HEV電力電子技術(shù)及其裝置

圖9為T(mén)HSⅡ系統中能量交換示意圖，圖9中發(fā)電機的功率為30kW，蓄電池組的瞬時(shí)功率為20kW，兩者聯(lián)合起來(lái)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。

這種系統具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于電機的最大輸出功率能力是與直流母線(xiàn)電壓成正比的，因此與原THS系統的202V供電工況相比，在不增加驅動(dòng)電流的情況下，THSⅡ系統中電機在 500V供電時(shí)，其最大輸出功率以及轉矩的輸出能力是原THS系統的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(xiàn)供電電壓可變系統，因此THSⅡ可以根據電動(dòng)機和發(fā)電機的實(shí)際需要，自由的調節直流母線(xiàn)供電電壓，從而選擇最優(yōu)的供電電壓，達到減少逆變器開(kāi)關(guān)損耗以及電動(dòng)機銅損的節能目的；

（3）對于供電電壓一定的蓄電池組來(lái)說(shuō)，由于可以通過(guò)調整升壓變壓器的輸出電壓的方式，來(lái)滿(mǎn)足電動(dòng)機和發(fā)電機的實(shí)際需要，因此從某種程度上講，可以減少蓄電池的使用數量，降低整車(chē)質(zhì)量。

圖9所示的DC—DC升壓變換器每個(gè)支路都并聯(lián)有2個(gè)IGBT模塊和續流二極管模塊，其中每個(gè)IGBT芯片的面積為255mm2(15mm× 15mm)，每個(gè)續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的正常工作的情況，保證蓄電池的充電和放電進(jìn)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電壓(System Voltage)不同于蓄電池組的輸出電壓，從而保證電動(dòng)機和發(fā)電機高電壓工作的同時(shí)，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(chē)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(chē)燈、制動(dòng)器等車(chē)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(guò)DC—DC降壓變換器來(lái)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(gè)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空調系統使用了電機驅動(dòng)的空氣壓縮機，取代了傳統的用發(fā)動(dòng)機機械驅動(dòng)的空氣壓縮機。為了驅動(dòng)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)續流二極管的商用IGBT（600V/30A），其中每個(gè)IGBT芯片的面積為22.1mm2 （4.7mm×4.7mm），每個(gè)續流二極管芯片的面積為9mm2(3mm×3mm)。

4HEV對電力電子技術(shù)的要求

受實(shí)際運用條件的限制，要求混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)用電力電子技術(shù)及裝置應具有成本低、體積小、比功率大、易于安裝的特點(diǎn)。除此之外，下面的技術(shù)細節需進(jìn)行重點(diǎn)考慮：

（1） 電力電子裝置密封問(wèn)題

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

（2） 電磁兼容/電磁干擾（EMC/EMI）問(wèn)題

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是一個(gè)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(jìn)行車(chē)載電力電子裝置設計時(shí)，為了消除將來(lái)的事故隱患，必須要很好的研究并解決EMC/EMI問(wèn)題。

（3） 直流母線(xiàn)電壓利用問(wèn)題

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)儲能系統的電壓是可變的，電壓的大小取決于汽車(chē)實(shí)際負載的大小、運行工況（電動(dòng)還是發(fā)電）以及電機是否弱磁運行等等，典型的母線(xiàn)電壓波動(dòng)范圍是標稱(chēng)值的-30%~+25%。因此如何在汽車(chē)工況頻繁變化的情況下，充分利用直流母線(xiàn)電壓，成為了控制策略設計者所需要解決的問(wèn)題。

（4） 電力電子裝置控制問(wèn)題

“高開(kāi)關(guān)頻率”和“高采樣率”目前普遍應用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的電力電子裝置和交流傳動(dòng)系統中，客觀(guān)上“雙高”需要高精度的編碼器和解算器，因此這就意味著(zhù)在電機中出現寬的溫度梯度和飽和狀態(tài)時(shí)，如何降低參數敏感度，以滿(mǎn)足控制的要求。

5、結束語(yǔ)

本文結合豐田汽車(chē)公司的最新一代混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)Prius THSⅡ，綜述了電力電子技術(shù)在混合電動(dòng)汽車(chē)中的應用情況，提出了需要重點(diǎn)考慮并解決的技術(shù)問(wèn)題。

隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，數字化交流驅動(dòng)系統在商業(yè)化電動(dòng)汽車(chē)中得到廣泛應用；而開(kāi)發(fā)研制采用交流電機驅動(dòng)系統的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，已經(jīng)汽車(chē)工業(yè)可持續發(fā)展的重要途徑之一。隨著(zhù)人類(lèi)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代化交通工具，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)將得一全面的發(fā)展和應用。