本發(fā)明屬于電力電子器件可靠性技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

電動(dòng)汽車(chē)作為一種無(wú)尾氣污染、低噪聲的綠色車(chē)輛，具有很好的發(fā)展前景，已成為新能源汽車(chē)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊的可靠性和壽命問(wèn)題也引起了越來(lái)越多的關(guān)注。IGBT模塊壽命問(wèn)題的根源在于熱應(yīng)力引起的材料形變。在IGBT模塊工作或放置過(guò)程中，器件損耗和環(huán)境溫度變化會(huì)引起IGBT模塊溫度變化。不同層材料的熱膨脹系數(shù)不同，IGBT模塊的溫度波動(dòng)會(huì)使其各層受到不同程度的拉伸和壓縮應(yīng)力，如此往復(fù)，最終導(dǎo)致IGBT模塊焊料層、鍵合引線或端子焊點(diǎn)斷裂失效，導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法正常運(yùn)行。影響IGBT模塊可靠性的主要因素包括電氣負(fù)荷和環(huán)境條件(溫度、濕度、宇宙射線、機(jī)械震動(dòng))等。而電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行情況復(fù)雜，且IGBT模塊的實(shí)際工作環(huán)境和負(fù)載情況千差萬(wàn)別，因此基于工況的電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊可靠性和壽命的研究對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊的選型、整車(chē)參數(shù)設(shè)計(jì)等有重要價(jià)值。

目前，針對(duì)IGBT模塊的壽命預(yù)測(cè)方面，人們?cè)诓粩嗟剡M(jìn)行研究，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201410393391.8的中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種功率IGBT模塊的壽命預(yù)測(cè)方法，該方法是將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)溫溫度離散有序數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到連續(xù)函數(shù)，再經(jīng)傅里葉變換為正弦量，按電路解析方法，預(yù)測(cè)出IGBT模塊的剩余壽命，由于該方法在檢測(cè)時(shí)需要破壞封裝材料，其實(shí)施難度高，而且實(shí)時(shí)檢測(cè)精度并不能保證，因此數(shù)據(jù)處理模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際有一定偏差，精度有待提高。

綜上，目前還沒(méi)有一類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)模型，可以將電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行情況與IGBT模塊的工作狀態(tài)建立直接的聯(lián)系，都是需要直接測(cè)量IGBT模塊的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中IGBT模塊的損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測(cè)并不適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有設(shè)計(jì)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、精度高且使用方便的電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測(cè)方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1、設(shè)定整車(chē)參數(shù)、IGBT模塊相關(guān)參數(shù)、路面滾動(dòng)摩擦系數(shù)和風(fēng)阻系數(shù)；

步驟2、擬合速度-結(jié)溫均值關(guān)系曲線和速度-結(jié)溫波動(dòng)幅值關(guān)系曲線；

步驟3、在電動(dòng)汽車(chē)上安裝速度實(shí)時(shí)記錄儀和鉛錘擺裝置，通過(guò)速度實(shí)時(shí)記錄儀獲取電動(dòng)汽車(chē)行駛速度-時(shí)間數(shù)據(jù)，通過(guò)鉛錘擺裝置獲取路面坡度數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；

步驟4、在電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)，判定車(chē)輛行駛速度變化情況及爬坡?tīng)顩r，當(dāng)檢測(cè)到汽車(chē)勻速平路行駛一段時(shí)間后，按模式一計(jì)算IGBT模塊累積損傷度D₁；當(dāng)檢測(cè)到汽車(chē)非勻速平路行駛時(shí)，按模式二計(jì)算IGBT模塊累積損傷度D₂，當(dāng)汽車(chē)停止行駛后，得到整個(gè)行駛過(guò)程的IGBT模塊總累積損傷度D＝D₁+D₂；

步驟5、根據(jù)IGBT模塊累積損傷度，預(yù)測(cè)IGBT模塊的壽命時(shí)間和壽命里程。

所述的整車(chē)參數(shù)包括整車(chē)質(zhì)量、車(chē)輪半徑、減速比、逆變器開(kāi)關(guān)頻率和迎風(fēng)面積，上述從數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到；所述的IGBT模塊相關(guān)參數(shù)包括IGBT損耗模型參數(shù)、IGBT熱模型參數(shù)、IGBT壽命模型參數(shù)，上述參數(shù)從數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到；所述的路面滾動(dòng)摩擦系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。

所述步驟2的具體實(shí)現(xiàn)方法為：通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定IGBT模塊在模擬電動(dòng)汽車(chē)勻速行駛狀態(tài)下的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)定不同速度下的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，提取出對(duì)應(yīng)速度下的結(jié)溫均值和結(jié)溫波動(dòng)幅值均值，最后擬合得到速度-結(jié)溫均值關(guān)系曲線和速度-結(jié)溫波動(dòng)幅值關(guān)系曲線。

所述步驟4的按模式一計(jì)算IGBT模塊累積損傷度D₁的方法為：

當(dāng)檢測(cè)到汽車(chē)在路面坡度0＜α≤0.5°的路面勻速行駛5秒后,采用近似法獲取IGBT模塊結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，然后計(jì)算勻速平路行駛階段IGBT模塊累積損傷度D₁，此時(shí)結(jié)溫波動(dòng)周期等于輸出周期；

根據(jù)速度-結(jié)溫均值關(guān)系曲線和速度-結(jié)溫波動(dòng)幅值關(guān)系曲線，在已知速度為v₀時(shí)，確定對(duì)應(yīng)結(jié)溫均值T_m和結(jié)溫波動(dòng)幅值ΔT，然后計(jì)算單個(gè)結(jié)溫波動(dòng)周期內(nèi)IGBT模塊的損傷度D₀，計(jì)算公式如下：

上式中，D₀為IGBT模塊單次結(jié)溫循環(huán)損傷度，N_f為IGBT模塊循環(huán)次數(shù)，ΔT為結(jié)溫波動(dòng)幅值，T_m為結(jié)溫均值，A為與器件特性、幾何形狀相關(guān)的正常數(shù)，Q為與材料相關(guān)的激活能，R為玻爾茲曼常數(shù)，A、Q、R值均通過(guò)查閱資料得到，β數(shù)值從實(shí)驗(yàn)中擬合得到，通常取5～6；

電動(dòng)汽車(chē)以速度v₀在平路上勻速行駛階段累積損傷度D₁計(jì)算公式如下：

上式中，t₁為電動(dòng)汽車(chē)勻速行駛時(shí)間，T_out為IGBT模塊輸出周期。

所述步驟4按模式二計(jì)算累積損傷度D₂的方法為：當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)處于加速或減速或者爬坡?tīng)顟B(tài)時(shí)，根據(jù)速度和路面坡度數(shù)據(jù)用公式法精確計(jì)算結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，再用改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法實(shí)時(shí)處理結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，并由此計(jì)算非勻速平路行駛階段IGBT模塊累積損傷度D₂，具體計(jì)算步驟如下：

⑴計(jì)算給定工況下的永磁同步電機(jī)PMSM電角速度和所需電磁轉(zhuǎn)矩：

根據(jù)行駛速度和路面坡度值計(jì)算給定工況下的PMSM電角速度和所需電磁轉(zhuǎn)矩，速度和坡度數(shù)據(jù)均按照IGBT開(kāi)關(guān)周期值取值，計(jì)算公式如下：

永磁同步電機(jī)PMSM轉(zhuǎn)子電角速度為：

上式中，ν為電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行速度，r_wheel為車(chē)輪半徑，k為電動(dòng)機(jī)對(duì)車(chē)輪的減速比；

驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上的所需電磁轉(zhuǎn)矩為：

上式中，F(xiàn)_wheel為車(chē)輪提供的驅(qū)動(dòng)力，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，m為整車(chē)質(zhì)量，α為路面坡度，C_roll和C_d分別為滾動(dòng)摩擦系數(shù)和風(fēng)阻系數(shù)，A_d為迎風(fēng)面積，g為重力加速度取9.8N/kg；在不考慮回饋制動(dòng)及反向驅(qū)動(dòng)制動(dòng)的情況下，F(xiàn)_wheel只能為正，在電動(dòng)汽車(chē)減速過(guò)程中，當(dāng)所需加速度絕對(duì)值大于時(shí)，需要踩制動(dòng)踏板，該情況下F_wheel＝0；

⑵計(jì)算IGBT模塊損耗功率，獲取IGBT模塊結(jié)溫-時(shí)間數(shù)據(jù)：

根據(jù)角速度和電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算IGBT模塊損耗功率，設(shè)定電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為SVPWM調(diào)制、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制永磁同步電機(jī)PMSM，計(jì)算公式如下：

逆變器相電流幅值和定子電流交軸分量為：

上式中，n_p為極對(duì)數(shù)，Ψ_f為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；

A相上管IGBT的導(dǎo)通電流為

上式中，θ_dA為ω對(duì)時(shí)間的積分；

定子電壓矢量為

其中：u_d＝-ωL_qi_q、u_q＝R_si_q+L_qpi_q+ωψ_f

功率因數(shù)角為

上述公式中，u_d為定子電壓直軸分量，u_q為定子電壓交軸分量，L_q為PMSM的交軸電感，R_s為一相定子繞組的電阻，p為微分算子，θ_iA為與A軸之間的電角度；

單個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的IGBT開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算公式為

上述公式中，E_{on_nom}與E_{off_nom}分別為IGBT特定測(cè)試條件下的開(kāi)通能耗與關(guān)斷能耗；V_nom和I_nom分別為IGBT模塊測(cè)試條件電壓和電流值；K_on、K_off分別為開(kāi)通損耗溫度系數(shù)和關(guān)斷損耗溫度系數(shù)，T_j1，T_j2為兩種測(cè)試條件的溫度，E_on1、E_on2為兩種測(cè)試溫度對(duì)應(yīng)的開(kāi)通損耗，E_off1、E_off2為兩種測(cè)試溫度對(duì)應(yīng)的關(guān)斷損耗；以上參數(shù)均可從IGBT器件手冊(cè)直接獲取；V_DC為逆變器直流側(cè)電壓；

開(kāi)關(guān)周期的平均開(kāi)關(guān)功率損耗為

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通功率損耗計(jì)算公式為：

P_con(V_CE,I_CE,D)＝V_CE·I_CE·D

上述公式中，V_CE為IGBT的導(dǎo)通壓降，D為該開(kāi)關(guān)周期內(nèi)IGBT的占空比，M為SVPWM的調(diào)制度，U_DC為電動(dòng)汽車(chē)蓄電池電壓；

采用輸出特性的線性近似形式來(lái)表示V_CE與I_CE的關(guān)系時(shí)有

V_CE＝I_CE·r₀+V_CE0

V_CE0(T_j)＝V_CE0(T_nom)+K_Tj(T_j-T_nom)

r_C0(T_j)＝r_C0(T_nom)+K_Tj(T_j-T_nom)

上述公式中，r_co為IGBT的等效導(dǎo)通電阻，V_CE0為初始導(dǎo)通壓降；

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的IGBT平均損耗功率P_I為

P_I＝P_on(V_DC,I_CE,T_j)+P_off(V_DC,I_CE,T_j)+P_con(V_CE,I_CE,D)

基于集總參數(shù)法的Foster熱網(wǎng)絡(luò)是對(duì)IGBT模塊的實(shí)際傳熱過(guò)程的集中等效，其中Z_{th,jc_I}為IGBT結(jié)到殼之間的等效熱阻抗，Z_th,ch為殼到散熱器之間的等效熱阻抗，Z_th,ha為散熱器到環(huán)境之間的等效熱阻抗；T_a代表環(huán)境溫度，從而得到IGBT結(jié)溫-時(shí)間數(shù)據(jù)；

⑶采用改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法實(shí)時(shí)處理結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，并由此計(jì)算IGBT模塊累積損傷度D₂。

所述步驟⑶的具體計(jì)算方法如下：

①初始設(shè)定實(shí)數(shù)N的值，定義實(shí)數(shù)k初始值為1；定義L為判定內(nèi)循環(huán)是否結(jié)束的界限值；定義數(shù)組Q為結(jié)溫波動(dòng)周期幅值與均值數(shù)據(jù)數(shù)組Q＝{ΔT_i,T_mi|i＝1,2,3...}；定義數(shù)組Z，P，R為臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)組；定義數(shù)組Y為對(duì)接處理后另一臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)組，初始Y為空集；

②判定汽車(chē)是否仍處于運(yùn)行狀態(tài)，如果仍處于運(yùn)行狀態(tài)則進(jìn)入步驟(3)，否則進(jìn)入步驟⑤；

③對(duì)結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行峰谷值檢測(cè)，將讀取到的峰谷值按時(shí)間順序依次存入峰谷值數(shù)組X＝{x₁,x₂······x_n}中；判定n是否大于等于N，如果大于等于則進(jìn)入步驟(4)，否則返回步驟②；

④將數(shù)組{Y,x₁,x₂······x_N}賦值于待計(jì)數(shù)數(shù)組P，并將數(shù)組X的前N項(xiàng)刪除，令L＝N+length(Y)；使用結(jié)溫周期提取方法處理數(shù)組P，完成后得到數(shù)組Y，并返回步驟②；

⑤將數(shù)組{Y，X}賦值于數(shù)組R，且L＝length(R)；用結(jié)溫周期提取方法處理數(shù)組R，完成后得到數(shù)組Y，進(jìn)入步驟⑥；

⑥令L＝length(Y)；對(duì)數(shù)組Y中數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)溫周期提取，結(jié)束后進(jìn)入下一步；

⑦輸出非勻速平坦路面行駛的累積損傷度D₂。

所述結(jié)溫周期提取方法包括以下步驟：

(a)令實(shí)數(shù)i＝1，j＝1；待處理數(shù)組為P；

(b)進(jìn)入內(nèi)循環(huán)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從數(shù)組P中第一個(gè)數(shù)開(kāi)始，判斷三個(gè)連續(xù)數(shù)值的大小關(guān)系，判定標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)|P(i+2)-P(i+1)|＞|P(i+1)-P(i)|時(shí)，取波動(dòng)幅值為ΔT＝|P(i+1)-P(i)|均值據(jù)此計(jì)算累積損傷度D₂，并且i增加2；否則，將P(i)按順序存入數(shù)組Z中，并且i增加1；i增加后，重新進(jìn)入判定過(guò)程，比較三個(gè)連續(xù)數(shù)值的大小關(guān)系，直至i＝L-2后跳出內(nèi)循環(huán)，進(jìn)入下一步；

(c)判定若i＝L，則進(jìn)入下一步；否則要將P(L-1)、P(L)存入數(shù)組Z中，再進(jìn)入下一步；

(d)對(duì)Z中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接處理得到數(shù)組Y，對(duì)接處理過(guò)程為：首先對(duì)數(shù)組Z中首尾數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍處理，然后找出Z中最大值，將最大值右邊數(shù)據(jù)向左平移，實(shí)現(xiàn)最后一個(gè)數(shù)值與首個(gè)數(shù)值相鄰，重新組成新的數(shù)組Y；

上述步驟(b)中累積損傷度D₂計(jì)算公式如下：

所述步驟5的IGBT模塊的壽命時(shí)間t_life和壽命里程l_life按下述公式計(jì)算得到

上式中，t_used為電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)使用的時(shí)間；l_used為電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)行駛的里程，D為整個(gè)行駛過(guò)程的總累積損傷度。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

1、本發(fā)明在已知電動(dòng)汽車(chē)的行駛速度、行駛路面坡度數(shù)據(jù)以及給定整車(chē)參數(shù)、行駛參數(shù)及IGBT模塊相關(guān)參數(shù)的前提下，計(jì)算出IGBT模塊的累積損傷度，并以此預(yù)測(cè)IGBT模塊的剩余壽命；本方法無(wú)需設(shè)計(jì)特定實(shí)驗(yàn)裝置去測(cè)定IGBT模塊的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，例如結(jié)溫溫度等，可在電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行情況與IGBT模塊的工作狀態(tài)之間建立直接的聯(lián)系，直接計(jì)算出IGBT模塊的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，并由此計(jì)算IGBT模塊累積損傷度，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足；并可用于環(huán)境溫度、路面坡度、行駛加速度等因素對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊使用壽命的影響，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

2、本發(fā)明充分考慮了結(jié)溫這一影響IGBT模塊壽命的最直接最重要的因素，在所述電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)模型中，建立了電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行速度、路面坡度數(shù)據(jù)與IGBT結(jié)溫之間的直接定量關(guān)系，可直接根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算得出IGBT結(jié)溫狀況，進(jìn)而得到IGBT模塊損傷度；本發(fā)明與需要破壞IGBT封裝材料實(shí)施實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)溫的方法相比，更加直觀方便，數(shù)據(jù)更易獲取。

3、由于在電動(dòng)汽車(chē)勻速平路行駛時(shí)，其IGBT模塊結(jié)溫波動(dòng)很小，結(jié)溫基本保持在一固定值上下，而當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)加速、減速或爬坡時(shí)其結(jié)溫波動(dòng)幅度很大，相應(yīng)的造成的IGBT模塊損傷也更大，因此，本發(fā)明通過(guò)在電動(dòng)汽車(chē)上安裝速度實(shí)時(shí)記錄儀和鉛錘擺裝置，獲取行駛速度-時(shí)間數(shù)據(jù)及行駛路面坡度數(shù)據(jù)后，判定電動(dòng)汽車(chē)是否在勻速平路狀態(tài)行駛，將結(jié)溫及損傷度計(jì)算分為模式一和模式二，采用不同的方法計(jì)算勻速平路行駛和非勻速平路行駛狀態(tài)下的結(jié)溫和損傷度。在模式一中，根據(jù)速度-結(jié)溫均值關(guān)系曲線和速度-結(jié)溫波動(dòng)幅值關(guān)系曲線，在已知?jiǎng)蛩傩旭偹俣戎档那疤嵯麓_定結(jié)溫均值和結(jié)溫波動(dòng)幅值的方法，極大的減少了計(jì)算量，同時(shí)也保證了精度。

4、本發(fā)明在模式二中，對(duì)結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)的處理采用了改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法實(shí)時(shí)處理，在傳統(tǒng)雨流計(jì)數(shù)法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合“三峰谷計(jì)數(shù)法”采用分段式雙循環(huán)法統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，不僅減小了計(jì)算量，而且還保證了計(jì)算精度與傳統(tǒng)封閉式計(jì)數(shù)方法相同，這樣無(wú)需等待電動(dòng)汽車(chē)完全停止行駛后才開(kāi)始計(jì)算累積損傷度，而是在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中就可以開(kāi)始計(jì)算累積損傷度。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)停止時(shí)可以在極短時(shí)間內(nèi)輸出累積損傷度值和壽命預(yù)測(cè)值，本發(fā)明采用分段式雙循環(huán)法與傳統(tǒng)雨流計(jì)數(shù)法停止運(yùn)行后再開(kāi)始統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)的特點(diǎn)相比，減少了停止運(yùn)行后再開(kāi)始計(jì)算的等待時(shí)間。

5、本發(fā)明計(jì)算IGBT模塊的累積損傷度具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，電動(dòng)汽車(chē)每次行駛過(guò)后IGBT模塊的累積損傷度就會(huì)隨之更新，IGBT模塊剩余壽命的預(yù)測(cè)值也會(huì)更新，這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)使用壽命的評(píng)估具有重要意義，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊的選型、整車(chē)參數(shù)設(shè)計(jì)等也有重要實(shí)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的處理流程圖；

圖2是Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型；

圖3是改進(jìn)的雨流計(jì)數(shù)法流程圖；

圖4是本實(shí)施例的速度-結(jié)溫均值關(guān)系曲線；

圖5是本實(shí)施例的速度-結(jié)溫波動(dòng)幅值關(guān)系曲線；

圖6是本實(shí)施例的速度-時(shí)間數(shù)據(jù)曲線和坡度-時(shí)間數(shù)據(jù)曲線；

圖7是本實(shí)施例中的IGBT模塊損耗功率波形圖；

圖8是本實(shí)施例中的IGBT模塊結(jié)溫波形圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述：

一種電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測(cè)方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1、設(shè)定整車(chē)參數(shù)、IGBT模塊相關(guān)參數(shù)(IGBT損耗模型參數(shù)、IGBT熱模型參數(shù)、IGBT壽命模型參數(shù))以及路面滾動(dòng)摩擦系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù)。

在本實(shí)施例中，整車(chē)參數(shù)中：整車(chē)質(zhì)量m為1420Kg，車(chē)輪半徑r為0.2888m，減速比k為4，逆變器開(kāi)關(guān)頻率f_sw為10kHz，迎風(fēng)面積A_d為2.8m²，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ為1.05，PMSM極對(duì)數(shù)n_p為4，轉(zhuǎn)子磁鏈Ψ_f為0.1Wb。

IGBT損耗模型參數(shù)中：IGBT額定條件下的開(kāi)通能耗與關(guān)斷能耗E_{sw_on}與E_{sw_off}分別為0.0203J和0.0601J，逆變器直流側(cè)電壓V_DC為330V；IGBT模塊測(cè)試條件電壓和相電流幅值V_nom和I_nom分別為600V和600A，SVPWM調(diào)制度M為1，IGBT導(dǎo)通壓降V_co為0.98V，功率因數(shù)角為0.1415，IGBT導(dǎo)通電阻R_co為1.18×10^-3Ω。

IGBT熱模型參數(shù)中：IGBT結(jié)到殼之間的等效熱阻抗為Z_{th,jc_I}為0.25+j0.4632Ω，殼到散熱器之間的等效熱阻抗Z_th,ch為0.084+j0.2Ω，散熱器到環(huán)境之間的等效熱阻抗Z_th,ha為0.216+j64.81Ω；環(huán)境溫度(冷卻液溫度)T_a為60℃。

IGBT壽命模型參數(shù)中：與器件特性、幾何形狀等相關(guān)的正常數(shù)A為640，與材料相關(guān)的激活能Q為7.84×10⁴J/mol，玻爾茲曼常數(shù)R為8.314J·mol^-1·K^-1，待擬合參數(shù)β為-5。

路面滾動(dòng)摩擦系數(shù)C_roll為0.010、風(fēng)阻系數(shù)C_d為0.4。

步驟2、擬合速度-結(jié)溫均值關(guān)系曲線和速度-結(jié)溫波動(dòng)幅值關(guān)系曲線。

因?qū)嶒?yàn)條件有限，本實(shí)施例中通過(guò)仿真得到該使用型號(hào)的IGBT模塊在電動(dòng)汽車(chē)勻速行駛狀態(tài)下的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)獲取不同速度下的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，提取出了對(duì)應(yīng)速度下的結(jié)溫均值和結(jié)溫波動(dòng)幅值均值，然后擬合得到速度-結(jié)溫均值關(guān)系曲線和速度-結(jié)溫波動(dòng)幅值關(guān)系曲線，如圖4和圖5所示，速度范圍在0-110km/h之內(nèi)。

步驟3、獲取速度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和路面坡度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

在電動(dòng)汽車(chē)上安裝速度實(shí)時(shí)記錄儀和鉛錘擺裝置，通過(guò)速度實(shí)時(shí)記錄儀獲取電動(dòng)汽車(chē)行駛速度-時(shí)間數(shù)據(jù)，即v-t曲線，通過(guò)鉛錘擺裝置獲取路面坡度數(shù)據(jù)(上坡為正，下坡為負(fù))，即坡度角α-t曲線，如圖6所示，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

步驟4、在電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)，判定車(chē)輛行駛速度變化情況及爬坡?tīng)顩r，當(dāng)檢測(cè)到汽車(chē)勻速平路行駛一段時(shí)間后，按模式一計(jì)算IGBT模塊累積損傷度D₁；當(dāng)檢測(cè)到汽車(chē)非勻速平路行駛時(shí)，按模式二計(jì)算IGBT模塊累積損傷度D₂，當(dāng)汽車(chē)停止行駛后，得到整個(gè)行駛過(guò)程的IGBT模塊總累積損傷度D＝D₁+D₂。

按模式一計(jì)算IGBT模塊累積損傷度D₁的方法為：

當(dāng)檢測(cè)到汽車(chē)勻速行駛5秒，且路面坡度0＜α≤0.5°，采用近似法獲取IGBT模塊結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，然后計(jì)算勻速平路行駛階段IGBT模塊累積損傷度D₁，此時(shí)結(jié)溫波動(dòng)周期等于輸出周期。電動(dòng)汽車(chē)以速度v₀在平路上勻速行駛階段累積損傷度D₁計(jì)算公式如下：

上式中，t₁為電動(dòng)汽車(chē)勻速行駛時(shí)間，T_out為IGBT模塊輸出周期。

按模式二計(jì)算累積損傷度D₂的方法為：當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)處于加速或減速或者爬坡?tīng)顟B(tài)時(shí)，根據(jù)速度和路面坡度數(shù)據(jù)用公式法精確計(jì)算結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，再用改進(jìn)雨流計(jì)數(shù)法實(shí)時(shí)處理結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，并由此計(jì)算非勻速平路行駛階段IGBT模塊累積損傷度D₂，D₂計(jì)算公式如下：

在模式二計(jì)算累積損傷度的過(guò)程中，涉及到Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示，改進(jìn)的雨流計(jì)數(shù)法流程圖如圖3所示。

本實(shí)施例中的行駛過(guò)程共有7個(gè)階段，具體劃分如表1(電動(dòng)汽車(chē)行駛階段劃分表)所示；其中階段1、3、4、5、7屬于非勻速平路行駛，按模式二計(jì)算累積損傷度D₂，最終程序輸出D₂＝5.5589×10^-6；階段2和階段6屬于勻速平路行駛，需按模式一計(jì)算累積損傷度D₁，最終程序輸出D₁＝3.8653×10^-10；最終整個(gè)行駛過(guò)程的總累積損傷度D＝5.5593×10^-6。

表1電動(dòng)汽車(chē)行駛階段劃分表

在模式二的計(jì)算過(guò)程中，IGBT模塊損耗功率的具體計(jì)算公式如發(fā)明內(nèi)容中所述，實(shí)際計(jì)算過(guò)程在MATLAB中實(shí)現(xiàn)，損耗功率計(jì)算結(jié)果如圖7所示。再根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)模型得到IGBT模塊結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，考慮到IGBT模塊在電動(dòng)汽車(chē)中所處結(jié)構(gòu)，近似認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中IGBT模塊所處環(huán)境溫度(即冷卻液溫度)不變，設(shè)定為恒定值60℃，具體參數(shù)設(shè)定如步驟2中所設(shè)定，結(jié)溫計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

步驟5、根據(jù)IGBT模塊累積損傷度，預(yù)測(cè)IGBT模塊的壽命時(shí)間和壽命里程。

本實(shí)施例設(shè)定的運(yùn)行過(guò)程總時(shí)間為120s，行駛總里程為1.25km，所以預(yù)測(cè)IGBT模塊壽命時(shí)間壽命里程

如步驟5中數(shù)據(jù)所示，本發(fā)明搭建的一種電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測(cè)方法能夠方便預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊壽命。還可以從實(shí)施例中IGBT損耗功率和結(jié)溫波形即圖7和圖8中看出，在電動(dòng)汽車(chē)加速過(guò)程中IGBT損耗功率較大，結(jié)溫均值和波動(dòng)幅值均較高，行駛過(guò)程中加速度的大小及時(shí)間是影響IGBT壽命的重要因素。

另外，除本實(shí)施例所做分析之外，該模型還可用于環(huán)境溫度，路面坡度，行駛加速度等因素對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊使用壽命的影響，也可對(duì)其他任意運(yùn)行工況及車(chē)輛參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而預(yù)測(cè)相應(yīng)參數(shù)下的IGBT模塊壽命，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。