混合动力电动汽车中电力电子技术应用综述
日期：2008-12-15 23:29:02 来源：中国自动化网
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1 引言
电力电子技术是研究应用电力半导体器件实现电能变换和控制的学科，它是一门由电子、电力半导体器件和控制三者相互交叉而出现的新兴边缘学科。它研究的内容非常广泛，主要包括电力半导体器件、磁性材料、电力电子电路、控制集成电路以及由其组成的电力变换装置。目前，电力电子学研究的主要方向是[1>：
（1）电力半导体器件的设计、测试、模型分析、工艺及仿真等；
（2）电力开关变换器的电路拓扑、建模、仿真、控制和应用；
（3）电力逆变技术及其在电气传动、电力系统等工业领域中的应用等。
电动汽车（EV）作为清洁、高效和可持续发展的交通工具，既对改善空气质量、保护环境具有重大意义，又对日益严重的石油危机提供了解决方法；同时，电动汽车作为电力电子技术的一个新的应用领域，涵盖了DC／DC和DC／AC的全部变换，是实用价值非常高的运用领域[2>。
2 混合动力电动汽车简介
当前世界汽车产业正处于技术革命和产业大调整的发展时期，安全、环保、节能和智能化成为汽车界共同关心的重大课题。为了使人类社会和汽车工业持续发展，世界各国尤其是发达国家和部分发展中国家都在研究各种新技术来改善汽车和环境的协调性。
电动汽车作为21世纪汽车工业改造和发展的主要方向，目前已从实验室开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段，世界上许多知名汽车厂家都推出了具有高科技水平的安全或环保型概念车，目的是为了引导世界汽车技术的潮流。
2.1 各种类型电动汽车特点及其发展
根据所使用的动力源不同，电动汽车大致可分为三类：蓄电池电动汽车或纯电动汽车(Battery Electric Vehicle)、以氢气为能源的燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle）和混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle）。
纯电动汽车是单独依靠蓄电池供电的，但目前动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，因此，纯电动汽车的发展没有达到预期的目的；
燃料电池电动汽车具有能量转化率高、不污染环境、使用寿命长等不可比拟的优势。但是由于目前燃料电池技术和研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制；
混合动力电动汽车是同时采用了电动机和发动机作为其动力装置，通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车。自1995年以来，世界各大汽车生产商已将研究的重点转向了混合动力电动汽车的研究和开发，日本、美国和德国的大型汽车公司均开发了包括轿车、面包车、货车在内的混合动力电动汽车。
以作为混合动力电动汽车研发前沿的丰田汽车公司为例，所开发的混合动力电动汽车已达到实用化水平，自1997年所推出的世界上第一款批量生产的混合动力电动汽车Prius开始，其后又在2002年推出了混合动力面包车，该车混合动力系统采用了世纪首次批量生产的电动四轮驱动及四轮驱动力/制动力综合控制系统。2003年，丰田又推出了新一代Prius，也被称为“新时代丰田混合动力系统统——THS II”（见图1），节能效果可达到100km油耗不足3L。从2004年开始，丰田公司向欧洲市场推出了一款新的Lexus RX型豪华混合动力轿车。丰田公司计划2012年全部采用汽油电力混合发动机，以提高燃油经济性和降低排放污染。
图1 丰田新一代混合动力电动汽车Prius THSII
2.2 混合动力电动汽车分类及特点
根据按照发动机与电动机的不同组合工作方式方式，混合动力电动汽车主要可以分为3类：串联式、并联式和混联式[3>，基本结构如图2所示。
图2 混合动力电动汽车基本结构
图3所示为不同混合动力类型中电动机与发动机的功率分配情况：
图3 不同工作模式中电动机与发动机的功率分配示意图
在串联式混合动力系统中，由发动机驱动发电机，利用发出的电能由电动机驱动车轮。即，发动机所发出的动能全部要先转换成电能，利用这一电能使车辆行驶。
并联式混合动力系统采用的是发动机与电动机驱动车轮，根据情况来运用这两个动力源，由于动力源是并行的，故称为并联式混合动力系统。
混联式也称串并联式，它可以最大限度地发挥串联式与并联式的各自优点，丰田的Prius系列的混合动力系统采用的就是这种工作方式。工作时，利用动力分配器分配发动机的动力：一方面直接驱动车轮，另一方面自主地控制发电。由于要利用电能驱动电动机，所以与并联式相比，电动机的使用比率增大了。
3 HEV常用的电力电子技术及装置
本文结合丰田新一代混合动力系统THSⅡ，具体研究了电力电子技术在HEV中的应用情况。THSⅡ的整车电气驱动系统（见图4）主要由采用AtkinSon 循环的高效发动机、永磁交流同步电动机、发电机、动力分配装置、高性能镍金属氢化物（NI-MH）电池、控制管理单元以及各相关逆变器和DC-DC变换器等部件组成。
高压电源电路、各种逆变器和14V蓄电池用辅助DC-DC变换器组成了功率控制单元（见图5），该单元集成了DSP控制器、驱动和保护电路、直流稳压电容、半导体、绝缘体、传感器、液体冷却回路以及和汽车通信的CAN总线接口。
下面我们主要介绍功率控制单元的结构组成和主要作用[4>[5>。
图4 Prius THSII整车电气系统结构
图5 Prius THSII功率控制单元
3.1 电动机/发电机用逆变器单元
在Prius THS II主驱动系统中，电动机和发电机所用三相电压型逆变器（功率分别为50kW和30kW）被集成在一个模块上（如图6所示，逆变器的电气结构图如图7所示），直流母线最大供电电压被设定为500V。功率器件选用带有反并联续流二极管的商用IGBT（850V/200A），该功率等级的IGBT具有足以承受最大500V反压的能力，以及其它诸如雪崩击穿、瞬时短路的能力。
图6 电动机和发电机用逆变器集成模块
图7 功率主回路示意图
电动机用逆变器的每个桥臂都是由并联有两个IGBT模块和二极管模块组成，而发电机用逆变器的每个桥臂只包含有一个IGBT模块和二极管模块。每个IGBT芯片的面积为133mm2 (13.7mm×9.7mm)，并且发射极使用了5um厚的铝膜；而每个二极管芯片的面积为90mm2 (8.2mm×11mm)。
目前，电动汽车普遍采用PWM控制的电压型逆变器，这种逆变器具有线路简单、效率高的特点，同时PWM逆变器呈现出以下几种发展趋势：
（1）通常采用IGBT器件，工作频率高，并减少了低频谐波分量和起动时的电流冲击，当前国外应用的最高开关频率已达20 kHz；
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电力电子技术是研究应用电力半导体器件实现电能变换和控制的学科，它是一门由电子、电力半导体器件和控制三者相互交叉而出现的新兴边缘学科。它研究的内容非常广泛，主要包括电力半导体器件、磁性材料、电力电子电路、控制集成电路以及由其组成的电力变换装置。目前，电力电子学研究的主要方向是[1>：
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（1）电力半导体器件的设计、测试、模型分析、工艺及仿真等；
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（2）电力开关变换器的电路拓扑、建模、仿真、控制和应用；
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（3）电力逆变技术及其在电气传动、电力系统等工业领域中的应用等。
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电动汽车（EV）作为清洁、高效和可持续发展的交通工具，既对改善空气质量、保护环境具有重大意义，又对日益严重的石油危机提供了解决方法；同时，电动汽车作为电力电子技术的一个新的应用领域，涵盖了DC／DC和DC／AC的全部变换，是实用价值非常高的运用领域[2>。
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当前世界汽车产业正处于技术革命和产业大调整的发展时期，安全、环保、节能和智能化成为汽车界共同关心的重大课题。为了使人类社会和汽车工业持续发展，世界各国尤其是发达国家和部分发展中国家都在研究各种新技术来改善汽车和环境的协调性。
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电动汽车作为21世纪汽车工业改造和发展的主要方向，目前已从实验室开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段，世界上许多知名汽车厂家都推出了具有高科技水平的安全或环保型概念车，目的是为了引导世界汽车技术的潮流。
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2.1 各种类型电动汽车特点及其发展
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纯电动汽车是单独依靠蓄电池供电的，但目前动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，因此，纯电动汽车的发展没有达到预期的目的；
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燃料电池电动汽车具有能量转化率高、不污染环境、使用寿命长等不可比拟的优势。但是由于目前燃料电池技术和研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制；
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混合动力电动汽车是同时采用了电动机和发动机作为其动力装置，通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车。自1995年以来，世界各大汽车生产商已将研究的重点转向了混合动力电动汽车的研究和开发，日本、美国和德国的大型汽车公司均开发了包括轿车、面包车、货车在内的混合动力电动汽车。
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以作为混合动力电动汽车研发前沿的丰田汽车公司为例，所开发的混合动力电动汽车已达到实用化水平，自1997年所推出的世界上第一款批量生产的混合动力电动汽车Prius开始，其后又在2002年推出了混合动力面包车，该车混合动力系统采用了世纪首次批量生产的电动四轮驱动及四轮驱动力/制动力综合控制系统。2003年，丰田又推出了新一代Prius，也被称为“新时代丰田混合动力系统统——THS II”（见图1），节能效果可达到100km油耗不足3L。从2004年开始，丰田公司向欧洲市场推出了一款新的Lexus RX型豪华混合动力轿车。丰田公司计划2012年全部采用汽油电力混合发动机，以提高燃油经济性和降低排放污染。
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2.2 混合动力电动汽车分类及特点
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根据按照发动机与电动机的不同组合工作方式方式，混合动力电动汽车主要可以分为3类：串联式、并联式和混联式[3>，基本结构如图2所示。
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图3所示为不同混合动力类型中电动机与发动机的功率分配情况：
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在串联式混合动力系统中，由发动机驱动发电机，利用发出的电能由电动机驱动车轮。即，发动机所发出的动能全部要先转换成电能，利用这一电能使车辆行驶。
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并联式混合动力系统采用的是发动机与电动机驱动车轮，根据情况来运用这两个动力源，由于动力源是并行的，故称为并联式混合动力系统。
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在Prius THS II主驱动系统中，电动机和发电机所用三相电压型逆变器（功率分别为50kW和30kW）被集成在一个模块上（如图6所示，逆变器的电气结构图如图7所示），直流母线最大供电电压被设定为500V。功率器件选用带有反并联续流二极管的商用IGBT（850V/200A），该功率等级的IGBT具有足以承受最大500V反压的能力，以及其它诸如雪崩击穿、瞬时短路的能力。
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电动机用逆变器的每个桥臂都是由并联有两个IGBT模块和二极管模块组成，而发电机用逆变器的每个桥臂只包含有一个IGBT模块和二极管模块。每个IGBT芯片的面积为133mm2 (13.7mm×9.7mm)，并且发射极使用了5um厚的铝膜；而每个二极管芯片的面积为90mm2 (8.2mm×11mm)。
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（1）通常采用IGBT器件，工作频率高，并减少了低频谐波分量和起动时的电流冲击，当前国外应用的最高开关频率已达20 kHz；
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