中心論題：

• 電氣係統設計
• 逆變器設計關鍵技術
• 係統可靠性設計
• 實驗室測試和實車運行考核

解決方案：

• 主電路參數計算
• 散熱器和風機計算
• 數字控製電路設計和軟件設計
• 總體結構設計

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濟效益，其中HEV的應用在當前一段時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，所包括的不同於普通汽車的關鍵技術有：電池；電機及其驅動係統；係統能源管理等。

電機及其驅動係統是HEV的關鍵部件。首先，其高可靠性必須能夠保證HEV長期可靠工作；其次
，係統效率對HEV的能耗水平具有決定影響。現在得到大規模應用的有基於永磁電機和感應電機的變頻調速係統（以下簡稱逆變器）。基於永磁電機的逆變器，以日立、川崎等日本公司的產品最為成熟；基於異步電機的逆變器
，ABB、SIEMENS、ALSTON等(deng)歐(ou)洲(zhou)著(zhu)名(ming)公(gong)司(si)都(dou)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)不(bu)同(tong)功(gong)率(lv)等(deng)級(ji)的(de)應(ying)用(yong)係(xi)統(tong)。在(zai)電(dian)力(li)機(ji)車(che)市(shi)場(chang)方(fang)麵(mian)，產(chan)品(pin)應(ying)用(yong)和(he)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)也(ye)是(shi)一(yi)致(zhi)的(de)。本(ben)文(wen)研(yan)究(jiu)的(de)是(shi)基(ji)於(yu)異(yi)步(bu)電(dian)機(ji)的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)，配(pei)套(tao)電(dian)機(ji)為(wei)湘(xiang)電(dian)股(gu)份(fen)公(gong)司(si)生(sheng)產(chan)的(de)YQ57型變頻牽引異步電動機，應用於湘電股份公司的XD6120型HEV客車上。
   
不同於普通的風機、水泵等一般工業應用場合，應用於HEV的逆變器由於使用環境的特殊性，其關鍵要求有：結構設計可靠
，安裝維修方便，防護等級高，適應惡劣的環境。

電氣係統設計
HEV的電氣係統主要包括三個部分：蓄電池、電機、逆變器。參考文獻對電氣係統設計過程進行了詳細說明，而且也對這三個部分的參數進行了詳細的說明和分析。

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、轉矩特性和傳動比來確定,最後確定和XD6120型混合電動汽車配套的電機功率為57kW，額定轉速為2000r/min, 最大起動轉矩為2Tn。

b.電壓等級確定：由於汽車以安全為第一要素
，因此在HEV上應用的IGBT以600V和1200V係列最為廣泛。確定電池和電機電壓的等級應考慮如下因數：IGBT在關斷時有可能產生過電壓，因此600V係列IGBT實際使用時的直流側電壓低於400V；電池電壓是浮動的，按照一般要求，最高電壓等於額定電壓的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.其他參數確定：蓄電池電壓選定後，還應根據HEV的續航裏程等要求選定蓄電池的安時數；根據電機電流計算逆變器電流
；根據係統電壓和電流等級選擇保護用開關及其熔斷器、電線電纜的型號規格
、各種電氣係統的絕緣和電氣間隙等。

逆變器設計關鍵技術
逆變器設計關鍵技術包括：主電路參數計算；散熱器和風機計算；數字控製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，最重要的是確定功率器件的電壓和電流等級。本係統選擇的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，考慮到在低速起動時要求起動轉矩為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驗公式進行計算：

   
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。經計算得到需要的電容容量為0.0175F≤CDC≤0.035F。實際係統中的電容容量為20000μF。

b.功率器件損耗計算
功率器件的損耗由IGBT靜態損耗、IGBT開關損耗

、二級管靜態損耗和二極管動態損耗等四個部分組成。

IGBT靜態損耗計算公式為：
 

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。

IGBT開關損耗計算公式為：
 

式中，fC為開關頻率；PSW(ON)為IGBT開通能耗
；PSW(OFF)為IGBT關斷能耗。

二極管靜態損耗計算公式為：

    
式中
，Vec為二極管導通壓降。

二極管動態損耗計算公式為：
 

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

c.數字控製電路設計和控製軟件設計
逆變器的控製算法由數字控製電路完成，數字控製電路包括兩大部分：電源及功率器件驅動板和數字控製電路板。
   
數字控製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，完成複雜的數字控製算法，產生PWM脈衝；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。
   
由於HEV傳chuan動dong係xi統tong的de速su度du和he轉zhuan矩ju變bian換huan範fan圍wei非fei常chang大da
，係xi統tong采cai用yong的de是shi有you速su度du傳chuan感gan器qi的de轉zhuan子zi磁ci場chang定ding向xiang控kong製zhi，參can考kao文wen獻xian對dui此ci控kong製zhi有you詳xiang細xi的de敘xu述shu，並bing給gei出chu了le完wan整zheng的deDSP算法實現。

係統可靠性設計
對於HEV車輛用變頻器，由於安裝位置在車底下，工作環境非常差
，具體表現為：環境溫度差別非常大，在實際運行測試中曾經監測的溫度最高達到了50℃
，最低為－10℃；在天氣晴朗時工作環境有灰塵，在下雨天時則有雨水；變頻器需要承受很強的衝擊和振動。
   
為了保證車輛能安全運行，係統的可靠性設計是最重要的。

a.散熱器和風機計算
在計算了功率器件的損耗之後，就可以根據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為風機的風量和風壓計算結果；表3為散熱器上選擇的五個測試點的溫度值。

                         
根據軟件仿真計算結果，散熱器選擇釺焊式鋁散熱器，風機選擇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。

驅動板直接壓接在IGBT上；直流側電容通過複合母排直接連接在IGBT上，減小電感
；風機直接安裝在散熱器底部；數字控製電路板安裝在鋁外殼上
，方便拆卸。
   
使用一體化結構設計後，係統的維修時間大大縮短。數字控製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分鍾內完成。由於係統組成簡單，所以維修工作也非常簡單
，隻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完成。

c.寬範圍工作溫度設計
由於使用環境的不同，實際的工作環境溫度有可能比條件(1)更geng加jia惡e劣lie
，這zhe就jiu要yao求qiu變bian頻pin器qi能neng夠gou適shi應ying非fei常chang寬kuan的de工gong作zuo環huan境jing溫wen度du。係xi統tong設she計ji時shi充chong分fen考kao慮lv了le使shi用yong環huan境jing的de問wen題ti，在zai生sheng產chan和he出chu廠chang試shi驗yan中zhong要yao保bao證zheng變bian頻pin器qi能neng夠gou長chang期qi可ke靠kao地di工gong作zuo。具ju體ti采cai取qu了le如ru下xia措cuo施shi：選擇器件的工作溫度範圍為－40℃～85℃，並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
；電路板測試完成後進行－40℃的低溫存放48小時試驗；電路板測試完成後進行80℃的高溫存放48小時試驗；電路板測試完成後進行－40℃和85℃的高低溫循環試驗
，試驗3次共24小時；變頻器裝配完成後進行4小時的額定工況試驗；試驗結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範圍內工作。

d.防水防塵設計
考慮到變頻器安裝在車底下，工作環境非常差，有雨水和灰塵，所以係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；電機電纜通過防水插座和內部功率器件連接；外部控製電源和電源線通過AMP防水插座和內部控製電路板連接
；使用EBM公司的防水風機對散熱器進行強製風冷，其控製線通過防水插座和內部控製電路板相連。
   
采用這些措施使係統整體防護等級達到IP55，在使用過程中，可以用水衝洗變頻器。雖然由於環境因素導致變頻器的外部都是灰塵，但是並不影響變頻器的正常工作。

e.軟件上的特殊設計
為了使變頻器適用於HEV，軟件也進行了一些特殊設計：控製方式為開環轉矩控製；限製轉矩變化率，使駕駛者感覺加速和減速都非常平穩；限製電機和變頻器的溫度上升速度
，以提高係統的可靠運行能力；限製充電電流，以保護蓄電池。這些軟件上的特殊設計使係統可靠性得到大大提高。

f.完善的保護功能
為係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，以提高電氣係統的可靠性能。

實驗室測試
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。變頻器係統參數根據使用的電機進行匹配。在額定功率下運行時的轉矩和電流波形如圖2所示。
 

使用采集係統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。具體的數據如表4所示。

                            
在功率大於50%時，變頻器效率在98％左右
，電機效率在93%左右，係統總效率大於91％。在低速和低功率的情況下，係統效率略有下降。

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公裏可靠性行駛試驗。給出的報告表明，此車完全符合各種國家強製性標準，動力性能良好，節能效果明顯。
   
2004年10月，XD6120型HEV在上海國際賽車場參加第六屆國際清潔能源汽車必比登挑戰賽
，獲得了混合動力客車第一名。
   
2006年7月開始在長沙9路lu公gong交jiao車che上shang示shi範fan運yun行xing
，從cong示shi範fan運yun行xing返fan回hui的de信xin息xi來lai看kan

，逆ni變bian器qi和he電dian機ji的de可ke靠kao性xing是shi非fei常chang高gao的de。將jiang近jin一yi年nian來lai，隻zhi有you一yi次ci現xian場chang服fu務wu的de意yi外wai記ji錄lu。其qi原yuan因yin是shi由you於yu風feng機ji被bei泥ni水shui堵du死si

，導dao致zhi風feng機ji控kong製zhi電dian路lu過guo流liu損sun壞huai。
實際運行試驗情況表明
，使用以上方法設計和生產的逆變器可靠性高
，完全適合HEV的惡劣運行工況。