混合電動汽車用逆變器關(guān)鍵技術(shù)解析

　　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［1-2］，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［3］；電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)［4］；系統(tǒng)能源管理［5］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(jì)可靠，安裝維修方便，防護(hù)等級高，適應(yīng)惡劣的環(huán)境。
　　1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　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)［6］對電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。
　?。?）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。
　?。?）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(shí)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。
　　（3）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(jì)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。
　　2 逆變器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)
　　逆變器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)包括：主電路參數(shù)計(jì)算；散熱器和風(fēng)機(jī)計(jì)算；數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　2.1 主電路電氣圖和主要器件參數(shù)計(jì)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(jì)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。