車用高性能永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)

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1、車用高性能永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)［摘要］重點介紹高性能車用永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)中的高功率密度車用電機控制器、廣域高效混合勵磁電機和全數(shù)字化高性能電機控制軟件平臺3項關鍵技術，提出了在功率密度、全范圍效率、可靠性、維護性和成本等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的車用永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的解決方案。在此基礎上開發(fā)出高功率密度車用電機驅(qū)動系統(tǒng)樣機，成功應用于力帆LF620純電動警務車，并服務于2010年上海世博會上。關鍵詞:永磁電機驅(qū)動系統(tǒng);電機控制器;混合勵磁電機;全數(shù)字化控制前言車用電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的關鍵和共性技術。因受到車輛空間限制和使用

2、環(huán)境的約束，車用電機驅(qū)動系統(tǒng)不同于普通的電傳動系統(tǒng)，它要求具有更高的運行性能(如全速度范圍的高效率)、更高的比功率(不低于1.2kW/kg)以及更嚴酷的工作環(huán)境(環(huán)境溫度達到105℃)等等［1］，為滿足這些要求，車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢基本上可以歸納為電機永磁化、控制數(shù)字化和系統(tǒng)集成化。與國際先進水平相比，我國在面向車輛工況的電機系統(tǒng)優(yōu)化設計能力，滿足產(chǎn)業(yè)化需求的全數(shù)字化電機控制軟件平臺建設，機電一體化系統(tǒng)集成設計能力，以及高集成度功率電子模塊研制與生產(chǎn)、產(chǎn)品可靠性、耐久性和成熟度的考核與分析等方面，仍存在較大差

3、距。隨著我國電動汽車產(chǎn)業(yè)化進程的推進，這些技術差距必將影響相關行業(yè)的市場競爭力。本文中重點介紹了高性能車用永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)中高功率密度、高效率與低成本的車用電機控制器、廣域高效混合勵磁電機和滿足可重復性、可移植性和易使用性要求的全數(shù)字化高性能電機控制軟件平臺3項關鍵技術，提出了在功率密度、全范圍效率、可靠性、維護性及成本等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的車用永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的解決方案。并開發(fā)出新型混合勵磁電機驅(qū)動系統(tǒng)和高功率密度、高效與低成本的車用電機控制器樣機，后者已成功應用于力帆LF620純電動警務車，服務于2010年上海世博會。

4、1高功率密度車用電機控制器電動汽車中主驅(qū)動電機控制器一般采用典型的三相橋式電壓源逆變電路，其主要部件包括功率模塊、直流側(cè)支撐電容和疊層母線排［2］。根據(jù)車輛對控制器的功率等級需求，功率模塊大多采用絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，IG-BT)，其成本一般占到電機控制器總成本的30%以上，功率模塊的性能、可靠性與成本直接影響電機控制器產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn);直流側(cè)支撐電容是控制器中最重要的無源器件，主要作用是吸收功率模塊開關造成的直流側(cè)脈動電流，穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓電流，從而提高蓄電池

5、使用壽命，其體積和質(zhì)量對控制器的功率密度有很大影響。因此，IGBT功率模塊和直流側(cè)支撐電容是提高控制器性能和控制成本的關鍵。1.1智能IGBT功率模塊的研發(fā)為提高IGBT功率模塊的運行性能和可靠性，降低成本，中國科學院電工研究所聯(lián)合國內(nèi)功率模塊封裝企業(yè)進行具備自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)智能IGBT功率模塊的研發(fā)。在IGBT設計方面進行了大量分析優(yōu)化和工藝設計工作。首先，借助計算機仿真分析技術，優(yōu)化模塊內(nèi)部芯片布局和布線，從而減少了模塊內(nèi)部的雜散電感;優(yōu)化底板設計、控制底板弧度，降低了芯片應力;采用氮化鋁DBC基板，降低了熱阻。

6、其次，應用專有干法大面積焊接免清洗技術，減少了焊接空洞率，減少熱阻;研究應力控制的壓焊技術，提高了電流浪涌能力，減少了引線的雜散電感。研發(fā)出的智能IGBT功率模塊內(nèi)部布局及實物見圖1(a)和圖1(b)。同時，進一步提高系統(tǒng)集成度，在智能IGBT功率模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動保護電路。在驅(qū)動技術方面，采用分段驅(qū)動方式，在常規(guī)推挽驅(qū)動原理電路中加入可控輔助充放電電流源，在縮短器件開關時間的同時，降低開通過程中集電極電流尖峰和關斷過程中集射電壓尖峰，減小開關應力、損耗和噪聲;在保護技術方面，采用了集射電壓檢測方式和短路保護實現(xiàn)電路，

7、在短路發(fā)生后無延時地箝制由米勒效應造成的門電壓抬升，避免誤導通。圖1智能IGBT功率模塊及60kW高功率密度電機控制器1.2直流側(cè)支撐電容的選擇在由蓄電池儲能的電動汽車中，由于蓄電池組內(nèi)部等效電容很大，一般在法拉量級［3］，對直流電壓的濾波可主要由蓄電池組實現(xiàn)，支撐電容并不獨自承擔電壓濾波的功能。由于平穩(wěn)的輸出電流有利于提高蓄電池組的使用壽命，因而在正常工況下，希望蓄電池組輸出電流Iin接近于理想直流，此時直流側(cè)電容須吸收因IGBT不停開關所造成的脈動電流，導致直流側(cè)電容電流Icap不斷脈動，因此在蓄電池組供電的條件下

8、，直流側(cè)電容的選取主要考慮其能提供的紋波電流有效值的大小，而電容值可相對選取較小。直流側(cè)支撐電容的傳統(tǒng)設計方法是采用一組串并聯(lián)的電解電容，體積大而且可靠性不高，難以進一步提升功率密度。采用聚合物膜(金屬聚丙烯膜)作為電介質(zhì)的金屬膜電容體積小、高頻特性好具有更大的電流提供能力和更低的等效電阻;壽命可達到100000h，而普通電解電容