混合电动汽车用逆变器关键技术解析

　　电动汽车（EV）、混合电动汽车（HEV）和燃料电池汽车（FCEV）具有良好的应用前景和经济效益［1-2］，其中HEV的应用在当前一段时期可能达到较大的规模。许多公司和科研机构对HEV的研究非常深入，所包括的不同于普通汽车的关键技术有：电池［3］；电机及其驱动系统［4］；系统能源管理［5］等。
　　电机及其驱动系统是HEV的关键部件。首先，其高可靠性必须能够保证HEV长期可靠工作；其次，系统效率对HEV的能耗水平具有决定影响。现在得到大规模应用的有基于永磁电机和感应电机的变频调速系统（以下简称逆变器）。基于永磁电机的逆变器，以日立、川崎等日本公司的产品最为成熟；基于异步电机的逆变器，ABB、SIEMENS、ALSTON等欧洲著名公司都能够提供不同功率等级的应用系统。在电力机车市场方面，产品应用和发展趋势也是一致的。本文研究的是基于异步电机的逆变器，配套电机为湘电股份公司生产的YQ57型变频牵引异步电动机，应用于湘电股份公司的XD6120型HEV客车上。
　　不同于普通的风机、水泵等一般工业应用场合，应用于HEV的逆变器由于使用环境的特殊性，其关键要求有：结构设计可靠，安装维修方便，防护等级高，适应恶劣的环境。
　　1 电气系统设计
　　HEV的电气系统主要包括三个部分：蓄电池、电机、逆变器。参考文献［6］对电气系统设计过程进行了详细说明，而且也对这三个部分的参数进行了详细的说明和分析。
　　（1）电机基本参数确定：电机的功率和转矩参数应根据HEV的速度要求、转矩特性和传动比来确定，最后确定和XD6120型混合电动汽车配套的电机功率为57kW，额定转速为2000r/min， 最大起动转矩为2Tn。
　　（2）电压等级确定：由于汽车以安全为第一要素，因此在HEV上应用的IGBT以600V和1200V系列最为广泛。确定电池和电机电压的等级应考虑如下因数：IGBT在关断时有可能产生过电压，因此600V系列IGBT实际使用时的直流侧电压低于400V；电池电压是浮动的，按照一般要求，最高电压等于额定电压的120％；功率相同时，电压等级越高，电流越小，电机和变频器的体积就相对越小。综合以上因素，确定电池的电压等级为312V，电机的电压等级为230V。
　　（3）其他参数确定：蓄电池电压选定后，还应根据HEV的续航里程等要求选定蓄电池的安时数；根据电机电流计算逆变器电流；根据系统电压和电流等级选择保护用开关及其熔断器、电线电缆的型号规格、各种电气系统的绝缘和电气间隙等。
　　2 逆变器设计关键技术
　　逆变器设计关键技术包括：主电路参数计算；散热器和风机计算；数字控制电路设计和软件设计；总体结构设计。
　　2.1 主电路电气图和主要器件参数计算
　　逆变器采用电压源型主电路，直流侧加支撑电容，附加直流继电器和预充电电路。其电路图如图1所示。
　　
　　在主电路设计时，最重要的是确定功率器件的电压和电流等级。本系统选择的IGBT电压等级为600V，对应的蓄电池电压等级选择为312V，电机额定电流In=192A，考虑到在低速起动时要求起动转矩为2Tn，对应的电机的启动电流约为2In，因此选择IGBT的电流等级为600A。