混合电动汽车用逆变器关键技术研究.doc

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1、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。电机及其驱动系统是HEV的关键部件。首先，其高可靠性必须能够保证HEV长期可靠工作；其次，系统效率对HEV的能耗水平具有决定影响。现在得到大规模应用的有基于永磁电机和感应电机的变频调速系统（以下简称逆变器）。基于永磁电机的逆变器，以日立、川崎等日本公司的

2、产品最为成熟；基于异步电机的逆变器，ABB、SIEMENS、ALSTON等欧洲著名公司都能够提供不同功率等级的应用系统。在电力机车市场方面，产品应用和发展趋势也是一致的。本文研究的是基于异步电机的逆变器，配套电机为湘电股份公司生产的YQ57型变频牵引异步电动机，应用于湘电股份公司的XD6120型HEV客车上。不同于普通的风机、水泵等一般工业应用场合，应用于HEV的逆变器由于使用环境的特殊性，其关键要求有：结构设计可靠，安装维修方便，防护等级高，适应恶劣的环境。1电气系统设计HEV的电气系统主要包括三个部分：蓄电池、电机、逆变器。参考文献[6]对电气系统设计过程进行了详细说

3、明，而且也对这三个部分的参数进行了详细的说明和分析。(1)电机基本参数确定：电机的功率和转矩参数应根据HEV的速度要求、转矩特性和传动比来确定,最后确定和XD6120型混合电动汽车配套的电机功率为57kW，额定转速为2000r/min,最大起动转矩为2Tn。(2)电压等级确定：由于汽车以安全为第一要素，因此在HEV上应用的IGBT以600V和1200V系列最为广泛。确定电池和电机电压的等级应考虑如下因数：IGBT在关断时有可能产生过电压，因此600V系列IGBT实际使用时的直流侧电压低于400V；电池电压是浮动的，按照一般要求，最高电压等于额定电压的120％；功率相同时，

4、电压等级越高，电流越小，电机和变频器的体积就相对越小。综合以上因素，确定电池的电压等级为312V，电机的电压等级为230V。(3)其他参数确定：蓄电池电压选定后，还应根据HEV的续航里程等要求选定蓄电池的安时数；根据电机电流计算逆变器电流；根据系统电压和电流等级选择保护用开关及其熔断器、电线电缆的型号规格、各种电气系统的绝缘和电气间隙等。2逆变器设计关键技术逆变器设计关键技术包括：主电路参数计算；散热器和风机计算；数字控制电路设计和软件设计；总体结构设计。2.1主电路电气图和主要器件参数计算逆变器采用电压源型主电路，直流侧加支撑电容，附加直流继电器和预充电电路。其电路图如

5、图1所示。在主电路设计时，最重要的是确定功率器件的电压和电流等级。本系统选择的IGBT电压等级为600V，对应的蓄电池电压等级选择为312V，电机额定电流In=192A，考虑到在低速起动时要求起动转矩为2Tn，对应的电机的启动电流约为2In，因此选择IGBT的电流等级为600A。根据所选择的电压等级，直流侧电容电压等级选定为450V。其容量则一般使用如下经验公式进行计算[7]：式中，P为逆变器输出功率，VDC为直流侧电压，CDC为直流侧电容容量。经计算得到需要的电容容量为0.0175F≤CDC≤0.035F。实际系统中的电容容量为20000μF。2.2功率器件损耗计算[8

6、]功率器件的损耗由IGBT静态损耗、IGBT开关损耗、二级管静态损耗和二极管动态损耗等四个部分组成。(1)IGBT静态损耗计算公式为：式中，ICP为额定输出电流；Vce(sat)为在额定输出电流时的饱和压降；D为平均占空比；cosθ为功率因数。(2)IGBT开关损耗计算公式为：式中，fC为开关频率；PSW(ON)为IGBT开通能耗；PSW(OFF)为IGBT关断能耗。(3)二极管静态损耗计算公式为：式中，Vec为二极管导通压降。(4)二极管动态损耗计算公式为：式中：Irr为二极管反向恢复电流；trr为二极管反向恢复时间。综合上述四项，计算得到的最大损耗为1350W。2.3

7、数字控制电路设计和控制软件设计逆变器的控制算法由数字控制电路完成，数字控制电路包括两大部分：电源及功率器件驱动板和数字控制电路板。数字控制电路板的核心芯片使用TI公司的TMS320F240，它接收外部命令，检测外部模拟信号，完成复杂的数字控制算法，产生PWM脉冲；使用CPLD芯片作为外围接口芯片；使用AMP防水插座接收外部信号。由于HEV传动系统的速度和转矩变换范围非常大，系统采用的是有速度传感器的转子磁场定向控制，参考文献[9]对此控制有详细的叙述，并给出了完整的DSP算法实现。3系统可靠性设计对于HEV车辆用变频器，由于安