- HEV電力電子技術及其裝置
- 設計了一種小功率逆變器
- 利用數(shù)字化交流驅動系統(tǒng)
1、 引言
電力電子技術是研究電力半導體器件實現(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。它研究的內容非常廣泛，主要包括電力半導體器件、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） 電力半導體器件的設計、測試、模型分析、工藝及仿真等；
（2） 電力開關變換器的電路拓撲、建模、仿真、控制和應用；
（3） 電力逆變技術及其在電氣傳動、電力系統(tǒng)等工業(yè)領域中的應用等。
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的一個新的應用領域，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域。
2、 混合動力電動汽車簡介
當前世界汽車產業(yè)正處于技術革命和產業(yè)大調整的發(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來改善汽車和環(huán)境的協(xié)調性。
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，目的是為了引導世界汽車技術的潮流。
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：蓄電波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)展沒有達到預期的目的；
燃料電池電動汽車具有能量轉化率高、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，世界各大汽車生產商已將研究的重點轉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的電動四輪驅動及四輪驅動力/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，基本結構如圖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)動機驅動發(fā)電機，利用發(fā)出的電能由電動機驅動車輪。即，發(fā)動機所發(fā)出的動能全部要先轉換成電能，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：一方面直接驅動車輪，另一方面自主地控制發(fā)電。由于要利用電能驅動電動機，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及裝置
本文結合起來豐田新一代混合動力系統(tǒng)THS Ⅱ，具體研究發(fā)電力電子技術在HEV中的應用情況。THSⅡ的整車電氣驅動系統(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逆變器的DC—DC變換器等產件組成。
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、驅動和保護電路、直流穩(wěn)壓電容、半導體、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，逆變器的電氣結構圖如圖7所示），直流母線最大供電電壓被設定為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。
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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，當前國外應用的最高開關頻率已達20kHz；
（2）電機額定頻率相應提高了，擴大了調速范圍，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)，能夠實現(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技術的諧振式變換器具有開關損耗小、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。
目前應用于功率變換器的常用電子開關器件主要有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，可明顯降低柵極驅動功率，從而可使柵極驅動電路集成化；并且IGBT具有的極短的開關時間，可使系統(tǒng)具有快速響應能力，并減小了開關損耗，降低了噪聲，因此IGBT是很好的開關器件。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所示的電路拓撲結構可以在不打斷系統(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其它交流設備用逆變器單元
Prius THSⅡ空調系統(tǒng)使用了電機驅動的空氣壓縮機，取代了傳統(tǒng)的用發(fā)動機機械驅動的空氣壓縮機。為了驅動空氣壓縮機用電機，設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)。
4HEV對電力電子技術的要求
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及裝置應具有成本低、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，成為了控制策略設計者所需要解決的問題。
（4） 電力電子裝置控制問題
“高開關頻率”和“高采樣率”目前普遍應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結束語
本文結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在混合電動汽車中的應用情況，提出了需要重點考慮并解決的技術問題。
隨著電力電子技術、微電子技術和控制技術的發(fā)展，數(shù)字化交流驅動系統(tǒng)在商業(yè)化電動汽車中得到廣泛應用；而開發(fā)研制采用交流電機驅動系統(tǒng)的混合動力電動汽車，已經汽車工業(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。作為一種污染小和高效率的現(xiàn)代化交通工具，混合動力電動汽車將得一全面的發(fā)展和應用。
