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(fēng)機(jī)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(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益，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；電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)；系統(tǒng)能源管理等。

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）?；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。

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)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。

a.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。

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(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。

c.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。

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(yù)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(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：

   
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(dǎo)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(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。

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(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)對此控制有詳細(xì)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(dá)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(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。

                         
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。

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(fù)合母排直接連接在IGBT上，減小電感；風(fēng)機(jī)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(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：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；對所有功率器件都進(jìn)行額定功率24小時通電試驗；電路板測試完成后進(jìn)行－40℃的低溫存放48小時試驗；電路板測試完成后進(jìn)行80℃的高溫存放48小時試驗；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；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。

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(jī)殼和散熱底座之間加密封防水橡膠；電機(jī)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(fēng)機(jī)對散熱器進(jìn)行強制風(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。

e.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。

f.完善的保護(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。

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。
 

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。

                            
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。

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(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。