混合电动汽车用逆变器关键技术研究23154.docx

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。电机及其驱驱动系统统是HEEV的关关键部件件。首先先，其高高可靠性性必须能能够保证证HEVV长期可可靠工作作；其次次，系统统效率对对HEVV的能耗耗水平具具有决定定影响。现现在得到到大规模模应用的的有基于于永磁电电机和感感应电机机的变频频调速系系统（以以下简称称逆变器器）。基基于永磁磁电机的的逆变器器，以日日立、川川崎等日日本公司司的产品品最为成成熟；基基于异步步电机的的逆变器器，ABBB、SSIEMMENSS、ALLSTOON等欧欧洲著名名公司都都能够提提供不同同功率等等级的应应用系统统。在电电力机车车市场方方面，产产品应用用和发展展趋势也也是一致致的。本本文研究究的是基基于异步步电机的的逆变器器，配套套电机为为湘电股股份公司司生产的的YQ557型变变频牵引引异步电电动机，应应用于湘湘电股份份公司的的XD661200型HEEV客车车上。不同于普通通的风机机、水泵泵等一般般工业应应用场合合，应用用于HEEV的逆逆变器由由于使用用环境的的特殊性性，其关关键要求求有：结结构设计计可靠，安安装维修修方便，防防护等级级高，适适应恶劣劣的环境境。1 电气系系统设计计HEV的电电气系统统主要包包括三个个部分：蓄电池池、电机机、逆变变器。参参考文献献6对电气气系统设设计过程程进行了了详细说说明，而而且也对对这三个个部分的的参数进进行了详详细的说说明和分分析。(1)电机机基本参参数确定定：电机机的功率率和转矩矩参数应应根据HHEV的的速度要要求、转转矩特性性和传动动比来确确定,最最后确定定和XDD61220型混混合电动动汽车配配套的电电机功率率为577kW，额额定转速速为20000rr/miin, 最大起起动转矩矩为2TTn。(2)电压压等级确确定：由由于汽车车以安全全为第一一要素，因因此在HHEV上上应用的的IGBBT以6600VV和12200VV系列最最为广泛泛。确定定电池和和电机电电压的等等级应考考虑如下下因数：IGBBT在关关断时有有可能产产生过电电压，因因此6000V系系列IGGBT实实际使用用时的直直流侧电电压低于于4000V；电电池电压压是浮动动的，按按照一般般要求，最最高电压压等于额额定电压压的1220；功率相相同时，电电压等级级越高，电电流越小小，电机机和变频频器的体体积就相相对越小小。综合合以上因因素，确确定电池池的电压压等级为为3122V，电电机的电电压等级级为2330V。(3)其他他参数确确定：蓄蓄电池电电压选定定后，还还应根据据HEVV的续航航里程等等要求选选定蓄电电池的安安时数；根据电电机电流流计算逆逆变器电电流；根根据系统统电压和和电流等等级选择择保护用用开关及及其熔断断器、电电线电缆缆的型号号规格、各各种电气气系统的的绝缘和和电气间间隙等。2 逆变器器设计关关键技术术逆变器设计计关键技技术包括括：主电电路参数数计算；散热器器和风机机计算；数字控控制电路路设计和和软件设设计；总总体结构构设计。2.1 主主电路电电气图和和主要器器件参数数计算逆变器采用用电压源源型主电电路，直直流侧加加支撑电电容，附附加直流流继电器器和预充充电电路路。其电电路图如如图1所所示。在主电路设设计时，最最重要的的是确定定功率器器件的电电压和电电流等级级。本系系统选择择的IGGBT电电压等级级为6000V，对对应的蓄蓄电池电电压等级级选择为为3122V，电电机额定定电流IIn=1192AA，考虑虑到在低低速起动动时要求求起动转转矩为22Tn，对对应的电电机的启启动电流流约为22In，因因此选择择IGBBT的电电流等级级为6000A。根据所选择择的电压压等级，直直流侧电电容电压压等级选选定为4450VV。其容容量则一一般使用用如下经经验公式式进行计计算77：式中，P为为逆变器器输出功功率，VVDC为为直流侧侧电压，CCDC为为直流侧侧电容容容量。经经计算得得到需要要的电容容容量为为0.001755FCCDC0.0035FF。实际际系统中中的电容容容量为为200000F。2.2 功功率器件件损耗计计算88功率器件的的损耗由由IGBBT静态态损耗、IIGBTT开关损损耗、二二级管静静态损耗耗和二极极管动态态损耗等等四个部部分组成成。(1)IGGBT静静态损耗耗计算公公式为：式中，ICCP为额额定输出出电流；Vcee(saat)为为在额定定输出电电流时的的饱和压压降；DD为平均均占空比比；coos为为功率因因数。(2)IGGBT开开关损耗耗计算公公式为：式中，fCC为开关关频率；PSWW(ONN)为IIGBTT开通能能耗；PPSW(OFFF)为IIGBTT关断能能耗。(3)二极极管静态态损耗计计算公式式为：式中，Veec为二二极管导导通压降降。(4)二极极管动态态损耗计计算公式式为：式中：Irrr为二二极管反反向恢复复电流；trrr为二极极管反向向恢复时时间。综综合上述述四项，计计算得到到的最大大损耗为为13550W。2.3 数数字控制制电路设设计和控控制软件件设计逆变器的控控制算法法由数字字控制电电路完成成，数字字控制电电路包括括两大部部分：电电源及功功率器件件驱动板板和数字字控制电电路板。数字控制电电路板的的核心芯芯片使用用TI公公司的TTMS3320FF2400，它接接收外部部命令，检检测外部部模拟信信号，完完成复杂杂的数字字控制算算法，产产生PWWM脉冲冲；使用用CPLLD芯片片作为外外围接口口芯片；使用AAMP防防水插座座接收外外部信号号。由于HEVV传动系系统的速速度和转转矩变换换范围非非常大，系系统采用用的是有有速度传传感器的的转子磁磁场定向向控制，参参考文献献9对此控控制有详详细的叙叙述，并并给出了了完整的的DSPP算法实实现。3 系统可可靠性设设计对于HEVV车辆用用变频器器，由于于安装位位置在车车底下，工工作环境境非常差差，具体体表现为为：(1)环境境温度差差别非常常大，在在实际运运行测试试中曾经经监测的的温度最最高达到到了500，最低低为110；(2)在天天气晴朗朗时工作作环境有有灰尘，在在下雨天天时则有有雨水；(3)变频频器需要要承受很很强的冲冲击和振振动。为了保证车车辆能安安全运行行，系统统的可靠靠性设计计是最重重要的。3.1 散散热器和和风机计计算在计算了功功率器件件的损耗耗之后，就就可以根根据损耗耗确定散散热器和和风机。为为此，使使用热分分析软件件FLOOTHEERM进进行仿真真计算，仿仿真结果果要求散散热器温温升在330K以以下。软件计算结结果：表表1为散散热器的的物理结结构和参参数；表表2为风风机的风风量和风风压计算算结果；表3为为散热器器上选择择的五个个测试点点的温度度值。根据软件仿仿真计算算结果，散散热器选选择钎焊焊式铝散散热器，风风机选择择EBMM公司的的EBMM62224N。3.2 一一体化结结构设计计为了减轻重重量，外外壳使用用铝合金金材料，强强度好、重重量轻。在在结构设设计上尽尽量减小小体积，因因此使用用一体化化结构设设计。(1)驱动动板直接接压接在在IGBBT上；(2)直流流侧电容容通过复复合母排排直接连连接在IIGBTT上，减小电感；(3)风机机直接安安装在散散热器底底部；(4)数字字控制电电路板安安装在铝铝外壳上上，方便便拆卸。使用一体化化结构设设计后，系系统的维维修时间间大大缩缩短。数数字控制制板和外外部信号号的连接接都使用用AMPP连接件件，使用用可靠、拆拆装方便便；电源源板和IIGBTT之间的的连接使使用容易易拆卸的的针式连连接。所所有的拆拆卸工作作和更换换工作都都可以在在5分钟钟内完成成。由于于系统组组成简单单，所以以维修工工作也非非常简单单，只需需要更换换损坏的的电路板板。因此此所有工工作都可可以在非非常短的的时间内内完成。3.3 宽宽范围工工作温度度设计由于使用环环境的不不同，实实际的工工作环境境温度有有可能比比条件(1)更更加恶劣劣，这就就要求变变频器能能够适应应非常宽宽的工作作环境温温度。系系统设计计时充分分考虑了了使用环环境的问问题，在在生产和和出厂试试验中要要保证变变频器能能够长期期可靠地地工作。具具体采取取了如下下措施：(1)选择择器件的的工作温温度范围围为440855，并对对所有器器件进行行筛选；(2)对所所有功率率器件都都进行额额定功率率24小小时通电电试验；(3)电路路板测试试完成后后进行40的低温温存放448小时时试验；(4)电路路板测试试完成后后进行880的高温温存放448小时时试验；(5)电路路板测试试完成后后进行40和855的高低低温循环环试验，试试验3次次共244小时；(6)变频频器装配配完成后后进行44小时的的额定工工况试验验；试验验结果要要求散热热器温升升在300K以下下；通过以上措措施可以以保证变变频器在在宽温度度范围内内工作。3.4 防防水防尘尘设计考虑到变频频器安装装在车底底下，工工作环境境非常差差，有雨雨水和灰灰尘，所所以系统统必须采采用防水水防尘结结构设计计。(1)机壳壳和散热热底座之之间加密密封防水水橡胶；(2)电机机电缆通通过防水水插座和和内部功功率器件件连接；(3)外部部控制电电源和电电源线通通过AMMP防水水插座和和内部控控制电路路板连接接；(4)使用用EBMM公司的的防水风风机对散散热器进进行强制制风冷，其其控制线线通过防防水插座座和内部部控制电电路板相相连。采用这些措措施使系系统整体体防护等等级达到到IP555，在在使用过过程中，可可以用水水冲洗变变频器。虽虽然由于于环境因因素导致致变频器器的外部部都是灰灰尘，但但是并不不影响变变频器的的正常工工作。3.5 软软件上的的特殊设设计为了使变频频器适用用于HEEV，软软件也进进行了一一些特殊殊设计：控制方方式为开开环转矩矩控制；限制转转矩变化化率，使使驾驶者者感觉加加速和减减速都非非常平稳稳；限制制电机和和变频器器的温度度上升速速度，以以提高系系统的可可靠运行行能力；限制充充电电流流，以保保护蓄电电池。这这些软件件上的特特殊设计计使系统统可靠性性得到大大大提高高。3.6 完完善的保保护功能能为系统提供供了完善善的保护护功能：对蓄电电池、电电机和功功率器件件提供过过压和过过流保护护功能，对对电机和和变频器器提供过过温保护护功能；对功率率器件的的故障及及时响应应，以提提高电气气系统的的可靠性性能。4 实验室室测试电机额定功功率为557kWW，额定定转矩为为2700N·mm，额定定转速为为20000r/minn，额定定端电压压为2330V。变变频器系系统参数数根据使使用的电电机进行行匹配。在在额定功功率下运运行时的的转矩和和电流波波形如图图2所示示。使用采集系系统对直直流输入入电压和和电流、交交流输出出电压和和电流进进行分析析，得到到了变频频器效率率和电机机效率。具具体的数数据如表表4所示示。在功率大于于50%时，变变频器效效率在998左左右，电电机效率率在933%左右右，系统统总效率率大于991。在在低速和和低功率率的情况况下，系系统效率率略有下下降。5 实车运运行考核核2004年年788月，XXD61120型型HEVV在国家家汽车质质量检测测检验中中心襄樊樊汽车试试验场完完成了556项定定型试验验和7 0000公里可可靠性行行驶试验验。给出出的报告告表明，此此车完全全符合各各种国家家强制性性标准，动动力性能能良好，节节能效果果明显。2004年年10月月，XDD61220型HHEV在在上海国国际赛车车场参加加第六届届国际清清洁能源源汽车必必比登挑挑战赛，获获得了混混合动力力客车第第一名。2006年年7月开开始在长长沙9路路公交车车上示范范运行，从从示范运运行返回回的信息息来看，逆逆变器和和电机的的可靠性性是非常常高的。将将近一年年来，只只有一次次现场服服务的意意外记录录。其原原因是由由于风机机被泥水水堵死，导导致风机机控制电电路过流流损坏。实际运行试试验情况况表明，使使用以上上方法设设计和生生产的逆逆变器可可靠性高高，完全全适合HHEV的的恶劣运运行工况况。