汽車電氣系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)應(yīng)用

摘要：隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代汽車的電氣系統(tǒng)日益復(fù)雜化和多樣化。電力電子技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)電能高效變換和控制的關(guān)鍵技術(shù)，在汽車電氣系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。本文首先簡(jiǎn)要介紹電力電子技術(shù)的基本原理，然后分別探討了電力電子技術(shù)在傳統(tǒng)汽車和新能源汽車電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。傳統(tǒng)汽車方面，重點(diǎn)分析了電力電子技術(shù)在照明、音響、空調(diào)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等系統(tǒng)中的應(yīng)用；新能源汽車方面，重點(diǎn)分析了電力電子技術(shù)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、輔助電源等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電力電子；汽車電氣系統(tǒng)；傳統(tǒng)汽車；新能源汽車；技術(shù)應(yīng)用

引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代汽車已不再是單純的機(jī)械裝置，而是集機(jī)械、電子、控制、通信等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，其中，汽車電氣系統(tǒng)作為連接汽車各部件和駕駛員的紐帶，在汽車性能提升中發(fā)揮著不可或缺的作用。電氣系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用最早可追溯到1912 年，當(dāng)時(shí)美國(guó)凱迪拉克公司首次在汽車上應(yīng)用了電動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)，替代了手搖啟動(dòng)機(jī)，極大地改善了汽車的使用便利性。此后，隨著照明、音響、空調(diào)等電氣設(shè)備不斷引入，汽車電氣系統(tǒng)日益復(fù)雜，進(jìn)入21世紀(jì)，隨著新能源汽車的崛起，電驅(qū)動(dòng)、電池管理、車載充電等成為汽車電氣系統(tǒng)的核心，對(duì)電氣技術(shù)提出了更高要求。

一、電力電子技術(shù)基本原理

電力電子技術(shù)的本質(zhì)是通過(guò)功率半導(dǎo)體器件的通斷實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制。根據(jù)電能形式和控制目的，電力電子變換主要有以下幾種類型：AC/DC 變換，又稱為整流變換，是將交流電變換為直流電，如汽車交流發(fā)電機(jī)輸出的交流電需整流為直流電；DC/DC 變換，是在直流電路中改變電壓和電流的變換，如將汽車上高壓動(dòng)力電池電壓降壓為12V 低壓電；DC/AC 變換，又稱為逆變變換，是將直流電變換為交流電，如新能源汽車用逆變器驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)；AC/AC 變換，是改變交流電壓和頻率的變換，如汽車空調(diào)壓縮機(jī)調(diào)速。

電力電子變換的核心器件是功率半導(dǎo)體開關(guān)管，常見(jiàn)的有晶閘管、MOSFET、IGBT 等，通過(guò)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，可在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓、電流、頻率，實(shí)現(xiàn)靈活可控的電能變換，為抑制開關(guān)過(guò)程中的浪涌電壓和電流，需在電路中加入吸收回路電容、鉗位電路等保護(hù)電路。電力電子變換的控制主要采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，PWM 通過(guò)改變開關(guān)管導(dǎo)通的占空比來(lái)等效調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，調(diào)制方式有正弦PWM、空間矢量PWM 等，調(diào)制頻率一般在數(shù)千赫茲以上，PWM 信號(hào)的產(chǎn)生可通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)，但目前大都采用數(shù)字控制技術(shù)，用DSP、FPGA、單片機(jī)等實(shí)現(xiàn)。

二、電力電子技術(shù)在傳統(tǒng)汽車電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）汽車照明系統(tǒng)

汽車照明是駕駛安全的重要保障，主要包括前照燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈、剎車燈等，傳統(tǒng)汽車一般采用白熾燈泡或鹵素?zé)?，但存在功耗高、易燒壞等?wèn)題，隨著LED、HID 等新型光源的興起，汽車也隨之升級(jí)換代。以LED 前照燈為例，LED 光源由驅(qū)動(dòng)電路供電，工作在直流低壓（一般9 ～ 16V），考慮到車載蓄電池電壓波動(dòng)和瞬間尖峰電壓，需采用DC/DC 變換提供穩(wěn)壓電源，目前多采用Buck 變換器，將蓄電池12V 電壓降壓至LED 需要的電壓，再經(jīng)過(guò)線性恒流驅(qū)動(dòng)控制LED 電流，從而獲得穩(wěn)定的亮度，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比還可實(shí)現(xiàn)燈光的漸亮漸暗。LED 前照燈相比傳統(tǒng)鹵素?zé)?，光電轉(zhuǎn)換效率可提高40%以上，使用壽命可達(dá)50 000 小時(shí)以上，而且具有響應(yīng)快、體積小、易設(shè)計(jì)造型等優(yōu)點(diǎn)，目前已在中高端車型中得到普遍應(yīng)用。

（二）汽車音響系統(tǒng)

汽車音響是駕乘舒適性的重要體現(xiàn)，為獲得更高的音質(zhì)，除了揚(yáng)聲器選型，功放電路的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。目前汽車音響普遍采用D 類功放，即采用脈寬調(diào)制器將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，原理上屬于一種逆變變換，與傳統(tǒng)AB 類功放相比，D 類功放的效率可達(dá)90% 以上。但D 類功放輸出的高頻脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，而汽車音響靠近各種傳感器、天線，如何做好電磁兼容是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，需要在電路板布局、屏蔽、濾波等方面下功夫，同時(shí)要選擇優(yōu)質(zhì)的電感器件，以承受大電流脈沖，D 類功放的失真、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、限幅、功率因數(shù)校正等性能優(yōu)化也對(duì)電力電子技術(shù)提出了更高要求[1]。

三、電力電子技術(shù)在新能源汽車電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)車輪行駛的系統(tǒng)，主要由電動(dòng)機(jī)、電力電子變換器（逆變器）、減速器及相關(guān)控制器等組成，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型的不同，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般分為交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)、永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)、開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)等類型，其中，永磁同步電機(jī)以其功率密度大、效率高等優(yōu)勢(shì)在乘用車中得到廣泛應(yīng)用[2]。永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常使用電壓型三相PWM 逆變器作為電力電子變換器，逆變器將電池組的直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓，其幅值和頻率可通過(guò)SVPWM 等調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，常見(jiàn)的控制策略有Id=0 矢量控制、最大轉(zhuǎn)矩/ 電流比控制、磁場(chǎng)弱化控制等，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)涉及電機(jī)建模、坐標(biāo)變換、電流環(huán)和速度環(huán)控制、無(wú)感測(cè)速等諸多控制技術(shù)，需保證足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度。在逆變器拓?fù)浞矫妫紤]到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的大功率特性，一般采用三電平拓?fù)?，既可提高直流?cè)電壓利用率，也可降低輸出電流諧波，減小電機(jī)損耗，同時(shí)多采用功率模塊化設(shè)計(jì)，即將IGBT、驅(qū)動(dòng)電路集成為一個(gè)整體，以提高功率密度和可靠性，在散熱方面也多采用水冷方式，利用水冷板對(duì)功率器件進(jìn)行熱管理。電機(jī)控制器通常采用基于DSP 和FPGA 為核心的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，DSP 用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法，F(xiàn)PGA 用于實(shí)現(xiàn)PWM 信號(hào)的生成和故障保護(hù)等，同時(shí)還需要采集電機(jī)位置、電流等多路模擬量，并進(jìn)行快速AD 轉(zhuǎn)換和同步采樣，對(duì)控制芯片的性能提出了很高的要求[3]。

（二）電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)是指對(duì)車載可再生能源（如制動(dòng)能量回收）和車載儲(chǔ)能裝置（如電池、超級(jí)電容）進(jìn)行控制和管理，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用和分配，其核心是電池管理系統(tǒng)（BMS），負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)、均衡、估算和保護(hù)。動(dòng)力電池一般由數(shù)百上千節(jié)單體電池串并聯(lián)而成，電池單體之間存在一定的參數(shù)差異如容量、內(nèi)阻等，長(zhǎng)期工作會(huì)出現(xiàn)不同程度的不一致，如電壓不均衡、SOC 不一致等，因此，BMS 需對(duì)每一節(jié)電池電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行隔離、濾波、放大等處理后，送入控制器進(jìn)行分析和控制，一般通過(guò)均衡電路（如能量轉(zhuǎn)移、能量耗散）來(lái)平衡各單體電壓，提高電池電荷狀態(tài)（SOC）一致性，延長(zhǎng)電池使用壽命。在電壓采樣電路方面，由于動(dòng)力電池電壓較高（通常數(shù)百伏），需要進(jìn)行高壓隔離和高精度采樣，目前多采用Σ-Δ 型ADC，具有很高的分辨率，但采樣時(shí)間較長(zhǎng)，不太適合快速變化過(guò)程，磁耦合隔離和光耦合隔離是常用的隔離方式，抗共模干擾素能力強(qiáng)，但成本較高，此外，智能功率模塊（IPM）等新器件的出現(xiàn)，可將隔離、驅(qū)動(dòng)、均流、檢測(cè)保護(hù)等功能集成在一起，簡(jiǎn)化了BMS 設(shè)計(jì)。

（三）輔助電源系統(tǒng)

輔助電源是為車載低壓電器供電的系統(tǒng)，一般電壓等級(jí)為12V 或48V，與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車的低壓負(fù)載功率更大，種類更多，如空調(diào)壓縮機(jī)、電子水泵、EPS 等，對(duì)輔助電源的輸出能力提出了更高要求，輔助電源的電能來(lái)源主要是12V 蓄電池，但由于其容量和功率密度限制，往往需要從高壓動(dòng)力電池取電，通過(guò)DC/DC 變換器降壓后向12V 蓄電池充電或并聯(lián)供電。輔助電源DC/DC 變換器需要在寬范圍負(fù)載波動(dòng)下，維持輸出電壓的恒定，目前多采用磁隔離拓?fù)淙鏛LC 諧振變換器，可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗，提高效率，且輸入輸出隔離耐壓高，可靠性好，也有一些采用磁隔離的Buck、Boost 等拓?fù)?，雙向DC/DC 技術(shù)使得在動(dòng)力電池過(guò)放時(shí)，也可從12V 蓄電池向動(dòng)力電池回充，擴(kuò)大了整車工況適應(yīng)性。輔助電源管理方面，需要實(shí)現(xiàn)低壓負(fù)載的優(yōu)先級(jí)管理，在緊急情況下切除非重要負(fù)載，要合理規(guī)劃高壓蓄電池與低壓蓄電池的能量分配，協(xié)調(diào)輔助電源DC/DC 與車載充電機(jī)、制動(dòng)能量回收等部件的工作，實(shí)現(xiàn)整車能量的優(yōu)化管理，在雙電源并聯(lián)供電時(shí)，還需考慮二者的電流分配、電壓控制等。

結(jié)論

展望未來(lái)，隨著新型功率器件、智能控制、能源互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)與汽車電氣系統(tǒng)的結(jié)合將更加緊密，在提高汽車電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化方面發(fā)揮更大的作用。電動(dòng)汽車、自動(dòng)駕駛汽車、共享汽車等新業(yè)態(tài)也將催生電力電子技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，這需要汽車、電力電子、控制、通信等多學(xué)科的交叉融合，也需要產(chǎn)學(xué)研用各界的通力協(xié)作，相信在各方共同努力下，電力電子技術(shù)必將引領(lǐng)汽車工業(yè)邁向更加美好的未來(lái)。

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