- 各種類型電動汽車特點及其發(fā)展
- 混合動力電動汽車分類及特點
- HEV常用的電力電子技術及裝置
- HEV對電力電子技術的要求
- 采用IGBT器件，工作頻率高
- 相應提高電機額定頻率
- 采用DSP為核心的計算機控制系統(tǒng)
（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。
混合動力電動汽車簡介
當前世界汽車產(chǎn)業(yè)正處于技術革命和產(chǎn)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(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，目的是為了引導世界汽車技術的潮流。
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(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(chǎn)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(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)——THSⅡ”（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。
[page]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。
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)THSⅡ，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(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。
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1電動機/發(fā)電機用逆變器單元
在PriusTHSⅡ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。
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。
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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。
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(SystemVoltage)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。
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）。
4其它交流設備用逆變器單元
PriusTHSⅡ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)。
HEV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。
本文結合豐田汽車公司的最新一代混合動力電動汽車PriusTHSⅡ，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(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。
