中心論題：
- 電氣系統設計
- 逆變器設計關(guān)鍵技術(shù)
- 系統可靠性設計
- 實(shí)驗室測試和實(shí)車(chē)運行考核
解決方案：
- 主電路參數計算
- 散熱器和風(fēng)機計算
- 數字控制電路設計和軟件設計
- 總體結構設計
電動(dòng)汽車(chē)（EV）、混合電動(dòng)汽車(chē)(HEV)和燃料電池汽車(chē)（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(shí)期可能達到較大的規模。許多公司和科研機構對HEV的研究非常深入，所包括的不同于普通汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)有：電池；電機及其驅動(dòng)系統；系統能源管理等。
電機及其驅動(dòng)系統是HEV的關(guān)鍵部件。首先，其高可靠性必須能夠保證HEV長(cháng)期可靠工作；其次，系統效率對HEV的能耗水平具有決定影響?，F在得到大規模應用的有基于永磁電機和感應電機的變頻調速系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)逆變器）?；谟来烹姍C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(zhù)名公司都能夠提供不同功率等級的應用系統。在電力機車(chē)市場(chǎng)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(dòng)機，應用于湘電股份公司的XD6120型HEV客車(chē)上。
不同于普通的風(fēng)機、水泵等一般工業(yè)應用場(chǎng)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：結構設計可靠，安裝維修方便，防護等級高，適應惡劣的環(huán)境。
電氣系統設計
HEV的電氣系統主要包括三個(gè)部分：蓄電池、電機、逆變器。參考文獻對電氣系統設計過(guò)程進(jìn)行了詳細說(shuō)明，而且也對這三個(gè)部分的參數進(jìn)行了詳細的說(shuō)明和分析。
a.電機基本參數確定：電機的功率和轉矩參數應根據HEV的速度要求、轉矩特性和傳動(dòng)比來(lái)確定,最后確定和XD6120型混合電動(dòng)汽車(chē)配套的電機功率為57kW，額定轉速為2000r/min, 最大起動(dòng)轉矩為2Tn。
b.電壓等級確定：由于汽車(chē)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：IGBT在關(guān)斷時(shí)有可能產(chǎn)生過(guò)電壓，因此600V系列IGBT實(shí)際使用時(shí)的直流側電壓低于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.其他參數確定：蓄電池電壓選定后，還應根據HEV的續航里程等要求選定蓄電池的安時(shí)數；根據電機電流計算逆變器電流；根據系統電壓和電流等級選擇保護用開(kāi)關(guān)及其熔斷器、電線(xiàn)電纜的型號規格、各種電氣系統的絕緣和電氣間隙等。
逆變器設計關(guān)鍵技術(shù)
逆變器設計關(guān)鍵技術(shù)包括：主電路參數計算；散熱器和風(fēng)機計算；數字控制電路設計和軟件設計；總體結構設計。
a.主電路電氣圖和主要器件參數計算
逆變器采用電壓源型主電路，直流側加支撐電容，附加直流繼電器和預充電電路。其電路圖如圖1所示。
在主電路設計時(shí)，最重要的是確定功率器件的電壓和電流等級。本系統選擇的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(dòng)時(shí)要求起動(dòng)轉矩為2Tn，對應的電機的啟動(dòng)電流約為2In，因此選擇IGBT的電流等級為600A。
根據所選擇的電壓等級，直流側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為直流側電壓，CDC為直流側電容容量。經(jīng)計算得到需要的電容容量為0.0175F≤CDC≤0.035F。實(shí)際系統中的電容容量為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(kāi)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。
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(shí)的飽和壓降；D為平均占空比；cosθ為功率因數。
IGBT開(kāi)關(guān)損耗計算公式為：
式中，fC為開(kāi)關(guān)頻率；PSW(ON)為IGBT開(kāi)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(dòng)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(shí)間。
綜合上述四項，計算得到的最大損耗為1350W。
c.數字控制電路設計和控制軟件設計
逆變器的控制算法由數字控制電路完成，數字控制電路包括兩大部分：電源及功率器件驅動(dòng)板和數字控制電路板。
數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)系統的速度和轉矩變換范圍非常大，系統采用的是有速度傳感器的轉子磁場(chǎng)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(shí)現。
系統可靠性設計
對于HEV車(chē)輛用變頻器，由于安裝位置在車(chē)底下，工作環(huán)境非常差，具體表現為：環(huán)境溫度差別非常大，在實(shí)際運行測試中曾經(jīng)監測的溫度最高達到了50℃，最低為－10℃；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；變頻器需要承受很強的沖擊和振動(dòng)。
為了保證車(chē)輛能安全運行，系統的可靠性設計是最重要的。
a.散熱器和風(fēng)機計算
在計算了功率器件的損耗之后，就可以根據損耗確定散熱器和風(fēng)機。為此，使用熱分析軟件FLOTHERM進(jìn)行仿真計算，仿真結果要求散熱器溫升在30K以下。
軟件計算結果：表1為散熱器的物理結構和參數；表2為風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓計算結果；表3為散熱器上選擇的五個(gè)測試點(diǎn)的溫度值。
根據軟件仿真計算結果，散熱器選擇釬焊式鋁散熱器，風(fēng)機選擇EBM公司的EBM6224N。
b.一體化結構設計
為了減輕重量，外殼使用鋁合金材料，強度好、重量輕。在結構設計上盡量減小體積，因此使用一體化結構設計。
驅動(dòng)板直接壓接在IGBT上；直流側電容通過(guò)復合母排直接連接在IGBT上，減小電感；風(fēng)機直接安裝在散熱器底部；數字控制電路板安裝在鋁外殼上，方便拆卸。
使用一體化結構設計后，系統的維修時(shí)間大大縮短。數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分鐘內完成。由于系統組成簡(jiǎn)單，所以維修工作也非常簡(jiǎn)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)間內完成。
c.寬范圍工作溫度設計
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非常寬的工作環(huán)境溫度。系統設計時(shí)充分考慮了使用環(huán)境的問(wèn)題，在生產(chǎn)和出廠(chǎng)試驗中要保證變頻器能夠長(cháng)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(shí)通電試驗；電路板測試完成后進(jìn)行－40℃的低溫存放48小時(shí)試驗；電路板測試完成后進(jìn)行80℃的高溫存放48小時(shí)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(shí)；變頻器裝配完成后進(jìn)行4小時(shí)的額定工況試驗；試驗結果要求散熱器溫升在30K以下。通過(guò)以上措施可以保證變頻器在寬溫度范圍內工作。
d.防水防塵設計
考慮到變頻器安裝在車(chē)底下，工作環(huán)境非常差，有雨水和灰塵，所以系統必須采用防水防塵結構設計。
機殼和散熱底座之間加密封防水橡膠；電機電纜通過(guò)防水插座和內部功率器件連接；外部控制電源和電源線(xiàn)通過(guò)AMP防水插座和內部控制電路板連接；使用EBM公司的防水風(fēng)機對散熱器進(jìn)行強制風(fēng)冷，其控制線(xiàn)通過(guò)防水插座和內部控制電路板相連。
采用這些措施使系統整體防護等級達到IP55，在使用過(guò)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.軟件上的特殊設計
為了使變頻器適用于HEV，軟件也進(jìn)行了一些特殊設計：控制方式為開(kāi)環(huán)轉矩控制；限制轉矩變化率，使駕駛者感覺(jué)加速和減速都非常平穩；限制電機和變頻器的溫度上升速度，以提高系統的可靠運行能力；限制充電電流，以保護蓄電池。這些軟件上的特殊設計使系統可靠性得到大大提高。
f.完善的保護功能
為系統提供了完善的保護功能：對蓄電池、電機和功率器件提供過(guò)壓和過(guò)流保護功能，對電機和變頻器提供過(guò)溫保護功能；對功率器件的故障及時(shí)響應，以提高電氣系統的可靠性能。
實(shí)驗室測試
電機額定功率為57kW，額定轉矩為270N•m，額定轉速為2000r/min，額定端電壓為230V。變頻器系統參數根據使用的電機進(jìn)行匹配。在額定功率下運行時(shí)的轉矩和電流波形如圖2所示。
使用采集系統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效率。具體的數據如表4所示。
在功率大于50%時(shí)，變頻器效率在98％左右，電機效率在93%左右，系統總效率大于91％。在低速和低功率的情況下，系統效率略有下降。
實(shí)車(chē)運行考核
2004年7～8月，XD6120型HEV在國家汽車(chē)質(zhì)量檢測檢驗中心襄樊汽車(chē)試驗場(chǎng)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(chē)完全符合各種國家強制性標準，動(dòng)力性能良好，節能效果明顯。
2004年10月，XD6120型HEV在上海國際賽車(chē)場(chǎng)參加第六屆國際清潔能源汽車(chē)必比登挑戰賽，獲得了混合動(dòng)力客車(chē)第一名。
2006年7月開(kāi)始在長(cháng)沙9路公交車(chē)上示范運行，從示范運行返回的信息來(lái)看，逆變器和電機的可靠性是非常高的。將近一年來(lái)，只有一次現場(chǎng)服務(wù)的意外記錄。其原因是由于風(fēng)機被泥水堵死，導致風(fēng)機控制電路過(guò)流損壞。
實(shí)際運行試驗情況表明，使用以上方法設計和生產(chǎn)的逆變器可靠性高，完全適合HEV的惡劣運行工況。
