车用高性能永磁电机驱动系统的三项关键技术研究.doc

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1、车用高性能永磁电机驱动系统的三项关键技术研究　　车用电机驱动系统是电动汽车的关键和共性技术。因受到车辆空间限制和使用环境的约束，车用电机驱动系统不同于普通的电传动系统，它要求具有更高的运行性能（如全速度范围的高效率）、更高的比功率（不低于1.2kW/kg）以及更严酷的工作环境（环境温度达到105℃）等等［1］，为满足这些要求，车用电机驱动系统的技术发展趋势基本上可以归纳为电机永磁化、控制数字化和系统集成化。与国际先进水平相比，我国在面向车辆工况的电机系统优化设计能力，满足产业化需求的全数字化电机控制软件

2、平台建设，机电一体化系统集成设计能力，以及高集成度功率电子模块研制与生产、产品可靠性、耐久性和成熟度的考核与分析等方面，仍存在较大差距。随着我国电动汽车产业化进程的推进，这些技术差距必将影响相关行业的市场竞争力。　　1高功率密度车用电机控制器　　电动汽车中主驱动电机控制器一般采用典型的三相桥式电压源逆变电路，其主要部件包括功率模块、直流侧支撑电容和叠层母线排［2］。根据车辆对控制器的功率等级需求，功率模块大多采用绝缘栅双极型晶体管（insulatedgatebipolartransistor，IG-BT

3、），其成本一般占到电机控制器总成本的30%以上，功率模块的性能、可靠性与成本直接影响电机控制器产业化的实现;直流侧支撑电容是控制器中最重要的无源器件，主要作用是吸收功率模块开关造成的直流侧脉动电流，稳定直流侧输出电压电流，从而提高蓄电池使用寿命，其体积和质量对控制器的功率密度有很大影响。因此，IGBT功率模块和直流侧支撑电容是提高控制器性能和控制成本的关键。　　1.1智能IGBT功率模块的研发　　为提高IGBT功率模块的运行性能和可靠性，降低成本，中国科学院电工研究所联合国内功率模块封装企业进行具备自主

4、知识产权的国产智能IGBT功率模块的研发。在IGBT设计方面进行了大量分析优化和工艺设计工作。首先，借助计算机仿真分析技术，优化模块内部芯片布局和布线，从而减少了模块内部的杂散电感;优化底板设计、控制底板弧度，降低了芯片应力;采用氮化铝DBC基板，降低了热阻。其次，应用专有干法大面积焊接免清洗技术，减少了焊接空洞率，减少热阻;研究应力控制的压焊技术，提高了电流浪涌能力，减少了引线的杂散电感。研发出的智能IGBT功率模块内部布局及实物见图1（a）和图1（b）。同时，进一步提高系统集成度，在智能IGBT功率

5、模块内部集成了驱动保护电路。在驱动技术方面，采用分段驱动方式，在常规推挽驱动原理电路中加入可控辅助充放电电流源，在缩短器件开关时间的同时，降低开通过程中集电极电流尖峰和关断过程中集射电压尖峰，减小开关应力、损耗和噪声;在保护技术方面，采用了集射电压检测方式和短路保护实现电路，在短路发生后无延时地箝制由米勒效应造成的门电压抬升，避免误导通。　　　　1.2直流侧支撑电容的选择　　在由蓄电池储能的电动汽车中，由于蓄电池组内部等效电容很大，一般在法拉量级［3］，对直流电压的滤波可主要由蓄电池组实现，支撑电容并不

6、独自承担电压滤波的功能。由于平稳的输出电流有利于提高蓄电池组的使用寿命，因而在正常工况下，希望蓄电池组输出电流Iin接近于理想直流，此时直流侧电容须吸收因IGBT不停开关所造成的脉动电流，导致直流侧电容电流Icap不断脉动，因此在蓄电池组供电的条件下，直流侧电容的选取主要考虑其能提供的纹波电流有效值的大小，而电容值可相对选取较小。　　直流侧支撑电容的传统设计方法是采用一组串并联的电解电容，体积大而且可靠性不高，难以进一步提升功率密度。采用聚合物膜（金属聚丙烯膜）作为电介质的金属膜电容体积小、高频特性好具

7、有更大的电流提供能力和更低的等效电阻;寿命可达到100000h，而普通电解电容只有5000～10000h。这些特征使金属膜电容非常适合电动汽车的应用条件［4－5］。高功率密度的车用电机控制器采用新型220μF/600V金属膜电容作为直流侧支撑电容。该电容采用金属聚丙烯膜作为电介质，工作温度可达到105℃。10kHz时能够提供有效值为100A的峰值纹波电流，开关频率即使在20kHz时，也仍保持容性阻抗特性，同时电容值可随开关频率增加而增加。很明显，膜电容具有低感、高频特性好和大电流提供能力等优点，非常适合

8、较高频率条件下应用。　　1.3高功率密度电机控制器的研发　　应用智能IGBT功率模块和金属膜电容技术所研制的60kW高功率密度电机控制器如图1（c）所示，该控制器的质量比功率为4kW/kg，体积比功率为6kW/L。　　2广域高效混合励磁电机　　无刷永磁电机具有高能量密度、体积小、质量轻和效率高等优点，在电动汽车中具有极好的应用前景，已应用于国内外多种电动车辆。但其永磁磁链无法调节的缺点在恒定供电电压下会带来弱磁控制问题：车辆动力性能要求电机