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由于環(huán)境保護(hù)和全球能源危機(jī)，近年來電動(dòng)汽車（Electric Vehicle, EV）已經(jīng)吸引了越來越多國家的關(guān)注，發(fā)展非常迅速。作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵單元，變流器對電動(dòng)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(guān)可靠性調(diào)研報(bào)告表明，在電力電子系統(tǒng)中，由功率器件和電容器引起的設(shè)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(shè)計(jì)階段最重要的任務(wù)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(yùn)行，其結(jié)溫不能超過允許最大值。然而，IGBT結(jié)溫的計(jì)算是一個(gè)相對復(fù)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(tǒng)和環(huán)境溫度等因素有關(guān)。

為了簡化IGBT的選擇過程，功率模塊制造商通常提供損耗計(jì)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(chǔ)上，近似計(jì)算出功率器件的平均損耗和結(jié)溫變化情況。

近年來，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界逐漸在功率器件的選擇方面進(jìn)行了更多的探索。IGBT和開關(guān)頻率的選擇已經(jīng)從早期的依賴工程經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變到考慮變換器的性能優(yōu)化上。美國能源部制定的電動(dòng)汽車發(fā)展路線圖指出，到2025年，電動(dòng)汽車的安全行駛里程必須達(dá)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(shè)計(jì)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(tǒng)而言，以上性能指標(biāo)往往是相互沖突的，即不可能在保證最低成本的同時(shí)，獲得最高的效率和壽命。

多目標(biāo)優(yōu)化是解決這個(gè)問題的方法之一。為此，華南理工大學(xué)、比亞迪公司的研究人員提出了一種新的EV變換器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，來選擇最合適的功率器件和開關(guān)頻率，主要貢獻(xiàn)包括：①基于綜合多目標(biāo)優(yōu)化選擇IGBT和開關(guān)頻率，以實(shí)現(xiàn)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(huán)工況下的EV變流器性能評價(jià)函數(shù)。

圖1 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

眾所周知，傳統(tǒng)的功率密度和效率等性能指標(biāo)通常是在額定工況下獲得的。然而，在實(shí)際行駛工況期間，變流器消耗的能量是時(shí)變的。因此，只有基于汽車都市循環(huán)工況建立的性能評價(jià)函數(shù)才能反映EV實(shí)際運(yùn)行狀況。

圖2 EV變流器電熱仿真模型

研究人員以開關(guān)頻率和芯片面積作為設(shè)計(jì)變量建立EV變流器的三個(gè)評價(jià)函數(shù)，研究了目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系，并基于Pareto最優(yōu)理論實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)要求的前提下獲得最佳的設(shè)計(jì)方案，使得EV變流器滿足效率和可靠性要求的同時(shí)成本最小。最后，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

圖3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖

圖4 測試平臺(tái)

在優(yōu)化設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電路部分沒有包括在優(yōu)化設(shè)計(jì)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(huì)在未來的工作中進(jìn)一步探討和研究。

以上研究成果發(fā)表在2020年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于多目標(biāo)優(yōu)化的電動(dòng)汽車變流器IGBT及開關(guān)頻率的選擇”，作者為羅旭、王學(xué)梅、吳海平。