淺談電力電子技術(shù)在電動汽車中的應(yīng)用

劉霞

摘 要：受到環(huán)境污染和能源短缺的壓力，各大汽車廠商和科研院校加大了對電動汽車技術(shù)的研究和開發(fā)。文章對電動汽車中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)電力電子技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，主要闡述整流技術(shù)在車載充電機(jī)中的應(yīng)用、逆變技術(shù)在電機(jī)控制器中的應(yīng)用以及直流變換技術(shù)在DC/DC變換器中的應(yīng)用，為電動汽車技術(shù)研究人員學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)提供一定的參考。關(guān)鍵字：電動汽車;電力電子技術(shù);車載充電機(jī);電機(jī)控制器;DC/DC變換器

中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-17-03

Application of Power Electronics Technology in Electric Vehicle^*

Liu Xia

（?Yangzhou Vocational University， Jiangsu Yangzhou 225009?）

Abstract：?Because of the pressure from environmental pollution and energy shortage， automobile companies and scientific research colleges increase the research and development of electric vehicle technology. This paper summarizes a key technology power electronics technology of electric vehicle， the main contents include the application of rectifier technology in vehicular charger， inverter technology in motor controller and Dc conversion technology in DC-DC converter. This paper provides some reference for electric vehicle technology researchers to learn power electronics technology.

Keywords：?Electric vehicle; Power electronics technology; Vehicular charger; Motor controller; DC-DC converter

CLC NO.：?U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-17-03

前言

隨著全球能源和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，電動汽車的開發(fā)和應(yīng)用已成為各國汽車工業(yè)積極探索的焦點(diǎn)。電動汽車能量來源不同于傳統(tǒng)燃油車，儲存于動力蓄電池中的高壓直流電能是其唯一的能量來源。電動汽車驅(qū)動電機(jī)需要三相交流電能，車燈、電腦、音響等用電設(shè)備需要低壓直流電能，對電能的形式和功率的不同要求，就需要對儲能系統(tǒng)中的電能進(jìn)行各種功率變換?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”正是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，其在電動汽車中各種形式的電能轉(zhuǎn)換中都有應(yīng)用。

1?電力電子技術(shù)研究范圍及與電動汽車技術(shù)的密切關(guān)系

電力電子技術(shù)是以電力電子器件為核心，通過對不同電路拓?fù)涞牟煌刂品绞絹韺?shí)現(xiàn)對電能的轉(zhuǎn)換和控制，其基本的轉(zhuǎn)換形式和功能有以下四種：

（1）整流技術(shù)，也稱為交流/直流（AC/DC）變換技術(shù)，即把交流電能轉(zhuǎn)換為固定或可調(diào)的直流電能。

（2）逆變技術(shù)，亦稱為直流/交流（DC/AC）變換技術(shù)，即將直流電能變換為交流電能。

（3）直流變換技術(shù)（DC/DC變換），即將某一直流電壓變換為另一直流電壓。

（4）交流變換技術(shù)（AC/AC變換），即對交流電能的參數(shù)（幅值、頻率）加以轉(zhuǎn)換。

整流技術(shù)、逆變技術(shù)和直流變換技術(shù)是電力電子技術(shù)的三大電源變換方法，已經(jīng)完全集成在新能源汽車技術(shù)中，如圖1所示。

2 整流技術(shù)在車載充電機(jī)中的應(yīng)用

電動汽車停車充電時，車載充電機(jī)將公用電網(wǎng)的單相或三相50Hz/60Hz交流電轉(zhuǎn)換為電壓電流幅值可控的直流電，對動力電池充電，這就需要整流技術(shù)。

目前車載充電機(jī)采用的結(jié)構(gòu)主要有兩大類，一類是不控整流加高頻隔離直流變換器，一類是前級AC/DC整流校正模塊、后級DC/DC隔離調(diào)壓模塊的結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)都能滿足安全的要求，但是前一種結(jié)構(gòu)對功率有很大限制且功率因數(shù)較低，因此如大量接入電網(wǎng)對電網(wǎng)污染較大，而后一種結(jié)構(gòu)對電網(wǎng)污染小，能實(shí)現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)的要求，因此得到廣泛的應(yīng)用^[1]。

由前級AC/DC整流校正模塊、后級DC/DC隔離調(diào)壓模塊組成的車載充電機(jī)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由主功率單元、控制與保護(hù)單元、輔助電源與通訊單元3部分組成。

2.1 主功率單元簡介

主功率單元的功能為將電壓為85～265V的單相交流電首先經(jīng)過EMI濾波，然后在AC/DC整流校正模塊的作用下，整流成穩(wěn)定輸出的直流電壓;再經(jīng)過DC/DC隔離調(diào)壓模塊轉(zhuǎn)化成動力電池充電可以接受的高精度直流電壓，并通過控制器來實(shí)現(xiàn)恒壓限流和恒流限壓的兩段式充電。

（1）AC/DC整流校正模塊結(jié)構(gòu)

AC/DC整流校正模塊常用電路結(jié)構(gòu)為Boost型APFC電路，如圖3所示。該電路通過整流二極管組成的整流電路將交流市電轉(zhuǎn)變?yōu)檎野氩ㄖ绷麟姡缓筮M(jìn)行基于Boost電路的DC/DC功率變換，最后通過控制電路對全控型電力場效應(yīng)晶體管進(jìn)行控制。經(jīng)過該模塊后，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流平均值波形呈現(xiàn)正弦化，并且電流能跟蹤整流后的電壓波形，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，同時維持直流輸出電壓穩(wěn)定^[2]。

（2）DC/DC隔離調(diào)壓模塊結(jié)構(gòu)

DC/DC隔離調(diào)壓模塊最常見的電路拓?fù)錇長LC串聯(lián)諧振DC/DC變換器，如圖4所示。該電路首先通過對全控型電力場效應(yīng)晶體管T1～T4進(jìn)行控制，將T1、T4分為一組，T2、T3分為一組，先導(dǎo)通T1和T4，導(dǎo)通角為180°，然后導(dǎo)通T2和T3，導(dǎo)通角同樣為180°。經(jīng)過上述控制，直流電壓逆變?yōu)榻涣鞣讲妷海缓笤诟哳l變壓器的升降壓與隔離后，在變壓器次級得到不同幅值的交流方波電壓，最后經(jīng)過整流二極管組成的整流電路和濾波電容后，將交流方波電壓轉(zhuǎn)化為蓄電池組充電可以接受的高精度直流電壓。

2.2 控制與保護(hù)單元簡介

控制與保護(hù)單元的作用主要有三部分：一為信號采集，包括輸入交流電壓電流的檢測和輸出直流電壓電流的檢測，測得的數(shù)值會送入控制器;二為邏輯運(yùn)算，該電路中有兩種控制器，分別為APFC控制器和DSP控制器，采集的電壓電流信號在控制器中按照設(shè)定的邏輯進(jìn)行計算，得出對APFC電路和LLC串聯(lián)諧振DC/DC變換器電路相對應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動信號;三為驅(qū)動輸出，在控制器中運(yùn)算得到的驅(qū)動信號，通過驅(qū)動電路輸出，以控制相對應(yīng)的開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)對動力電池進(jìn)行高效、智能的充電與保護(hù)控制^[3]。

2.3 輔助電源與通訊單元簡介

輔助電源與通訊單元有兩部分組成：一為低壓輔助電源，作用為車載充電機(jī)內(nèi)部控制芯片等提供低壓直流電源，如24V、15V、5V、3.3V、1.8V等;二為CAN通訊，主要是充電機(jī)與BMS之間的通訊，在充電過程中對BMS電池特性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，從而選擇最優(yōu)的電池充電曲線，實(shí)現(xiàn)對電池的高效快速充電。

3 逆變技術(shù)在電機(jī)控制器中的應(yīng)用

三相籠式異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)被廣泛用于電動汽車的動力驅(qū)動裝置中，電機(jī)控制器是實(shí)現(xiàn)車載動力電池直流電與電動機(jī)所需的電流矢量相位幅值可調(diào)的三相交流電雙向轉(zhuǎn)換的功率變換裝置。純電動汽車前進(jìn)時，驅(qū)動電機(jī)處于電動工作狀態(tài)，電機(jī)控制器將動力電池直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需交流電，該方法即為逆變技術(shù)。

三相籠式異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的控制器硬件拓?fù)涫且粯拥?，其硬件電路可以通用，主要的區(qū)別是電機(jī)的軟件控制核心不同^[4]。由于永磁同步電機(jī)在電動汽車上的應(yīng)用最為廣泛，在此著重介紹一下永磁同步電機(jī)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，同樣由主功率單元、控制與保護(hù)單元、輔助電源與通訊單元3部分組成。

3.1 主功率單元簡介

主功率單元的功能為根據(jù)整車控制器發(fā)送來的駕駛?cè)笋{駛意圖，在當(dāng)前電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的基礎(chǔ)上，將動力電池儲存的直流電，通過逆變模塊逆變?yōu)橐欢l率和幅值的高壓三相交流電，來驅(qū)動三相交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。主功率單元的電路結(jié)構(gòu)見圖6所示，其中逆變模塊的功率器件目前使用最廣泛的為六個IGBT管芯集成的IGBT模塊。

3.2 控制與保護(hù)單元簡介

電機(jī)控制器控制與保護(hù)單元的作用與車載充電機(jī)類似，也分為三部分：一是信號采集，采集的信號包括輸入端的直流母線電壓、輸出端的三相交流電流、三相電機(jī)的溫度信號以及旋轉(zhuǎn)變壓器傳入的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號;二是邏輯運(yùn)算，數(shù)據(jù)信號處理器（DSP）接收上述信號以及來自CAN通訊單

元的信號，經(jīng)過控制策略的處理后，再輸給DSP內(nèi)部的ePWM模塊形成六路PWM脈沖波;三是驅(qū)動輸出，DSP形成的PWM脈沖波，通過驅(qū)動電路輸出接入IGBT逆變模塊中開關(guān)管的控制柵極。

3.3 輔助電源與通訊單元簡介

低壓輔助電源，為電機(jī)控制器內(nèi)部控制芯片等提供低壓直流電源;CAN通訊單元，主要作用為與整車控制器（VCU）通訊，如接收來自整車控制器的加速踏板信號、制動踏板信號、動力電池狀態(tài)等，然后輸入電機(jī)控制器，電機(jī)控制器通過整車狀態(tài)信息來判斷當(dāng)前的駕駛需求。

4 直流變換技術(shù)在DC/DC變換器中的應(yīng)用

電動汽車的能源通常以直流電能的形式儲存于動力蓄電池中，其標(biāo)稱電壓一般在300～650V之間，而車輛的輔助設(shè)備如車燈、音響系統(tǒng)、ECU等則繼承了傳統(tǒng)汽車的低壓電氣系統(tǒng)，其供電電壓仍為12V/24V。兩種直流母線電壓之間需要轉(zhuǎn)換，所以需要直流/直流（DC/DC）變換器，將動力電池的高電壓轉(zhuǎn)換為低壓電器使用的低電壓12V/24V。

DC/DC變換器的主功率電路與車載充電機(jī)LLC串聯(lián)諧振DC/DC變換器電路（如圖4所示）結(jié)構(gòu)和功能相似，這里就不再贅述^[5]。

5 總結(jié)

本文對電力電子技術(shù)中三大電源變換方法在電動汽車中的應(yīng)用進(jìn)行了概述，包括整流技術(shù)在車載充電機(jī)中的應(yīng)用、逆變技術(shù)在電機(jī)控制器中的應(yīng)用以及直流變換技術(shù)在DC/DC變換器中的應(yīng)用。電動汽車行業(yè)從業(yè)人員、各大院校電動汽車專業(yè)師資力量在進(jìn)行電動汽車研究時，必然需要對電力電子技術(shù)進(jìn)行深入研究，以完善電力電子技術(shù)在電動汽車大功率電能調(diào)節(jié)方面的能力，降低電動汽車的能耗。

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