混合電動(dòng)汽車用逆變器關(guān)鍵技術(shù)研究

電動(dòng)汽車（EV）、混合電動(dòng)汽車(HEV)和燃料電池汽車（FCEV）具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]，其中HEV的應(yīng)用在當(dāng)前一段時(shí)期可能達(dá)到較大的規(guī)模。許多公司和科研機(jī)構(gòu)對(duì)HEV的研究非常深入，所包括的不同于普通汽車的關(guān)鍵技術(shù)有：電池[3]；電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[4]；系統(tǒng)能源管理[5]等。

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是HEV的關(guān)鍵部件。首先，其高可靠性必須能夠保證HEV長(zhǎng)期可靠工作；其次，系統(tǒng)效率對(duì)HEV的能耗水平具有決定影響?，F(xiàn)在得到大規(guī)模應(yīng)用的有基于永磁電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱逆變器）?；谟来烹姍C(jī)的逆變器，以日立、川崎等日本公司的產(chǎn)品最為成熟；基于異步電機(jī)的逆變器，ABB、SIEMENS、ALSTON等歐洲著名公司都能夠提供不同功率等級(jí)的應(yīng)用系統(tǒng)。在電力機(jī)車市場(chǎng)方面，產(chǎn)品應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)也是一致的。本文研究的是基于異步電機(jī)的逆變器，配套電機(jī)為湘電股份公司生產(chǎn)的YQ57型變頻牽引異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用于湘電股份公司的XD6120型HEV客車上。

不同于普通的風(fēng)機(jī)、水泵等一般工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用于HEV的逆變器由于使用環(huán)境的特殊性，其關(guān)鍵要求有：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠，安裝維修方便，防護(hù)等級(jí)高，適應(yīng)惡劣的環(huán)境。

1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

HEV的電氣系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：蓄電池、電機(jī)、逆變器。參考文獻(xiàn)[6]對(duì)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，而且也對(duì)這三個(gè)部分的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明和分析。

(1)電機(jī)基本參數(shù)確定：電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩參數(shù)應(yīng)根據(jù)HEV的速度要求、轉(zhuǎn)矩特性和傳動(dòng)比來(lái)確定,最后確定和XD6120型混合電動(dòng)汽車配套的電機(jī)功率為57kW，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min, 最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為2Tn。

(2)電壓等級(jí)確定：由于汽車以安全為第一要素，因此在HEV上應(yīng)用的IGBT以600V和1200V系列最為廣泛。確定電池和電機(jī)電壓的等級(jí)應(yīng)考慮如下因數(shù)：IGBT在關(guān)斷時(shí)有可能產(chǎn)生過(guò)電壓，因此600V系列IGBT實(shí)際使用時(shí)的直流側(cè)電壓低于400V；電池電壓是浮動(dòng)的，按照一般要求，最高電壓等于額定電壓的120％；功率相同時(shí)，電壓等級(jí)越高，電流越小，電機(jī)和變頻器的體積就相對(duì)越小。綜合以上因素，確定電池的電壓等級(jí)為312V，電機(jī)的電壓等級(jí)為230V。

(3)其他參數(shù)確定：蓄電池電壓選定后，還應(yīng)根據(jù)HEV的續(xù)航里程等要求選定蓄電池的安時(shí)數(shù)；根據(jù)電機(jī)電流計(jì)算逆變器電流；根據(jù)系統(tǒng)電壓和電流等級(jí)選擇保護(hù)用開(kāi)關(guān)及其熔斷器、電線電纜的型號(hào)規(guī)格、各種電氣系統(tǒng)的絕緣和電氣間隙等。

2 逆變器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

逆變器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)包括：主電路參數(shù)計(jì)算；散熱器和風(fēng)機(jī)計(jì)算；數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 主電路電氣圖和主要器件參數(shù)計(jì)算

逆變器采用電壓源型主電路，直流側(cè)加支撐電容，附加直流繼電器和預(yù)充電電路。其電路圖如圖1所示。

在主電路設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的是確定功率器件的電壓和電流等級(jí)。本系統(tǒng)選擇的IGBT電壓等級(jí)為600V，對(duì)應(yīng)的蓄電池電壓等級(jí)選擇為312V，電機(jī)額定電流In=192A，考慮到在低速起動(dòng)時(shí)要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為2Tn，對(duì)應(yīng)的電機(jī)的啟動(dòng)電流約為2In，因此選擇IGBT的電流等級(jí)為600A。

根據(jù)所選擇的電壓等級(jí)，直流側(cè)電容電壓等級(jí)選定為450V。其容量則一般使用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[7]：

式中，P為逆變器輸出功率，VDC為直流側(cè)電壓，CDC為直流側(cè)電容容量。經(jīng)計(jì)算得到需要的電容容量為0.0175F≤CDC≤0.035F。實(shí)際系統(tǒng)中的電容容量為20000μF。

2.2 功率器件損耗計(jì)算[8]

功率器件的損耗由IGBT靜態(tài)損耗、IGBT開(kāi)關(guān)損耗、二級(jí)管靜態(tài)損耗和二極管動(dòng)態(tài)損耗等四個(gè)部分組成。

(1)IGBT靜態(tài)損耗計(jì)算公式為：

式中，ICP為額定輸出電流；Vce(sat)為在額定輸出電流時(shí)的飽和壓降；D為平均占空比；cosθ為功率因數(shù)。

(2)IGBT開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算公式為：

式中，fC為開(kāi)關(guān)頻率；PSW(ON)為IGBT開(kāi)通能耗；PSW(OFF)為IGBT關(guān)斷能耗。

(3)二極管靜態(tài)損耗計(jì)算公式為：

式中，Vec為二極管導(dǎo)通壓降。

(4)二極管動(dòng)態(tài)損耗計(jì)算公式為：

式中：Irr為二極管反向恢復(fù)電流；trr為二極管反向恢復(fù)時(shí)間。
綜合上述四項(xiàng)，計(jì)算得到的最大損耗為1350W。

2.3 數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)和控制軟件設(shè)計(jì)

逆變器的控制算法由數(shù)字控制電路完成，數(shù)字控制電路包括兩大部分：電源及功率器件驅(qū)動(dòng)板和數(shù)字控制電路板。

數(shù)字控制電路板的核心芯片使用TI公司的TMS320F240，它接收外部命令，檢測(cè)外部模擬信號(hào)，完成復(fù)雜的數(shù)字控制算法，產(chǎn)生PWM脈沖；使用CPLD芯片作為外圍接口芯片；使用AMP防水插座接收外部信號(hào)。

由于HEV傳動(dòng)系統(tǒng)的速度和轉(zhuǎn)矩變換范圍非常大，系統(tǒng)采用的是有速度傳感器的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，參考文獻(xiàn)[9]對(duì)此控制有詳細(xì)的敘述，并給出了完整的DSP算法實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

對(duì)于HEV車輛用變頻器，由于安裝位置在車底下，工作環(huán)境非常差，具體表現(xiàn)為：

(1)環(huán)境溫度差別非常大，在實(shí)際運(yùn)行測(cè)試中曾經(jīng)監(jiān)測(cè)的溫度最高達(dá)到了50℃，最低為－10℃；

(2)在天氣晴朗時(shí)工作環(huán)境有灰塵，在下雨天時(shí)則有雨水；

(3)變頻器需要承受很強(qiáng)的沖擊和振動(dòng)。

為了保證車輛能安全運(yùn)行，系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)是最重要的。

3.1 散熱器和風(fēng)機(jī)計(jì)算

在計(jì)算了功率器件的損耗之后，就可以根據(jù)損耗確定散熱器和風(fēng)機(jī)。為此，使用熱分析軟件FLOTHERM進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果要求散熱器溫升在30K以下。

軟件計(jì)算結(jié)果：表1為散熱器的物理結(jié)構(gòu)和參數(shù)；表2為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果；表3為散熱器上選擇的五個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度值。

根據(jù)軟件仿真計(jì)算結(jié)果，散熱器選擇釬焊式鋁散熱器，風(fēng)機(jī)選擇EBM公司的EBM6224N。

3.2 一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減輕重量，外殼使用鋁合金材料，強(qiáng)度好、重量輕。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量減小體積，因此使用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)驅(qū)動(dòng)板直接壓接在IGBT上；

(2)直流側(cè)電容通過(guò)復(fù)合母排直接連接在IGBT上，

減小電感；

(3)風(fēng)機(jī)直接安裝在散熱器底部；

(4)數(shù)字控制電路板安裝在鋁外殼上，方便拆卸。

使用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)的維修時(shí)間大大縮短。數(shù)字控制板和外部信號(hào)的連接都使用AMP連接件，使用可靠、拆裝方便；電源板和IGBT之間的連接使用容易拆卸的針式連接。所有的拆卸工作和更換工作都可以在5分鐘內(nèi)完成。由于系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，所以維修工作也非常簡(jiǎn)單，只需要更換損壞的電路板。因此所有工作都可以在非常短的時(shí)間內(nèi)完成。

3.3 寬范圍工作溫度設(shè)計(jì)

由于使用環(huán)境的不同，實(shí)際的工作環(huán)境溫度有可能比條件(1)更加惡劣，這就要求變頻器能夠適應(yīng)非常寬的工作環(huán)境溫度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了使用環(huán)境的問(wèn)題，在生產(chǎn)和出廠試驗(yàn)中要保證變頻器能夠長(zhǎng)期可靠地工作。具體采取了如下措施：

(1)選擇器件的工作溫度范圍為－40℃～85℃，并對(duì)所有器件進(jìn)行篩選；

(2)對(duì)所有功率器件都進(jìn)行額定功率24小時(shí)通電試驗(yàn)；

(3)電路板測(cè)試完成后進(jìn)行－40℃的低溫存放48小時(shí)試驗(yàn)；

(4)電路板測(cè)試完成后進(jìn)行80℃的高溫存放48小時(shí)試驗(yàn)；

(5)電路板測(cè)試完成后進(jìn)行－40℃和85℃的高低溫循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)3次共24小時(shí)；

(6)變頻器裝配完成后進(jìn)行4小時(shí)的額定工況試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果要求散熱器溫升在30K以下；

通過(guò)以上措施可以保證變頻器在寬溫度范圍內(nèi)工作。

3.4 防水防塵設(shè)計(jì)

考慮到變頻器安裝在車底下，工作環(huán)境非常差，有雨水和灰塵，所以系統(tǒng)必須采用防水防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)機(jī)殼和散熱底座之間加密封防水橡膠；

(2)電機(jī)電纜通過(guò)防水插座和內(nèi)部功率器件連接；

(3)外部控制電源和電源線通過(guò)AMP防水插座和內(nèi)部控制電路板連接；

(4)使用EBM公司的防水風(fēng)機(jī)對(duì)散熱器進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，其控制線通過(guò)防水插座和內(nèi)部控制電路板相連。

采用這些措施使系統(tǒng)整體防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP55，在使用過(guò)程中，可以用水沖洗變頻器。雖然由于環(huán)境因素導(dǎo)致變頻器的外部都是灰塵，但是并不影響變頻器的正常工作。

3.5 軟件上的特殊設(shè)計(jì)

為了使變頻器適用于HEV，軟件也進(jìn)行了一些特殊設(shè)計(jì)：控制方式為開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制；限制轉(zhuǎn)矩變化率，使駕駛者感覺(jué)加速和減速都非常平穩(wěn)；限制電機(jī)和變頻器的溫度上升速度，以提高系統(tǒng)的可靠運(yùn)行能力；限制充電電流，以保護(hù)蓄電池。這些軟件上的特殊設(shè)計(jì)使系統(tǒng)可靠性得到大大提高。

3.6 完善的保護(hù)功能

為系統(tǒng)提供了完善的保護(hù)功能：對(duì)蓄電池、電機(jī)和功率器件提供過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)功能，對(duì)電機(jī)和變頻器提供過(guò)溫保護(hù)功能；對(duì)功率器件的故障及時(shí)響應(yīng)，以提高電氣系統(tǒng)的可靠性能。

4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

電機(jī)額定功率為57kW，額定轉(zhuǎn)矩為270N·m，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，額定端電壓為230V。變頻器系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)使用的電機(jī)進(jìn)行匹配。在額定功率下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩和電流波形如圖2所示。

使用采集系統(tǒng)對(duì)直流輸入電壓和電流、交流輸出電壓和電流進(jìn)行分析，得到了變頻器效率和電機(jī)效率。具體的數(shù)據(jù)如表4所示。

在功率大于50%時(shí)，變頻器效率在98％左右，電機(jī)效率在93%左右，系統(tǒng)總效率大于91％。在低速和低功率的情況下，系統(tǒng)效率略有下降。

5 實(shí)車運(yùn)行考核

2004年7～8月，XD6120型HEV在國(guó)家汽車質(zhì)量檢測(cè)檢驗(yàn)中心襄樊汽車試驗(yàn)場(chǎng)完成了56項(xiàng)定型試驗(yàn)和7 000公里可靠性行駛試驗(yàn)。給出的報(bào)告表明，此車完全符合各種國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)力性能良好，節(jié)能效果明顯。

2004年10月，XD6120型HEV在上海國(guó)際賽車場(chǎng)參加第六屆國(guó)際清潔能源汽車必比登挑戰(zhàn)賽，獲得了混合動(dòng)力客車第一名。

2006年7月開(kāi)始在長(zhǎng)沙9路公交車上示范運(yùn)行，從示范運(yùn)行返回的信息來(lái)看，逆變器和電機(jī)的可靠性是非常高的。將近一年來(lái)，只有一次現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的意外記錄。其原因是由于風(fēng)機(jī)被泥水堵死，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)控制電路過(guò)流損壞。

實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)情況表明，使用以上方法設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的逆變器可靠性高，完全適合HEV的惡劣運(yùn)行工況。