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混合電動汽車用逆變器關(guān)鍵技術(shù)研究

發(fā)布時間:2008-10-07 來源:電子技術(shù)應用

中心論題:

  • 電氣系統(tǒng)設(shè)計
  • 逆變器設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)
  • 系統(tǒng)可靠性設(shè)計
  • 實驗室測試和實車運行考核

解決方案:

  • 主電路參數(shù)計算
  • 散熱器和風機計算
  • 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

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,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(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;電機及其驅(qū)動系統(tǒng);系統(tǒng)能源管理等。

電機及其驅(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)模應用的有基于永磁電機和感應電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)(以下簡稱逆變器)。基于永磁電機的逆變器,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用系統(tǒng)。在電力機車市場方面,產(chǎn)品應用和發(fā)展趨勢也是一致的。本文研究的是基于異步電機的逆變器,配套電機為湘電股份公司生產(chǎn)的YQ57型變頻牽引異步電動機,應用于湘電股份公司的XD6120型HEV客車上。
   
不同于普通的風機、水泵等一般工業(yè)應用場合,應用于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,防護等級高,適應惡劣的環(huán)境。

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、逆變器。參考文獻對電氣系統(tǒng)設(shè)計過程進行了詳細說明,而且也對這三個部分的參數(shù)進行了詳細的說明和分析。

a.電機基本參數(shù)確定:電機的功率和轉(zhuǎn)矩參數(shù)應根據(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功率為57kW,額定轉(zhuǎn)速為2000r/min, 最大起動轉(zhuǎn)矩為2Tn。

b.電壓等級確定:由于汽車以安全為第一要素,因此在HEV上應用的IGBT以600V和1200V系列最為廣泛。確定電池和電機電壓的等級應考慮如下因數(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,電機的電壓等級為230V。

c.其他參數(shù)確定:蓄電池電壓選定后,還應根據(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。

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;散熱器和風機計算;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。

a.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充電電路。其電路圖如圖1所示。
 


                      
在主電路設(shè)計時,最重要的是確定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,對應的蓄電池電壓等級選擇為312V,電機額定電流In=192A,考慮到在低速起動時要求起動轉(zhuǎn)矩為2Tn,對應的電機的啟動電流約為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)驗公式進行計算:


 
   

   
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。

b.功率器件損耗計算
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。

IGBT靜態(tài)損耗計算公式為:
 


   

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)。

IGBT開關(guān)損耗計算公式為:
 


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。

二極管靜態(tài)損耗計算公式為:

    
式中,Vec為二極管導通壓降。

二極管動態(tài)損耗計算公式為:
 


  

式中:Irr為二極管反向恢復電流;trr為二極管反向恢復時間。
   
綜合上述四項,計算得到的最大損耗為1350W。

c.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,參考文獻對此控制有詳細的敘述,并給出了完整的DSP算法實現(xiàn)。

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:環(huán)境溫度差別非常大,在實際運行測試中曾經(jīng)監(jiān)測的溫度最高達到了50℃,最低為-10℃;在天氣晴朗時工作環(huán)境有灰塵,在下雨天時則有雨水;變頻器需要承受很強的沖擊和振動。
   
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。

a.散熱器和風機計算
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機。為此,使用熱分析軟件FLOTHERM進行仿真計算,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為風機的風量和風壓計算結(jié)果;表3為散熱器上選擇的五個測試點的溫度值。

 

                         
根據(jù)軟件仿真計算結(jié)果,散熱器選擇釬焊式鋁散熱器,風機選擇EBM公司的EBM6224N。

b.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。

驅(qū)動板直接壓接在IGBT上;直流側(cè)電容通過復合母排直接連接在IGBT上,減小電感;風機直接安裝在散熱器底部;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。

c.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:選擇器件的工作溫度范圍為-40℃~85℃,并對所有器件進行篩選;對所有功率器件都進行額定功率24小時通電試驗;電路板測試完成后進行-40℃的低溫存放48小時試驗;電路板測試完成后進行80℃的高溫存放48小時試驗;電路板測試完成后進行-40℃和85℃的高低溫循環(huán)試驗,試驗3次共24小時;變頻器裝配完成后進行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。

d.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。

機殼和散熱底座之間加密封防水橡膠;電機電纜通過防水插座和內(nèi)部功率器件連接;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;使用EBM公司的防水風機對散熱器進行強制風冷,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)整體防護等級達到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。

e.軟件上的特殊設(shè)計
為了使變頻器適用于HEV,軟件也進行了一些特殊設(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。

f.完善的保護功能
為系統(tǒng)提供了完善的保護功能:對蓄電池、電機和功率器件提供過壓和過流保護功能,對電機和變頻器提供過溫保護功能;對功率器件的故障及時響應,以提高電氣系統(tǒng)的可靠性能。

實驗室測試
電機額定功率為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)使用的電機進行匹配。在額定功率下運行時的轉(zhuǎn)矩和電流波形如圖2所示。
 


                         

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行分析,得到了變頻器效率和電機效率。具體的數(shù)據(jù)如表4所示。

 

                            
在功率大于50%時,變頻器效率在98%左右,電機效率在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。

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制性標準,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,逆變器和電機的可靠性是非常高的。將近一年來,只有一次現(xiàn)場服務的意外記錄。其原因是由于風機被泥水堵死,導致風機控制電路過流損壞。
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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