一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方法.pdf

本发明涉及一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方法，其技术特点包括以下步骤：设定整车参数、IGBT模块相关参数、路面滚动摩擦系数和风阻系数；拟合速度‑结温均值关系曲线和速度‑结温波动幅值关系曲线；实时获取电动汽车行驶速度‑时间数据和路面坡度数据；判定车辆行驶速度变化情况及爬坡状况，分别按二种模式计算IGBT累积损伤度进而得到IGBT模块总累积损伤度；预测IGBT模块的寿命时间和寿命里程。本发明可在电动汽车的运行情况与IGBT模块的工作状态之间建立直接的联系，直接计算出IGBT模块的结温数据和IGBT模块累积损伤度，可用于研究环境温度、路面坡度、行驶加速度等因素对电动汽车用IGBT模块使用寿命的影响，具有广泛的应用价值。

1.一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方法，其特征在于包括以下
步骤：
步骤1、设定整车参数、IGBT模块相关参数、路面滚动摩擦系数和风阻系数；
步骤2、拟合速度-结温均值关系曲线和速度-结温波动幅值关系曲线；
步骤3、在电动汽车上安装速度实时记录仪和铅锤摆装置，通过速度实时记录仪获取电
动汽车行驶速度-时间数据，通过铅锤摆装置获取路面坡度数据，并存储到数据存储器；
步骤4、在电动汽车行驶时，判定车辆行驶速度变化情况及爬坡状况，当检测到汽车匀
速平路行驶一段时间后，按模式一计算IGBT模块累积损伤度D₁；当检测到汽车非匀速平路
行驶时，按模式二计算IGBT模块累积损伤度D₂，当汽车停止行驶后，得到整个行驶过程的
IGBT模块总累积损伤度D＝D₁+D₂；
步骤5、根据IGBT模块累积损伤度，预测IGBT模块的寿命时间和寿命里程。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方
法，其特征在于：所述的整车参数包括整车质量、车轮半径、减速比、逆变器开关频率和迎风
面积，上述从数据手册中查到；所述的IGBT模块相关参数包括IGBT损耗模型参数、IGBT热模
型参数、IGBT寿命模型参数，上述参数从数据手册中查到；所述的路面滚动摩擦系数、风阻
系数根据实际情况设定。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方
法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：通过实验测定IGBT模块在模拟电动汽车匀
速行驶状态下的结温数据，通过测定不同速度下的结温数据，提取出对应速度下的结温均
值和结温波动幅值均值，最后拟合得到速度-结温均值关系曲线和速度-结温波动幅值关系
曲线。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方
法，其特征在于：所述步骤4按模式一计算IGBT模块累积损伤度D₁的方法为：
当检测到汽车在路面坡度0＜α≤0.5°的路面匀速行驶5秒后，采用近似法获取IGBT模
块结温数据，然后计算匀速平路行驶阶段IGBT模块累积损伤度D₁，此时结温波动周期等于
输出周期；
根据速度-结温均值关系曲线和速度-结温波动幅值关系曲线，在已知速度为v₀时，确定
对应结温均值T_m和结温波动幅值ΔT，然后计算单个结温波动周期内IGBT模块的损伤度D₀，
计算公式如下：
$D_0=1/N_f=1/\[A\·{\mathrm{\ΔT}}^{\mathrm{\β}}\·\exp \left(\frac{Q}{R\·T_m}\right)\]$
上式中，D₀为IGBT模块单次结温循环损伤度，N_f为IGBT模块循环次数，ΔT为结温波动幅
值，T_m为结温均值，A为与器件特性、几何形状相关的正常数，Q为与材料相关的激活能，R为
玻尔兹曼常数，A、Q、R值均通过查阅资料得到，β数值从实验中拟合得到，通常取5～6；
电动汽车以速度v₀在平路上匀速行驶阶段累积损伤度D₁计算公式如下：
$D_1=D_0\×\frac{t_1}{T_{out}}=D_0\×\frac{t_1\×\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}$
上式中，t₁为电动汽车匀速行驶时间，T_out为IGBT模块输出周期。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方
法，其特征在于：所述步骤4按模式二计算累积损伤度D₂的方法为：当电动汽车处于加速或
减速或者爬坡状态时，根据速度和路面坡度数据用公式法精确计算结温数据，再用改进雨
流计数法实时处理结温数据，并由此计算非匀速平路行驶阶段IGBT模块累积损伤度D₂，具
体计算步骤如下：
⑴计算给定工况下的永磁同步电机PMSM电角速度和所需电磁转矩：
根据行驶速度和路面坡度值计算给定工况下的PMSM电角速度和所需电磁转矩，速度和
坡度数据均按照IGBT开关周期值取值，计算公式如下：
永磁同步电机PMSM转子电角速度为：
$\mathrm{\ω}=\frac{v\·n_p}{3.6\·r_{wheel}}\·k$
上式中，ν为电动汽车运行速度，r_wheel为车轮半径，k为电动机对车轮的减速比；
驱动电机轴上的所需电磁转矩为：
$T_e=\frac{F_{wheel}\·r_{wheel}}{k}$
$F_{wheel}=(m\·g\·cos\mathrm{\α}\·C_{roll}+\frac{v^2\·A_d\·C_d}{21.15}+m\·g\·sin\mathrm{\α})+\mathrm{\δ}\·m\·\frac{dv}{dt}$
上式中，F_wheel为车轮提供的驱动力，δ为旋转质量换算系数，m为整车质量，α为路面坡
度，C_roll和C_d分别为滚动摩擦系数和风阻系数，A_d为迎风面积，g为重力加速度取9.8N/kg；在
不考虑回馈制动及反向驱动制动的情况下，F_wheel只能为正，在电动汽车减速过程中，当所需
加速度绝对值大于时，需要踩制动踏板，该情况下F_wheel＝0；
⑵计算IGBT模块损耗功率，获取IGBT模块结温-时间数据：
根据角速度和电磁转矩计算IGBT模块损耗功率，设定电动汽车驱动控制系统为SVPWM
调制、转速电流双闭环控制永磁同步电机PMSM，计算公式如下：
逆变器相电流幅值和定子电流交轴分量为：
$I_{\mathrm{\φ}}=i_q=\frac{T_e}{1.5n_p\·{\mathrm{\Ψ}}_f}$
上式中，n_p为极对数，Ψ_f为转子永磁体磁链；
A相上管IGBT的导通电流为
$I_{CE}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{\φ}}cos({\mathrm{\θ}}_{dA}+\frac{\mathrm{\π}}{2}),& cos({\mathrm{\θ}}_{dA}+\frac{\mathrm{\π}}{2})\>0\\ 0,& cos({\mathrm{\θ}}_{dA}+\frac{\mathrm{\π}}{2})\≤0\end{array}\right.$
上式中，θ_dA为ω对时间的积分；
定子电压矢量为

其中：u_d＝-ωL_qi_q、u_q＝R_si_q+L_qpi_q+ωψ_f
功率因数角为

上述公式中，u_d为定子电压直轴分量，u_q为定子电压交轴分量，L_q为PMSM的交轴电感，R_s
为一相定子绕组的电阻，p为微分算子，θ_iA为与A轴之间的电角度；
单个开关周期内的IGBT开关损耗计算公式为
$\left\{\begin{array}{c}{E}_{on}(V_{DC},I_{CE},T_j)=(E_{on\_nom}+K_{on}(T_j-T_{nom}\left)\right)\frac{V_{DC}}{V_{nom}}\·\frac{I_{CE}}{I_{nom}}\\ E_{off}(V_{DC},I_{CE},T_j)=(E_{off\_nom}+K_{off}(T_j-T_{nom}\left)\right)\frac{V_{DC}}{V_{nom}}\·\frac{I_{CE}}{I_{nom}}\end{array}\right.$
$K_{on}=\frac{(E_{on1}-E_{on2})}{(T_{j1}-T_{j2})}$
$K_{off}=\frac{(E_{off1}-E_{off2})}{(T_{j1}-T_{j2})}$
上述公式中，E_{on_nom}与E_{off_nom}分别为IGBT特定测试条件下的开通能耗与关断能耗；V_nom和
I_nom分别为IGBT模块测试条件电压和电流值；K_on、K_off分别为开通损耗温度系数和关断损耗
温度系数，T_j1，T_j2为两种测试条件的温度，E_on1、E_on2为两种测试温度对应的开通损耗，E_off1、
E_off2为两种测试温度对应的关断损耗；以上参数均可从IGBT器件手册直接获取；V_DC为逆变
器直流侧电压；
开关周期的平均开关功率损耗为
$\left\{\begin{array}{c}{P}_{on}(V_{DC},I_{CE},T_j)=\frac{E_{on}(V_{DC},I_{CE},T_j)}{T_{sw}}\\ P_{off}(V_{DC},I_{CE},T_j)=\frac{E_{off}(V_{DC},I_{CE},T_j)}{T_{sw}}\end{array}\right.$
一个开关周期内的导通功率损耗计算公式为：
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为IGBT的导通压降，D为该开关周期内IGBT的占空比，M为SVPWM的调制
度，U_DC为电动汽车蓄电池电压；
采用输出特性的线性近似形式来表示V_CE与I_CE的关系时有
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为IGBT的等效导通电阻，V_CE0为初始导通压降；
一个开关周期内的IGBT平均损耗功率P_I为
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)
基于集总参数法的Foster热网络是对IGBT模块的实际传热过程的集中等效，其中
Z_{th,jc_I}为IGBT结到壳之间的等效热阻抗，Z_th,ch为壳到散热器之间的等效热阻抗，Z_th,ha为散
热器到环境之间的等效热阻抗；T_a代表环境温度，从而得到IGBT结温-时间数据；
⑶采用改进雨流计数法实时处理结温数据，并由此计算IGBT模块累积损伤度D₂。
6.根据权利要求5所述的一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方
法，其特征在于：所述步骤⑶的具体计算方法如下：
①初始设定实数N的值，定义实数k初始值为1；定义L为判定内循环是否结束的界限值；
定义数组Q为结温波动周期幅值与均值数据数组Q＝{ΔT_i,T_mi|i＝1,2,3...}；定义数组Z，
P，R为临时存储数组；定义数组Y为对接处理后另一临时存储数组，初始Y为空集；
②判定汽车是否仍处于运行状态，如果仍处于运行状态则进入步骤(3)，否则进入步骤
⑤；
③对结温数据进行峰谷值检测，将读取到的峰谷值按时间顺序依次存入峰谷值数组X
＝{x₁,x₂······x_n}中；判定n是否大于等于N，如果大于等于则进入步骤(4)，否则返
回步骤②；
④将数组{Y,x₁,x₂······x_N}赋值于待计数数组P，并将数组X的前N项删除，令L
＝N+length(Y)；使用结温周期提取方法处理数组P，完成后得到数组Y，并返回步骤②；
⑤将数组{Y，X}赋值于数组R，且L＝length(R)；用结温周期提取方法处理数组R，完成
后得到数组Y，进入步骤⑥；
⑥令L＝length(Y)；对数组Y中数据进行结温周期提取，结束后进入下一步；
⑦输出非匀速平坦路面行驶的累积损伤度D₂。
7.根据权利要求6所述的一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方
法，其特征在于：所述结温周期提取方法包括以下步骤：
(a)令实数i＝1，j＝1；待处理数组为P；
(b)进入内循环进行计数，从数组P中第一个数开始，判断三个连续数值的大小关系，判
定标准如下：当|P(i+2)-P(i+1)|＞|P(i+1)-P(i)|时，取波动幅值为ΔT＝|P(i+1)-P(i)|
均值据此计算累积损伤度D₂，并且i增加2；否则，将P(i)按顺序存入数组
Z中，并且i增加1；i增加后，重新进入判定过程，比较三个连续数值的大小关系，直至i＝L-2
后跳出内循环，进入下一步；
(c)判定若i＝L，则进入下一步；否则要将P(L-1)、P(L)存入数组Z中，再进入下一步；
(d)对Z中数据进行对接处理得到数组Y，对接处理过程为：首先对数组Z中首尾数据进
行取舍处理，然后找出Z中最大值，将最大值右边数据向左平移，实现最后一个数值与首个
数值相邻，重新组成新的数组Y；
上述步骤(b)中累积损伤度D₂计算公式如下：
$D_2=\underset{k=1}{\Σ}{D}_k,(k=1,2,3...)$
$D_k=1/\[A\·{{\mathrm{\ΔT}}_k}^{\mathrm{\β}}\·\exp \left(\frac{Q}{R\·T_{mk}}\right)\].$
8.根据权利要求1所述的一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方
法，其特征在于：所述步骤5的IGBT模块的寿命时间t_life和寿命里程l_life按下述公式计算得
到
$t_{life}=t_{used}\×\frac{1}{D}$
$l_{life}=l_{used}\×\frac{1}{D}$
上式中，t_used为电动汽车已经使用的时间；l_used为电动汽车已经行驶的里程，D为整个行
驶过程的总累积损伤度。

一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方法

技术领域

本发明属于电力电子器件可靠性技术领域，尤其是一种电动汽车用IGBT模块累积
损伤度计算以及寿命预测方法。

背景技术

电动汽车作为一种无尾气污染、低噪声的绿色车辆，具有很好的发展前景，已成为
新能源汽车领域的研究热点。随着电动汽车技术的快速发展，电动汽车用IGBT模块的可靠
性和寿命问题也引起了越来越多的关注。IGBT模块寿命问题的根源在于热应力引起的材料
形变。在IGBT模块工作或放置过程中，器件损耗和环境温度变化会引起IGBT模块温度变化。
不同层材料的热膨胀系数不同，IGBT模块的温度波动会使其各层受到不同程度的拉伸和压
缩应力，如此往复，最终导致IGBT模块焊料层、键合引线或端子焊点断裂失效，导致电动汽
车无法正常运行。影响IGBT模块可靠性的主要因素包括电气负荷和环境条件(温度、湿度、
宇宙射线、机械震动)等。而电动汽车运行情况复杂，且IGBT模块的实际工作环境和负载情
况千差万别，因此基于工况的电动汽车用IGBT模块可靠性和寿命的研究对于电动汽车用
IGBT模块的选型、整车参数设计等有重要价值。

目前，针对IGBT模块的寿命预测方面，人们在不断地进行研究，申请号为
CN201410393391.8的中国专利文献公开了一种功率IGBT模块的寿命预测方法，该方法是将
实时监测的结温温度离散有序数据进行线性拟合，得到连续函数，再经傅里叶变换为正弦
量，按电路解析方法，预测出IGBT模块的剩余寿命，由于该方法在检测时需要破坏封装材
料，其实施难度高，而且实时检测精度并不能保证，因此数据处理模型的预测值与实际有一
定偏差，精度有待提高。

综上，目前还没有一类电动汽车用IGBT模块寿命预测模型，可以将电动汽车的运
行情况与IGBT模块的工作状态建立直接的联系，都是需要直接测量IGBT模块的工作状态数
据，这对于实际应用中IGBT模块的损伤度计算以及寿命预测并不适用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有设计的不足，提供一种设计合理、精度高且使用方便
的电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1、设定整车参数、IGBT模块相关参数、路面滚动摩擦系数和风阻系数；

步骤2、拟合速度-结温均值关系曲线和速度-结温波动幅值关系曲线；

步骤3、在电动汽车上安装速度实时记录仪和铅锤摆装置，通过速度实时记录仪获
取电动汽车行驶速度-时间数据，通过铅锤摆装置获取路面坡度数据，并存储到数据存储
器；

步骤4、在电动汽车行驶时，判定车辆行驶速度变化情况及爬坡状况，当检测到汽
车匀速平路行驶一段时间后，按模式一计算IGBT模块累积损伤度D₁；当检测到汽车非匀速
平路行驶时，按模式二计算IGBT模块累积损伤度D₂，当汽车停止行驶后，得到整个行驶过程
的IGBT模块总累积损伤度D＝D₁+D₂；

步骤5、根据IGBT模块累积损伤度，预测IGBT模块的寿命时间和寿命里程。

所述的整车参数包括整车质量、车轮半径、减速比、逆变器开关频率和迎风面积，
上述从数据手册中查到；所述的IGBT模块相关参数包括IGBT损耗模型参数、IGBT热模型参
数、IGBT寿命模型参数，上述参数从数据手册中查到；所述的路面滚动摩擦系数、风阻系数
根据实际情况设定。

所述步骤2的具体实现方法为：通过实验测定IGBT模块在模拟电动汽车匀速行驶
状态下的结温数据，通过测定不同速度下的结温数据，提取出对应速度下的结温均值和结
温波动幅值均值，最后拟合得到速度-结温均值关系曲线和速度-结温波动幅值关系曲线。

所述步骤4的按模式一计算IGBT模块累积损伤度D₁的方法为：

当检测到汽车在路面坡度0＜α≤0.5°的路面匀速行驶5秒后,采用近似法获取
IGBT模块结温数据，然后计算匀速平路行驶阶段IGBT模块累积损伤度D₁，此时结温波动周
期等于输出周期；

根据速度-结温均值关系曲线和速度-结温波动幅值关系曲线，在已知速度为v₀
时，确定对应结温均值T_m和结温波动幅值ΔT，然后计算单个结温波动周期内IGBT模块的损
伤度D₀，计算公式如下：

上式中，D₀为IGBT模块单次结温循环损伤度，N_f为IGBT模块循环次数，ΔT为结温波
动幅值，T_m为结温均值，A为与器件特性、几何形状相关的正常数，Q为与材料相关的激活能，
R为玻尔兹曼常数，A、Q、R值均通过查阅资料得到，β数值从实验中拟合得到，通常取5～6；

电动汽车以速度v₀在平路上匀速行驶阶段累积损伤度D₁计算公式如下：

上式中，t₁为电动汽车匀速行驶时间，T_out为IGBT模块输出周期。

所述步骤4按模式二计算累积损伤度D₂的方法为：当电动汽车处于加速或减速或
者爬坡状态时，根据速度和路面坡度数据用公式法精确计算结温数据，再用改进雨流计数
法实时处理结温数据，并由此计算非匀速平路行驶阶段IGBT模块累积损伤度D₂，具体计算
步骤如下：

⑴计算给定工况下的永磁同步电机PMSM电角速度和所需电磁转矩：

根据行驶速度和路面坡度值计算给定工况下的PMSM电角速度和所需电磁转矩，速
度和坡度数据均按照IGBT开关周期值取值，计算公式如下：

永磁同步电机PMSM转子电角速度为：

上式中，ν为电动汽车运行速度，r_wheel为车轮半径，k为电动机对车轮的减速比；

驱动电机轴上的所需电磁转矩为：

上式中，F_wheel为车轮提供的驱动力，δ为旋转质量换算系数，m为整车质量，α为路面
坡度，C_roll和C_d分别为滚动摩擦系数和风阻系数，A_d为迎风面积，g为重力加速度取9.8N/kg；
在不考虑回馈制动及反向驱动制动的情况下，F_wheel只能为正，在电动汽车减速过程中，当所
需加速度绝对值大于时，需要踩制动踏板，该情况下F_wheel＝0；

⑵计算IGBT模块损耗功率，获取IGBT模块结温-时间数据：

根据角速度和电磁转矩计算IGBT模块损耗功率，设定电动汽车驱动控制系统为
SVPWM调制、转速电流双闭环控制永磁同步电机PMSM，计算公式如下：

逆变器相电流幅值和定子电流交轴分量为：

上式中，n_p为极对数，Ψ_f为转子永磁体磁链；

A相上管IGBT的导通电流为

上式中，θ_dA为ω对时间的积分；

定子电压矢量为

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

功率因数角为

上述公式中，u_d为定子电压直轴分量，u_q为定子电压交轴分量，L_q为PMSM的交轴电
感，R_s为一相定子绕组的电阻，p为微分算子，θ_iA为与A轴之间的电角度；

单个开关周期内的IGBT开关损耗计算公式为

上述公式中，E_{on_nom}与E_{off_nom}分别为IGBT特定测试条件下的开通能耗与关断能耗；
V_nom和I_nom分别为IGBT模块测试条件电压和电流值；K_on、K_off分别为开通损耗温度系数和关断
损耗温度系数，T_j1，T_j2为两种测试条件的温度，E_on1、E_on2为两种测试温度对应的开通损耗，
E_off1、E_off2为两种测试温度对应的关断损耗；以上参数均可从IGBT器件手册直接获取；V_DC为
逆变器直流侧电压；

开关周期的平均开关功率损耗为

一个开关周期内的导通功率损耗计算公式为：

P_con(V_CE,I_CE,D)＝V_CE·I_CE·D

上述公式中，V_CE为IGBT的导通压降，D为该开关周期内IGBT的占空比，M为SVPWM的
调制度，U_DC为电动汽车蓄电池电压；

采用输出特性的线性近似形式来表示V_CE与I_CE的关系时有

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为IGBT的等效导通电阻，V_CE0为初始导通压降；

一个开关周期内的IGBT平均损耗功率P_I为

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)

基于集总参数法的Foster热网络是对IGBT模块的实际传热过程的集中等效，其中
Z_{th,jc_I}为IGBT结到壳之间的等效热阻抗，Z_th,ch为壳到散热器之间的等效热阻抗，Z_th,ha为散
热器到环境之间的等效热阻抗；T_a代表环境温度，从而得到IGBT结温-时间数据；

⑶采用改进雨流计数法实时处理结温数据，并由此计算IGBT模块累积损伤度D₂。

所述步骤⑶的具体计算方法如下：

①初始设定实数N的值，定义实数k初始值为1；定义L为判定内循环是否结束的界
限值；定义数组Q为结温波动周期幅值与均值数据数组Q＝{ΔT_i,T_mi|i＝1,2,3...}；定义数
组Z，P，R为临时存储数组；定义数组Y为对接处理后另一临时存储数组，初始Y为空集；

②判定汽车是否仍处于运行状态，如果仍处于运行状态则进入步骤(3)，否则进入
步骤⑤；

③对结温数据进行峰谷值检测，将读取到的峰谷值按时间顺序依次存入峰谷值数
组X＝{x₁,x₂······x_n}中；判定n是否大于等于N，如果大于等于则进入步骤(4)，否则
返回步骤②；

④将数组{Y,x₁,x₂······x_N}赋值于待计数数组P，并将数组X的前N项删除，
令L＝N+length(Y)；使用结温周期提取方法处理数组P，完成后得到数组Y，并返回步骤②；

⑤将数组{Y，X}赋值于数组R，且L＝length(R)；用结温周期提取方法处理数组R，
完成后得到数组Y，进入步骤⑥；

⑥令L＝length(Y)；对数组Y中数据进行结温周期提取，结束后进入下一步；

⑦输出非匀速平坦路面行驶的累积损伤度D₂。

所述结温周期提取方法包括以下步骤：

(a)令实数i＝1，j＝1；待处理数组为P；

(b)进入内循环进行计数，从数组P中第一个数开始，判断三个连续数值的大小关
系，判定标准如下：当|P(i+2)-P(i+1)|＞|P(i+1)-P(i)|时，取波动幅值为ΔT＝|P(i+1)-P
(i)|均值据此计算累积损伤度D₂，并且i增加2；否则，将P(i)按顺序存入
数组Z中，并且i增加1；i增加后，重新进入判定过程，比较三个连续数值的大小关系，直至i
＝L-2后跳出内循环，进入下一步；

(c)判定若i＝L，则进入下一步；否则要将P(L-1)、P(L)存入数组Z中，再进入下一
步；

(d)对Z中数据进行对接处理得到数组Y，对接处理过程为：首先对数组Z中首尾数
据进行取舍处理，然后找出Z中最大值，将最大值右边数据向左平移，实现最后一个数值与
首个数值相邻，重新组成新的数组Y；

上述步骤(b)中累积损伤度D₂计算公式如下：

所述步骤5的IGBT模块的寿命时间t_life和寿命里程l_life按下述公式计算得到

上式中，t_used为电动汽车已经使用的时间；l_used为电动汽车已经行驶的里程，D为整
个行驶过程的总累积损伤度。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明在已知电动汽车的行驶速度、行驶路面坡度数据以及给定整车参数、行
驶参数及IGBT模块相关参数的前提下，计算出IGBT模块的累积损伤度，并以此预测IGBT模
块的剩余寿命；本方法无需设计特定实验装置去测定IGBT模块的工作状态数据，例如结温
温度等，可在电动汽车的运行情况与IGBT模块的工作状态之间建立直接的联系，直接计算
出IGBT模块的结温数据，并由此计算IGBT模块累积损伤度，弥补了现有技术的不足；并可用
于环境温度、路面坡度、行驶加速度等因素对电动汽车用IGBT模块使用寿命的影响，具有广
泛的应用价值。

2、本发明充分考虑了结温这一影响IGBT模块寿命的最直接最重要的因素，在所述
电动汽车用IGBT模块寿命预测模型中，建立了电动汽车运行速度、路面坡度数据与IGBT结
温之间的直接定量关系，可直接根据电动汽车的各项运行数据计算得出IGBT结温状况，进
而得到IGBT模块损伤度；本发明与需要破坏IGBT封装材料实施实时检测结温的方法相比，
更加直观方便，数据更易获取。

3、由于在电动汽车匀速平路行驶时，其IGBT模块结温波动很小，结温基本保持在
一固定值上下，而当电动汽车加速、减速或爬坡时其结温波动幅度很大，相应的造成的IGBT
模块损伤也更大，因此，本发明通过在电动汽车上安装速度实时记录仪和铅锤摆装置，获取
行驶速度-时间数据及行驶路面坡度数据后，判定电动汽车是否在匀速平路状态行驶，将结
温及损伤度计算分为模式一和模式二，采用不同的方法计算匀速平路行驶和非匀速平路行
驶状态下的结温和损伤度。在模式一中，根据速度-结温均值关系曲线和速度-结温波动幅
值关系曲线，在已知匀速行驶速度值的前提下确定结温均值和结温波动幅值的方法，极大
的减少了计算量，同时也保证了精度。

4、本发明在模式二中，对结温数据的处理采用了改进雨流计数法实时处理，在传
统雨流计数法基础上进行改进，结合“三峰谷计数法”采用分段式双循环法统计计数，不仅
减小了计算量，而且还保证了计算精度与传统封闭式计数方法相同，这样无需等待电动汽
车完全停止行驶后才开始计算累积损伤度，而是在电动汽车运行的过程中就可以开始计算
累积损伤度。当电动汽车停止时可以在极短时间内输出累积损伤度值和寿命预测值，本发
明采用分段式双循环法与传统雨流计数法停止运行后再开始统计计数的特点相比，减少了
停止运行后再开始计算的等待时间。

5、本发明计算IGBT模块的累积损伤度具有很强的实际应用价值，电动汽车每次行
驶过后IGBT模块的累积损伤度就会随之更新，IGBT模块剩余寿命的预测值也会更新，这对
电动汽车使用寿命的评估具有重要意义，对于电动汽车用IGBT模块的选型、整车参数设计
等也有重要实用价值。

附图说明

图1是本发明的处理流程图；

图2是Foster热网络模型；

图3是改进的雨流计数法流程图；

图4是本实施例的速度-结温均值关系曲线；

图5是本实施例的速度-结温波动幅值关系曲线；

图6是本实施例的速度-时间数据曲线和坡度-时间数据曲线；

图7是本实施例中的IGBT模块损耗功率波形图；

图8是本实施例中的IGBT模块结温波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以及寿命预测方法，如图1所示，包括以
下步骤：

步骤1、设定整车参数、IGBT模块相关参数(IGBT损耗模型参数、IGBT热模型参数、
IGBT寿命模型参数)以及路面滚动摩擦系数、风阻系数。

在本实施例中，整车参数中：整车质量m为1420Kg，车轮半径r为0.2888m，减速比k
为4，逆变器开关频率f_sw为10kHz，迎风面积A_d为2.8m²，旋转质量换算系数δ为1.05，PMSM极
对数n_p为4，转子磁链Ψ_f为0.1Wb。

IGBT损耗模型参数中：IGBT额定条件下的开通能耗与关断能耗E_{sw_on}与E_{sw_off}分别
为0.0203J和0.0601J，逆变器直流侧电压V_DC为330V；IGBT模块测试条件电压和相电流幅值
V_nom和I_nom分别为600V和600A，SVPWM调制度M为1，IGBT导通压降V_co为0.98V，功率因数角为
0.1415，IGBT导通电阻R_co为1.18×10^-3Ω。

IGBT热模型参数中：IGBT结到壳之间的等效热阻抗为Z_{th,jc_I}为0.25+j0.4632Ω，
壳到散热器之间的等效热阻抗Z_th,ch为0.084+j0.2Ω，散热器到环境之间的等效热阻抗
Z_th,ha为0.216+j64.81Ω；环境温度(冷却液温度)T_a为60℃。

IGBT寿命模型参数中：与器件特性、几何形状等相关的正常数A为640，与材料相关
的激活能Q为7.84×10⁴J/mol，玻尔兹曼常数R为8.314J·mol^-1·K^-1，待拟合参数β为-5。

路面滚动摩擦系数C_roll为0.010、风阻系数C_d为0.4。

步骤2、拟合速度-结温均值关系曲线和速度-结温波动幅值关系曲线。

因实验条件有限，本实施例中通过仿真得到该使用型号的IGBT模块在电动汽车匀
速行驶状态下的结温数据，通过获取不同速度下的结温数据，提取出了对应速度下的结温
均值和结温波动幅值均值，然后拟合得到速度-结温均值关系曲线和速度-结温波动幅值关
系曲线，如图4和图5所示，速度范围在0-110km/h之内。

步骤3、获取速度实时数据和路面坡度实时数据，并存储到数据存储器

在电动汽车上安装速度实时记录仪和铅锤摆装置，通过速度实时记录仪获取电动
汽车行驶速度-时间数据，即v-t曲线，通过铅锤摆装置获取路面坡度数据(上坡为正，下坡
为负)，即坡度角α-t曲线，如图6所示，并将这些数据存储到数据存储器中。

步骤4、在电动汽车行驶时，判定车辆行驶速度变化情况及爬坡状况，当检测到汽
车匀速平路行驶一段时间后，按模式一计算IGBT模块累积损伤度D₁；当检测到汽车非匀速
平路行驶时，按模式二计算IGBT模块累积损伤度D₂，当汽车停止行驶后，得到整个行驶过程
的IGBT模块总累积损伤度D＝D₁+D₂。

按模式一计算IGBT模块累积损伤度D₁的方法为：

当检测到汽车匀速行驶5秒，且路面坡度0＜α≤0.5°，采用近似法获取IGBT模块结
温数据，然后计算匀速平路行驶阶段IGBT模块累积损伤度D₁，此时结温波动周期等于输出
周期。电动汽车以速度v₀在平路上匀速行驶阶段累积损伤度D₁计算公式如下：

上式中，t₁为电动汽车匀速行驶时间，T_out为IGBT模块输出周期。

按模式二计算累积损伤度D₂的方法为：当电动汽车处于加速或减速或者爬坡状态
时，根据速度和路面坡度数据用公式法精确计算结温数据，再用改进雨流计数法实时处理
结温数据，并由此计算非匀速平路行驶阶段IGBT模块累积损伤度D₂，D₂计算公式如下：

在模式二计算累积损伤度的过程中，涉及到Foster热网络模型如图2所示，改进的
雨流计数法流程图如图3所示。

本实施例中的行驶过程共有7个阶段，具体划分如表1(电动汽车行驶阶段划分表)
所示；其中阶段1、3、4、5、7属于非匀速平路行驶，按模式二计算累积损伤度D₂，最终程序输
出D₂＝5.5589×10^-6；阶段2和阶段6属于匀速平路行驶，需按模式一计算累积损伤度D₁，最
终程序输出D₁＝3.8653×10^-10；最终整个行驶过程的总累积损伤度D＝5.5593×10^-6。

表1电动汽车行驶阶段划分表

在模式二的计算过程中，IGBT模块损耗功率的具体计算公式如发明内容中所述，
实际计算过程在MATLAB中实现，损耗功率计算结果如图7所示。再根据热网络模型得到IGBT
模块结温数据，考虑到IGBT模块在电动汽车中所处结构，近似认为电动汽车运行过程中
IGBT模块所处环境温度(即冷却液温度)不变，设定为恒定值60℃，具体参数设定如步骤2中
所设定，结温计算结果如图8所示。

步骤5、根据IGBT模块累积损伤度，预测IGBT模块的寿命时间和寿命里程。

本实施例设定的运行过程总时间为120s，行驶总里程为1.25km，所以预测IGBT模
块寿命时间寿命里程

如步骤5中数据所示，本发明搭建的一种电动汽车用IGBT模块累积损伤度计算以
及寿命预测方法能够方便预测电动汽车用IGBT模块寿命。还可以从实施例中IGBT损耗功率
和结温波形即图7和图8中看出，在电动汽车加速过程中IGBT损耗功率较大，结温均值和波
动幅值均较高，行驶过程中加速度的大小及时间是影响IGBT寿命的重要因素。

另外，除本实施例所做分析之外，该模型还可用于环境温度，路面坡度，行驶加速
度等因素对电动汽车用IGBT模块使用寿命的影响，也可对其他任意运行工况及车辆参数进
行设置，从而预测相应参数下的IGBT模块寿命，具有广泛的应用价值。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包
括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案
得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。