電力電子技術(shù)在混合電動汽車中的應(yīng)用及研究分析

1、 引言

電力電子技術(shù)是研究電力半導(dǎo)體器件實現(xiàn)電能變換和控制的學科，它是一門電子、電力半導(dǎo)體器件和控制三者相互交叉而出現(xiàn)的新興緣學科。它研究的內(nèi)容非常廣泛，主要包括電力半導(dǎo)體器件、磁性材料、電力電子電路、控制集成電路以及由其組成的電力變換裝置。目前，電力電子學研究的主要方向是：

（1） 電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計、測試、模型分析、工藝及仿真等；

（2） 電力開關(guān)變換器的電路拓撲、建模、仿真、控制和應(yīng)用；

（3） 電力逆變技術(shù)及其在電氣傳動、電力系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用等。

電動汽車（EV）作為清潔、高效和可持續(xù)發(fā)展的交通工具，既對改善空氣質(zhì)量、保護環(huán)境具有重大意義，又對日益嚴重的石油包機提供了解決方法；同時，電動汽車作為電力電子技術(shù)的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，涵蓋了DC/DC和DC/AC的全部變換，是實用價值非常高的運用領(lǐng)域。

2、 混合動力電動汽車簡介

當前世界汽車產(chǎn)業(yè)正處于技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)大調(diào)整的發(fā)展時期，安全、環(huán)保、節(jié)能和智能化成為汽車界共同關(guān)心的重大課題。為了使人類社會和汽車工業(yè)持續(xù)發(fā)展，世界各國尤其是發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家都在研究各種新技術(shù)來改善汽車和環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

電動汽車作為21世紀汽車工業(yè)改造和發(fā)展的主要方向，目前已從實驗開發(fā)試驗階段過渡到商品性試生產(chǎn)階段，世界上許多知名汽車廠家都推出了具有高科技水平的安全或環(huán)保型號概念車，目的是為了引導(dǎo)世界汽車技術(shù)的潮流。

2.1各種類型電動汽車特點及其發(fā)展

根據(jù)所使用的動力源不同，電動汽車大致可分為三類：蓄電池電動汽車或純電動汽車（Battery Electric Vehicle）、以氫氣為能源的燃料電池電動汽車（Fuel Cell Electric Vehicle）和混合動力電動汽車（Hybrid Electric Vehicle）。

純電動汽車是單獨依靠蓄電池供電的，但目前動力電池的性能和價格還沒有取得重大突破，因此，純電動汽車的發(fā)展沒有達到預(yù)期的目的；

燃料電池電動汽車具有能量轉(zhuǎn)化率高、不污染環(huán)境、使用壽命等不可比擬的優(yōu)勢。但是由于目前燃料電池技術(shù)和研究還沒有取得重大突破，燃料電池電動汽車的發(fā)展也受到了限制。

混合動力電動汽車是同時采用了電動機和發(fā)動機作為其動力裝置，通過先進的控制系統(tǒng)使兩種動力裝置有機協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)最佳能量分配，達到低能耗、低污染和高度自動化的新型汽車。自1995年以來，世界各大汽車生產(chǎn)商已將研究的重點轉(zhuǎn)向了混合動力電動汽車的研究和開發(fā)，日本、美國和德國的大型汽車公司均開發(fā)了包括轎車、面包車、貨車在內(nèi)的混合動力電動汽車。

以作為混合動力電動汽車研發(fā)前沿的豐田汽車公司為例，所開發(fā)的混合動力電動汽車已達到實用化水平，自1997年所推出的世界上第一款批量生產(chǎn)的混合動力電動汽車Prius開始，其后又在2002年推出了混合動力面包車，該車混合動力系統(tǒng)采用了世紀首次批量生產(chǎn)的電動四輪驅(qū)動及四輪驅(qū)動力/制動力綜合控制系統(tǒng)。2003年，豐田又推出了新一代Prius，也被稱為“新時代豐田混合動力系統(tǒng)——THS Ⅱ”（見圖1），節(jié)能效果可達到100km油耗不足3L。從2004年開始，豐田公司向歐洲市場推出了一款新的Lexus RX型豪華混合動力轎車。豐田公司計劃2012年全部采用汽油電力混合發(fā)動機，以提高燃油經(jīng)濟性和降低排放污染。

2.2混合動力電動汽車分類及特點

根據(jù)按照發(fā)動機與電動機的不同組合工作方式，混合動力電動汽車主要可以分為三類：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3所示為不同混合動力類型中電動機與發(fā)動機的功率分配情況：

在串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中，由發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機，利用發(fā)出的電能由電動機驅(qū)動車輪。即，發(fā)動機所發(fā)出的動能全部要先轉(zhuǎn)換成電能，利用這一電能使車輛行駛。

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)采用的是發(fā)動機與電動機驅(qū)動車輪，根據(jù)情況來運用這兩個動力源，由于動力源是并行的，故稱為并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。

混聯(lián)式也稱串并聯(lián)式，它可以最大限度地發(fā)揮串聯(lián)式與并聯(lián)式的各自優(yōu)點，豐田的Prius系列的混合動力系統(tǒng)采用的就是這種工作方式。工作時，利用動力分配器分配發(fā)動機的動力：一方面直接驅(qū)動車輪，另一方面自主地控制發(fā)電。由于要利用電能驅(qū)動電動機，所以與并聯(lián)式相比，電動機的使用比率增大了。

3、 HEV常用的電力電子技術(shù)及裝置

本文結(jié)合起來豐田新一代混合動力系統(tǒng)THS Ⅱ，具體研究發(fā)電力電子技術(shù)在HEV中的應(yīng)用情況。THSⅡ的整車電氣驅(qū)動系統(tǒng)（見圖4）主要由采用AtkinSon 循環(huán)的高效發(fā)動機、永磁交流同步電動機、發(fā)電機、動力分配裝置、高性能鎳金屬氫化物（NI—MH）電池、控制管理單元以及各相關(guān)逆變器的DC—DC變換器等產(chǎn)件組成。

高壓電源電路 、各種逆變器和14V蓄電池用輔助DC-DC變換器組成了功率控制單元（見圖5），該單元集成了DSP控制器、驅(qū)動和保護電路、直流穩(wěn)壓電容、半導(dǎo)體、絕緣體、傳感器、液體冷卻回路以及和汽車通信的CAN總線接口。

3.1電動機/發(fā)電機用逆變器單元

在Prius THS Ⅱ主驅(qū)動系統(tǒng)中，電動機和發(fā)電機所用三相電壓型逆變器（功率分別為50kW和30kW）被集成一個模塊上（如圖6所示，逆變器的電氣結(jié)構(gòu)圖如圖7所示），直流母線最大供電電壓被設(shè)定為500V。功率器件選用帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的商用IGBT（850V/200A），該功率等級的IGBT具有足以承受最大 500V反壓的能力，以及其它諸如雪崩擊穿、瞬時短路的能力。

電動機用逆變器的每個橋臂都是由并聯(lián)有兩個IGBT模塊和二極管模塊。每個IGBT芯片的面積為133mm2（13.7mm×9.7mm），并且發(fā)射極使用了5μm 厚的鋁膜；而每個二極管芯片的面積為90mm2（8.2mm×11mm）。

目前，電動汽車普遍采用PWM控制的電壓型逆變器，這種逆變器具有線路簡單、效率高的特點，同時PWM逆變器呈現(xiàn)出以下幾種發(fā)展趨勢：

（1） 通常采用IGBT器件，工作頻率高，并減少了低頻諧波分量和起動是的電流沖擊，當前國外應(yīng)用的最高開關(guān)頻率已達20kHz；

（2） 電機額定頻率相應(yīng)提高了，擴大了調(diào)速范圍，在更好地滿足運行要求的同時，減少電機的體積和重量，提高功率比。目前國外電動汽車專用電機的最高額定頻率已達500Hz；

（3） 采用DSP為核心的計算機控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的矢量控制和運算，電機可做到快速恒力矩起動及弱磁高速運行，這種控制系統(tǒng)穩(wěn)定，電流沖擊小，控制效率高。

除了以上傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)外，最近出現(xiàn)了諧振直流環(huán)節(jié)變換器和高頻諧振交流環(huán)節(jié)變換器。采用零電壓或零電流開關(guān)技術(shù)的諧振式變換器具有開關(guān)損耗小、電磁干擾小、低噪聲、高功率密度和高可靠性等優(yōu)點，引起研究人員廣泛的興趣。

目前應(yīng)用于功率變換器的常用電子開關(guān)器件主要有GTO、BJT、MOSFET、IGBT和MCT等，由于IGBT集BJT和MOSFET特點于一體，所具有的高阻抗壓控柵極，可明顯降低柵極驅(qū)動功率，從而可使柵極驅(qū)動電路集成化；并且IGBT具有的極短的開關(guān)時間，可使系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力，并減小了開關(guān)損耗，降低了噪聲，因此IGBT是很好的開關(guān)器件。MCT也是一個潛在的選擇器件，雖然目前商用的MCT的額定值還有待于提高；但是由于MCT具有低的導(dǎo)壓降，因此隨著MCT新型制造工藝的完善和新材料的使用，未來的MCT在電動汽車中將有良好的應(yīng)用前景。

3.2DC—DC升壓變換器單元

在THS中，蓄電池通過逆變器直接與電機和發(fā)電機相連（見圖8）；而THSⅡ中，蓄電池組輸出的電壓首先通過DC—DC升壓變換器進行升壓操作，然后再與逆變器相連，因此逆變器的直流母線電壓從原THS的220V提升為現(xiàn)在的500V。

圖9為THSⅡ系統(tǒng)中能量交換示意圖，圖9中發(fā)電機的功率為30kW，蓄電池組的瞬時功率為20kW，兩者聯(lián)合起來為50kW的電機提供能量；圖9中升壓變換器的容量也被設(shè)計為20kW。

這種系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1）由于電機的最大輸出功率能力是與直流母線電壓成正比的，因此與原THS系統(tǒng)的202V供電工況相比，在不增加驅(qū)動電流的情況下，THSⅡ系統(tǒng)中電機在 500V供電時，其最大輸出功率以及轉(zhuǎn)矩的輸出能力是原THS系統(tǒng)的2.5倍；此外相同體積的電機，還能免輸出更高的功率；

（2） 由于使用了直流母線供電電壓可變系統(tǒng)，因此THSⅡ可以根據(jù)電動機和發(fā)電機的實際需要，自由的調(diào)節(jié)直流母線供電電壓，從而選擇最優(yōu)的供電電壓，達到減少逆變器開關(guān)損耗以及電動機銅損的節(jié)能目的；

（3） 對于供電電壓一定的蓄電池組來說，由于可以通過調(diào)整升壓變壓器的輸出電壓的方式，來滿足電動機和發(fā)電機的實際需要，因此從某種程度上講，可以減少蓄電池的使用數(shù)量，降低整車質(zhì)量。

圖9所示的DC—DC升壓變換器每個支路都并聯(lián)有2個IGBT模塊和續(xù)流二極管模塊，其中每個IGBT芯片的面積為255mm2（15mm× 15mm），每個續(xù)流二極管芯片的面積為117mm2（13mm×9mm）。圖9所示的電路拓撲結(jié)構(gòu)可以在不打斷系統(tǒng)的正常工作的情況，保證蓄電池的充電和放電進行瞬間轉(zhuǎn)化。由于DC—DC升壓變換器的作用，而使主電容器上的系統(tǒng)電壓（System Voltage）不同于蓄電池組的輸出電壓，從而保證電動機和發(fā)電機高電壓工作的同時，而不受蓄電池組低電壓輸出能力的限制。

3.3DC—DC降壓變換器單元

通常汽車中各種用電設(shè)備由14V蓄電池組供電（額定電壓為12V），Prius也選用了14V蓄電 池組作為諸如控制計算機、車燈、制動器等車載電氣設(shè)備的供電電源，而對該蓄電池的充電工作則由直流220V通過DC—DC降壓變換器來完成的，變換器的電路圖如圖10所示。變換器的容量為 1.4kW（100A/14V），功率器件選用壓控型商用MOSFET（500V/20A），每個MOSFET芯片的面積為49mm2（7mm× 7mm）。

3.4其它交流設(shè)備用逆變器單元

Prius THSⅡ空調(diào)系統(tǒng)使用了電機驅(qū)動的空氣壓縮機，取代了傳統(tǒng)的用發(fā)動機機械驅(qū)動的空氣壓縮機。為了驅(qū)動空氣壓縮機用電機，設(shè)計了一種小功率逆變器（DC202V，1.6kW）。功率器件選用帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的商用IGBT（600V/30A），其中每個IGBT芯片的面積為22.1mm2 （4.7mm×4.7mm），每個續(xù)流二極管芯片的面積為9mm2（3mm×3mm）。

4 HEV對電力電子技術(shù)的要求

受實際運用條件的限制，要求混合動力電動汽車用電力電子技術(shù)及裝置應(yīng)具有成本低、體積小、比功率大、易于安裝的特點。除此之外，下面的技術(shù)細節(jié)需進行重點考慮：

（1） 電力電子裝置密封問題

各種車用電力電子裝置必須要進行有效的密封，以耐受溫度和振動的影響，并能防止各種汽車液體的侵入。

（2） 電磁兼容/電磁干擾（EMC/EMI）問題

混合動力電動汽車是一個相對狹小的空間，里面包含有各種控制芯片和弱電回路，因此在進行車載電力電子裝置設(shè)計時，為了消除將來的事故隱患，必須要很好的研究并解決EMC/EMI問題。

（3） 直流母線電壓利用問題

混合動力電動汽車儲能系統(tǒng)的電壓是可變的，電壓的大小取決于汽車實際負載的大小、運行工況（電動還是發(fā)電）以及電機是否弱磁運行等等，典型的母線電壓波動范圍是標稱值的-30%“+25%。因此如何在汽車工況頻繁變化的情況下，充分利用直流母線電壓，成為了控制策略設(shè)計者所需要解決的問題。

（4） 電力電子裝置控制問題

“高開關(guān)頻率”和“高采樣率”目前普遍應(yīng)用于混合動力電動汽車的電力電子裝置和交流傳動系統(tǒng)中，客觀上“雙高”需要高精度的編碼器和解算器，因此這就意味著在電機中出現(xiàn)寬的溫度梯度和飽和狀態(tài)時，如何降低參數(shù)敏感度，以滿足控制的要求。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合豐田汽車公司的最新一代混合動力電動汽車Prius THSⅡ，綜述了電力電子技術(shù)在混合電動汽車中的應(yīng)用情況，提出了需要重點考慮并解決的技術(shù)問題。

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化交流驅(qū)動系統(tǒng)在商業(yè)化電動汽車中得到廣泛應(yīng)用；而開發(fā)研制采用交流電機驅(qū)動系統(tǒng)的混合動力電動汽車，已經(jīng)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。隨著人類對生存環(huán)境要求的提高，合理利用能源意識的增強。作為一

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