電力電子技術(shù)在電動汽車中應(yīng)用

電力電子技術(shù)在電

動汽車中的應(yīng)用

當(dāng)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(dá)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(jì)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。1、電動汽車簡介2、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：蓄電波電動汽車或純電動汽車(BatteryElectricVehicle)、以氫氣為能源的燃料電池電動汽車（FuelCellElectricVehicle）和混合動力電動汽車（HybridElectricVehicle）。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(dá)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(jìn)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(dá)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。日本豐田汽車公司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(dá)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(jì)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)——THSⅡ”（見圖1），節(jié)能效果可達(dá)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LexusRX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。3、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)如下圖4、HEV常用的電力電子技術(shù)及裝置

結(jié)合豐田新一代混合動力系統(tǒng)THSⅡ，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)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，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。5、電動機/發(fā)電機用逆變器單元

在Prius

THSⅡ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。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)。6、PWM控制的電壓型逆變器目前，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(dāng)前國外應(yīng)用的最高開關(guān)頻率已達(dá)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(dá)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。7、DC—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；而THSⅡ中，蓄電池組輸出的電壓首先通過DC—DC升壓變換器進(jìn)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。8、DC—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）。8、HEV對電力電子技術(shù)的要求

（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(fù)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(biāo)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。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控