混合動力電動汽車中電力電子技術應用綜述

摘要：文章綜述了混合動力電動汽車的發(fā)展和基本結構，在此基礎上，結合豐田汽車公司的最新一代混合動力電動汽車Prius THS Ⅱ，介紹了電力電子技術在混合動力電動汽車上的具體應用情況。最后，結合混合動力電動汽車的實際情況，提出了需要重點解決的問題。

關鍵詞：電動汽車 混合動力  功率電子  交流驅動  逆變器

1、  引言

　　電力電子技術是研究電力半導體器件實現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調配合，實現最佳能量分配，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。{{分頁}}

　　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：串聯式、并聯式和混聯式，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。{{分頁}}

　　并聯式混合動力系統(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，故稱為并聯式混合動力系統(tǒng)。

　　混聯式也稱串并聯式，它可以最大限度地發(fā)揮串聯式與并聯式的各自優(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。

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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有兩個IGBT模塊和二極管模塊。每個IGBT芯片的面積為133mm²（13.7mm