电动汽车的IGBT功率模块累计损伤度计算方法技术

本发明专利技术一种电动汽车的IGBT功率模块累积损伤度计算方法，涉及专门适用于特定应用的数字计算的方法，是基于改进Manson模型的电动汽车IGBT功率模块累积损伤度计算方法，步骤是：获取电动汽车的基本参数和行驶状况、永磁同步电机以及IGBT功率模块的参数；获得IGBT功率模块的结温

【技术实现步骤摘要】
电动汽车的IGBT功率模块累计损伤度计算方法


[0001]本专利技术的技术方案涉及专门适用于电动汽车领域，具体地说是一种电动汽车的IGBT功率模块累积损伤度计算方法。

技术介绍

[0002]随着全球的人口增长和能源需求的不断扩大，单纯依赖化石能源发展的经济模式日渐难以为继，清洁能源的发展与高效利用已成为当今社会发展的主题。作为发展、利用清洁能源的高效途径，新能源发电、智能电网、电动汽车的加快发展意义重大。此领域内的光伏发电、高压输电和电动汽车等尤为热门。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车有低污染、低噪音、低能耗、高效率、易保养、使用范围广等诸多优点，因此，为了提高能源利用率、实现绿色生活和落实全球可持续发展战略，电动汽车正在得到大力发展。
[0003]电动汽车是通过蓄电池的能量使电机驱动系统驱使车轮前进。逆变器作为纯电动汽车驱动系统中的核心部件之一，其可靠性和运行寿命极大影响纯电动汽车整车的正常工作。随着纯电动汽车技术的发展及市场需求的日益增长，功率半导体器件尤其是IGBT功率模块逐渐被广泛应用于纯电动汽车的逆变器。准确获得纯电动汽车IGBT模块损伤度有利于电动汽车的合理设计和日常维护，也是提高整车耐用性的重要因素。IGBT模块的结温直接影响模块的正常工作，结温的升高或波动均会使IGBT功率模块产生不可逆转的永久性疲劳损伤。随着疲劳损伤的逐步累积，IGBT功率模块朝着失效的方向不断发展。因此，准确计算出IGBT功率模块的损伤度对设备的合理设计与计划更换IGBT模块的时间安排具有重要的帮助作用。
[0004]目前国内外应用于IGBT功率模块在复杂工况下的损伤度计算方法可以总结为如下步骤：首先获得给定任务周期曲线下IGBT功率模块的结温
‑
时间曲线数据，然后使用雨流计数法对结温
‑
时间曲线进行处理，得到结温载荷谱，最后根据线性疲劳累积损伤理论，计算出给定任务周期下的疲劳累积损伤度。线性疲劳累积损伤理论对IGBT功率模块的疲劳机理进行了较大程度的简化，认为不同温度载荷水平下的疲劳损伤是独立进行的，所有载荷水平下的损伤可以线性累加，当疲劳损伤累积到一定数值后，IGBT功率模块失效。应用线性疲劳累积损伤理论的损伤度计算方法计算方便，易于在实际工程中实现操作。
[0005]在疲劳累积损伤计算过程中，线性疲劳累积损伤理论并未对不同载荷之间的相互影响进行考虑，且缺少对其他疲劳机理的考虑，此种方法得出的损伤度要小于实际的损伤度，IGBT功率模块疲劳累积损伤度的准确率欠佳。如若要提高变幅载荷任务周期下损伤度计算的准确度，则需考虑使用非线性疲劳累积损伤理论，把相邻温度载荷的相互作用考虑进来，把相关因素纳入到损伤度计算模型中来。这种非线性疲劳累计损伤方法计算IGBT功率模块疲劳累积损伤度的研究还不够充分。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种电动汽车的IGBT功率模块累积损伤度计算方法，在随机变幅载荷情况下，对IGBT功率模块的实际损伤度进行计算，计算结果考虑了相邻载荷之间的相互影响；本方法的数学式中仅含有载荷循环的循环寿命，不需要大量实验数据拟合求取由器件(如：IGBT功率模块)的物理特性决定的参数，在实际工程中更加容易实现操作与计算；与现有方法相比，本方法不再认为各种载荷水平下的疲劳损伤是独立进行的，每个载荷循环造成的损伤度都会受到历史上已产生疲劳损伤的影响，一系列的载荷循环环环相扣，相互影响，造成的损伤度都不是独立存在的；由改进Manson模型求取多个阶段的IGBT功率模块总损伤度大于多个阶段分开计算后累加得到的总损伤度，改进Manson模型的计算结果更加符合实际工况中疲劳损伤的累积过程，弥补了现有方法总累积损伤度求解结果与实际相差较大的不足。
[0007]本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：一种电动的IGBT功率模块累积损伤度计算方法，是基于改进Manson模型的IGBT功率模块累积损伤度计算方法，其步骤如下：
[0008]步骤一，获取该纯电动汽车以及IGBT功率模块的参数；
[0009]获取该纯电动汽车的基本参数和行驶状况、永磁同步电机以及IGBT功率模块的参数，为得到IGBT功率模块在一个工作周期内的结温
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时间曲线做准备；
[0010]步骤二，获得IGBT功率模块的结温
‑
时间曲线数据，并对数据进行处理，得到结温峰谷值时序序列；
[0011]目前国内外主流的应用于复杂工况下IGBT功率模块的损伤度计算方法所需的原始数据为任务循环周期内IGBT模块的结温
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时间曲线，对结温
‑
时间曲线进行预处理，得到结温峰谷值时序序列；
[0012]步骤三，基于雨流计数法对结温峰谷值时序序列的处理，得到结温载荷谱；
[0013]将步骤二得到的结温峰谷值时序序列中提取出结温初值、结温终值以及按时间先后顺序排列的所有结温极值点，使用雨流计数法对结温峰谷值时序序列进行处理，得到结温载荷谱；
[0014]使用雨流计数法获取IGBT功率模块的结温载荷谱时，垂直放置结温峰谷值时序序列，记横坐标为应变，对应本文中的结温，竖坐标为时间；
[0015]步骤四，利用IGBT功率模块寿命模型计算其循环寿命；
[0016]目前最为常用的IGBT功率模块寿命模型是LESIT模型，使用LESIT模型可以计算出恒幅载荷下IGBT功率模块的循环寿命，该模型认为IGBT模块的疲劳损伤主要由结温的均值及其波动幅值决定，一个结温波动周期(载荷循环)对应一对结温波动幅值和结温周期均值，LESIT模型可以由此计算出IGBT模块以该结温波动周期持续工作直到失效时的总循环次数。该模型的解析表达式如下：
[0017][0018]其中，N
f
为IGBT模块的循环寿命，即在恒幅温度载荷下运行到失效的总循环次数；A为与器件的运行特性、物理状态等相关的正常数；ΔT
j
为结温波动幅值；T
m
为结温周期均值；α为待拟合参数，由模块寿命数据拟合得到；Q为与材料相关的激活能；R为玻尔兹曼常数；取A＝640，α＝
‑
5，R＝8.314J
·
mol
‑1·
K
‑1，Q＝7.8
×
104J
·
mol
‑1；
[0019]步骤五，改进Manson模型计算随机变幅载荷下的IGBT功率模块累计损伤度；
[0020]为了更加全面地体现疲劳累积发生的物理过程，使用改进Manson模型计算随机变幅载荷下的IGBT功率模块累计损伤度D的方法如下：
[0021](5.1)随机变幅载荷情况下，把每次载荷循环与前一次载荷循环关联进来，利用改进Manson模型计算IGBT功率模块累计损伤度D的求解公式为：
[0022][0023]其中，的数量级；
[0024](5.2)根据IGBT功率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电动汽车的IGBT功率模块累积损伤度计算方法，是基于改进Manson模型的IGBT功率模块累积损伤度计算方法，其步骤如下：步骤一，获取该纯电动汽车以及IGBT功率模块的参数；获取该纯电动汽车的基本参数和行驶状况、永磁同步电机以及IGBT功率模块的参数，为得到IGBT功率模块在一个工作周期内的结温
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时间曲线做准备；步骤二，获得IGBT功率模块的结温
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时间曲线数据，并对数据进行处理，得到结温峰谷值时序序列；目前国内外主流的应用于复杂工况下IGBT功率模块的损伤度计算方法所需的原始数据为任务循环周期内IGBT模块的结温
‑
时间曲线，对结温
‑
时间曲线进行预处理，得到结温峰谷值时序序列；步骤三，基于雨流计数法对结温峰谷值时序序列的处理，得到结温载荷谱；将步骤二得到的结温峰谷值时序序列中提取出结温初值、结温终值以及按时间先后顺序排列的所有结温极值点，使用雨流计数法对结温峰谷值时序序列进行处理，得到结温载荷谱；使用雨流计数法获取IGBT功率模块的结温载荷谱时，垂直放置结温峰谷值时序序列，记横坐标为应变，对应本文中的结温，竖坐标为时间；步骤四，利用IGBT功率模块寿命模型计算其循环寿命；目前最为常用的IGBT功率模块寿命模型是LESIT模型，使用LESIT模型可以计算出恒幅载荷下IGBT功率模块的循环寿命，该模型认为IGBT模块的疲劳损伤主要由结温的均值及其波动幅值决定，一个结温波动周期(载荷循环)对应一对结温波动幅值和结温周期均值，LESIT模型可以由此计算出IGBT模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玲玲，刘佳琪，刘向向，李忠涛，周超，刘伯颖，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：