美国《2005年先进电力电子和电气机械项目年度进展报告》简介

      国能源部下属能源效率和可再生能源办公室领导的自由汽车技术项目（FreedomCAR and V宽槽型振动给煤机ehicle Technologies Program, FCVT）于2006年初发布了《2005年先进电力电子和电气机械项目年度进展报告》。
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先进电力电子和电气机械项目的研究方向是解决混和动力汽车、电池汽车等先进汽车所用的各种新型技术、成本障碍。其中关键的是碎石机设备在混和动力汽车的实际应用中，如何实现廉价的电力牵引动力系统，而这又涉及到电力电子、电气机械子系统的重量、体积和成本目标的实现。因此，先进电力电子和电气机械项目的研发领域主要包括：
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更高能量密度和更低成本的新型牵引电动机激振器设计；
分级筛 
拥有新型更高效拓扑结构和适应更高温环境的逆变流器技术震动喂料机；
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通过减FTS-190型旋转筛少零部件数量和功能集成达到减小尺寸、降低重量和成本目的的变流器；
 筛沙机械;
更高效的振动电机热控制和包装技术；
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电动机/逆变流器的集双辊机成。
物料提升机 
新发布的金属输送带这份进展报告着重讨论了2005年美国围绕以上领域所开展的技术研究以及重点成果。报告共233页，分四个部分：技术支持、热管理与系统、电气机械技术的研究和开发、电力电子技术的研究和开发。
“技术支持”两个主题
电力电子交叉分析，是所有研究项目的基础，通过确定所关注领域的潜力、筛选研发项目、确定筹资伙伴、确定潜在的研究机构进行研发、确定协议、监测研发等主要工作，促进不同研究机构不同主管部门之间的战略合作，降低电力电子和电气机械的零部件以及系统的重量、数量和成本。
 
2005年“技术支持”工作组完成了一项与碳化硅有关的交叉型研究任务：准备一份关于碳化硅电力电子技术当前工艺水平的综合研究报告，以及为利用这种新型电力电子设备材料的所有优势评估研发需求。
 
多元输入独立双向新型直流-直流变流器的开发，目标是开发一种成本低、重量轻、能量密度高的双向直流-直流变流器。这种变流器连接燃料电池车辆（FCV）的多级能量存储元件，可以优化燃料电池和板上能量存储元件，例如蓄电池和超级电容之间的能量流。
 
这种变流器的拓扑结构可以增加系统的生命周期，优化燃料电池和能量存储元件的尺寸和重量，以及提升汽车系统的动力行为和效率。而实现目标的途径在于利用磁性流量器技术以可控的方式结合不同输入能量，同时通过变压器连接蓄电池、超级电容和负载。由于这种变流器技术实际是建立在单输入软开关双向直流-直流变流器的基础之上，因此仍保留有软开关，具有设备数量最少、控制简单的优点。
 
2005年，多元输入独立双向新型直流-直流变流器的开发，主要完成了原理分析和仿真检验、实用设计方针推导、相关工具软件开发、5KW硬件原型构造和测试以及根据实验结果检验稳态能量流控制。
“热管理与系统”六个主题
“热控制”的目标是验证是否可用热控制方法将赛米控（Semikron）公司的600伏电力电子系统SKAI的逆变流器尺寸到2006年减小到50%，到2008年减小到三分之一，而其他所有性能不会降低。2005年的研究成果包括：验证了用于冷却逆变流器和电机浮圈（floating-loop）的有效性，启动薄膜电容器的新直接冷却方法研究工作，新兴两段冷却技术中期评估报告，冷却液（包括绝缘体强度）研究。
 
“零部件特性描述”的目标是测试电容器和磁体的可靠性、衰退趋势和强度是否能够满足15年的服务寿命需要。2005年完成了采用LABView，能够适应各种极端条件测试的自动化数据采集系统(DAC)的建立。
 
“竞争技术对比”的任务是对全球汽车市场上最新的非美国公司的混和电动汽车进行电、热相关技术的比较。主要执行机构是美国Oak Ridge国家实验室（ORNL）。
 
2005年主要完成了：前置发动机的测试准备、2004年丰田汽车混和电力驱动系统中期评估报告、前置发动机的恒速热测试、对前置发动机和逆变流器封装分析峰值功率与质量或容量比、前置发动机全速测试、数据采集系统提升为可将Yokogawa PZ4000功率表和众多其他来源的数据写入单一电子表格、开始前置系统性能的最后测试、所有HEV所需混合驱动系统的零部件的购置等等。
 
“喷射冷却电力电子元件”的目标是通过模拟透视探索电力电子中使用喷射冷却的前景。2005年初步了解了不同冷却循环液的性能表现，水有冻结的问题，乙二醇和水的混和物有稳定性、腐蚀性、压力等问题需要进一步克服，R-134a的可用性需要进一步研究。
 
“低热阻IGBT结构”希望能够解决三个主要问题：降低绝缘闸两极晶体管（IGBT，insulated gate bipolar transistor）和冷却剂之间的热阻，使用初始温度为105°C的冷却剂，减小热管理单元的尺寸和成本。
 
设定的解决方法主要是：用有限元分析（FEA）方法对传统IGBT结构模型和低热阻结构模型作对比，找出可以改进完善的结构，再与产业界合作进行硬件的测试和应用。这一研究项目起步于2005年，当年实现两个模型的建立，对比结果显示了64%的热阻降低，目前正在研究新型设计。此外，2005年的研究结果也表明，由于热阻的降低，使用105°C的冷却剂是可行的。
 
“汽车电力电子元件喷射冷却的应用评估”，由于现在还很难规范各种模拟参数，因此，项目重点在于观察分析试验结果，2005年初步完成了对R-134a的特性研究。
电气机械技术的研究和开发四个主题
“区域弱化和CPSR（constant power speed range）加强技术”，研究怎样通过电压控制、流量控制、电感控制、逆变流器控制和磁阻控制五种手段实现发动机系统的最佳运行。每种技术手段都在2005年实现了一些新的突破。
 
“电机研发”的目标是无刷电机的永磁铁（RIPM-BFE，reluctance interior permanent magnet with brushless field excitation），2005年开发了一种比丰田电机磁圈短30%的永磁铁。
 
“先进牵引电动机开发（RFP）”于2005年初开发了一种新型牵引电动机，经过多次修改，基本可以满足FreedomCAR的2010年目标和规范。
 
“永磁铁粉末开发”一方面要实现永磁铁材料的运行温度从120°C提升到200°C，一方面要保证性能提高的同时，成本降低。
电力电子技术的研究和开发侧重点
电力电子技术的研究和开发侧重于各种用途的变流器/逆变流器、电容器。
 
这一领域的研究对象包括公交车多级电压系统的集成直流-直流变流器、混和电动汽车和燃料电池汽车的集成逆变流器、混和电动汽车和燃料电池汽车的直流-直流变流器、混和电动汽车的高性能嵌入式金属薄膜（Film-on-Foil）电容器、高温薄膜电容器、直流总线电容器的玻璃陶瓷绝缘材料，以及宽带隙（Wide-Bandgap）半导体、燃料电池汽车Z极功率转换器、Semikron汽车集成能量模块测试。
 
这份报告中，还对每个项目的技术讨论情况、阶段研究成果和未来研究方向做了简单介绍。应该说，美国同行在研究方向、研究进度、过程控制等方面的做法和经验，值得我们国内同仁参考借鉴。