和低功率的情况下，系统效率略有下降。

实车运行考核
2004年7～8月，XD6120型HEV在国家汽车质量检测检验中心襄樊汽车试验场完成了56项定型试验和7 000公里可靠性行驶试验。给出的报告表明，此车完全符合各种国家强制性标准，动力性能良好，节能效果明显。
   
2004年10月，XD6120型HEV在上海国际赛车场参加第六届国际清洁能源汽车必比登挑战赛，获得了混合动力客车第一名。
   
2006年7月开始在长沙9路公交车上示范运行，从示范运行返回的信息来看，逆变器和电机的可靠性是非常高的。将近一年来，只有一次现场服务的意外记录。其原因是由于风机被泥水堵死，导致风机控制电路过流损坏。
实际运行试验情况表明，使用以上方法设计和生产的逆变器可靠性高，完全适合HEV的恶劣运行工况。

 

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