中心議題：

• HEV電力電子技術及其裝置

解決方案：

• 設計了一種小功率逆變器
• 利用數字化交流驅動係統

 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製的學科，它是一門電子、電力半導體器件和控製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、控製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
、控製和應用
；

（3） 電力逆變技術及其在電氣傳動
、電力係統等工業領域中的應用等。

電動汽車（EV）作為清潔、高效和可持續發展的交通工具，既對改善空氣質量
、保護環境具有重大意義，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

當前世界汽車產業正處於技術革命和產業大調整的發展時期，安全、環保、節(jie)能(neng)和(he)智(zhi)能(neng)化(hua)成(cheng)為(wei)汽(qi)車(che)界(jie)共(gong)同(tong)關(guan)心(xin)的(de)重(zhong)大(da)課(ke)題(ti)。為(wei)了(le)使(shi)人(ren)類(lei)社(she)會(hui)和(he)汽(qi)車(che)工(gong)業(ye)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)
，世(shi)界(jie)各(ge)國(guo)尤(you)其(qi)是(shi)發(fa)達(da)國(guo)家(jia)和(he)部(bu)分(fen)發(fa)展(zhan)中(zhong)國(guo)家(jia)都(dou)在(zai)研(yan)究(jiu)各(ge)種(zhong)新(xin)技(ji)術(shu)來(lai)改(gai)善(shan)汽(qi)車(che)和(he)環(huan)境(jing)的(de)協(xie)調(tiao)性(xing)。

電動汽車作為21世shi紀ji汽qi車che工gong業ye改gai造zao和he發fa展zhan的de主zhu要yao方fang向xiang

，目mu前qian已yi從cong實shi驗yan開kai發fa試shi驗yan階jie段duan過guo渡du到dao商shang品pin性xing試shi生sheng產chan階jie段duan，世shi界jie上shang許xu多duo知zhi名ming汽qi車che廠chang家jia都dou推tui出chu了le具ju有you高gao科ke技ji水shui平ping的de安an全quan或huo環huan保bao型xing號hao概gai念nian車che，目mu的de是shi為wei了le引yin導dao世shi界jie汽qi車che技ji術shu的de潮chao流liu。

2.1各種類型電動汽車特點及其發展

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）。

chundiandongqicheshidanduyikaoxudianchigongdiande，danmuqiandonglidianchidexingnenghejiagehaimeiyouqudezhongdatupo，yinci
，chundiandongqichedefazhanmeiyoudadaoyuqidemude；

燃料電池電動汽車具有能量轉化率高、不汙染環境、使用壽命等不可比擬的優勢。但是由於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展也受到了限製。

混hun合he動dong力li電dian動dong汽qi車che是shi同tong時shi采cai用yong了le電dian動dong機ji和he發fa動dong機ji作zuo為wei其qi動dong力li裝zhuang置zhi，通tong過guo先xian進jin的de控kong製zhi係xi統tong使shi兩liang種zhong動dong力li裝zhuang置zhi有you機ji協xie調tiao配pei合he
，實shi現xian最zui佳jia能neng量liang分fen配pei，達da到dao低di能neng耗hao、低汙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，日本、美國和德國的大型汽車公司均開發了包括轎車、麵包車、貨車在內的混合動力電動汽車。

以作為混合動力電動汽車研發前沿的豐田汽車公司為例，所開發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
，其後又在2002年推出了混合動力麵包車，該車混合動力係統采用了世紀首次批量生產的電動四輪驅動及四輪驅動力/製動力綜合控製係統。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係統——THS Ⅱ”（見圖1），節能效果可達到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動機，以提高燃油經濟性和降低排放汙染。 [page]
2.2混合動力電動汽車分類及特點

根據按照發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、並聯式和混聯式，基本結構如圖2所示。
在zai串chuan聯lian式shi混hun合he動dong力li係xi統tong中zhong
，由you發fa動dong機ji驅qu動dong發fa電dian機ji，利li用yong發fa出chu的de電dian能neng由you電dian動dong機ji驅qu動dong車che輪lun。即ji，發fa動dong機ji所suo發fa出chu的de動dong能neng全quan部bu要yao先xian轉zhuan換huan成cheng電dian能neng，利li用yong這zhe一yi電dian能neng使shi車che輛liang行xing駛shi。

並(bing)聯(lian)式(shi)混(hun)合(he)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)發(fa)動(dong)機(ji)與(yu)電(dian)動(dong)機(ji)驅(qu)動(dong)車(che)輪(lun)
，根(gen)據(ju)情(qing)況(kuang)來(lai)運(yun)用(yong)這(zhe)兩(liang)個(ge)動(dong)力(li)源(yuan)，由(you)於(yu)動(dong)力(li)源(yuan)是(shi)並(bing)行(xing)的(de)，故(gu)稱(cheng)為(wei)並(bing)聯(lian)式(shi)混(hun)合(he)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)。

混聯式也稱串並聯式
，它可以最大限度地發揮串聯式與並聯式的各自優點
，豐田的Prius係列的混合動力係統采用的就是這種工作方式。工作時，利用動力分配器分配發動機的動力：一方麵直接驅動車輪
，另一方麵自主地控製發電。由於要利用電能驅動電動機

，所以與並聯式相比

，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係統THS Ⅱ，具體研究發電力電子技術在HEV中的應用情況。THSⅡ的整車電氣驅動係統（見圖4）主要由采用AtkinSon 循環的高效發動機、永磁交流同步電動機、發電機
、動力分配裝置、高性能鎳金屬氫化物（NI—MH）電池、控製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製單元（見圖5），該單元集成了DSP控製器、驅動和保護電路、直流穩壓電容、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/發電機用逆變器單元

在Prius THS Ⅱ主驅動係統中
，電動機和發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並聯續流二極管的商用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。
[page] 電動機用逆變器的每個橋臂都是由並聯有兩個IGBT模塊和二極管模塊。每個IGBT芯片的麵積為133mm2（13.7mm×9.7mm），並且發射極使用了5μm 厚的鋁膜
；而每個二極管芯片的麵積為90mm2(8.2mm×11mm)。

目前，電動汽車普遍采用PWM控製的電壓型逆變器，這種逆變器具有線路簡單、效率高的特點，同時PWM逆變器呈現出以下幾種發展趨勢：

（1） 通常采用IGBT器件
，工作頻率高，並減少了低頻諧波分量和起動是的電流衝擊，當前國外應用的最高開關頻率已達20kHz；

（2）電(dian)機(ji)額(e)定(ding)頻(pin)率(lv)相(xiang)應(ying)提(ti)高(gao)了(le)
，擴(kuo)大(da)了(le)調(tiao)速(su)範(fan)圍(wei)
，在(zai)更(geng)好(hao)地(di)滿(man)足(zu)運(yun)行(xing)要(yao)求(qiu)的(de)同(tong)時(shi)
，減(jian)少(shao)電(dian)機(ji)的(de)體(ti)積(ji)和(he)重(zhong)量(liang)，提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)比(bi)。目(mu)前(qian)國(guo)外(wai)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)專(zhuan)用(yong)電(dian)機(ji)的(de)最(zui)高(gao)額(e)定(ding)頻(pin)率(lv)已(yi)達(da)500Hz
；

（3）采用DSP為(wei)核(he)心(xin)的(de)計(ji)算(suan)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)可(ke)靠(kao)的(de)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)和(he)運(yun)算(suan)，電(dian)機(ji)可(ke)做(zuo)到(dao)快(kuai)速(su)恒(heng)力(li)矩(ju)起(qi)動(dong)及(ji)弱(ruo)磁(ci)高(gao)速(su)運(yun)行(xing)，這(zhe)種(zhong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)穩(wen)定(ding)，電(dian)流(liu)衝(chong)擊(ji)小(xiao)，控(kong)製(zhi)效(xiao)率(lv)高(gao)。

除了以上傳統的PWMkongzhijishuwai，zuijinchuxianlexiezhenzhiliuhuanjiebianhuanqihegaopinxiezhenjiaoliuhuanjiebianhuanqi。caiyonglingdianyahuolingdianliukaiguanjishudexiezhenshibianhuanqijuyoukaiguansunhaoxiao、電磁幹擾小
、低噪聲
、高功率密度和高可靠性等優點，引起研究人員廣泛的興趣。

目前應用於功率變換器的常用電子開關器件主要有GTO、BJT、MOSFET、IGBT和MCT等，由於IGBT集BJT和MOSFET特點於一體，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；並且IGBT具有的極短的開關時間，可使係統具有快速響應能力，並減小了開關損耗，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的額定值還有待於提高；但是由於MCT具有低的導壓降，因此隨著MCT新型製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。

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，然後再與逆變器相連，因此逆變器的直流母線電壓從原THS的220V提升為現在的500V。 [page]
圖9為THSⅡ係統中能量交換示意圖，圖9中發電機的功率為30kW
，蓄電池組的瞬時功率為20kW，兩者聯合起來為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。
這種係統具有如下優點：

（1）由於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係統的202V供電工況相比，在不增加驅動電流的情況下，THSⅡ係統中電機在 500V供電時
，其最大輸出功率以及轉矩的輸出能力是原THS係統的2.5倍；此外相同體積的電機
，還能免輸出更高的功率；

（2）由於使用了直流母線供電電壓可變係統
，因此THSⅡkeyigenjudiandongjihefadianjideshijixuyao，ziyoudetiaojiezhiliumuxiangongdiandianya，congerxuanzezuiyoudegongdiandianya，dadaojianshaonibianqikaiguansunhaoyijidiandongjitongsundejienengmude；

（3）對(dui)於(yu)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)一(yi)定(ding)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)組(zu)來(lai)說(shuo)，由(you)於(yu)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)升(sheng)壓(ya)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)方(fang)式(shi)，來(lai)滿(man)足(zu)電(dian)動(dong)機(ji)和(he)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)實(shi)際(ji)需(xu)要(yao)
，因(yin)此(ci)從(cong)某(mou)種(zhong)程(cheng)度(du)上(shang)講(jiang)
，可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)數(shu)量(liang)，降(jiang)低(di)整(zheng)車(che)質(zhi)量(liang)。

圖9所示的DC—DC升壓變換器每個支路都並聯有2個IGBT模塊和續流二極管模塊，其中每個IGBT芯片的麵積為255mm2(15mm× 15mm)
，每個續流二極管芯片的麵積為117mm2（13mm×9mm）。圖9所示的電路拓撲結構可以在不打斷係統的正常工作的情況
，保證蓄電池的充電和放電進行瞬間轉化。由於DC—DC升壓變換器的作用，而使主電容器上的係統電壓(System Voltage)不同於蓄電池組的輸出電壓，從而保證電動機和發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製。

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製計算機、車燈

、製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芯片的麵積為49mm2（7mm× 7mm）。
3.4其它交流設備用逆變器單元

Prius THSⅡkongtiaoxitongshiyongledianjiqudongdekongqiyasuoji，qudailechuantongdeyongfadongjijixiequdongdekongqiyasuoji。weilequdongkongqiyasuojiyongdianji，shejileyizhongxiaogonglvnibianqi（DC202V，1.6kW）。功率器件選用帶有反並聯續流二極管的商用IGBT（600V/30A），其中每個IGBT芯片的麵積為22.1mm2 （4.7mm×4.7mm），每個續流二極管芯片的麵積為9mm2(3mm×3mm)。

4HEV對電力電子技術的要求

受實際運用條件的限製
，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、易於安裝的特點。除此之外
，下麵的技術細節需進行重點考慮：

（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，並能防止各種汽車液體的侵入。

（2） 電磁兼容/電磁幹擾（EMC/EMI）問題

混(hun)合(he)動(dong)力(li)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)是(shi)一(yi)個(ge)相(xiang)對(dui)狹(xia)小(xiao)的(de)空(kong)間(jian)
，裏(li)麵(mian)包(bao)含(han)有(you)各(ge)種(zhong)控(kong)製(zhi)芯(xin)片(pian)和(he)弱(ruo)電(dian)回(hui)路(lu)，因(yin)此(ci)在(zai)進(jin)行(xing)車(che)載(zai)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)裝(zhuang)置(zhi)設(she)計(ji)時(shi)，為(wei)了(le)消(xiao)除(chu)將(jiang)來(lai)的(de)事(shi)故(gu)隱(yin)患(huan)，必(bi)須(xu)要(yao)很(hen)好(hao)的(de)研(yan)究(jiu)並(bing)解(jie)決(jue)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係統的電壓是可變的
，電壓的大小取決於汽車實際負載的大小
、運行工況（電動還是發電）以及電機是否弱磁運行等等

，典型的母線電壓波動範圍是標稱值的-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
，成為了控製策略設計者所需要解決的問題。

（4） 電力電子裝置控製問題

“高開關頻率”和“高采樣率”目前普遍應用於混合動力電動汽車的電力電子裝置和交流傳動係統中
，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寬的溫度梯度和飽和狀態時
，如何降低參數敏感度，以滿足控製的要求。

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並解決的技術問題。

隨著電力電子技術
、微電子技術和控製技術的發展
，數字化交流驅動係統在商業化電動汽車中得到廣泛應用
；而(er)開(kai)發(fa)研(yan)製(zhi)采(cai)用(yong)交(jiao)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)的(de)混(hun)合(he)動(dong)力(li)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)，已(yi)經(jing)汽(qi)車(che)工(gong)業(ye)可(ke)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)的(de)重(zhong)要(yao)途(tu)徑(jing)之(zhi)一(yi)。隨(sui)著(zhe)人(ren)類(lei)對(dui)生(sheng)存(cun)環(huan)境(jing)要(yao)求(qiu)的(de)提(ti)高(gao)，合(he)理(li)利(li)用(yong)能(neng)源(yuan)意(yi)識(shi)的(de)增(zeng)強(qiang)。作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)汙(wu)染(ran)小(xiao)和(he)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)現(xian)代(dai)化(hua)交(jiao)通(tong)工(gong)具(ju)，混(hun)合(he)動(dong)力(li)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)將(jiang)得(de)一(yi)全(quan)麵(mian)的(de)發(fa)展(zhan)和(he)應(ying)用(yong)。