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。

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。

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。

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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。