先进制造技术

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块作为电动汽车的核心功率器件，其健康状态会影响整车的可靠性，如果不能精确评估IGBT健康状态及预测其使用寿命会降低电动汽车的行车安全性。本项目旨在开发出一套适用于复杂工况下电动汽车中IGBT健康状态评估与寿命预测系统。在电动汽车中，IGBT模块的工作频率和功率密度不断提升，并且电动汽车工况波动大，复杂工况下长时间运行会导致IGBT模块内部温度产生较大波动并引起热失效问题。这些问题会严重影响IGBT的使用寿命，从而导致IGBT的工作时间无法达到其设计的使用寿命。因此，通过精确评估IGBT模块健康状态以及准确预测其寿命可以提升电动汽车的可靠性和安全性。（1）国内外研究的技术水平如下：目前，国外对于电动汽车IGBT模块研究较为深入。其主要研究内容是，根据器件在一定环境下运行的工作曲线，结合相应的寿命模型来对其进行研究分析，从而求得器件的有效使用寿命。通过对其失效机理以及结温的相关研究，常借助加速老化实验模拟器件在自然工况下的工作状态，得到器件老化或失效的相关数据，作为模块寿命预测的基础。同时，国外一些研究者从结温探测方式入手，通过结温探测方法检测IGBT模块结温，试图构建IGBT的热模型，为研究失效问题做铺垫。针对IGBT模块结温监测技术，国内许多专家学者提出采用热敏电参数法，通过测量与结温相关的电参数来间接测量结温。除此之外，有人提出了采用模拟分析的方法对复杂工况下的IGBT模块结温进行检测。对于IGBT模块结温的模拟分析方法研究主要可分为两类：有限元法和RC热网络法。为得到更有效和准确的IGBT模块寿命，国内学者提出了不同的研究方法。由于解析模型具有简单易获取的特点，因此其在工况下IGBT模块的寿命预测中得到了广泛的应用。IGBT的可靠性关乎电动汽车整体性能。在电动汽车不同工况环境下，IGBT的性状表现迥然不同。本项目研究工况下电动汽车驱动系统逆变器用功率IGBT失效机理、运行状态实时监测、结温计算、寿命预测问题。1）从键合线脱落、焊接层疲劳、硅芯片工艺等角度探索IGBT失效机理，研究失效评判标准和处理对策。2）提出一种基于表面温度等外部参数的IGBT模块运行状态逆向监测法，建立不同工况下电动汽车驱动系统逆变器用功率IGBT结温数据库。3）提出一种基于“混合改进鲸鱼算法优化支持向量机模型（HIWOA-SVM）”的IGBT结温预测新方法。4）结合结温-时间特性曲线和雨流计数法，提出一种综合方法对IGBT寿命进行预测，并研究电动汽车行驶状态对IGBT模块剩余寿命的影响（2）本项目技术的新颖性、先进性和独特性如下：（1）深入研究电动汽车驱动系统逆变器用功率IGBT模块的失效机理，并给出IGBT失效的评判标准和处理对策，提出一种基于表面温度等外部测量参数的IGBT模块运行状态逆向监测法，用于电动汽车驱动系统逆变器用功率IGBT状态实时监测，从而提高IGBT模块的可靠性。（2）提出了一种混合改进鲸鱼优化算法（HIWOA），在HIWOA算法中引入了非线性收敛因子和高斯变异扰动来提高算法的全局收敛能力和局部收敛能力。（3）将混合改进鲸鱼优化算法用于SVM参数的优化，建立基于混合改进鲸鱼算法优化支持向量机(HIWOA-SVM)的IGBT模块结温预测模型，该方法可以不破坏封装结构就能够精确得到结温数据，满足实际工况需求。（4）通过提取IGBT模块结温峰谷值序列和IGBT模块结温载荷谱；再结合IGBT模块寿命模型和疲劳累积损伤理论，计算出该运行任务周期内IGBT模块造成的总损伤度；最后得到IGBT模块的使用寿命。（3）申报单位相关科研条件支撑状况项目依托单位具有优良的科研条件。河北工业大学电气工程学院是学校成立最早、综合实力较强的学院。现有教职工127人，其中教授39人，具有国家和省部级人才多名。学院主要学科和研究领域涵盖新型电机与电器、电力系统与自动化、智能电网与新能源、电气设备智能化和生物电工。学院拥有1个国家重点学科，1个国家双一流学科、1个河北省双一流学科、1个河北省强势特色学科、1个天津市一流学科，1个河北省重点学科；具有电气工程博士后科研流动站，电气工程一级博士学位授予权、生物医学工程一级博士学位授予权，省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津市第三批国际科技合作基地--电力设备可靠性与智能化国际联合研究中心等良好的科学研究环境。2018年获批中国政府奖学金高校研究生项目，2019年获批创新型人才国际合作培养项目：中美电工装备可靠性与智能化人才培养项目。

电动汽车以清洁高效、节能减排的特点被人们所熟知，并得到各国政府的重视。因此，适用于复杂工况下电动汽车中IGBT健康状态评估与寿命预测系统具有广阔的市场潜力与应用前景：（1）电动汽车运行过程中，会造成IGBT模块寿命降低。特别是在城市内行驶频繁启停等复杂工况下，控制器中IGBT模块工作电流随之升降，电流的这种快速变化会导致IGBT结温的快速变化；采用永磁同步电机驱动的电动汽车启动、驻坡时，电机工作在近似堵转工况，此时电机控制器中部分IGBT芯片持续承受大电流；由于道路的复杂性，机车的IGBT模块在车辆行驶中会受到较大的振动和冲击（加速度通常在10g以上）。大电流、冲击、震动和电流快速变化等原因都会对IGBT的寿命产生影响。因此，IGBT模块寿命精确预测有着巨大的市场潜力，对提高电动汽车的安全性和推动电动汽车产业的健康发展起着积极作用。（2）放眼全国来看，根据二八定律，20%的企业能占领市场80%的份额，平均来看，公司也能占领全国至少4%的市场份额。本团队拟通过不断创新，不断扩大在电动汽车IGBT模块结温预测系统研发领域的知名度和市场占有率。同时，充分利用政策便利扩大团队规模，通过校企合作等多种形式聚集人才，大力推进科技创新。本项目研发系统能够通过对IGBT的寿命进行预测，可以提高电动汽车逆变器的安全可靠性，从而能够推动整个电动汽车行业发展。该系统有如下竞争优势：（1）本项目模拟实际工作环境设计并进行了IGBT老化加速试验、单脉冲实验和动态特性试验，掌握IGBT模块整个寿命周期下的电热参数变化情况，建立了数据驱动的IGBT结温计算模型，有效地提高了IGBT的监测水平。（2）课题提出一种基于“混合改进鲸鱼算法优化支持向量机模型（HIWOA-SVM）”的IGBT结温预测新方法，在一定程度上填补了相关领域的空白。（3）本项目所研究内容将极大的提升IGBT模块的可靠性和使用寿命，从而增强电动汽车和其他工程设备的性能，提升装备运行可靠性。本项目的预期效益：（1）该系统的优点是可以有效提高了IGBT的监测水平，极大的提升IGBT模块的可靠性和使用寿命，从而增强电动汽车和其他工程设备的性能，提升装备运行可靠性，减少不必要的经济损失。而且系统本身就是服务于大众，系统的成功运用本身就是对新能源汽车产业的一种推广。（2）目前中国已经成为全球电动汽车销量最大和增长速度最快的国家，2022年中国新能源车市场规模将达到522.5万辆，同比增长47.2%。电动汽车产业的快速发展催生了对下游产业链中核心器件IGBT的巨大需求。IGBT对电动汽车的整体性能有着至关重要的影响。通过对IGBT的寿命进行预测，可以提高电动汽车逆变器的安全可靠性，从而能够推动整个电动汽车行业发展。