劉霞

摘 要：受到環(huán)境污染和能源短缺的壓力，各大汽車(chē)廠(chǎng)商和科研院校加大了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。文章對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē);電力電子技術(shù);車(chē)載充電機(jī);電機(jī)控制器;DC/DC變換器

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已成為各國(guó)汽車(chē)工業(yè)積極探索的焦點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)能量來(lái)源不同于傳統(tǒng)燃油車(chē)，儲(chǔ)存于動(dòng)力蓄電池中的高壓直流電能是其唯一的能量來(lái)源。電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要三相交流電能，車(chē)燈、電腦、音響等用電設(shè)備需要低壓直流電能，對(duì)電能的形式和功率的不同要求，就需要對(duì)儲(chǔ)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(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，其在電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)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(guò)對(duì)不同電路拓?fù)涞牟煌刂品绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chēng)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(chēng)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(duì)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(chē)技術(shù)中，如圖1所示。

2 整流技術(shù)在車(chē)載充電機(jī)中的應(yīng)用

電動(dòng)汽車(chē)停車(chē)充電時(shí)，車(chē)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(duì)動(dòng)力電池充電，這就需要整流技術(shù)。

目前車(chē)載充電機(jī)采用的結(jié)構(gòu)主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是不控整流加高頻隔離直流變換器，一類(lèi)是前級(jí)AC/DC整流校正模塊、后級(jí)DC/DC隔離調(diào)壓模塊的結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)都能滿(mǎn)足安全的要求，但是前一種結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)電網(wǎng)污染較大，而后一種結(jié)構(gòu)對(duì)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(jí)AC/DC整流校正模塊、后級(jí)DC/DC隔離調(diào)壓模塊組成的車(chē)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(jiǎn)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(guò)EMI濾波，然后在A(yíng)C/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(guò)DC/DC隔離調(diào)壓模塊轉(zhuǎn)化成動(dòng)力電池充電可以接受的高精度直流電壓，并通過(guò)控制器來(lái)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(guò)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?，然后進(jìn)行基于Boost電路的DC/DC功率變換，最后通過(guò)控制電路對(duì)全控型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)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(shí)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(jiàn)的電路拓?fù)錇長(zhǎng)LC串聯(lián)諧振DC/DC變換器，如圖4所示。該電路首先通過(guò)對(duì)全控型電力場(chǎng)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(guò)上述控制，直流電壓逆變?yōu)榻涣鞣讲妷?，然后在高頻變壓器的升降壓與隔離后，在變壓器次級(jí)得到不同幅值的交流方波電壓，最后經(jīng)過(guò)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(jiǎn)介

控制與保護(hù)單元的作用主要有三部分：一為信號(hào)采集，包括輸入交流電壓電流的檢測(cè)和輸出直流電壓電流的檢測(cè)，測(cè)得的數(shù)值會(huì)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(hào)在控制器中按照設(shè)定的邏輯進(jìn)行計(jì)算，得出對(duì)APFC電路和LLC串聯(lián)諧振DC/DC變換器電路相對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào);三為驅(qū)動(dòng)輸出，在控制器中運(yùn)算得到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路輸出，以控制相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)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(jiǎn)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(chē)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(guò)程中對(duì)BMS電池特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而選擇最優(yōu)的電池充電曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中，電機(jī)控制器是實(shí)現(xiàn)車(chē)載動(dòng)力電池直流電與電動(dòng)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(dòng)汽車(chē)前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于電動(dòng)工作狀態(tài)，電機(jī)控制器將動(dòng)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)涫且粯拥模溆布娐房梢酝ㄓ?，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(dòng)汽車(chē)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(jiǎn)介

主功率單元的功能為根據(jù)整車(chē)控制器發(fā)送來(lái)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(dòng)力電池儲(chǔ)存的直流電，通過(guò)逆變模塊逆變?yōu)橐欢l率和幅值的高壓三相交流電，來(lái)驅(qū)動(dòng)三相交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。主功率單元的電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(gè)IGBT管芯集成的IGBT模塊。

3.2 控制與保護(hù)單元簡(jiǎn)介

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

元的信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(dòng)輸出，DSP形成的PWM脈沖波，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路輸出接入IGBT逆變模塊中開(kāi)關(guān)管的控制柵極。

3.3 輔助電源與通訊單元簡(jiǎn)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(chē)控制器（VCU）通訊，如接收來(lái)自整車(chē)控制器的加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、動(dòng)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(guò)整車(chē)狀態(tài)信息來(lái)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(dòng)汽車(chē)的能源通常以直流電能的形式儲(chǔ)存于動(dòng)力蓄電池中，其標(biāo)稱(chēng)電壓一般在300～650V之間，而車(chē)輛的輔助設(shè)備如車(chē)燈、音響系統(tǒng)、ECU等則繼承了傳統(tǒng)汽車(chē)的低壓電氣系統(tǒng)，其供電電壓仍為12V/24V。兩種直流母線(xiàn)電壓之間需要轉(zhuǎn)換，所以需要直流/直流（DC/DC）變換器，將動(dòng)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(chē)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(duì)電力電子技術(shù)中三大電源變換方法在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用進(jìn)行了概述，包括整流技術(shù)在車(chē)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(dòng)汽車(chē)行業(yè)從業(yè)人員、各大院校電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)師資力量在進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)研究時(shí)，必然需要對(duì)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(dòng)汽車(chē)大功率電能調(diào)節(jié)方面的能力，降低電動(dòng)汽車(chē)的能耗。

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