??? 摘 要： 根據(jù)混合電動(dòng)汽車" title="混合電動(dòng)汽車">混合電動(dòng)汽車的特點(diǎn)開發(fā)了異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng),，對逆變器設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說明,，同時(shí)也對其可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。實(shí)車試驗(yàn)和運(yùn)行結(jié)果證明,，根據(jù)上述思想設(shè)計(jì)的混合電動(dòng)汽車用逆變器具有可靠性高,，維修方便的特點(diǎn)。
??? 關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力汽車? 可靠性? 磁場定向控制
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??? 電動(dòng)汽車（EV）、混合電動(dòng)汽車(HEV)和燃料電池汽車（FCEV）具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益[1-2],，其中HEV的應(yīng)用在當(dāng)前一段時(shí)期可能達(dá)到較大的規(guī)模,。許多公司和科研機(jī)構(gòu)對HEV的研究非常深入，所包括的不同于普通汽車的關(guān)鍵技術(shù)有：電池[3],；電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[4],；系統(tǒng)能源管理[5]等。
??? 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是HEV的關(guān)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?，F(xiàn)在得到大規(guī)模應(yīng)用的有基于永磁電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)（以下簡稱逆變器）?；谟来烹姍C(jī)的逆變器,，以日立、川崎等日本公司的產(chǎn)品最為成熟,；基于異步電機(jī)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(yīng)用系統(tǒng),。在電力機(jī)車市場方面，產(chǎn)品應(yīng)用和發(fā)展趨勢也是一致的,。本文研究的是基于異步電機(jī)的逆變器,，配套電機(jī)為湘電股份公司生產(chǎn)的YQ57型變頻牽引異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用于湘電股份公司的XD6120型HEV客車上,。
??? 不同于普通的風(fēng)機(jī),、水泵等一般工業(yè)應(yīng)用場合，應(yīng)用于HEV的逆變器由于使用環(huán)境的特殊性,，其關(guān)鍵要求有：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠,，安裝維修方便，防護(hù)等級高,，適應(yīng)惡劣的環(huán)境。
1 電氣系統(tǒng)" title="電氣系統(tǒng)">電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? HEV的電氣系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：蓄電池,、電機(jī),、逆變器。參考文獻(xiàn)[6]對電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)說明,，而且也對這三個(gè)部分的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的說明和分析,。
??? (1)電機(jī)基本參數(shù)確定：電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩參數(shù)應(yīng)根據(jù)HEV的速度要求、轉(zhuǎn)矩特性和傳動(dòng)比來確定,最后確定和XD6120型混合電動(dòng)汽車配套的電機(jī)功率為57kW,，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min, 最大起動(dòng)轉(zhuǎn)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(yīng)用的IGBT以600V和1200V系列最為廣泛。確定電池和電機(jī)電壓的等級應(yīng)考慮如下因數(shù)：IGBT在關(guān)斷時(shí)有可能產(chǎn)生過電壓,，因此600V系列IGBT實(shí)際使用時(shí)的直流側(cè)電壓低于400V,；電池電壓是浮動(dòng)的，按照一般要求,，最高電壓等于額定電壓的120％,；功率相同時(shí)，電壓等級越高,，電流越小,，電機(jī)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(jī)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(yīng)根據(jù)HEV的續(xù)航里程等要求選定蓄電池的安時(shí)數(shù),；根據(jù)電機(jī)電流計(jì)算逆變器電流；根據(jù)系統(tǒng)電壓和電流等級選擇保護(hù)用開關(guān)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(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)
??? 逆變器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)包括：主電路參數(shù)計(jì)算,；散熱器和風(fēng)機(jī)計(jì)算,；數(shù)字控制電路" title="數(shù)字控制電路">數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。
2.1 主電路電氣圖和主要器件參數(shù)計(jì)算
??? 逆變器采用電壓源型主電路,，直流側(cè)加支撐電容，附加直流繼電器和預(yù)充電電路,。其電路圖如圖1所示,。
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??? 在主電路設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的是確定功率器件" title="功率器件">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(yīng)的蓄電池電壓等級選擇為312V，電機(jī)額定電流In=192A,，考慮到在低速起動(dòng)時(shí)要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為2Tn,，對應(yīng)的電機(jī)的啟動(dòng)電流約為2In，因此選擇IGBT的電流等級為600A,。
??? 根據(jù)所選擇的電壓等級,，直流側(cè)電容電壓等級選定為450V。其容量則一般使用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[7]：
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??? 式中，P為逆變器輸出功率,，VDC為直流側(cè)電壓,，CDC為直流側(cè)電容容量。經(jīng)計(jì)算得到需要的電容容量為0.0175F≤CDC≤0.035F,。實(shí)際系統(tǒng)中的電容容量為20000μF,。
2.2 功率器件損耗計(jì)算[8]
??? 功率器件的損耗由IGBT靜態(tài)損耗、IGBT開關(guān)損耗,、二級管靜態(tài)損耗和二極管動(dòng)態(tài)損耗等四個(gè)部分組成,。
??? (1)IGBT靜態(tài)損耗計(jì)算公式為：
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??? 式中，ICP為額定輸出電流,；Vce(sat)為在額定輸出電流時(shí)的飽和壓降,；D為平均占空比；cosθ為功率因數(shù),。
??? (2)IGBT開關(guān)損耗計(jì)算公式為：
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??? 式中,，fC為開關(guān)頻率；PSW(ON)為IGBT開通能耗,；PSW(OFF)為IGBT關(guān)斷能耗,。
??? (3)二極管靜態(tài)損耗計(jì)算公式為：
??? 
??? 式中，Vec為二極管導(dǎo)通壓降,。
??? (4)二極管動(dòng)態(tài)損耗計(jì)算公式為：
??? 
??? 式中：Irr為二極管反向恢復(fù)電流,；trr為二極管反向恢復(fù)時(shí)間。
??? 綜合上述四項(xiàng),，計(jì)算得到的最大損耗為1350W,。
2.3 數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)和控制軟件設(shè)計(jì)
??? 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(qū)動(dòng)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(fù)雜的數(shù)字控制算法,，產(chǎn)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(dòng)系統(tǒng)的速度和轉(zhuǎn)矩變換范圍非常大，系統(tǒng)采用的是有速度傳感器的轉(zhuǎn)子磁場定向控制,，參考文獻(xiàn)[9]對此控制有詳細(xì)的敘述,，并給出了完整的DSP算法實(shí)現(xiàn)。
3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)
??? 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(shí)際運(yùn)行測試中曾經(jīng)監(jiān)測的溫度最高達(dá)到了50℃,，最低為－10℃；
??? (2)在天氣晴朗時(shí)工作環(huán)境有灰塵,，在下雨天時(shí)則有雨水,；
??? (3)變頻器需要承受很強(qiáng)的沖擊和振動(dòng)。
??? 為了保證車輛能安全運(yùn)行,，系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)是最重要的,。
3.1 散熱器和風(fēng)機(jī)計(jì)算
??? 在計(jì)算了功率器件的損耗之后，就可以根據(jù)損耗確定散熱器和風(fēng)機(jī),。為此,，使用熱分析軟件FLOTHERM進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果要求散熱器溫升在30K以下,。
??? 軟件計(jì)算結(jié)果：表1為散熱器的物理結(jié)構(gòu)和參數(shù),；表2為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果；表3為散熱器上選擇的五個(gè)測試點(diǎn)的溫度值,。
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??? 根據(jù)軟件仿真計(jì)算結(jié)果,，散熱器選擇釬焊式鋁散熱器，風(fēng)機(jī)選擇EBM公司的EBM6224N,。
3.2? 一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
??? 為了減輕重量,，外殼使用鋁合金材料，強(qiáng)度好,、重量輕,。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量減小體積，因此使用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。
??? (1)驅(qū)動(dòng)板直接壓接在IGBT上,；
??? (2)直流側(cè)電容通過復(fù)合母排直接連接在IGBT上，
減小電感,；
??? (3)風(fēng)機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,，系統(tǒng)的維修時(shí)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(nèi)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(shí)間內(nèi)完成,。
3.3 寬范圍工作溫度設(shè)計(jì)
??? 由于使用環(huán)境的不同，實(shí)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(yīng)非常寬的工作環(huán)境溫度,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了使用環(huán)境的問題，在生產(chǎn)和出廠試驗(yàn)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(jìn)行篩選；
??? (2)對所有功率器件都進(jìn)行額定功率24小時(shí)通電試驗(yàn),；
??? (3)電路板測試完成后進(jìn)行－40℃的低溫存放48小時(shí)試驗(yàn),；
??? (4)電路板測試完成后進(jìn)行80℃的高溫存放48小時(shí)試驗(yàn)；
??? (5)電路板測試完成后進(jìn)行－40℃和85℃的高低溫循環(huán)試驗(yàn),，試驗(yàn)3次共24小時(shí),；
??? (6)變頻器裝配完成后進(jìn)行4小時(shí)的額定工況試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)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(nèi)工作,。
3.4 防水防塵設(shè)計(jì)
??? 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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
??? (1)機(jī)殼和散熱底座之間加密封防水橡膠,；
??? (2)電機(jī)電纜通過防水插座和內(nèi)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(nèi)部控制電路板連接；
??? (4)使用EBM公司的防水風(fēng)機(jī)對散熱器進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷,，其控制線通過防水插座和內(nèi)部控制電路板相連,。
??? 采用這些措施使系統(tǒng)整體防護(hù)等級達(dá)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(dǎo)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(shè)計(jì)
???? 為了使變頻器適用于HEV,，軟件也進(jìn)行了一些特殊設(shè)計(jì)：控制方式為開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制；限制轉(zhuǎn)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(jī)和變頻器的溫度上升速度，以提高系統(tǒng)的可靠運(yùn)行能力,；限制充電電流,，以保護(hù)蓄電池,。這些軟件上的特殊設(shè)計(jì)使系統(tǒng)可靠性得到大大提高。
3.6 完善的保護(hù)功能" title="保護(hù)功能">保護(hù)功能
??? 為系統(tǒng)提供了完善的保護(hù)功能：對蓄電池,、電機(jī)和功率器件提供過壓和過流保護(hù)功能,，對電機(jī)和變頻器提供過溫保護(hù)功能；對功率器件的故障及時(shí)響應(yīng),，以提高電氣系統(tǒng)的可靠性能。
4 實(shí)驗(yàn)室測試
??? 電機(jī)額定功率為57kW,，額定轉(zhuǎn)矩為270N·m,，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，額定端電壓為230V,。變頻器系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)使用的電機(jī)進(jìn)行匹配,。在額定功率下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩和電流波形如圖2所示。
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??? 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(jìn)行分析,，得到了變頻器效率和電機(jī)效率。具體的數(shù)據(jù)如表4所示,。
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??? 在功率大于50%時(shí),，變頻器效率在98％左右，電機(jī)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(shí)車運(yùn)行考核
??? 2004年7～8月,，XD6120型HEV在國家汽車質(zhì)量檢測檢驗(yàn)中心襄樊汽車試驗(yàn)場完成了56項(xiàng)定型試驗(yàn)和7 000公里可靠性行駛試驗(yàn)。給出的報(bào)告表明,，此車完全符合各種國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),，動(dòng)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(dòng)力客車第一名,。
??? 2006年7月開始在長沙9路公交車上示范運(yùn)行,，從示范運(yùn)行返回的信息來看，逆變器和電機(jī)的可靠性是非常高的,。將近一年來,，只有一次現(xiàn)場服務(wù)的意外記錄。其原因是由于風(fēng)機(jī)被泥水堵死,，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)控制電路過流損壞,。
實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)情況表明,，使用以上方法設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的逆變器可靠性高，完全適合HEV的惡劣運(yùn)行工況,。
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