混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)電力電子技術(shù)集成探究

張續(xù)文

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

目前，汽車市場(chǎng)在混合動(dòng)力汽車出現(xiàn)的情況下正在快速發(fā)展。混合動(dòng)力汽車控制電力系統(tǒng)電能流動(dòng)的電力電子轉(zhuǎn)換器和相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，是保證混合動(dòng)力汽車更高燃油效率和更低有害污染物排放的關(guān)鍵。另外，由于混合動(dòng)力汽車電壓比較高，為了給車上輔助負(fù)載供給低壓電，必須配備DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 雖然DC/DC 轉(zhuǎn)換器技術(shù)在低功耗應(yīng)用上比較成熟，但是對(duì)于高功率應(yīng)用還有許多工作需要去做。在這樣的背景下，本文分析電力電子集約型的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及未來的發(fā)展方向，探討混合動(dòng)力汽車電力電子技術(shù)的應(yīng)用，解決有關(guān)驅(qū)動(dòng)的電力電子系統(tǒng)集約型問題。

1 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)布置

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車是一種用車載電池充電器的電動(dòng)汽車。內(nèi)燃機(jī)通常在最佳效率點(diǎn)運(yùn)行以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。 當(dāng)電池的充電狀態(tài)在預(yù)定的最低限度，內(nèi)燃機(jī)開啟給電池充電。 當(dāng)電池達(dá)到理想的最大SOC 時(shí)，內(nèi)燃機(jī)關(guān)閉。 發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組維持電池的電量約65%～75%。 在串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中，內(nèi)燃機(jī)和底盤之間沒有機(jī)械連接。

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車配置的優(yōu)點(diǎn)是：內(nèi)燃機(jī)大部分時(shí)間在速度和扭矩的最佳組合運(yùn)行， 經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性較好。但是在能量的轉(zhuǎn)化過程中存在兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換級(jí)，即內(nèi)燃機(jī)和車輪、內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)，在兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換過程中有能量損失。

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中，有許多方法來配置內(nèi)燃機(jī)和牽引電動(dòng)機(jī)的使用。最廣泛使用的策略是低速時(shí)單獨(dú)使用電動(dòng)機(jī)， 因?yàn)樗诘退贂r(shí)比內(nèi)燃機(jī)更有效；高速時(shí)單獨(dú)使用內(nèi)燃機(jī)，當(dāng)只有內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以用作發(fā)電機(jī)給電池充電。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車也可以由無級(jí)變速器代替有級(jí)變速器。 因此,在自由給定和不斷變化的轉(zhuǎn)矩需求情況下，它可以選擇內(nèi)燃機(jī)的最有效運(yùn)行點(diǎn)。

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車配置的優(yōu)點(diǎn)在于：與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車相比有較少的能量轉(zhuǎn)換階段，能量損失也就相對(duì)較小，具有相對(duì)較高的整體驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)效率。

1.3 串—并聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

串—并聯(lián)混合動(dòng)力汽車是串聯(lián)和并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的混合。 相比串聯(lián)配置，在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間附加機(jī)械連接，相對(duì)于并聯(lián)式混合，有一個(gè)附加發(fā)電機(jī)。 這樣的設(shè)計(jì)，可以結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)混合動(dòng)力汽車兩者布置的優(yōu)點(diǎn)。 唯一不足的是，串—并聯(lián)混合動(dòng)力汽車相對(duì)更復(fù)雜和昂貴。

內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)有許多可能的組合。兩個(gè)主要的類別被定義為電動(dòng)集約和發(fā)動(dòng)機(jī)集約。電動(dòng)集約串—并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的配置中電動(dòng)機(jī)在動(dòng)力方面比內(nèi)燃機(jī)更加活躍，而在發(fā)動(dòng)機(jī)集約的情況下，內(nèi)燃機(jī)更有效。串—并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的兩種類型的共同可操作特性是：電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)時(shí)內(nèi)燃機(jī)關(guān)閉。 在正常行駛時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)集約的情況下內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。

串聯(lián)式混合動(dòng)力配置中的另一種形式是一個(gè)功率分流拓?fù)?。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)行星齒輪箱，其連接著內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。 當(dāng)內(nèi)燃機(jī)關(guān)閉時(shí)，車輛被切換成純電動(dòng)模式。 然而，大多數(shù)的運(yùn)行點(diǎn)，無論是并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車或是串聯(lián)式的混合動(dòng)力汽車， 能量會(huì)以類似的方式流動(dòng)。并聯(lián)混合動(dòng)力模式下，能量從內(nèi)燃機(jī)經(jīng)由變速箱到車輪流動(dòng)， 而串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車模式中，能量從發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)流向車輪。這兩個(gè)能量流之間的比例取決于所整體車速。 在大多數(shù)工作條件下，這種配置是串聯(lián)和并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的組合。

2 混合動(dòng)力汽車電力電子技術(shù)集成系統(tǒng)

2.1 使用ISA 系統(tǒng)的混合動(dòng)力拓?fù)?/h3>

在對(duì)混合動(dòng)力汽車研究中引入了集成起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（ISG），ISG 是具有轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)，它提供電起動(dòng)和交流發(fā)電機(jī)的功能。通過使用合適的功率電子變換器系統(tǒng)，ISG 補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)以提供更多的舒適性。電力電子變換器系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載狀態(tài)和電池充電狀態(tài)控制ISG 運(yùn)行狀態(tài)。改進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放是ISG 系統(tǒng)的兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。 ISG 可以在停止?fàn)顟B(tài) （和/或在某一指定速度） 重新起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。 ISG 也可以將通過再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存到能量?jī)?chǔ)存裝置（電池或超級(jí)電容器）。在大坡度爬坡或在加速前進(jìn)時(shí)它也可以用來提供輔助動(dòng)力。

2.2 42 V/12 V 雙電壓車載電氣系統(tǒng)

42 V/12 V 雙電壓架構(gòu)是滿足不斷增加的車載負(fù)載需求的解決方案之一。 考慮用于42 V 系統(tǒng)的操作電壓，最大動(dòng)態(tài)過電壓包括瞬態(tài)電壓限制在58 V，系統(tǒng)的充電電壓設(shè)置為42 V。 無論何時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，車輛的整個(gè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行在42 V 的標(biāo)稱值。 該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括:高效率和高性能，更便宜的操作程序，由于機(jī)械和液壓動(dòng)力集成到電力系統(tǒng)減少了總安裝功率，并降低了整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

從12 V 到完全由42 V 為主架構(gòu)的過渡不可能馬上完成。 因此，雙電壓汽車動(dòng)力系統(tǒng)將存在一段時(shí)間。 在雙電池系統(tǒng)中，42 V 電池用于高功率傳輸最優(yōu)化，12 V 的電池被用于低功率優(yōu)化，以支持間斷負(fù)荷和危險(xiǎn)信號(hào)燈操作。

與42 V 汽車電源系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)際問題： 通過提高目前14 V 到42 V 的網(wǎng)絡(luò)，車內(nèi)重要部件和系統(tǒng)的變化將會(huì)是很必要。其中這種變化的一個(gè)主要的動(dòng)機(jī)是因?yàn)橛捎谠谝粋€(gè)42 V 汽車電源系統(tǒng)的環(huán)境中較高的載流導(dǎo)線故障的性質(zhì)和其相應(yīng)的后果。

3 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)電力電子技術(shù)集成

電力電子技術(shù)是混合動(dòng)力汽車的核心技術(shù)， 它使得車輛更清潔、更智能、更精準(zhǔn)、更高效、更靈活。 在過去，因?yàn)槌杀締栴}電力電子設(shè)備沒有得到很好的應(yīng)用。

3.1 新的體系結(jié)構(gòu)

通過增加新的電負(fù)載，系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性隨之增加。該結(jié)構(gòu)需要新的開關(guān)和可靠性功能。電力電子技術(shù)使得集成開關(guān)和熔斷功能為一體的元件具有較高的可靠性成為可能。 實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的不同控制方法的可能性是遠(yuǎn)離繼電器切換的另一個(gè)因素。另外，通過實(shí)現(xiàn)電力電子器件的集成傳感技術(shù)， 診斷和故障檢測(cè)變得更容易。 此外，未來的汽車技術(shù)如電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等清潔和高效能源汽車的發(fā)展，必須實(shí)施可以使用電力電子技術(shù)的新的體系結(jié)構(gòu)。

3.2 按要求電源轉(zhuǎn)換

大多數(shù)車輛的輔助驅(qū)動(dòng)器是針對(duì)最壞的情況設(shè)計(jì)的。電力電子和電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過提供可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器使其更容易取得更高的效率。

車輛不同的組件需要不同級(jí)別的電壓。雙電壓的體系結(jié)構(gòu)中不同的電壓水平可利用功率電子轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)或同步電機(jī)需要高功率推進(jìn)的交流電壓，風(fēng)扇和泵的小型電機(jī)需要低功率的交流電壓。 直流—交流電壓和直流—直流電壓等不同的電壓轉(zhuǎn)換需要電力電子變換器。

3.3 精確的電子控制

發(fā)動(dòng)機(jī)控制，如點(diǎn)火或噴油需要精確定時(shí)和執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)控制。 快速、高功率運(yùn)行控制，需要集成現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理和電力電子技術(shù)。 車輛上越來越多的附加功能正在運(yùn)行，這就需要高功率驅(qū)動(dòng)和精確控制。電子液壓、機(jī)電制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向線控驅(qū)動(dòng)器、主動(dòng)懸架執(zhí)行器以及新的安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)是附加功能的一部分功能。

4 結(jié)語

為了提高混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的能源利用效率，保證車輛電氣負(fù)載用電需要，本文分析了混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和雙電壓汽車電源系統(tǒng)架構(gòu)，探討了混合動(dòng)力汽車先進(jìn)車載電力電子和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展方向，提出在混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)中采用雙向DC/DC 轉(zhuǎn)換器。