混合電動汽車用逆變器關鍵技術研究

電動汽車（EV）、混合電動汽車(HEV)和燃料電池汽車（FCEV）具有良好的應用前景和經濟效益[1-2]，其中HEV的應用在當前一段時期可能達到較大的規(guī)模。許多公司和科研機構對HEV的研究非常深入，所包括的不同于普通汽車的關鍵技術有：電池[3]；電機及其驅動系統(tǒng)[4]；系統(tǒng)能源管理[5]等。

電機及其驅動系統(tǒng)是HEV的關鍵部件。首先，其高可靠性必須能夠保證HEV長期可靠工作；其次，系統(tǒng)效率對HEV的能耗水平具有決定影響。現(xiàn)在得到大規(guī)模應用的有基于永磁電機和感應電機的變頻調速系統(tǒng)（以下簡稱逆變器）。基于永磁電機的逆變器，以日立、川崎等日本公司的產品最為成熟；基于異步電機的逆變器，ABB、SIEMENS、ALSTON等歐洲著名公司都能夠提供不同功率等級的應用系統(tǒng)。在電力機車市場方面，產品應用和發(fā)展趨勢也是一致的。本文研究的是基于異步電機的逆變器，配套電機為湘電股份公司生產的YQ57型變頻牽引異步電動機，應用于湘電股份公司的XD6120型HEV客車上。

不同于普通的風機、水泵等一般工業(yè)應用場合，應用于HEV的逆變器由于使用環(huán)境的特殊性，其關鍵要求有：結構設計可靠，安裝維修方便，防護等級高，適應惡劣的環(huán)境。

1 電氣系統(tǒng)設計

HEV的電氣系統(tǒng)主要包括三個部分：蓄電池、電機、逆變器。參考文獻[6]對電氣系統(tǒng)設計過程進行了詳細說明，而且也對這三個部分的參數(shù)進行了詳細的說明和分析。

(1)電機基本參數(shù)確定：電機的功率和轉矩參數(shù)應根據HEV的速度要求、轉矩特性和傳動比來確定,最后確定和XD6120型混合電動汽車配套的電機功率為57kW，額定轉速為2000r/min, 最大起動轉矩為2Tn。

(2)電壓等級確定：由于汽車以安全為第一要素，因此在HEV上應用的IGBT以600V和1200V系列最為廣泛。確定電池和電機電壓的等級應考慮如下因數(shù)：IGBT在關斷時有可能產生過電壓，因此600V系列IGBT實際使用時的直流側電壓低于400V；電池電壓是浮動的，按照一般要求，最高電壓等于額定電壓的120％；功率相同時，電壓等級越高，電流越小，電機和變頻器的體積就相對越小。綜合以上因素，確定電池的電壓等級為312V，電機的電壓等級為230V。

(3)其他參數(shù)確定：蓄電池電壓選定后，還應根據HEV的續(xù)航里程等要求選定蓄電池的安時數(shù)；根據電機電流計算逆變器電流；根據系統(tǒng)電壓和電流等級選擇保護用開關及其熔斷器、電線電纜的型號規(guī)格、各種電氣系統(tǒng)的絕緣和電氣間隙等。

2 逆變器設計關鍵技術

逆變器設計關鍵技術包括：主電路參數(shù)計算；散熱器和風機計算；數(shù)字控制電路設計和軟件設計；總體結構設計。

2.1 主電路電氣圖和主要器件參數(shù)計算

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

在主電路設計時，最重要的是確定功率器件的電壓和電流等級。本系統(tǒng)選擇的IGBT電壓等級為600V，對應的蓄電池電壓等級選擇為312V，電機額定電流In=192A，考慮到在低速起動時要求起動轉矩為2Tn，對應的電機的啟動電流約為2In，因此選擇IGBT的電流等級為600A。

根據所選擇的電壓等級，直流側電容電壓等級選定為450V。其容量則一般使用如下經驗公式進行計算[7]：

式中，P為逆變器輸出功率，VDC為直流側電壓，CDC為直流側電容容量。經計算得到需要的電容容量為0.0175F≤CDC≤0.035F。實際系統(tǒng)中的電容容量為20000μF。

2.2 功率器件損耗計算[8]

功率器件的損耗由IGBT靜態(tài)損耗、IGBT開關損耗、二級管靜態(tài)損耗和二極管動態(tài)損耗等四個部分組成。

(1)IGBT靜態(tài)損耗計算公式為：

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

(2)IGBT開關損耗計算公式為：

式中，fC為開關頻率；PSW(ON)為IGBT開通能耗；PSW(OFF)為IGBT關斷能耗。

(3)二極管靜態(tài)損耗計算公式為：

式中，Vec為二極管導通壓降。

(4)二極管動態(tài)損耗計算公式為：

式中：Irr為二極管反向恢復電流；trr為二極管反向恢復時間。
綜合上述四項，計算得到的最大損耗為1350W。

2.3 數(shù)字控制電路設計和控制軟件設計

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：電源及功率器件驅動板和數(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，檢測外部模擬信號，完成復雜的數(shù)字控制算法，產生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。

由于HEV傳動系統(tǒng)的速度和轉矩變換范圍非常大，系統(tǒng)采用的是有速度傳感器的轉子磁場定向控制，參考文獻[9]對此控制有詳細的敘述，并給出了完整的DSP算法實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)可靠性設計

對于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，在實際運行測試中曾經監(jiān)測的溫度最高達到了50℃，最低為－10℃；

(2)在天氣晴朗時工作環(huán)境有灰塵，在下雨天時則有雨水；

(3)變頻器需要承受很強的沖擊和振動。

為了保證車輛能安全運行，系統(tǒng)的可靠性設計是最重要的。

3.1 散熱器和風機計算

在計算了功率器件的損耗之后，就可以根據損耗確定散熱器和風機。為此，使用熱分析軟件FLOTHERM進行仿真計算，仿真結果要求散熱器溫升在30K以下。

軟件計算結果：表1為散熱器的物理結構和參數(shù)；表2為風機的風量和風壓計算結果；表3為散熱器上選擇的五個測試點的溫度值。

根據軟件仿真計算結果，散熱器選擇釬焊式鋁散熱器，風機選擇EBM公司的EBM6224N。

3.2 一體化結構設計

為了減輕重量，外殼使用鋁合金材料，強度好、重量輕。在結構設計上盡量減小體積，因此使用一體化結構設計。

(1)驅動板直接壓接在IGBT上；

(2)直流側電容通過復合母排直接連接在IGBT上，

減小電感；

(3)風機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。

使用一體化結構設計后，系統(tǒng)的維修時間大大縮短。數(shù)字控制板和外部信號的連接都使用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分鐘內完成。由于系統(tǒng)組成簡單，所以維修工作也非常簡單，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間內完成。

3.3 寬范圍工作溫度設計

由于使用環(huán)境的不同，實際的工作環(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非常寬的工作環(huán)境溫度。系統(tǒng)設計時充分考慮了使用環(huán)境的問題，在生產和出廠試驗中要保證變頻器能夠長期可靠地工作。具體采取了如下措施：

(1)選擇器件的工作溫度范圍為－40℃～85℃，并對所有器件進行篩選；

(2)對所有功率器件都進行額定功率24小時通電試驗；

(3)電路板測試完成后進行－40℃的低溫存放48小時試驗；

(4)電路板測試完成后進行80℃的高溫存放48小時試驗；

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

(6)變頻器裝配完成后進行4小時的額定工況試驗；試驗結果要求散熱器溫升在30K以下；

通過以上措施可以保證變頻器在寬溫度范圍內工作。

3.4 防水防塵設計

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構設計。

(1)機殼和散熱底座之間加密封防水橡膠；

(2)電機電纜通過防水插座和內部功率器件連接；

(3)外部控制電源和電源線通過AMP防水插座和內部控制電路板連接；

(4)使用EBM公司的防水風機對散熱器進行強制風冷，其控制線通過防水插座和內部控制電路板相連。

采用這些措施使系統(tǒng)整體防護等級達到IP55，在使用過程中，可以用水沖洗變頻器。雖然由于環(huán)境因素導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 軟件上的特殊設計

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

3.6 完善的保護功能

為系統(tǒng)提供了完善的保護功能：對蓄電池、電機和功率器件提供過壓和過流保護功能，對電機和變頻器提供過溫保護功能；對功率器件的故障及時響應，以提高電氣系統(tǒng)的可靠性能。

4 實驗室測試

電機額定功率為57kW，額定轉矩為270N·m，額定轉速為2000r/min，額定端電壓為230V。變頻器系統(tǒng)參數(shù)根據使用的電機進行匹配。在額定功率下運行時的轉矩和電流波形如圖2所示。

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

在功率大于50%時，變頻器效率在98％左右，電機效率在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 實車運行考核

2004年7～8月，XD6120型HEV在國家汽車質量檢測檢驗中心襄樊汽車試驗場完成了56項定型試驗和7 000公里可靠性行駛試驗。給出的報告表明，此車完全符合各種國家強制性標準，動力性能良好，節(jié)能效果明顯。

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

2006年7月開始在長沙9路公交車上示范運行，從示范運行返回的信息來看，逆變器和電機的可靠性是非常高的。將近一年來，只有一次現(xiàn)場服務的意外記錄。其原因是由于風機被泥水堵死，導致風機控制電路過流損壞。

實際運行試驗情況表明，使用以上方法設計和生產的逆變器可靠性高，完全適合HEV的惡劣運行工況。