混合电动汽车用逆变器关键技术研究

靠性设计

对于HEV车辆用变频器，由于安装位置在车底下，工作环境非常差，具体表现为：
(1)环境温度差别非常大，在实际运行测试中曾经监测的温度最高达到了50℃，最低为－10℃；
(2)在天气晴朗时工作环境有灰尘，在下雨天时则有雨水；
(3)变频器需要承受很强的冲击和振动。
为了保证车辆能安全运行，系统的可靠性设计是最重要的。

3.1 散热器和风机计算

在计算了功率器件的损耗之后，就可以根据损耗确定散热器和风机。为此，使用热分析软件FLOTHERM进行仿真计算，仿真结果要求散热器温升在30K以下。

软件计算结果：表1为散热器的物理结构和参数；表2为风机的风量和风压计算结果；表3为散热器上选择的五个测试点的温度值。

根据软件仿真计算结果，散热器选择钎焊式铝散热器，风机选择EBM公司的EBM6224N。

3.2 一体化结构设计

为了减轻重量，外壳使用铝合金材料，强度好、重量轻。在结构设计上尽量减小体积，因此使用一体化结构设计。

(1)驱动板直接压接在IGBT上；
(2)直流侧电容通过复合母排直接连接在IGBT上，
减小电感；
(3)风机直接安装在散热器底部；
(4)数字控制电路板安装在铝外壳上，方便拆卸。

使用一体化结构设计后，系统的维修时间大大缩短。数字控制板和外部信号的连接都使用AMP连接件，使用可靠、拆装方便；电源板和IGBT之间的连接使用容易拆卸的针式连接。所有的拆卸工作和更换工作都可以在5分钟内完成。由于系统组成简单，所以维修工作也非常简单，只需要更换损坏的电路板。因此所有工作都可以在非常短的时间内完成。

3.3 宽范围工作温度设计

由于使用环境的不同，实际的工作环境温度有可能比条件(1)更加恶劣，这就要求变频器能够适应非常宽的工作环境温度。系统设计时充分考虑了使用环境的问题，在生产和出厂试验中要保证变频器能够长期可靠地工作。具体采取了如下措施：

(1)选择器件的工作温度范围为－40℃～85℃，并对所有器件进行筛选；
(2)对所有功率器件都进行额定功率24小时通电试验；
(3)电路板测试完成后进行－40℃的低温存放48小时试验；
(4)电路板测试完成后进行80℃的高温存放48小时试验；
(5)电路板测试完成后进行－40℃和85℃的高低温循环试验，试验3次共24小时；
(6)变频器装配完成后进行4小时的额定工况试验；试验结果要求散热器温升在30K以下；

通过以上措施可以保证变频器在宽温度范围内工作。

3.4 防水防尘设计

考虑到变频器安装在车底下，工作环境非常差，有雨水和灰尘，所以系统必须采用防水防尘结构设计。

(1)机壳和散热底座之间加密封防水橡胶；
(2)电机电缆通过防水插座和内部功率器件连接；
(3)外部控制电源和电源线通过AMP防水插座和内部控制电路板连接；
(4)使用EBM公司的防水风机对散热器进行强制风冷，其控制线通过防水插座和内部控制电路板相连。
采用这些措施使系统整体防护等级达到IP55，在使用过程中，可以用水冲洗变频器。虽然由于环境因素导致变频器的外部都是灰尘，但是并不影响变频器的正常工作。

3.5 软件上的特殊设计

为了使变频器适用于HEV，软件也进行了一些特殊设计：控制方式为开环转矩控制；限制转矩变化率，使驾驶者感觉加速和减速都非常平稳；限制电机和变频器的温度上升速度，以提高系统的可靠运行能力；限制充电电流，以保护蓄电池。这些软件上的特殊设计使系统可靠性得到大大提高。

3.6 完善的保护功能

为系统提供了完善的保护功能：对蓄电池、电机和功率器件提供过压和过流保护功能，对电机和变频器提供过温保护功能；对功率器件的故障及时响应，以提高电气系统的可靠性能。

4 实验室测试

电机额定功率为57kW，额定转矩为270N·m，额定转速为2000r/min，额定端电压为230V。变频器系统参数根据使用的电机进行匹配。在额定功率下运行时的转矩和电流波形如图2所示。

使用采集系统对直流输入电压和电流、交流输出电压和电流进行分析，得到了变频器效率和电机效率。具体的数据如表4所示。

在功率大于50%时，变频器效率在98％左右，电机效率在93%左右，系统总效率大于91％。在低速和低功率的情况下，系统效率略有下降。

5 实车运行考核

2004年7～8月，XD6120型HEV在国家汽车质量检测检验中心襄樊汽车试验场完成了56项定型试验和7 000公里可靠性行驶试验。给出的报告表明，此车完全符合各种国家强制性标准，动力性能良好，节能效果明显。
2004年10月，XD6120型HEV在上海国际赛车场参加第六届国际清洁能源汽车必比登挑战赛，获得了混合动力客车第一名。

2006年7月开始在长沙9路公交车上示范运行，从示范运行返回的信息来看，逆变器和电机的可靠性是非常高的。将近一年来，只有一次现场服务的意外记录。其原因是由于风机被泥水堵死，导致风机控制电路过流损坏。

实际运行试验情况表明，使用以上方法设计和生产的逆变器可靠性高，完全适合HEV的恶劣运行工况。