论文“汽车电力电子技术”

摘要：介绍汽车电力电子技术产生的背景，详细阐述汽车电力电子技术的研究对象及其在汽车各个层面的主要研究课题。汽车电力电子技术是各类电动汽车深入发展的技术理论基础，推动了电动汽车的飞速发展。

　　一、前言

　　汽车电力电子技术产生的背景20世纪90年代以前，在汽车领域中的电力传动，主要是直流电力传动，只用于重型矿用自卸汽车。1990年美国加利福尼亚州为严格控制大气污染，颁布零排放汽车ZEV（Zero Emission Vehicle）法规，并规定了7家主要汽车制造公司（都是在加州有汽车销售的公司）从1998年起的销售义务：1998年所销售的汽车中，ZEV车必须占2％；2003年必须达到10％。从此美、日汽车制造公司便掀起一场制造纯电动汽车的竞争热潮，并很快在开发高性能铅酸蓄电池、交流电动机、交流传动和逆变器（Converter）等方面取得了进展。虽然在行驶性能方面，初期的纯电动汽车要比传统的往复式汽油机汽车还优秀，可是却由于它在每次充电后的续行距离、充电设施以及整车制造和使用成本等方面存在严重问题而无法普及。于是各公司开始将精力转到混合动力汽车HEV（Hybrid Electrical Vehicle）和燃料电池汽车FCV（Fuel Cell Vehicle）的研发。

　　1997年，丰田公司率先推出实现了批量生产的第一代普锐斯（Prius）牌（NHW10型）混合动力汽车。从此，交流电力传动被正式引入到乘用汽车传动中，于是电力技术领域中有关电能的产生、变换、传输、存储等过程的技术以及控制这些过程的技术与装置也就随之进入汽车技术领域。与传统的往复式内燃机汽车不同，电动汽车电路已不再是只含有几个功率1kW左右直流电机的12V/14V单一电压的“弱电”电路，而是发展为含有2～6个电压为500～650V、功率高达20～60kW、转速高达15000r/min的永磁式交流同步伺服电机的电动轮或驱动电动机，高压动力蓄电池组（201.6V）以及逆变器组成的（500～650）V/201.6V两种电压的“强电”电力电路，再加上以下6个控制系统。

　　a.电源控制系统包括驱动电动机/发电机、蓄电装置、整流与逆变装置的控制系统。

　　b.与发动机、底盘各总成有关的控制系统具有高数据传送率（传送速率具有百数十kb/s～1Mb/s）的控制器局域网CAN（Controller Area Network）、本地互联网LIN（Local Interconnect Network）总线系统。

　　c.与车身总成各控制系统有关的控制系统具有低数据传送率（传送速率只有十数～100kb/s）的CAN、LIN总线控制系统。

　　d.与通讯系统相关的控制系统MOST（数据传送速率为24Mb/s）或IEEE1394（数据传送速率分别为100Mb/s、200Mb/s、400Mb/s）的光纤通讯控制系统。

　　e.第二代车载诊断系统（OBDⅡ）。

　　f.自适应ACC（Adaptive Cruise Control）系统。

　　上述6个系统通过网关（Gate Way）联系在一起，构成12V/14V单一电压的“弱电”串行车载控制网络（In-Vehicle Network）。于是一门跨汽车、电力、电子和自动控制4个学科的新兴技术——汽车电力电子技术便应运而生。

　　二、汽车电力电子技术的研究对象和主要课题

　　（一）研究对象

　　汽车电力电子技术是以混合动力汽车HEV、燃料电池汽车FCV和纯电动汽车（Pure）EV为对象，运用电力电子学理论，通过对车载电力传动系统的交流化、高压化和对车载电力系统的精细控制，研究如何对它们进行特有的高效控制；如何使整车的起动力矩加大，而又不使能耗和排放变坏；遇到障碍物时，如何加大制动力矩；如何控制电动机/电动轮的再生制动，使其与液压机械盘式制动器匹配；如何进行高比率的急加、减速；当转矩频繁变动时，如何控制扭转振动；又如何控制蓄电池组的充放电等等。

　　（二）主要课题

　　1．传动系统层面

　　汽车电力电子技术在传动系统层面，最具代表性的研究课题就是研究如何使由电动机/发电机/电动轮（或称轮毂电动机）-蓄电池-逆变器和DC/DC直流变压器构成的交流电力传动系统，在电能的产生、输送和使用等方面都有很高的效率，在汽车的各种不同工况下，都能得到所期望的最佳能量供应形式和最佳的控制；在各类混合动力汽车的情况下，怎样才能使交流电力传动系统都能与内燃机驱动系统形成最佳的混合动力传动系统[按电力传动功率在混合动力汽车行驶中所占的比例，可将混合动力汽车分为4类：微少混合动力（Micro Hybrid）、低等混合动力（Mild Hybrid）、中等混合动力（Medium Hybrid）和完全混合动力（Full Hybrid）。

　　2．控制子系统层面

　　在控制子系统层面，要研究电动机-逆变器的子控制系统。基于车辆控制指令，由高速至低速，如何在非常宽阔的速度范围内进行高速精细调节转矩；对混合动力汽车，还要研究当减速或制动时，功率分流装置如何分流出多余的功率，用以驱动发电机再生发电，对动力蓄电池组充电；还要研究动力蓄电池组控制子系统，如何对蓄电池组进行常时监控，把动力蓄电池组的残存容量SOC（State of Charge）、容许放电电流和劣化指数等信息传送给车辆控制器，使混和动力汽车中的发电机输出功率、驱动电动机牵引机械输出功率、再生发电输出功率，或纯电动汽车中各电动轮的牵引机械输出功率均根据动力蓄电池组的状态进行控制；在电动汽车中，通常要对串联起来的数个单体蓄电池（Cell）设置单体蓄电池控制器（CC），在监视各单体蓄电池有无过放电、过充电的同时，还能在某个单体蓄电池的电压高于其他单体蓄电池的电压时，对其电压进行调整，进行平衡补偿。

　　系统中CC的上一级控制器（BC）可推断出蓄电池模块的全电压和电流，以及与温度相关的残存容量SOC；由于镍氢蓄电池存在“记忆效应”，为使混合动力汽车中的镍氢蓄电池组能长时间地充放电，如何使它总是能处于希望的“中间状态”，即当电动机牵引的频度增多时，SOC可到20％，并且直到由于SOC的剩余不足而抑制牵引；同样，当再生发电的频度增多时，一旦SOC达到80％，便会抑制再生发电；在混合动力汽车的实际控制系统中，要研究车辆控制器如何对蓄电池组和电动机-逆变器-发电机进行效率良好的控制，以期对动力蓄电池组的残存容量SOC进行协调控制。

　　3．电路层面

　　在电路层面，要重点研究、开发电动汽车上专用的相控整流电路、有源逆变与相控变流电路、硬脉冲宽度调制（PWM）开关和软PWM开关条件下的各类变换电路：如DC/DC，DC/AC，AC/AC，AC/DC等变换电路；要依据上述各电路的基本原理、电路特点、波形分析，研究在车辆各种工况下对它们的工作影响和进行初步设计计算；还要研究开发用于电动汽车的谐振电路、交流调压电路与交交变频电路等其他各种电路的结构和控制方法。

　　4．元器件层面

　　在元器件层面，要研究驱动电动机/电动轮如何才能具有小型、轻量、结构简单、高效率、高功率输出；如何改善目前广泛使用的永磁式同步电动机性能：如何设置永久磁铁的位置和辅助磁极（辅助凸极），改变磁力线通过方式，使永久磁铁形成的转矩和辅助磁极形成的转矩两者的合成力矩，能弥补常规永磁式同步电动机在高速区域运行时转矩会因感应电压而减小的缺点，从而使驱动电动机/电动轮能有高效率；还要研究、开发车载电力系统中的全控型电力电子器件和装置：包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR或BJT）、绝缘栅两极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、功率金属氧化物场效应晶体管（Power MOSFET）、MOS控制晶闸管MCT44、集成门极换流晶闸管IGCT45、静电感应晶闸管SITH48以及智能功率模块IPM49等大功率开关器件，以及各种采用了高新技术（包括纳米技术）的高能量密度的锂离子蓄电池、锂离子电力电容器和镍氢蓄电池；要研究各种电力电子元器件的特性和使用方法及使用中的保护措施。

　　5．整车层面

　　在整车层面，各类电动汽车的可靠性、电磁兼容（EMC）性和生产成本也是汽车电力电子技术的重要研究课题。各类电动汽车的电力电子系统必须能在-40～105℃的环境温度变化范围内，以及在潮湿、多雨、多风沙、沿海盐雾地区、高海拔地区等极为恶劣的气象和温度的环境下使用可靠。功率半导体模块和电解电容必须克服在上述气象、温度、海拔和各种苛刻工况条件下所释放出的大量热能。另外，对于电路中的连接器，在设计时还要考虑车辆行驶过程中可能产生的强烈振动，必须抗振、防振；电力、电子系统还要有能克服盐雾和水的封装要求。

　　各类电动汽车的电力传动系统的主电压目前普遍高达500V以上，因此绝缘安全和屏蔽成为必须解决的问题。特别是系统中的IGBT、逆变器和DC/DC变换器，它们的快速整流特性和变频、变流特性所造成的电磁干扰影响很难根除。如果对电压和电流的快速暂态变化所造成的电磁辐射和噪声处理不当，很可能会对距离这些设备较近的电子设备和车载网络产生严重影响甚至造成故障。有报道说，快速整流还有可能导致混合动力汽车中的发动机内线圈失效。因此，在各类电动汽车中，不仅交流电力传动系统中的各子系统必须具有屏蔽绝缘措施，而且连接其各器件间的线束（Harness）和主线束以及插接件（Connector）也必须是耐高压绝缘、屏蔽的。为此，必须研发新一代高压绝缘屏蔽线束，必须在现有金属编织网屏蔽线束的基础上，采取进一步措施，并在屏蔽线与其插接件之间采取屏蔽措施。

　　迄今为止，汽车电力电子技术尚处于初期阶段，对于电磁干扰（对车内各种装置和车外环境的电磁兼容性EMC），尚需进行很多的研究和开发。进而使电动汽车的设计能满足严格的汽车电磁干扰标准。

　　各类电动汽车的电力电子系统制造成本是它们能否被消费者接受的最大的问题。只有在性价比大大优于传统内燃机汽车情况下，才能得以推广普及。据测算，第二代纯电动汽车——锂离子蓄电池-电动轮汽车，在生产规模超过20万辆/年的情况下，有可能使生产成本降至当前水平的1/4，与传统内燃机汽车的生产成本相差无几，甚至还要低很多。若想迅速达到这种理想结果，必须由政府引导，“官产学研”或“产学研”结合，整车生产商或综合电力、电机企业牵头，汽车、电机、电子、冶金、化工各相关行业密切配合，才能完成上述非常艰巨的任务。

　　三、汽车电力电子技术推动电动汽车的发展

　　汽车电力电子技术是各类电动汽车深入发展的技术理论基础。基于汽车电力电子技术的最新成就，通过电力传动系统的交流化、高压化和对电力系统的精确控制，以及非混合动力系统的轻量化[包括采用超轻钢制车身（ULSAB-***C）技术]、线控系统（X-by wire）等诸多技术，使各类电动汽车近年来获得飞速发展。

　　以丰田公司生产的混合动力汽车为例，2000年5月推出的改进型（NHW11）普锐斯（Prius）牌混合动力汽车，与1997年最初的NHW10型车相比，与混合动力系统相关的零部件减轻125kg；随后，以汽车电力电子技术理论为指导，开发出所谓THSⅡ技术，使2003年9月面世的第二代普锐斯NHW20型车的整备质量再降125kg。从而与传统的同一等级、同一车长的普通汽油车的整备质量（平均为1260kg）处于同一水平。第二代普锐斯车的与混合动力系统相关的总成和零部件质量比第一代车减少48kg，其中蓄电池组的质量由76kg减至42kg；电动机和变速驱动桥由50kg减至40kg，并且电力传动系统的效率更高，与汽车的各种行驶工况更加匹配，节油效果和排放再创佳绩。

　　普锐斯混合动力汽车目前受到各国普遍欢迎，2004年向世界各国出口125472辆，其中单是向美国的出口量就达到53991辆，2005年前7个月向美国的出口量就已达到61042辆。在普锐斯混合动力汽车成功的基础上，丰田公司又开发出多种混合动力汽车：如克鲁格（Kluger）牌SUV车、哈里尔（Harrier）牌SUV车和采用THS-C（Toyota Hybrid System-CVT）技术的阿尔法（Alpha）牌MPV车以及戴娜（Dyna）牌柴油机混合动力载货汽车。本田公司则依据汽车电力电子技术，开发出IMA技术（属于中等混合动力Medium Hybrid）用于因塞特（Insight）、思域（Civic）、雅阁（Accord）3种牌号的轿车上。

　　2005年三菱汽车公司、庆应义塾大学更是基于汽车电力电子技术分别开发出锂离子蓄电池电动轮轿车——第二代纯电动汽车。

　　一些学者、大型电机和汽车制造厂商预言：正像铁路上的蒸汽机车、内燃机车相继被电力机车取代一样，电动汽车将于2010年前后逐步取代已存在100余年的内燃机汽车。