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[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。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。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。(3)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。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。其容量则一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[9]对此控制有详细的叙述，并给出了完整的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。3.2一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。(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。3.3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：(1)选择器件的工作温度范围为－40℃～85℃，并对所有器件进行筛选；(2)对所有功率器件都进行额定功率24小时通电试验；(3)电路板测试完成后进行－40℃的低温存放48小时试验；(4)电路板测试完成后进行80℃的高温存放48小时试验；(5)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；(6)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。3.4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。(1)机壳和散热底座之间加密封防水橡胶；(2)电机电缆通过防水插座和内部功率器件连接；(3)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；(4)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。3.5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。3.6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。4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。5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7000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。