电力电子技术在汽车领域的应用
2008-12-04 09:26:26
来源：《国际电子变压器》2008年12月刊
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作为汽车用电源，在原来14V、28V基础上，现又增加了新的42V系列，而且，还出现了混合动力源电动车（HEV）等288V的驱动电压（典型值），形成了多种电源并存的局面。使用这些电源以便实现汽车的各种功能，必须利用所谓的电力电子（PE）技术。例如，回波（echo）技术，藉能量管理或功率管理的最佳化，高可靠性，利用线控（x-by-wire）装置的电子控制系统等都是非常需要的。
这些PE装置与原来的装置比较，由于PE技术导致了“响应性好”、“软控制的灵活性”、“小型轻量化的操控”、“高的效率”等一系列优越的性能，特别是从各类照明、指示灯、雨刷（刮水器）、电动窗等1kW以下的轻负载，到数十kW功率级的电力驱动，功率不断增大。利用电动机、逆变器或交流变换器等PE装置的性能，大幅度提升了汽车的动力性能。
下面，对有关混合动力汽车（HEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）等功率范围较大的PE技术的开发应用予以介绍。
2 汽车用电动机系统
2.1 Prius驱动系统的概要
由带行星齿轮的动力分离机构，将并动式混合系统和串动式混合系统组合一起，具有这一结构特点的系统，称之为丰田混合动力系统(THS)。图1所示为汽车模型(THSⅡ)。该系统由以下主要结构部件组成：高效率的汽油发动机，动力分离机构，发电机，电动机，逆变器，升压变换器，镍氢（Ni-MH）电池，以及对这些进行协调控制的系统控制装置。
由于采用行星齿轮机构，对发动机，电动机，发电机进行以下几方面的综合控制，故实现了发动机的高效率运转和无级变速功能。
(1) 停车时，发动机停止，发动与轻载运行时仅由电动机驱动EV（电动汽车）行驶；(2) 加速时，将发电机作为起动机，起动发动机。发动机的功率，藉行星齿轮机构分离成直接驱动力与发电机的驱动力，发电机向电动机供电；(3) 急加速时，不仅增加发电机功率，还藉来自蓄电池的功率，以提升电动机的驱动力；(4) 正常行驶时，控制发电机和电动机的转速，达到发动机效率最高。同时，按照需要对蓄电池进行充电；(5) 减速时，将电动机作为发电机使用，实现能量的回收（再生）。
2.2 大功率的电动机控制
2.2.1 大功率的电动机控制
(1) 电压波形与调制系数
为了提高Prius丰田轿车中电动机的功率，采用了在原来正弦波PWM（脉宽调制）基础上增加的、按照过调制PWM及矩形波的电动机驱动。
影响电动机功率的电压成分是基波成分，改变逆变器输出电压的波形，以此增大电压的基波成分，因而可提高电动机功率。表1列出逆变器的电压波形与调制系数，调制系数表示：相对于逆变器电源电压，其输出电压波形中基波成分所占的比例。
图2所示，由3种电压波形驱动永磁电动机场合下，各种电压波形的适用范围。矩形波，从理论上是可能产生最大基波成分的电压波形。电压幅值是固定的，控制过程中可以操作的仅仅是电压的相位，原来的电流控制不能适用。
(2) 矩形波电压的相位控制
为用矩形波控制驱动永磁电动机，已经开发仅利用电压相位的操作来控制转距的方法。永磁电动机的转距与电压相位的关系如图3所示。图中，向前推进的电压相位与转距存在正向增大的关系（Ⅰ、Ⅲ象限）。在此范围内，只操作电压相位就可控制转距。由于采用这一控制，在不改变电动机、逆变器、电池的情况下，功率约提高30％（图4）。
(3) 直流偏置反馈（offset feed back）
为控制永磁电动机的相位，利用了角度传感器，而受传感器误差的影响，会出现电流的偏置，这是永磁电动机固有的现象。从机理上说，由于角度传感器的误差，如按原来的角度考虑开关定时，矩形波工况下则会失去1∶1的平衡状态。直流偏置是因重叠了的不平衡电压波形所致。一旦直流偏置和永磁电动机的电流重叠，与磁铁旋转同步的交变磁场增加，产生涡流和过热，可能导致效率下降和磁铁退磁。作为这一现象的对策，应考虑检测电动机电流的偏置，并采用补充修正开关定时的方式。
2.2.2 可变电压系统
(1) 系统的特征
作为提高电动机功率的手段之一，考虑采用升高逆变器电源电压（系统电压）的方法。但是，若增加电池（单元）的件数来提高电池电压，电池组的体积和价格会增加。而且，由于电池的（放电）特性及内部阻抗，电压下降，不能满足大功率时的高电压。相反，充电时因电压上升，逆变器等装置的零件耐压值必须相应提高，这对规格尺寸和成本均不利，未充分有效的利用电池电压。因此，追加了新型升压变换器，开发了将电池电压转换为高电压的可变电压系统。图5为适用于THS的系统结构及能量流向之一例。本例中，约200V的电池电压已升压到500V。
可变电压系统与原来的系统对比，因追加了升压变换器，元件的数量及系统的体积增大，又增加了升压变换器部分的损耗。考虑到这些缺点，因此，不具备以上方面优势的可变电压系统不能采用。在有发电机和电动机的THS中，由发电机供给电动机的功率是主要的，而由电池提供的功率相对较小，如图5所示。在电动机功率50kW的情况下，发电机电30kW，电池可解决20kW功率。经由升压变换器的功率是从电池提供的功率。相对电动机的功率，较小容量的升压变换器是足够的。与新追加的升压变换器部分体积和成本增加比较起来，电动机、逆变器、电池等原有部件体积减小，成本下降的优点更显突出。因此可以说，可变电压系统是与THS系统协调性、互补性非常好的一个系统。图6为升压变换器的电路图，该电路由1对1GBT、电抗器、主电容器、滤波电容器组成。这一电路方案中，电池的充电和放电是双向的，可实现无电路切换的连续的操作。
(2) 可变电压控制
升压变换器控制旨在按照电动机与发电机的工况连续地改变电压，使系统的损耗限制到最小。在电动机系统中产生的主要损耗有以下4点 ：1)电动机损耗(cu损+Fe损)；2)逆变器损耗（通态损耗+开关损耗）；3)升压IGBT损耗（通态损耗+开关损耗） ；4) 升压电抗器损耗（Cu损+Fe损）。
以上损耗无论哪一项都要受到电压的影响，故通过最佳的控制电压可使损耗最小化。
电动机的损耗 流过电动机线圈的电流越小，电动机的损耗越小。一旦系统电压低于电动机的感应电压，这一“弱磁控制”将使电流增大，故必须设定系统电压比感应电压高。
逆变器的损耗 电流越小，电压越低，损耗就越小。电流最小的条件即电动机不得为弱磁控制的条件。但是，对于开关损耗，电压越高，损耗越大，故作为损耗最小的条件应是：未过渡到弱磁控制的最小电压，也即，要使系统电压与感应电压几乎相同。
升压变换器的损耗 电流越小，电压越低，损耗减小。升压变换器的电流与电池电流相同。电池电流最小的条件是：在系统损耗最小的情况下，也即电动机损耗、逆变器损耗均为最小的条件。
鉴于上面所述，系统损耗最小的条件是。使系统电压与电动机感应电压大致相等。因感应电压随电动机的工况（转速、转距）而变化，故相应于电动机工况，可变地控制系统电压则能实现损耗最小。
(3) 评俭结果
采用可变电压系统的新模型（THSH），对比旧的模型（THS）可知：功率从3kW约提高到1.5倍的50kW。
2.2.3 小结
△阐述了有关高压、大功率化电动机的驱动技术以及大功率电动机的控制系统与可变电压系统。
△大功率电动机的控制是采用矩形波电压驱动电动机的。由此，可提高功率30％左右。为使矩形波电压适用于永磁电动机，进行了两项技术开发：一项为矩形波电压的相位控制；另一项为电流偏置反馈控制。
△可变电压系统是利用升压变换器将电池电压变换为高电压，由此可提高功率。本系统是与THS协调性、互补性良好的系统。电动机的工况进行可变电压的控制，以此能实现高功率和低损耗两者兼备。
3 新一代软开关DC-DC斩
3.1 100kHz开关频率的DC-DC斩波器
为了实行能量管理，必须有单向或双向的大功率DC-DC变换器。变换器按其用途分有单向升压，即顺方向升压，逆方向升压，或者无论顺逆方向和升降电压等多种形式。因设想是装载在狭小的空间，故最大目标是要提高功率密度。其技术课题有：(1) 对提高效率、减少废热的散热器实现小型化 ；(2)提高开关频率，实现无源器件的小型轻量化。
关断（turn-off） 采用缓冲电路实现零电压开关，而且关断时采用辅助电路，消除了二极管的回复电流，由此可实现零电压、零电流开关，提出了SAZZ斩波电路方案。并将这一技术扩展剑HEV用的顺向升压、逆向降压的回路中。功率为8kW，使用IGBT住100kHz开关频率下进行了实验。图7为顺向升压、逆向降压的HEV刚斩波电路。实际开关切换下的电流、电压波形示于图8（输出电压为300V）。无论是主开关还是辅助开关均实现“软开关”。测定的效率如图9所示。因模型功率为80kW的1/10，故在8kW时设计效率最高。实测η值为97.8％。此外，在其它文献中，50kHz开关频率下（IGBT），25kW功率时的效率实测为97％。
3.2 对开关器件的要求
在这一SAZZ电路中，主要实行软开关，不存在硬开关。因此，通态电压下降。同时，可望达到高速运行的软开关特性。这与基于原考虑的开关器件、规格上有相当的差异。而且，在辅助开关中，非常短的时间内峰值电流很大，但平均电流非常小，为实现功率变换器的高密度化，基于SiC和GaN等新原材料器件的出现，具有深远的意义。说不定现在已经进入到重新评价开关特性的时期。不久的未来将达到以下的规格参数：电压为1000V左右；电流由100A到数百安；开关频率范围由数十kHz到数百kHz。
汽车中的电力电子技术，被认为是本世纪最有发展前景的应用技术之一。随着PE技术的发展，汽车技术将愈益先进，汽车的功能将更加完善和现代化。
这些PE装置与原来的装置比较，由于PE技术导致了“响应性好”、“软控制的灵活性”、“小型轻量化的操控”、“高的效率”等一系列优越的性能，特别是从各类照明、指示灯、雨刷（刮水器）、电动窗等1kW以下的轻负载，到数十kW功率级的电力驱动，功率不断增大。利用电动机、逆变器或交流变换器等PE装置的性能，大幅度提升了汽车的动力性能。
下面，对有关混合动力汽车（HEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）等功率范围较大的PE技术的开发应用予以介绍。
2 汽车用电动机系统
2.1 Prius驱动系统的概要
由带行星齿轮的动力分离机构，将并动式混合系统和串动式混合系统组合一起，具有这一结构特点的系统，称之为丰田混合动力系统(THS)。图1所示为汽车模型(THSⅡ)。该系统由以下主要结构部件组成：高效率的汽油发动机，动力分离机构，发电机，电动机，逆变器，升压变换器，镍氢（Ni-MH）电池，以及对这些进行协调控制的系统控制装置。
由于采用行星齿轮机构，对发动机，电动机，发电机进行以下几方面的综合控制，故实现了发动机的高效率运转和无级变速功能。
(1) 停车时，发动机停止，发动与轻载运行时仅由电动机驱动EV（电动汽车）行驶；(2) 加速时，将发电机作为起动机，起动发动机。发动机的功率，藉行星齿轮机构分离成直接驱动力与发电机的驱动力，发电机向电动机供电；(3) 急加速时，不仅增加发电机功率，还藉来自蓄电池的功率，以提升电动机的驱动力；(4) 正常行驶时，控制发电机和电动机的转速，达到发动机效率最高。同时，按照需要对蓄电池进行充电；(5) 减速时，将电动机作为发电机使用，实现能量的回收（再生）。
2.2 大功率的电动机控制
2.2.1 大功率的电动机控制
(1) 电压波形与调制系数
为了提高Prius丰田轿车中电动机的功率，采用了在原来正弦波PWM（脉宽调制）基础上增加的、按照过调制PWM及矩形波的电动机驱动。
影响电动机功率的电压成分是基波成分，改变逆变器输出电压的波形，以此增大电压的基波成分，因而可提高电动机功率。表1列出逆变器的电压波形与调制系数，调制系数表示：相对于逆变器电源电压，其输出电压波形中基波成分所占的比例。
图2所示，由3种电压波形驱动永磁电动机场合下，各种电压波形的适用范围。矩形波，从理论上是可能产生最大基波成分的电压波形。电压幅值是固定的，控制过程中可以操作的仅仅是电压的相位，原来的电流控制不能适用。
(2) 矩形波电压的相位控制
为用矩形波控制驱动永磁电动机，已经开发仅利用电压相位的操作来控制转距的方法。永磁电动机的转距与电压相位的关系如图3所示。图中，向前推进的电压相位与转距存在正向增大的关系（Ⅰ、Ⅲ象限）。在此范围内，只操作电压相位就可控制转距。由于采用这一控制，在不改变电动机、逆变器、电池的情况下，功率约提高30％（图4）。
(3) 直流偏置反馈（offset feed back）
为控制永磁电动机的相位，利用了角度传感器，而受传感器误差的影响，会出现电流的偏置，这是永磁电动机固有的现象。从机理上说，由于角度传感器的误差，如按原来的角度考虑开关定时，矩形波工况下则会失去1∶1的平衡状态。直流偏置是因重叠了的不平衡电压波形所致。一旦直流偏置和永磁电动机的电流重叠，与磁铁旋转同步的交变磁场增加，产生涡流和过热，可能导致效率下降和磁铁退磁。作为这一现象的对策，应考虑检测电动机电流的偏置，并采用补充修正开关定时的方式。
2.2.2 可变电压系统
(1) 系统的特征
作为提高电动机功率的手段之一，考虑采用升高逆变器电源电压（系统电压）的方法。但是，若增加电池（单元）的件数来提高电池电压，电池组的体积和价格会增加。而且，由于电池的（放电）特性及内部阻抗，电压下降，不能满足大功率时的高电压。相反，充电时因电压上升，逆变器等装置的零件耐压值必须相应提高，这对规格尺寸和成本均不利，未充分有效的利用电池电压。因此，追加了新型升压变换器，开发了将电池电压转换为高电压的可变电压系统。图5为适用于THS的系统结构及能量流向之一例。本例中，约200V的电池电压已升压到500V。
可变电压系统与原来的系统对比，因追加了升压变换器，元件的数量及系统的体积增大，又增加了升压变换器部分的损耗。考虑到这些缺点，因此，不具备以上方面优势的可变电压系统不能采用。在有发电机和电动机的THS中，由发电机供给电动机的功率是主要的，而由电池提供的功率相对较小，如图5所示。在电动机功率50kW的情况下，发电机电30kW，电池可解决20kW功率。经由升压变换器的功率是从电池提供的功率。相对电动机的功率，较小容量的升压变换器是足够的。与新追加的升压变换器部分体积和成本增加比较起来，电动机、逆变器、电池等原有部件体积减小，成本下降的优点更显突出。因此可以说，可变电压系统是与THS系统协调性、互补性非常好的一个系统。图6为升压变换器的电路图，该电路由1对1GBT、电抗器、主电容器、滤波电容器组成。这一电路方案中，电池的充电和放电是双向的，可实现无电路切换的连续的操作。
(2) 可变电压控制
升压变换器控制旨在按照电动机与发电机的工况连续地改变电压，使系统的损耗限制到最小。在电动机系统中产生的主要损耗有以下4点 ：1)电动机损耗(cu损+Fe损)；2)逆变器损耗（通态损耗+开关损耗）；3)升压IGBT损耗（通态损耗+开关损耗） ；4) 升压电抗器损耗（Cu损+Fe损）。
以上损耗无论哪一项都要受到电压的影响，故通过最佳的控制电压可使损耗最小化。
电动机的损耗 流过电动机线圈的电流越小，电动机的损耗越小。一旦系统电压低于电动机的感应电压，这一“弱磁控制”将使电流增大，故必须设定系统电压比感应电压高。
逆变器的损耗 电流越小，电压越低，损耗就越小。电流最小的条件即电动机不得为弱磁控制的条件。但是，对于开关损耗，电压越高，损耗越大，故作为损耗最小的条件应是：未过渡到弱磁控制的最小电压，也即，要使系统电压与感应电压几乎相同。
升压变换器的损耗 电流越小，电压越低，损耗减小。升压变换器的电流与电池电流相同。电池电流最小的条件是：在系统损耗最小的情况下，也即电动机损耗、逆变器损耗均为最小的条件。
鉴于上面所述，系统损耗最小的条件是。使系统电压与电动机感应电压大致相等。因感应电压随电动机的工况（转速、转距）而变化，故相应于电动机工况，可变地控制系统电压则能实现损耗最小。
(3) 评俭结果
采用可变电压系统的新模型（THSH），对比旧的模型（THS）可知：功率从3kW约提高到1.5倍的50kW。
2.2.3 小结
△阐述了有关高压、大功率化电动机的驱动技术以及大功率电动机的控制系统与可变电压系统。
△大功率电动机的控制是采用矩形波电压驱动电动机的。由此，可提高功率30％左右。为使矩形波电压适用于永磁电动机，进行了两项技术开发：一项为矩形波电压的相位控制；另一项为电流偏置反馈控制。
△可变电压系统是利用升压变换器将电池电压变换为高电压，由此可提高功率。本系统是与THS协调性、互补性良好的系统。电动机的工况进行可变电压的控制，以此能实现高功率和低损耗两者兼备。
3 新一代软开关DC-DC斩
3.1 100kHz开关频率的DC-DC斩波器
为了实行能量管理，必须有单向或双向的大功率DC-DC变换器。变换器按其用途分有单向升压，即顺方向升压，逆方向升压，或者无论顺逆方向和升降电压等多种形式。因设想是装载在狭小的空间，故最大目标是要提高功率密度。其技术课题有：(1) 对提高效率、减少废热的散热器实现小型化 ；(2)提高开关频率，实现无源器件的小型轻量化。
关断（turn-off） 采用缓冲电路实现零电压开关，而且关断时采用辅助电路，消除了二极管的回复电流，由此可实现零电压、零电流开关，提出了SAZZ斩波电路方案。并将这一技术扩展剑HEV用的顺向升压、逆向降压的回路中。功率为8kW，使用IGBT住100kHz开关频率下进行了实验。图7为顺向升压、逆向降压的HEV刚斩波电路。实际开关切换下的电流、电压波形示于图8（输出电压为300V）。无论是主开关还是辅助开关均实现“软开关”。测定的效率如图9所示。因模型功率为80kW的1/10，故在8kW时设计效率最高。实测η值为97.8％。此外，在其它文献中，50kHz开关频率下（IGBT），25kW功率时的效率实测为97％。
3.2 对开关器件的要求
在这一SAZZ电路中，主要实行软开关，不存在硬开关。因此，通态电压下降。同时，可望达到高速运行的软开关特性。这与基于原考虑的开关器件、规格上有相当的差异。而且，在辅助开关中，非常短的时间内峰值电流很大，但平均电流非常小，为实现功率变换器的高密度化，基于SiC和GaN等新原材料器件的出现，具有深远的意义。说不定现在已经进入到重新评价开关特性的时期。不久的未来将达到以下的规格参数：电压为1000V左右；电流由100A到数百安；开关频率范围由数十kHz到数百kHz。
汽车中的电力电子技术，被认为是本世纪最有发展前景的应用技术之一。随着PE技术的发展，汽车技术将愈益先进，汽车的功能将更加完善和现代化。
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