由于環(huán)境保護(hù)和全球能源危機(jī),近年來(lái)電動(dòng)汽車(Electric Vehicle, EV)已經(jīng)吸引了越來(lái)越多國(guó)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(duì)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(jí)和通流大小。此外,為了確保IGBT的長(zhǎng)期安全運(yùn)行,其結(jié)溫不能超過(guò)允許最大值。然而,IGBT結(jié)溫的計(jì)算是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)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(jiǎn)化IGBT的選擇過(guò)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(duì)簡(jiǎn)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(lái),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(kāi)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(guó)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(guò)48萬(wàn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。然而,對(duì)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(wèn)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(lái)選擇最合適的功率器件和開(kāi)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(kāi)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(píng)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(píng)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(kāi)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(píng)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(cè)試平臺(tái)
在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,研究人員指出也存在一些不足:一是對(duì)變流器性能有較大影響的IGBT驅(qū)動(dòng)電路部分沒(méi)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(lái)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(kāi)關(guān)頻率的選擇”,作者為羅旭、王學(xué)梅、吳海平。