電力電子技術在混合動力電動汽車中的應用

杜紅艷 師亞娟

電力電子技術主要作用于大功率電能的轉換與控制，該技術結合了電子、控制、電能轉換器件這三個部分，當前電力電子裝置應用非常普遍，例如在一些需要大功率電能來維持運行的設備當中，都可以輕易發現電力電子技術的身影。現階段對于電力電子技術的研究大體分為三個方向，首先是變換器拓撲開關、電路仿真建模、電路控制等方面，此外在電子設計中，還能夠作用于半導體器件的模型建立、測試工作以及仿真加工等，電力電子技術還可以應用于工控領域。進入21世紀以來，電動汽車得到了廣泛青睞，它具有綠色節能環保的優勢，并且對于城市環境改善具有深遠意義，是一個值得長期研究的汽車產品種類，現在將電力電子技術引入到電動汽車當中，這對于雙方面的應用價值無疑是一種考量，具有很高的研究價值。

電動汽車的特點及發展歷程

根據不同的動力來源，電動汽車主流類型分為三種：純電動汽車、燃料電池電動汽車、混合動力汽車。車載電池是純電動汽車的動力來源，但是由于電池性能在很長一段時間里都沒有實質性突破，因此純電動汽車并沒有更新到人們所預期的高度。而燃料電池電動汽車則有所不同，它的動力源可以實現高效率轉換，不會對環境產生較大的污染，電池使用壽命具有優勢，但燃料電池電動汽車的問世至今，在性能方面依舊未獲得顯著提高，所以燃料電池電動汽車也未能像人們所預想的那樣普及。最后，混合動力電動汽車則是通過發動機驅動來為汽車提供可靠的動力，讓電力電子控制系統與蓄電池緊密配合，在能量分布上非常均衡，混合動力電動汽車同樣具有污染低、能耗低等特點。上世紀90年代中后期，各國汽車生產巨頭開始著手研究電動汽車，對其應用與發展作出了規劃，德國、日本、美國的汽車生產公司相繼推出了各自的電動汽車，在車型方面涵蓋轎車、貨車與面包車等。

日本豐田公司始終是電動汽車的領軍者，豐田所研制的電動汽車已經擁有15年商業化經驗，第一批混合動力電動汽車的量產開始于上世紀90年代中期，緊接著又推出了混合動力四輪驅動面包車，并且為其搭載了專用動力控制系統。豐田公司在2003年確立了一套混合動力系統THSII，其油耗低，節能效果顯著，接下來豐田公司開始面向歐洲拓展動力電動汽車業務，LexusRX型混合動力轎車正式與歐洲消費者見面。2013年，豐田公司已經將自家生產的電動汽車悉數采用混合動力發動機，為環境保護和節省燃油帶來了巨大幫助。

電動汽車分類概述

現階段，汽車產業迎來了技術改革和產業結構調整的重要時期，以安全環保為前提的汽車成為了眾人關注的焦點，電動汽車將成為汽車界的重要成員，在發達國家對于電動機車技術的研究始終沒有間斷，包括我國也同樣在大力研發新能源汽車。21世紀汽車領域的發展，電動汽車會扮演一個重要角色，脫離了實驗室階段的電動汽車，開始慢慢向商品化過渡，很多知名汽車生產廠家都陸續推出了環保型電動汽車或概念電動汽車，引發新一輪汽車技術浪潮。

混合電動汽車根據不同的性能原理，可搭配合適的電力電子裝置，為汽車提供有效的動力控制。混合電動汽車分為多種類型，并根據混合動力結構來為發動機分配功率。串聯式系統需要利用發動機的驅動來供電，然后為汽車駕駛提供必要的電能轉換，功率分配會參照發動機的工作原理和相應類型。因為動力源處于并行狀態，所以混聯式也被稱作為串并聯式，它可以極大程度上挖掘出并聯式與串聯式各自的性能優點，豐田公司推出的Prius系列動力系統便是采取這樣的工作原理，將動力分配給發動機，然后驅動汽車行駛，加強電動機的運行效率。

電力電子技術在混合動力電動汽車中的應用

1.應用技術分析

因外部環境所限，混合動力電動汽車在使用電力電子技術時，應當關注功率、體積、安裝以及成本這些問題，此外，具體技術應用細節也值得思考。首先是密封，電力電子裝置在電動汽車內部必須得到密封，車身劇烈的晃動會導致機油或其他液體溢出，損壞電子電力裝置。此外，蓄能系統作為混合動力中的變量，它會因為電流電壓的變化對汽車構成負載，進而影響到直流母線，包括弱磁狀態下的電機，這些負載最終都會對蓄能系統帶來不利，致使母線電壓超過理論承載范圍。基于電動汽車復雜的駕駛情況，設計人員需要根據不同車型來調整和控制直流母線電壓。電力電子裝置的干擾問題。電磁干擾會減弱電力電子裝置的控制能力，在車身空間內，集成了許多控制芯片和電路的裝置很容遭到干擾，解決干擾的方法需要依靠設計工藝來完成，如何屏蔽或減弱這些干擾，為電力電子裝置提供穩定的運行空間。最后，電力電子裝置的系統控制問題。高采用率的開關系統被廣泛應用于混合動力電動汽車，在交流傳動系統中發揮著控制作用，這樣的控制系統必須搭配精確的解算器和編碼器，也就是說必須讓電機呈現飽和或理想的溫度梯度，這樣才能滿足控制需求。電動汽車電池組的供電電壓是固定的，為了讓電子電力裝置能夠發揮出良好的控制作用，可以通過設計來調節變壓器輸出電壓，讓電壓對應電力電子裝置和發電機的需求。

豐田T H SⅡ對于電力電子裝置的應用非常具有代表性，裝載著“Atkin Son”循環發動機的T H SⅡ，再搭配交流電動機與動力調節裝置，使得電池組可以持續穩定的輸出電壓，并且交由變壓器來調整。高壓電源電路，采取多種逆變器與14 V蓄電池組成功率控制單眼，該單元將D S P控制器和保護電路集成一體。

2.控制策略分析

電力電子技術在混合動力電動汽車中的應用，還需要關注控制策略，當主要配件設計完成后，怎樣針對控制策略展開優化變成了主要問題。為了符合電動汽車低排量、低油耗等特點，在汽車性能方面應該在保證正常運行的情況下，尋找一條最為科學的控制策略，讓混合動力電動汽車的發動機與電機得以分配到合理的功率，節約混合動力電動汽車的能源消耗，在最低排放下取得最為平穩的駕駛感受。當前并聯式混合動力電動汽車在控制方面依舊存在不足，包括一些主流汽車制造企業的電動汽車控制策略仍然對應電池S O C和油門踏板、驅動功率、車速等，在一定范圍內限制發動機與電動機之間的轉矩，讓混合動力電動汽車的動輪驅動力矩得到滿足。在控制策略方面應用電力電子技術，可以有效解決相關控制問題，其中包括自由切換系統控制工作程式，此外還能讓多個動力源之間完成功率調配，想要讓電子電力技術在控制策略中發揮出最高性能，需要遵循以下三個原則。第一，混合動力電動汽車的整體車速以及功率消耗大于設定值后，由電力電子裝置自動轉換發動機模式，讓發動機為汽車提供功率，中止電機的工作。第二，混合動力電動汽車的整體車速和功率消耗若低于設定值，電力電子裝置令發動機維持待機，汽車呈純電動驅動模式。第三，當負荷過重時，電力電子裝置自動將控制系統轉換為混合工作模式，即電動機與發動機共同來驅動車輪，應對緊急加速或者高角度爬坡等駕駛情況。

結束語

隨著電子電力技術研究加深，已經能夠兼容越來越多的受用器件，為混合動力電動汽車提供穩定的控制與調節。當前商業電動汽車開始注重電力電子裝置的使用，并且充分肯定了電力電子技術對大功率電能的調節能力，所以電力電子技術的廣泛應用將會在汽車工業的未來得以驗證。隨著人們的環保意識的逐漸上升，綠色節能電動汽車將會得到更多消費者青睞，降低石油能源的使用，在提供可靠性能的同時，混合動力電動汽車還可以在低污染的情況下長時間駕駛，所以與之對應的電力電子技術也必將得到完善。

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