HEV電力電子技術(shù)及其裝置

1、引言

電力電子技術(shù)是研究電力半導體器件實(shí)現電能變換和控制的學(xué)科，它是一門(mén)電子、電力半導體器件和控制三者相互交叉而出現的新興緣學(xué)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(xué)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(kāi)關(guān)變換器的電路拓撲、建模、仿真、控制和應用；

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

電動(dòng)汽車(chē)（EV）作為清潔、高效和可持續發(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(shí)，電動(dòng)汽車(chē)作為電力電子技術(shù)的一個(gè)新的應用領(lǐng)域，涵蓋了DC/DC和DC/AC的全部變換，是實(shí)用價(jià)值非常高的運用領(lǐng)域。

2、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)簡(jiǎn)介

當前世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正處于技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)大調整的發(fā)展時(shí)期，安全、環(huán)保、節能和智能化成為汽車(chē)界共同關(guān)心的重大課題。為了使人類(lèi)社會(huì )和汽車(chē)工業(yè)持續發(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(lái)改善汽車(chē)和環(huán)境的協(xié)調性。

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

2.1各種類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)特點(diǎn)及其發(fā)展

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

純電動(dòng)汽車(chē)是單獨依靠蓄電池供電的，但目前動(dòng)力電池的性能和價(jià)格還沒(méi)有取得重大突破，因此，純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展沒(méi)有達到預期的目的；

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)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(shù)和研究還沒(méi)有取得重大突破，燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展也受到了限制。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是同時(shí)采用了電動(dòng)機和發(fā)動(dòng)機作為其動(dòng)力裝置，通過(guò)先進(jìn)的控制系統使兩種動(dòng)力裝置有機協(xié)調配合，實(shí)現最佳能量分配，達到低能耗、低污染和高度自動(dòng)化的新型汽車(chē)。自1995年以來(lái)，世界各大汽車(chē)生產(chǎn)商已將研究的重點(diǎn)轉向了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)，日本、美國和德國的大型汽車(chē)公司均開(kāi)發(fā)了包括轎車(chē)、面包車(chē)、貨車(chē)在內的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。

以作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)前沿的豐田汽車(chē)公司為例，所開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)已達到實(shí)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(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)Prius開(kāi)始，其后又在2002年推出了混合動(dòng)力面包車(chē)，該車(chē)混合動(dòng)力系統采用了世紀首次批量生產(chǎn)的電動(dòng)四輪驅動(dòng)及四輪驅動(dòng)力/制動(dòng)力綜合控制系統。2003年，豐田又推出了新一代Prius，也被稱(chēng)為“新時(shí)代豐田混合動(dòng)力系統——THS Ⅱ”（見(jiàn)圖1），節能效果可達到100km油耗不足3L。從2004年開(kāi)始，豐田公司向歐洲市場(chǎng)推出了一款新的Lexus RX型豪華混合動(dòng)力轎車(chē)。豐田公司計劃2012年全部采用汽油電力混合發(fā)動(dòng)機，以提高燃油經(jīng)濟性和降低排放污染。


2.2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)分類(lèi)及特點(diǎn)

根據按照發(fā)動(dòng)機與電動(dòng)機的不同組合工作方式，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)主要可以分為三類(lèi)：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(dòng)力類(lèi)型中電動(dòng)機與發(fā)動(dòng)機的功率分配情況：

在串聯(lián)式混合動(dòng)力系統中，由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)發(fā)電機，利用發(fā)出的電能由電動(dòng)機驅動(dòng)車(chē)輪。即，發(fā)動(dòng)機所發(fā)出的動(dòng)能全部要先轉換成電能，利用這一電能使車(chē)輛行駛。

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統采用的是發(fā)動(dòng)機與電動(dòng)機驅動(dòng)車(chē)輪，根據情況來(lái)運用這兩個(gè)動(dòng)力源，由于動(dòng)力源是并行的，故稱(chēng)為并聯(lián)式混合動(dòng)力系統。

混聯(lián)式也稱(chēng)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?xún)?yōu)點(diǎn)，豐田的Prius系列的混合動(dòng)力系統采用的就是這種工作方式。工作時(shí)，利用動(dòng)力分配器分配發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力：一方面直接驅動(dòng)車(chē)輪，另一方面自主地控制發(fā)電。由于要利用電能驅動(dòng)電動(dòng)機，所以與并聯(lián)式相比，電動(dòng)機的使用比率增大了。

3、HEV常用的電力電子技術(shù)及裝置

本文結合起來(lái)豐田新一代混合動(dòng)力系統THS Ⅱ，具體研究發(fā)電力電子技術(shù)在HEV中的應用情況。THSⅡ的整車(chē)電氣驅動(dòng)系統（見(jiàn)圖4）主要由采用AtkinSon 循環(huán)的高效發(fā)動(dòng)機、永磁交流同步電動(dòng)機、發(fā)電機、動(dòng)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(jiàn)圖5），該單元集成了DSP控制器、驅動(dòng)和保護電路、直流穩壓電容、半導體、絕緣體、傳感器、液體冷卻回路以及和汽車(chē)通信的CAN總線(xiàn)接口。

3.1電動(dòng)機/發(fā)電機用逆變器單元

在Prius THS Ⅱ主驅動(dòng)系統中，電動(dòng)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(gè)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(xiàn)最大供電電壓被設定為500V。功率器件選用帶有反并聯(lián)續流二極管的商用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(shí)短路的能力。

電動(dòng)機用逆變器的每個(gè)橋臂都是由并聯(lián)有兩個(gè)IGBT模塊和二極管模塊。每個(gè)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(gè)二極管芯片的面積為90mm2(8.2mm×11mm)。

目前，電動(dòng)汽車(chē)普遍采用PWM控制的電壓型逆變器，這種逆變器具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)，同時(shí)PWM逆變器呈現出以下幾種發(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(dòng)是的電流沖擊，當前國外應用的最高開(kāi)關(guān)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(mǎn)足運行要求的同時(shí)，減少電機的體積和重量，提高功率比。目前國外電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)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，能夠實(shí)現可靠的矢量控制和運算，電機可做到快速恒力矩起動(dòng)及弱磁高速運行，這種控制系統穩定，電流沖擊小，控制效率高。

除了以上傳統的PWM控制技術(shù)外，最近出現了諧振直流環(huán)節變換器和高頻諧振交流環(huán)節變換器。采用零電壓或零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)的諧振式變換器具有開(kāi)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(diǎn)，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(kāi)關(guān)器件主要有GTO、BJT、MOSFET、IGBT和MCT等，由于IGBT集BJT和MOSFET特點(diǎn)于一體，所具有的高阻抗壓控柵極，可明顯降低柵極驅動(dòng)功率，從而可使柵極驅動(dòng)電路集成化；并且IGBT具有的極短的開(kāi)關(guān)時(shí)間，可使系統具有快速響應能力，并減小了開(kāi)關(guān)損耗，降低了噪聲，因此IGBT是很好的開(kāi)關(guān)器件。MCT也是一個(gè)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(zhù)MCT新型制造工藝的完善和新材料的使用，未來(lái)的MCT在電動(dòng)汽車(chē)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(guò)逆變器直接與電機和發(fā)電機相連（見(jiàn)圖8）；而THSⅡ中，蓄電池組輸出的電壓首先通過(guò)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(xiàn)電壓從原THS的220V提升為現在的500V。