1、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(jīng)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。電機及其驅驅動系統(tǒng)統(tǒng)是HEEV的關關鍵部件件。首先先，其高高可靠性性必須能能夠保證證HEVV長期可可靠工作作；其次次，系統(tǒng)統(tǒng)效率對對HEVV的能耗耗水平具具有決定定影響?，F(xiàn)現(xiàn)在得到到大規(guī)模模應用的的有基于于永磁電電機和感感應電機機的變頻頻調(diào)速系系統(tǒng)（以以下簡稱稱逆變器器）。基基于永磁磁電機的

2、的逆變器器，以日日立、川川崎等日日本公司司的產(chǎn)品品最為成成熟；基基于異步步電機的的逆變器器，ABBB、SSIEMMENSS、ALLSTOON等歐歐洲著名名公司都都能夠提提供不同同功率等等級的應應用系統(tǒng)統(tǒng)。在電電力機車車市場方方面，產(chǎn)產(chǎn)品應用用和發(fā)展展趨勢也也是一致致的。本本文研究究的是基基于異步步電機的的逆變器器，配套套電機為為湘電股股份公司司生產(chǎn)的的YQ557型變變頻牽引引異步電電動機，應應用于湘湘電股份份公司的的XD661200型HEEV客車車上。不同于普通通的風機機、水泵泵等一般般工業(yè)應應用場合合，應用用于HEEV的逆逆變器由由于使用用環(huán)境的的特殊性性，其關關鍵要求求有：結結構設計計可靠

3、，安安裝維修修方便，防防護等級級高，適適應惡劣劣的環(huán)境境。1 電氣系系統(tǒng)設計計HEV的電電氣系統(tǒng)統(tǒng)主要包包括三個個部分：蓄電池池、電機機、逆變變器。參參考文獻獻6對電氣氣系統(tǒng)設設計過程程進行了了詳細說說明，而而且也對對這三個個部分的的參數(shù)進進行了詳詳細的說說明和分分析。(1)電機機基本參參數(shù)確定定：電機機的功率率和轉矩矩參數(shù)應應根據(jù)HHEV的的速度要要求、轉轉矩特性性和傳動動比來確確定,最最后確定定和XDD61220型混混合電動動汽車配配套的電電機功率率為577kW，額額定轉速速為20000rr/miin, 最大起起動轉矩矩為2TTn。(2)電壓壓等級確確定：由由于汽車車以安全全為第一一要素，

4、因因此在HHEV上上應用的的IGBBT以6600VV和12200VV系列最最為廣泛泛。確定定電池和和電機電電壓的等等級應考考慮如下下因數(shù)：IGBBT在關關斷時有有可能產(chǎn)產(chǎn)生過電電壓，因因此6000V系系列IGGBT實實際使用用時的直直流側電電壓低于于4000V；電電池電壓壓是浮動動的，按按照一般般要求，最最高電壓壓等于額額定電壓壓的1220；功率相相同時，電電壓等級級越高，電電流越小小，電機機和變頻頻器的體體積就相相對越小小。綜合合以上因因素，確確定電池池的電壓壓等級為為3122V，電電機的電電壓等級級為2330V。(3)其他他參數(shù)確確定：蓄蓄電池電電壓選定定后，還還應根據(jù)據(jù)HEVV的續(xù)航航里

5、程等等要求選選定蓄電電池的安安時數(shù)；根據(jù)電電機電流流計算逆逆變器電電流；根根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)電壓和和電流等等級選擇擇保護用用開關及及其熔斷斷器、電電線電纜纜的型號號規(guī)格、各各種電氣氣系統(tǒng)的的絕緣和和電氣間間隙等。2 逆變器器設計關關鍵技術術逆變器設計計關鍵技技術包括括：主電電路參數(shù)數(shù)計算；散熱器器和風機機計算；數(shù)字控控制電路路設計和和軟件設設計；總總體結構構設計。2.1 主主電路電電氣圖和和主要器器件參數(shù)數(shù)計算逆變器采用用電壓源源型主電電路，直直流側加加支撐電電容，附附加直流流繼電器器和預充充電電路路。其電電路圖如如圖1所所示。在主電路設設計時，最最重要的的是確定定功率器器件的電電壓和電電流等級級。本

6、系系統(tǒng)選擇擇的IGGBT電電壓等級級為6000V，對對應的蓄蓄電池電電壓等級級選擇為為3122V，電電機額定定電流IIn=1192AA，考慮慮到在低低速起動動時要求求起動轉轉矩為22Tn，對對應的電電機的啟啟動電流流約為22In，因因此選擇擇IGBBT的電電流等級級為6000A。根據(jù)所選擇擇的電壓壓等級，直直流側電電容電壓壓等級選選定為4450VV。其容容量則一一般使用用如下經(jīng)經(jīng)驗公式式進行計計算77：式中，P為為逆變器器輸出功功率，VVDC為為直流側側電壓，CCDC為為直流側側電容容容量。經(jīng)經(jīng)計算得得到需要要的電容容容量為為0.001755FCCDC0.0035FF。實際際系統(tǒng)中中的電容容容

7、量為為200000F。2.2 功功率器件件損耗計計算88功率器件的的損耗由由IGBBT靜態(tài)態(tài)損耗、IIGBTT開關損損耗、二二級管靜靜態(tài)損耗耗和二極極管動態(tài)態(tài)損耗等等四個部部分組成成。(1)IGGBT靜靜態(tài)損耗耗計算公公式為：式中，ICCP為額額定輸出出電流；Vcee(saat)為為在額定定輸出電電流時的的飽和壓壓降；DD為平均均占空比比；coos為為功率因因數(shù)。(2)IGGBT開開關損耗耗計算公公式為：式中，fCC為開關關頻率；PSWW(ONN)為IIGBTT開通能能耗；PPSW(OFFF)為IIGBTT關斷能能耗。(3)二極極管靜態(tài)態(tài)損耗計計算公式式為：式中，Veec為二二極管導導通壓降降

8、。(4)二極極管動態(tài)態(tài)損耗計計算公式式為：式中：Irrr為二二極管反反向恢復復電流；trrr為二極極管反向向恢復時時間。綜綜合上述述四項，計計算得到到的最大大損耗為為13550W。2.3 數(shù)數(shù)字控制制電路設設計和控控制軟件件設計逆變器的控控制算法法由數(shù)字字控制電電路完成成，數(shù)字字控制電電路包括括兩大部部分：電電源及功功率器件件驅動板板和數(shù)字字控制電電路板。數(shù)字控制電電路板的的核心芯芯片使用用TI公公司的 HYPERLINK /ex/t.php?cid=1&xh=TMS320F240 o 帶閃存的 16 位 5V 定點 DSP TTMS3320FF2400，它接接收外部部命令，檢檢測外部部模擬信

9、信號，完完成復雜雜的數(shù)字字控制算算法，產(chǎn)產(chǎn)生PWWM脈沖沖；使用用CPLLD芯片片作為外外圍接口口芯片；使用AAMP防防水插座座接收外外部信號號。由于HEVV傳動系系統(tǒng)的速速度和轉轉矩變換換范圍非非常大，系系統(tǒng)采用用的是有有速度傳傳感器的的轉子磁磁場定向向控制，參參考文獻獻9對此控控制有詳詳細的敘敘述，并并給出了了完整的的DSPP算法實實現(xiàn)。3 系統(tǒng)可可靠性設設計對于HEVV車輛用用變頻器器，由于于安裝位位置在車車底下，工工作環(huán)境境非常差差，具體體表現(xiàn)為為：(1)環(huán)境境溫度差差別非常常大，在在實際運運行測試試中曾經(jīng)經(jīng)監(jiān)測的的溫度最最高達到到了500，最低低為110；(2)在天天氣晴朗朗時工作作

10、環(huán)境有有灰塵，在在下雨天天時則有有雨水；(3)變頻頻器需要要承受很很強的沖沖擊和振振動。為了保證車車輛能安安全運行行，系統(tǒng)統(tǒng)的可靠靠性設計計是最重重要的。3.1 散散熱器和和風機計計算在計算了功功率器件件的損耗耗之后，就就可以根根據(jù)損耗耗確定散散熱器和和風機。為為此，使使用熱分分析軟件件FLOOTHEERM進進行仿真真計算，仿仿真結果果要求散散熱器溫溫升在330K以以下。軟件計算結結果：表表1為散散熱器的的物理結結構和參參數(shù)；表表2為風風機的風風量和風風壓計算算結果；表3為為散熱器器上選擇擇的五個個測試點點的溫度度值。根據(jù)軟件仿仿真計算算結果，散散熱器選選擇釬焊焊式鋁散散熱器，風風機選擇擇EB

11、MM公司的的EBMM62224N。3.2 一一體化結結構設計計為了減輕重重量，外外殼使用用鋁合金金材料，強強度好、重重量輕。在在結構設設計上盡盡量減小小體積，因因此使用用一體化化結構設設計。(1)驅動動板直接接壓接在在IGBBT上；(2)直流流側電容容通過復復合母排排直接連連接在IIGBTT上，減小電感；(3)風機機直接安安裝在散散熱器底底部；(4)數(shù)字字控制電電路板安安裝在鋁鋁外殼上上，方便便拆卸。使用一體化化結構設設計后，系系統(tǒng)的維維修時間間大大縮縮短。數(shù)數(shù)字控制制板和外外部信號號的連接接都使用用AMPP連接件件，使用用可靠、拆拆裝方便便；電源源板和IIGBTT之間的的連接使使用容易易拆卸

12、的的針式連連接。所所有的拆拆卸工作作和更換換工作都都可以在在5分鐘鐘內(nèi)完成成。由于于系統(tǒng)組組成簡單單，所以以維修工工作也非非常簡單單，只需需要更換換損壞的的電路板板。因此此所有工工作都可可以在非非常短的的時間內(nèi)內(nèi)完成。3.3 寬寬范圍工工作溫度度設計由于使用環(huán)環(huán)境的不不同，實實際的工工作環(huán)境境溫度有有可能比比條件(1)更更加惡劣劣，這就就要求變變頻器能能夠適應應非常寬寬的工作作環(huán)境溫溫度。系系統(tǒng)設計計時充分分考慮了了使用環(huán)環(huán)境的問問題，在在生產(chǎn)和和出廠試試驗中要要保證變變頻器能能夠長期期可靠地地工作。具具體采取取了如下下措施：(1)選擇擇器件的的工作溫溫度范圍圍為440855，并對對所有器器件

13、進行行篩選；(2)對所所有功率率器件都都進行額額定功率率24小小時通電電試驗；(3)電路路板測試試完成后后進行40的低溫溫存放448小時時試驗；(4)電路路板測試試完成后后進行880的高溫溫存放448小時時試驗；(5)電路路板測試試完成后后進行40和855的高低低溫循環(huán)環(huán)試驗，試試驗3次次共244小時；(6)變頻頻器裝配配完成后后進行44小時的的額定工工況試驗驗；試驗驗結果要要求散熱熱器溫升升在300K以下下；通過以上措措施可以以保證變變頻器在在寬溫度度范圍內(nèi)內(nèi)工作。3.4 防防水防塵塵設計考慮到變頻頻器安裝裝在車底底下，工工作環(huán)境境非常差差，有雨雨水和灰灰塵，所所以系統(tǒng)統(tǒng)必須采采用防水水防塵

14、結結構設計計。(1)機殼殼和散熱熱底座之之間加密密封防水水橡膠；(2)電機機電纜通通過防水水插座和和內(nèi)部功功率器件件連接；(3)外部部控制電電源和電電源線通通過AMMP防水水插座和和內(nèi)部控控制電路路板連接接；(4)使用用EBMM公司的的防水風風機對散散熱器進進行強制制風冷，其其控制線線通過防防水插座座和內(nèi)部部控制電電路板相相連。采用這些措措施使系系統(tǒng)整體體防護等等級達到到IP555，在在使用過過程中，可可以用水水沖洗變變頻器。雖雖然由于于環(huán)境因因素導致致變頻器器的外部部都是灰灰塵，但但是并不不影響變變頻器的的正常工工作。3.5 軟軟件上的的特殊設設計為了使變頻頻器適用用于HEEV，軟軟件也進進

15、行了一一些特殊殊設計：控制方方式為開開環(huán)轉矩矩控制；限制轉轉矩變化化率，使使駕駛者者感覺加加速和減減速都非非常平穩(wěn)穩(wěn)；限制制電機和和變頻器器的溫度度上升速速度，以以提高系系統(tǒng)的可可靠運行行能力；限制充充電電流流，以保保護蓄電電池。這這些軟件件上的特特殊設計計使系統(tǒng)統(tǒng)可靠性性得到大大大提高高。3.6 完完善的保保護功能能為系統(tǒng)提供供了完善善的保護護功能：對蓄電電池、電電機和功功率器件件提供過過壓和過過流保護護功能，對對電機和和變頻器器提供過過溫保護護功能；對功率率器件的的故障及及時響應應，以提提高電氣氣系統(tǒng)的的可靠性性能。4 實驗室室測試電機額定功功率為557kWW，額定定轉矩為為2700Nmm

16、，額定定轉速為為20000r/minn，額定定端電壓壓為2330V。變變頻器系系統(tǒng)參數(shù)數(shù)根據(jù)使使用的電電機進行行匹配。在在額定功功率下運運行時的的轉矩和和電流波波形如圖圖2所示示。使用采集系系統(tǒng)對直直流輸入入電壓和和電流、交交流輸出出電壓和和電流進進行分析析，得到到了變頻頻器效率率和電機機效率。具具體的數(shù)數(shù)據(jù)如表表4所示示。在功率大于于50%時，變變頻器效效率在998左左右，電電機效率率在933%左右右，系統(tǒng)統(tǒng)總效率率大于991。在在低速和和低功率率的情況況下，系系統(tǒng)效率率略有下下降。5 實車運運行考核核2004年年788月，XXD61120型型HEVV在國家家汽車質質量檢測測檢驗中中心襄樊樊汽車試試驗場完完成了556項定定型試驗驗和7 0000公里可可靠性行行駛試驗驗。給出出的報告告表明，此此車完全全符合各各種國家家強制性性標準，動動力性能能良好，節(jié)節(jié)能效果果明顯。2004年年10月月