??? 摘 要： 根據(jù)混合電動汽車" title="混合電動汽車">混合電動汽車的特點開發(fā)了異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng),，對逆變器設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說明,，同時也對其可靠性設(shè)計進(jìn)行了分析,。實車試驗和運行結(jié)果證明，根據(jù)上述思想設(shè)計的混合電動汽車用逆變器具有可靠性高,，維修方便的特點,。
??? 關(guān)鍵詞： 混合動力汽車? 可靠性? 磁場定向控制
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??? 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(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)動系統(tǒng)[4],；系統(tǒng)能源管理[5]等。
??? 電機(jī)及其驅(qū)動系統(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）,。基于永磁電機(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
??? HEV的電氣系統(tǒng)主要包括三個部分：蓄電池,、電機(jī)、逆變器,。參考文獻(xiàn)[6]對電氣系統(tǒng)設(shè)計過程進(jìn)行了詳細(xì)說明,，而且也對這三個部分的參數(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)矩特性和傳動比來確定,最后確定和XD6120型混合電動汽車配套的電機(jī)功率為57kW,，額定轉(zhuǎn)速為2000r/min, 最大起動轉(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)斷時有可能產(chǎn)生過電壓，因此600V系列IGBT實際使用時的直流側(cè)電壓低于400V,；電池電壓是浮動的,，按照一般要求，最高電壓等于額定電壓的120％,；功率相同時,，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數(shù),；根據(jù)電機(jī)電流計算逆變器電流,；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)計關(guān)鍵技術(shù)
??? 逆變器設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)包括：主電路參數(shù)計算；散熱器和風(fēng)機(jī)計算,；數(shù)字控制電路" title="數(shù)字控制電路">數(shù)字控制電路設(shè)計和軟件設(shè)計,；總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.1 主電路電氣圖和主要器件參數(shù)計算
??? 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)計時,，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，考慮到在低速起動時要求起動轉(zhuǎn)矩為2Tn,，對應(yīng)的電機(jī)的啟動電流約為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)驗公式進(jìn)行計算[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)計算得到需要的電容容量為0.0175F≤CDC≤0.035F,。實際系統(tǒng)中的電容容量為20000μF,。
2.2 功率器件損耗計算[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)損耗和二極管動態(tài)損耗等四個部分組成,。
??? (1)IGBT靜態(tài)損耗計算公式為：
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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)損耗計算公式為：
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??? 式中,，Vec為二極管導(dǎo)通壓降。
??? (4)二極管動態(tài)損耗計算公式為：
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??? 式中：Irr為二極管反向恢復(fù)電流,；trr為二極管反向恢復(fù)時間,。
??? 綜合上述四項，計算得到的最大損耗為1350W,。
2.3 數(shù)字控制電路設(shè)計和控制軟件設(shè)計
??? 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算法實現(xiàn),。
3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計
??? 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，在實際運行測試中曾經(jīng)監(jiān)測的溫度最高達(dá)到了50℃,，最低為－10℃,；
??? (2)在天氣晴朗時工作環(huán)境有灰塵，在下雨天時則有雨水,；
??? (3)變頻器需要承受很強(qiáng)的沖擊和振動,。
??? 為了保證車輛能安全運行，系統(tǒng)的可靠性設(shè)計是最重要的,。
3.1 散熱器和風(fēng)機(jī)計算
??? 在計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)行仿真計算,，仿真結(jié)果要求散熱器溫升在30K以下,。
??? 軟件計算結(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)壓計算結(jié)果,；表3為散熱器上選擇的五個測試點的溫度值,。
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??? 根據(jù)軟件仿真計算結(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
??? 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)計上盡量減小體積,，因此使用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計。
??? (1)驅(qū)動板直接壓接在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)計后,，系統(tǒng)的維修時間大大縮短,。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間內(nèi)完成,。
3.3 寬范圍工作溫度設(shè)計
??? 由于使用環(huán)境的不同，實際的工作環(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)計時充分考慮了使用環(huán)境的問題，在生產(chǎn)和出廠試驗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小時通電試驗,；
??? (3)電路板測試完成后進(jìn)行－40℃的低溫存放48小時試驗,；
??? (4)電路板測試完成后進(jìn)行80℃的高溫存放48小時試驗,；
??? (5)電路板測試完成后進(jìn)行－40℃和85℃的高低溫循環(huán)試驗，試驗3次共24小時,；
??? (6)變頻器裝配完成后進(jìn)行4小時的額定工況試驗,；試驗結(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
??? 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,。
??? (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
???? 為了使變頻器適用于HEV,，軟件也進(jìn)行了一些特殊設(shè)計：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響應(yīng),，以提高電氣系統(tǒng)的可靠性能,。
4 實驗室測試
??? 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。在額定功率下運行時的轉(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，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 實車運行考核
??? 2004年7～8月，XD6120型HEV在國家汽車質(zhì)量檢測檢驗中心襄樊汽車試驗場完成了56項定型試驗和7 000公里可靠性行駛試驗,。給出的報告表明，此車完全符合各種國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),，動力性能良好,，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,，獲得了混合動力客車第一名。
??? 2006年7月開始在長沙9路公交車上示范運行,，從示范運行返回的信息來看,，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,。
實際運行試驗情況表明,，使用以上方法設(shè)計和生產(chǎn)的逆變器可靠性高，完全適合HEV的惡劣運行工況,。
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