技術(shù)特征：

1.一種電動汽車用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、設(shè)定整車參數(shù)、IGBT模塊相關(guān)參數(shù)、路面滾動摩擦系數(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)溫波動幅值關(guān)系曲線；

步驟3、在電動汽車上安裝速度實(shí)時(shí)記錄儀和鉛錘擺裝置，通過速度實(shí)時(shí)記錄儀獲取電動汽車行駛速度-時(shí)間數(shù)據(jù)，通過鉛錘擺裝置獲取路面坡度數(shù)據(jù)，并存儲到數(shù)據(jù)存儲器；

步驟4、在電動汽車行駛時(shí)，判定車輛行駛速度變化情況及爬坡狀況，當(dāng)檢測到汽車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)檢測到汽車非勻速平路行駛時(shí)，按模式二計(jì)算IGBT模塊累積損傷度D₂，當(dāng)汽車停止行駛后，得到整個(gè)行駛過程的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IGBT模塊的壽命時(shí)間和壽命里程。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動汽車用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測方法，其特征在于：所述的整車參數(shù)包括整車質(zhì)量、車輪半徑、減速比、逆變器開關(guān)頻率和迎風(fēng)面積，上述從數(shù)據(jù)手冊中查到；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)手冊中查到；所述的路面滾動摩擦系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動汽車用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測方法，其特征在于：所述步驟2的具體實(shí)現(xiàn)方法為：通過實(shí)驗(yàn)測定IGBT模塊在模擬電動汽車勻速行駛狀態(tài)下的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，通過測定不同速度下的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，提取出對應(yīng)速度下的結(jié)溫均值和結(jié)溫波動幅值均值，最后擬合得到速度-結(jié)溫均值關(guān)系曲線和速度-結(jié)溫波動幅值關(guān)系曲線。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動汽車用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測方法，其特征在于：所述步驟4按模式一計(jì)算IGBT模塊累積損傷度D₁的方法為：

當(dāng)檢測到汽車在路面坡度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)溫波動幅值關(guān)系曲線，在已知速度為v₀時(shí)，確定對應(yīng)結(jié)溫均值T_m和結(jié)溫波動幅值ΔT，然后計(jì)算單個(gè)結(jié)溫波動周期內(nèi)IGBT模塊的損傷度D₀，計(jì)算公式如下：

$D_0=1/N_f=1/\[A\·{\mathrm{\ΔT}}^{\mathrm{\β}}\·\exp \left(\frac{Q}{R\·T_m}\right)\]$

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；

電動汽車以速度v₀在平路上勻速行駛階段累積損傷度D₁計(jì)算公式如下：

$D_1=D_0\×\frac{t_1}{T_{out}}=D_0\×\frac{t_1\×\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}$

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

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動汽車用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測方法，其特征在于：所述步驟4按模式二計(jì)算累積損傷度D₂的方法為：當(dāng)電動汽車處于加速或減速或者爬坡狀態(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：

$\mathrm{\ω}=\frac{v\·n_p}{3.6\·r_{wheel}}\·k$

上式中，ν為電動汽車運(yùn)行速度，r_wheel為車輪半徑，k為電動機(jī)對車輪的減速比；

驅(qū)動電機(jī)軸上的所需電磁轉(zhuǎn)矩為：

$T_e=\frac{F_{wheel}\·r_{wheel}}{k}$

$F_{wheel}=(m\·g\·cos\mathrm{\α}\·C_{roll}+\frac{v^2\·A_d\·C_d}{21.15}+m\·g\·sin\mathrm{\α})+\mathrm{\δ}\·m\·\frac{dv}{dt}$

上式中，F(xiàn)_wheel為車輪提供的驅(qū)動力，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，m為整車質(zhì)量，α為路面坡度，C_roll和C_d分別為滾動摩擦系數(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；在不考慮回饋制動及反向驅(qū)動制動的情況下，F(xiàn)_wheel只能為正，在電動汽車減速過程中，當(dāng)所需加速度絕對值大于時(shí)，需要踩制動踏板，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)定電動汽車驅(qū)動控制系統(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：

$I_{\mathrm{\φ}}=i_q=\frac{T_e}{1.5n_p\·{\mathrm{\Ψ}}_f}$

上式中，n_p為極對數(shù)，Ψ_f為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；

A相上管IGBT的導(dǎo)通電流為

$I_{CE}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{\φ}}cos({\mathrm{\θ}}_{dA}+\frac{\mathrm{\π}}{2}),& cos({\mathrm{\θ}}_{dA}+\frac{\mathrm{\π}}{2})\>0\\ 0,& cos({\mathrm{\θ}}_{dA}+\frac{\mathrm{\π}}{2})\≤0\end{array}\right.$

上式中，θ_dA為ω對時(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)開關(guān)周期內(nèi)的IGBT開關(guān)損耗計(jì)算公式為

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{on}(V_{DC},I_{CE},T_j)=(E_{on\_nom}+K_{on}(T_j-T_{nom}\left)\right)\frac{V_{DC}}{V_{nom}}\·\frac{I_{CE}}{I_{nom}}\\ E_{off}(V_{DC},I_{CE},T_j)=(E_{off\_nom}+K_{off}(T_j-T_{nom}\left)\right)\frac{V_{DC}}{V_{nom}}\·\frac{I_{CE}}{I_{nom}}\end{array}\right.$

$K_{on}=\frac{(E_{on1}-E_{on2})}{(T_{j1}-T_{j2})}$

$K_{off}=\frac{(E_{off1}-E_{off2})}{(T_{j1}-T_{j2})}$

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

開關(guān)周期的平均開關(guān)功率損耗為

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{on}(V_{DC},I_{CE},T_j)=\frac{E_{on}(V_{DC},I_{CE},T_j)}{T_{sw}}\\ P_{off}(V_{DC},I_{CE},T_j)=\frac{E_{off}(V_{DC},I_{CE},T_j)}{T_{sw}}\end{array}\right.$

一個(gè)開關(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

$D\left(t\right)=\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{3}M}{4}\left\{\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_{uA}-\frac{\mathrm{\π}}{6}),& 0\≤{\mathrm{\θ}}_{uA}\<\frac{\mathrm{\π}}{3}\\ \sqrt{3}{\mathrm{cos\θ}}_{uA},& \frac{\mathrm{\π}}{3}\≤{\mathrm{\θ}}_{uA}\<\frac{2\mathrm{\π}}{3}\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_{uA}+\frac{\mathrm{\π}}{6}),& \frac{2\mathrm{\π}}{3}\≤{\mathrm{\θ}}_{uA}\<\mathrm{\π}\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_{uA}-\frac{\mathrm{\π}}{6}),& \mathrm{\π}\≤{\mathrm{\θ}}_{uA}\<\frac{4\mathrm{\π}}{3}\\ \sqrt{3}{\mathrm{cos\θ}}_{uA},& \frac{4\mathrm{\π}}{3}\≤{\mathrm{\θ}}_{uA}\<\frac{5\mathrm{\π}}{3}\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_{uA}+\frac{\mathrm{\π}}{6}),& \frac{5\mathrm{\π}}{3}\≤{\mathrm{\θ}}_{uA}\≤2\mathrm{\π}\end{array}\right.$

$M=\frac{2\left|\stackrel{\→}{u_1}\right|}{U_{DC}}$

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

采用輸出特性的線性近似形式來表示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)

$K_{Tj}=\frac{(T_{j1}-T_{j2})}{(V_{CE0\_1}-V_{CE0\_2})}$

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IGBT模塊的實(shí)際傳熱過程的集中等效，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。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種電動汽車用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測方法，其特征在于：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)存儲數(shù)組；定義數(shù)組Y為對接處理后另一臨時(shí)存儲數(shù)組，初始Y為空集；

②判定汽車是否仍處于運(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對結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行峰谷值檢測，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。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種電動汽車用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測方法，其特征在于：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Z中數(shù)據(jù)進(jìn)行對接處理得到數(shù)組Y，對接處理過程為：首先對數(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：

$D_2=\underset{k=1}{\Σ}{D}_k,(k=1,2,3...)$

$D_k=1/\[A\·{{\mathrm{\ΔT}}_k}^{\mathrm{\β}}\·\exp \left(\frac{Q}{R\·T_{mk}}\right)\].$

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動汽車用IGBT模塊累積損傷度計(jì)算以及壽命預(yù)測方法，其特征在于：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

$t_{life}=t_{used}\×\frac{1}{D}$

$l_{life}=l_{used}\×\frac{1}{D}$

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