(汽车行业)混合电动汽车用逆变器关键技术研究

（汽车行业）混合电动汽车用逆变器关键技术研究

混合电动汽车用逆变器关键技术研究

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[1-2]，其中HEV的应用在当前壹段时期可能达到较大的规模。许多X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[3]；电机及其驱动系统[4]；系统能源管理[5]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。当下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X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X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壹致的。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X公司生产的YQ57型变频牵引异步电动机，应用于湘电股份X公司的XD6120型HEV客车上。

不同于普通的风机、水泵等壹般工业应用场合，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。

1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[6]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。

(1)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。

(2)电压等级确定：由于汽车以安全为第壹要素，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，按照壹般要求，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。综合之上因素，确定电池的电压等级为312V，电机的电压等级为230V。

(3)其他参数确定：蓄电池电压选定后，仍应根据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。

2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。

2.1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。其容量则壹般使用如下经验公式进行计算[7]：

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。

2.2功率器件损耗计算[8]

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。

(1)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。

(2)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。

(3)二极管静态损耗计算公式为：

式中，Vec为二极管导通压降。

(4)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。

2.3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，数字控制电路包括俩大部分：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TIX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[9]对此控制有详细的叙述，且给出了完整的DSP算法实现。

3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：

(1)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℃；

(2)在天气晴朗时工作环境有灰尘，在下雨天时则有雨水；

(3)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。

3.1散热器和风机计算

在计算了功率器件的损耗之后，就能够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EBMX公司的EBM6224N。

3.2壹体化结构设计

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，因此使用壹体化结构设计。

(1)驱动板直接压接在IGBT上；

(2)直流侧电容通过复合母排直接连接在IGBT上，

减小电感；

(3)风机直接安装在散热器底部；

(4)数字控制电路板安装在铝外壳上，方便拆卸。

使用壹体化结构设计后，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能够在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。因此所有工作都能够在非常短的时间内完成。