- 頭條一種創新的電動汽車變流器優化設計方法2021-08-08 作者：羅旭 王學梅 吳海平 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語IGBT的選擇對功率變換器的效率、可靠性和成本均有重要影響，是變換器設計階段要解決的首要問題。然而，目前在功率變換器的設計中，IGBT及開關頻率的選擇更多依賴于設計者的經驗，缺乏明確的理論依據。為此，華南理工大學電力學院、比亞迪股份有限公司的研究人員羅旭、王學梅、吳海平，在2020年第10期《電工技術學報》上撰文，提出一種新穎的基于多目標優化的電動汽車變流器設計方法。
由于環境保護和全球能源危機，近年來電動汽車（Electric Vehicle, EV）已經吸引了越來越多國家的關注，發展非常迅速。作為驅動系統中的關鍵單元，變流器對電動汽車的性能有重要影響，而功率器件是變流器中最脆弱的元件之一，且占其絕大部分損耗。
有關可靠性調研報告表明，在電力電子系統中，由功率器件和電容器引起的設備故障率最高，約占50%。因此，選擇合適的功率器件（如IGBT）是變流器設計階段最重要的任務之一。
通常，IGBT的選擇主要取決于變換器電壓等級和通流大小。此外，為了確保IGBT的長期安全運行，其結溫不能超過允許最大值。然而，IGBT結溫的計算是一個相對復雜的過程，它不僅取決于器件功率損耗和熱特性，還與冷卻系統和環境溫度等因素有關。
為了簡化IGBT的選擇過程，功率模塊制造商通常提供損耗計算軟件，如Infineon IPOSIM和Semikron DriverSel，這些軟件可以在相對簡單的熱模型的基礎上，近似計算出功率器件的平均損耗和結溫變化情況。
近年來，工業界和學術界逐漸在功率器件的選擇方面進行了更多的探索。IGBT和開關頻率的選擇已經從早期的依賴工程經驗轉變到考慮變換器的性能優化上。美國能源部制定的電動汽車發展路線圖指出，到2025年，電動汽車的安全行駛里程必須達到15年或超過48萬km。
因此，除了效率和功率密度外，EV變流器還需要滿足可靠性和壽命的要求。此外，在汽車工程中，設計師總是希望將成本降到最低，以保持其市場競爭力。然而，對電力電子系統而言，以上性能指標往往是相互沖突的，即不可能在保證最低成本的同時，獲得最高的效率和壽命。
多目標優化是解決這個問題的方法之一。為此，華南理工大學、比亞迪公司的研究人員提出了一種新的EV變換器優化設計方法，來選擇最合適的功率器件和開關頻率，主要貢獻包括：①基于綜合多目標優化選擇IGBT和開關頻率，以實現變流器能量損耗、壽命和成本之間的最佳折中；②建立了基于汽車都市循環工況下的EV變流器性能評價函數。
圖1 多目標優化設計流程
眾所周知，傳統的功率密度和效率等性能指標通常是在額定工況下獲得的。然而，在實際行駛工況期間，變流器消耗的能量是時變的。因此，只有基于汽車都市循環工況建立的性能評價函數才能反映EV實際運行狀況。
圖2 EV變流器電熱仿真模型
研究人員以開關頻率和芯片面積作為設計變量建立EV變流器的三個評價函數，研究了目標函數與設計變量之間的關系，并基于Pareto最優理論實現能量損耗、成本和壽命之間的最佳折中。基于該方法，可以在滿足設計要求的前提下獲得最佳的設計方案，使得EV變流器滿足效率和可靠性要求的同時成本最小。最后，實驗驗證了該方法的有效性。
圖3 實驗樣機實物圖
圖4 測試平臺
在優化設計過程中，研究人員指出也存在一些不足：一是對變流器性能有較大影響的IGBT驅動電路部分沒有包括在優化設計中；二是尚未考慮不同元件（如IGBT和電容器）之間的熱耦合作用。這些不足將會在未來的工作中進一步探討和研究。
以上研究成果發表在2020年第10期《電工技術學報》，論文標題為“基于多目標優化的電動汽車變流器IGBT及開關頻率的選擇”，作者為羅旭、王學梅、吳海平。
