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HEV電力電子技術(shù)及其裝置

發(fā)布時(shí)間:2012-01-28

中心議題:
  • HEV電力電子技術(shù)及其裝置
解決方案:
  • 設(shè)計(jì)了一種小功率逆變器
  • 利用數(shù)字化交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

 1、 引言

電力電子技術(shù)是研究電力半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的學(xué)科,它是一門電子、電力半導(dǎo)體器件和控制三者相互交叉而出現(xiàn)的新興緣學(xué)科。它研究的內(nèi)容非常廣泛,主要包括電力半導(dǎo)體器件、磁性材料、電力電子電路、控制集成電路以及由其組成的電力變換裝置。目前,電力電子學(xué)研究的主要方向是:

(1) 電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、測(cè)試、模型分析、工藝及仿真等;

(2) 電力開關(guān)變換器的電路拓?fù)洹⒔?、仿真、控制和?yīng)用;

(3) 電力逆變技術(shù)及其在電氣傳動(dòng)、電力系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用等。

電動(dòng)汽車(EV)作為清潔、高效和可持續(xù)發(fā)展的交通工具,既對(duì)改善空氣質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境具有重大意義,又對(duì)日益嚴(yán)重的石油包機(jī)提供了解決方法;同時(shí),電動(dòng)汽車作為電力電子技術(shù)的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域,涵蓋了DC/DC和DC/AC的全部變換,是實(shí)用價(jià)值非常高的運(yùn)用領(lǐng)域。

2、 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車簡(jiǎn)介

當(dāng)前世界汽車產(chǎn)業(yè)正處于技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)大調(diào)整的發(fā)展時(shí)期,安全、環(huán)保、節(jié)能和智能化成為汽車界共同關(guān)心的重大課題。為了使人類社會(huì)和汽車工業(yè)持續(xù)發(fā)展,世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家和部分發(fā)展中國(guó)家都在研究各種新技術(shù)來(lái)改善汽車和環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

電動(dòng)汽車作為21世紀(jì)汽車工業(yè)改造和發(fā)展的主要方向,目前已從實(shí)驗(yàn)開發(fā)試驗(yàn)階段過(guò)渡到商品性試生產(chǎn)階段,世界上許多知名汽車廠家都推出了具有高科技水平的安全或環(huán)保型號(hào)概念車,目的是為了引導(dǎo)世界汽車技術(shù)的潮流。

2.1各種類型電動(dòng)汽車特點(diǎn)及其發(fā)展

根據(jù)所使用的動(dòng)力源不同,電動(dòng)汽車大致可分為三類:蓄電波電動(dòng)汽車或純電動(dòng)汽車(Battery Electric Vehicle)、以氫氣為能源的燃料電池電動(dòng)汽車(Fuel Cell Electric Vehicle)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Hybrid Electric Vehicle)。

純電動(dòng)汽車是單獨(dú)依靠蓄電池供電的,但目前動(dòng)力電池的性能和價(jià)格還沒(méi)有取得重大突破,因此,純電動(dòng)汽車的發(fā)展沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目的;

燃料電池電動(dòng)汽車具有能量轉(zhuǎn)化率高、不污染環(huán)境、使用壽命等不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是由于目前燃料電池技術(shù)和研究還沒(méi)有取得重大突破,燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展也受到了限制。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是同時(shí)采用了電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力裝置,通過(guò)先進(jìn)的控制系統(tǒng)使兩種動(dòng)力裝置有機(jī)協(xié)調(diào)配合,實(shí)現(xiàn)最佳能量分配,達(dá)到低能耗、低污染和高度自動(dòng)化的新型汽車。自1995年以來(lái),世界各大汽車生產(chǎn)商已將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研究和開發(fā),日本、美國(guó)和德國(guó)的大型汽車公司均開發(fā)了包括轎車、面包車、貨車在內(nèi)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。

以作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車研發(fā)前沿的豐田汽車公司為例,所開發(fā)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車已達(dá)到實(shí)用化水平,自1997年所推出的世界上第一款批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車Prius開始,其后又在2002年推出了混合動(dòng)力面包車,該車混合動(dòng)力系統(tǒng)采用了世紀(jì)首次批量生產(chǎn)的電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)及四輪驅(qū)動(dòng)力/制動(dòng)力綜合控制系統(tǒng)。2003年,豐田又推出了新一代Prius,也被稱為“新時(shí)代豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)——THS Ⅱ”(見(jiàn)圖1),節(jié)能效果可達(dá)到100km油耗不足3L。從2004年開始,豐田公司向歐洲市場(chǎng)推出了一款新的Lexus RX型豪華混合動(dòng)力轎車。豐田公司計(jì)劃2012年全部采用汽油電力混合發(fā)動(dòng)機(jī),以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放污染。
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2.2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車分類及特點(diǎn)

根據(jù)按照發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的不同組合工作方式,混合動(dòng)力電動(dòng)汽車主要可以分為三類:串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式,基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3所示為不同混合動(dòng)力類型中電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分配情況:

在串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中,由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),利用發(fā)出的電能由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。即,發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的動(dòng)能全部要先轉(zhuǎn)換成電能,利用這一電能使車輛行駛。

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪,根據(jù)情況來(lái)運(yùn)用這兩個(gè)動(dòng)力源,由于動(dòng)力源是并行的,故稱為并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。

混聯(lián)式也稱串并聯(lián)式,它可以最大限度地發(fā)揮串聯(lián)式與并聯(lián)式的各自優(yōu)點(diǎn),豐田的Prius系列的混合動(dòng)力系統(tǒng)采用的就是這種工作方式。工作時(shí),利用動(dòng)力分配器分配發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力:一方面直接驅(qū)動(dòng)車輪,另一方面自主地控制發(fā)電。由于要利用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),所以與并聯(lián)式相比,電動(dòng)機(jī)的使用比率增大了。

3、 HEV常用的電力電子技術(shù)及裝置

本文結(jié)合起來(lái)豐田新一代混合動(dòng)力系統(tǒng)THS Ⅱ,具體研究發(fā)電力電子技術(shù)在HEV中的應(yīng)用情況。THSⅡ的整車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)主要由采用AtkinSon 循環(huán)的高效發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁交流同步電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力分配裝置、高性能鎳金屬氫化物(NI—MH)電池、控制管理單元以及各相關(guān)逆變器的DC—DC變換器等產(chǎn)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制單元(見(jiàn)圖5),該單元集成了DSP控制器、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、直流穩(wěn)壓電容、半導(dǎo)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(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)用逆變器單元

在Prius THS Ⅱ主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)所用三相電壓型逆變器(功率分別為50kW和30kW)被集成一個(gè)模塊上(如圖6所示,逆變器的電氣結(jié)構(gòu)圖如圖7所示),直流母線最大供電電壓被設(shè)定為500V。功率器件選用帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的商用IGBT(850V/200A),該功率等級(jí)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(shí)短路的能力。
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電動(dòng)機(jī)用逆變器的每個(gè)橋臂都是由并聯(lián)有兩個(gè)IGBT模塊和二極管模塊。每個(gè)IGBT芯片的面積為133mm2(13.7mm×9.7mm),并且發(fā)射極使用了5μm 厚的鋁膜;而每個(gè)二極管芯片的面積為90mm2(8.2mm×11mm)。

目前,電動(dòng)汽車普遍采用PWM控制的電壓型逆變器,這種逆變器具有線路簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn),同時(shí)PWM逆變器呈現(xiàn)出以下幾種發(fā)展趨勢(shì):

(1) 通常采用IGBT器件,工作頻率高,并減少了低頻諧波分量和起動(dòng)是的電流沖擊,當(dāng)前國(guó)外應(yīng)用的最高開關(guān)頻率已達(dá)20kHz;

(2)電機(jī)額定頻率相應(yīng)提高了,擴(kuò)大了調(diào)速范圍,在更好地滿足運(yùn)行要求的同時(shí),減少電機(jī)的體積和重量,提高功率比。目前國(guó)外電動(dòng)汽車專用電機(jī)的最高額定頻率已達(dá)500Hz;

(3)采用DSP為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的矢量控制和運(yùn)算,電機(jī)可做到快速恒力矩起動(dòng)及弱磁高速運(yùn)行,這種控制系統(tǒng)穩(wěn)定,電流沖擊小,控制效率高。

除了以上傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)外,最近出現(xiàn)了諧振直流環(huán)節(jié)變換器和高頻諧振交流環(huán)節(jié)變換器。采用零電壓或零電流開關(guān)技術(shù)的諧振式變換器具有開關(guān)損耗小、電磁干擾小、低噪聲、高功率密度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn),引起研究人員廣泛的興趣。

目前應(yīng)用于功率變換器的常用電子開關(guān)器件主要有GTO、BJT、MOSFET、IGBT和MCT等,由于IGBT集BJT和MOSFET特點(diǎn)于一體,所具有的高阻抗壓控柵極,可明顯降低柵極驅(qū)動(dòng)功率,從而可使柵極驅(qū)動(dòng)電路集成化;并且IGBT具有的極短的開關(guān)時(shí)間,可使系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力,并減小了開關(guān)損耗,降低了噪聲,因此IGBT是很好的開關(guān)器件。MCT也是一個(gè)潛在的選擇器件,雖然目前商用的MCT的額定值還有待于提高;但是由于MCT具有低的導(dǎo)壓降,因此隨著MCT新型制造工藝的完善和新材料的使用,未來(lái)的MCT在電動(dòng)汽車中將有良好的應(yīng)用前景。

3.2DC—DC升壓變換器單元

在THS中,蓄電池通過(guò)逆變器直接與電機(jī)和發(fā)電機(jī)相連(見(jiàn)圖8);而THSⅡ中,蓄電池組輸出的電壓首先通過(guò)DC—DC升壓變換器進(jìn)行升壓操作,然后再與逆變器相連,因此逆變器的直流母線電壓從原THS的220V提升為現(xiàn)在的500V。
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圖9為THSⅡ系統(tǒng)中能量交換示意圖,圖9中發(fā)電機(jī)的功率為30kW,蓄電池組的瞬時(shí)功率為20kW,兩者聯(lián)合起來(lái)為50kW的電機(jī)提供能量;圖9中升壓變換器的容量也被設(shè)計(jì)為20kW。

這種系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)由于電機(jī)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系統(tǒng)的202V供電工況相比,在不增加驅(qū)動(dòng)電流的情況下,THSⅡ系統(tǒng)中電機(jī)在 500V供電時(shí),其最大輸出功率以及轉(zhuǎn)矩的輸出能力是原THS系統(tǒng)的2.5倍;此外相同體積的電機(jī),還能免輸出更高的功率;

(2)由于使用了直流母線供電電壓可變系統(tǒng),因此THSⅡ可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的實(shí)際需要,自由的調(diào)節(jié)直流母線供電電壓,從而選擇最優(yōu)的供電電壓,達(dá)到減少逆變器開關(guān)損耗以及電動(dòng)機(jī)銅損的節(jié)能目的;

(3)對(duì)于供電電壓一定的蓄電池組來(lái)說(shuō),由于可以通過(guò)調(diào)整升壓變壓器的輸出電壓的方式,來(lái)滿足電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的實(shí)際需要,因此從某種程度上講,可以減少蓄電池的使用數(shù)量,降低整車質(zhì)量。

圖9所示的DC—DC升壓變換器每個(gè)支路都并聯(lián)有2個(gè)IGBT模塊和續(xù)流二極管模塊,其中每個(gè)IGBT芯片的面積為255mm2(15mm× 15mm),每個(gè)續(xù)流二極管芯片的面積為117mm2(13mm×9mm)。圖9所示的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在不打斷系統(tǒng)的正常工作的情況,保證蓄電池的充電和放電進(jìn)行瞬間轉(zhuǎn)化。由于DC—DC升壓變換器的作用,而使主電容器上的系統(tǒng)電壓(System Voltage)不同于蓄電池組的輸出電壓,從而保證電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)高電壓工作的同時(shí),而不受蓄電池組低電壓輸出能力的限制。

3.3DC—DC降壓變換器單元

通常汽車中各種用電設(shè)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制計(jì)算機(jī)、車燈、制動(dòng)器等車載電氣設(shè)備的供電電源,而對(duì)該蓄電池的充電工作則由直流220V通過(guò)DC—DC降壓變換器來(lái)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(gè)MOSFET芯片的面積為49mm2(7mm× 7mm)。

3.4其它交流設(shè)備用逆變器單元

Prius THSⅡ空調(diào)系統(tǒng)使用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī),取代了傳統(tǒng)的用發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī)。為了驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)用電機(jī),設(shè)計(jì)了一種小功率逆變器(DC202V,1.6kW)。功率器件選用帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的商用IGBT(600V/30A),其中每個(gè)IGBT芯片的面積為22.1mm2 (4.7mm×4.7mm),每個(gè)續(xù)流二極管芯片的面積為9mm2(3mm×3mm)。

4HEV對(duì)電力電子技術(shù)的要求

受實(shí)際運(yùn)用條件的限制,要求混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用電力電子技術(shù)及裝置應(yīng)具有成本低、體積小、比功率大、易于安裝的特點(diǎn)。除此之外,下面的技術(shù)細(xì)節(jié)需進(jìn)行重點(diǎn)考慮:

(1) 電力電子裝置密封問(wèn)題

各種車用電力電子裝置必須要進(jìn)行有效的密封,以耐受溫度和振動(dòng)的影響,并能防止各種汽車液體的侵入。

(2) 電磁兼容/電磁干擾(EMC/EMI)問(wèn)題

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是一個(gè)相對(duì)狹小的空間,里面包含有各種控制芯片和弱電回路,因此在進(jìn)行車載電力電子裝置設(shè)計(jì)時(shí),為了消除將來(lái)的事故隱患,必須要很好的研究并解決EMC/EMI問(wèn)題。

(3) 直流母線電壓利用問(wèn)題

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓是可變的,電壓的大小取決于汽車實(shí)際負(fù)載的大小、運(yùn)行工況(電動(dòng)還是發(fā)電)以及電機(jī)是否弱磁運(yùn)行等等,典型的母線電壓波動(dòng)范圍是標(biāo)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,成為了控制策略設(shè)計(jì)者所需要解決的問(wèn)題。

(4) 電力電子裝置控制問(wèn)題


“高開關(guān)頻率”和“高采樣率”目前普遍應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電力電子裝置和交流傳動(dòng)系統(tǒng)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(jī)中出現(xiàn)寬的溫度梯度和飽和狀態(tài)時(shí),如何降低參數(shù)敏感度,以滿足控制的要求。

5結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合豐田汽車公司的最新一代混合動(dòng)力電動(dòng)汽車Prius THSⅡ,綜述了電力電子技術(shù)在混合電動(dòng)汽車中的應(yīng)用情況,提出了需要重點(diǎn)考慮并解決的技術(shù)問(wèn)題。

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在商業(yè)化電動(dòng)汽車中得到廣泛應(yīng)用;而開發(fā)研制采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車,已經(jīng)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。隨著人類對(duì)生存環(huán)境要求的提高,合理利用能源意識(shí)的增強(qiáng)。作為一種污染小和高效率的現(xiàn)代化交通工具,混合動(dòng)力電動(dòng)汽車將得一全面的發(fā)展和應(yīng)用。
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