电动汽车电力电子技术

第1章 绪论 1.1 概述 进入21世纪以来，随着人们对能源短缺和环境污染等问题的重视，电动汽车逐渐成为汽车厂商和研发机构的研究热点并步入产业化阶段。 与传统内燃机汽车相比，电动汽车具有高效率、低排放、低噪声等优点，并具有如下技术特征和发展趋势。 1)电气化的动力系统 与内燃机汽车结构简单、构型单一的动力系统不同，电动汽车的动力系统由多部件构成且结构复杂、构型多样[1]。如图1-1所示，可以将电动汽车的动力系统看作电气系统，包含电能的产生、电能的传输与分配以及电能的利用三个重要环节。多部件构成的电动汽车动力系统不仅便于在整车上布置和安装，而且可通过系统及其组成部件结构的优化，使车辆轻量化的相关技术更易于实现；由于电能的传输更为灵活和便捷、电气类型的执行器和传感器动态响应较快，整车智能化的相关技术在电动汽车上更便于实施。 图1-1 电动汽车动力系统及其在能源互联网中的地位 2)车辆在能源体系中的地位和作用发生变化 在能源体系中，汽车一直被认为是能源消耗的大户[2]。电动汽车具有能量来源多样化、能量转换效率较高等优点。随着电动汽车的规模化应用，在能源互联网中，其角色不再是单一的能量需求方，电动汽车可以同时发挥能量供给以及调节的作用。图1-1中，电动汽车电能以及与驱动电机相关的机械能的传输是双向的，这与内燃机汽车中将化学能转换为机械能的单向传输具有明显的区别。车辆到电网(vehicle to grid，V2G)相关技术使电动汽车的功能得到了充分扩展[3]。 3)电能在电动汽车动力系统内部、电动汽车与外电网之间的流动具有可控性可控性具体体现在以下几个方面。 **，电动汽车动力系统中电源产生的电能需要通过变换才能满足负载的需求。电能的变换可以是交直流之间的转换，也可以是电压、电流、频率等电能特征量的调节，变换的目的是使负载得到符合其用电要求的高品质电能。 第二，电动汽车动力系统功率平衡的需要。在任何情况下，电源的输出功率等于负载消耗的功率与电能传输和转换过程的损耗功率之和。通过对电源输出功率的控制，可以使负载的需求功率得到满足，避免负载工作状态发生异常。 第三，电动汽车动力系统高效率运行的需要。通过对电压、电流、功率的控制或调解，可以提高系统的电能传输和转换效率，同时使系统中各组成部件处于高效工作区，从而提高系统的运行效率。 第四，电动汽车动力系统可靠安全运行的需要。通过对电能的控制，可以避免系统中各部件出现过压、过流、过温、欠压等可能引发故障的风险，保证系统以及各部件可靠安全运行。 电动汽车对电能的控制依赖于电力电子技术。电力电子技术是利用电力电子器件组成不同拓扑结构的电路，完成电能控制和不同形式电能转换的技术。电力电子相关技术拓宽了传统电子学的应用领域，为现代通信、计算机、工业自动化、电力工业、航天、汽车等高新技术领域提供高性能、高精度和高效率的电能转换和控制设备，成为发展高新技术的基础和关键[4]。 电力电子器件是用于电能变换和控制的大功率电子器件，电力电子器件的主要应用领域如图1-2所示。通常，电动汽车中使用的电力电子器件的电压范围为300～1200V，电流范围为100～1000A。从电力电子应用领域来讲，电动汽车中的电力电子器件属于中压、中等功率范畴。电动汽车中工作电压较高(如大于500V)的部件是目前碳化硅半导体材料电力电子器件主要的目标应用对象[5]。 以电力电子器件为核心且以电能转换和控制为目的的电路称为电力电子电路。根据电路输入和输出电能的形式，可以把电力电子电路分为四类：直流-直流电路、直流-交流电路、交流-直流电路和交流-交流电路[6]。除交流-交流电路外，其他三类电力电子电路在电动汽车上都有所应用。 图1-2 电力电子器件主要应用领域 在电动汽车上，利用电力电子电路完成不同形式电能之间转换和电能控制的基本单元称为电力电子部件。除实现电能变换和控制的功能外，一个电动汽车电力电子部件还应具有下列特征。 (1)电气结构上：包括电力电子电路及维持其正常工作所需的辅助电路，如驱动电路、保护电路、微处理器及其外围电路、数据采集电路、通信电路、电源电路等。一般把电力电子电路称为主电路，而把所有的辅助电路统称为控制电路。 (2)机械结构上：包括导电母排、机械安装接口、电气连接器或电气连接接口、散热子系统、防护壳体等。 (3)满足车用条件：具有较高的功率密度和效率，具有较好的可靠性和较长的使用寿命，具有一定的防护等级和电气绝缘性能，具有较强的环境适应性和电磁兼容性。 图1-3所示为燃料电池汽车动力系统中连接于燃料电池系统与直流母线之间的直流-直流变换器的构成。作为电动汽车电力电子部件，直流-直流变换器内部主要包括主电路和控制电路两大部分。主电路用来完成直流-直流之间的电能转换，若采用升压型电路结构，则主电路可如图1-4所示。主电路主要由绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar translator， IGBT)T、功率二极管D、电容CIN和COUT以及电感L构成，其中T和D属于电力电子器件，而CIN、COUT和L属于大功率无源元件。控制电路由微控制单元(micro control unit， MCU)或数字信号处理器(digital signal processor， DSP)、驱动电路、保护电路、控制电源、各类传感器等构成，用来根据上层控制器发来的指令对主电路中电力电子器件的通断实施控制。在图1-4所示电路中，电力电子器件T也可以采用功率金属氧化物半导体场效应晶体管(power metal-oxide-semiconductor field effect transistor， Power MOSFET或功率MOSFET)，通过控制T的占空比来调节主电路的输出电压uOUT，进而控制主电路输入侧的功率，即燃料电池系统输出功率。除具有主电路和控制电路外，直流-直流变换器还包含散热子系统、连接母排以及图1-3中没有给出的连接器、防护壳体等构件或子系统。 图1-3 燃料电池汽车动力系统直流-直流变换器的构成 图1-4 燃料电池汽车直流-直流变换器升压型主电路 电动汽车对电力电子技术具有较强的依赖性。无论是纯电动汽车、混合动力汽车还是被人们视为更加绿色环保的燃料电池汽车，电力电子部件都是动力系统重要的组成部分，电力电子部件的性能对汽车的动力性、经济性、可靠性、安全性、稳定性、舒适性等会产生直接而重要的影响。电力电子技术已经成为现代汽车领域关注和研究的热点[7]。同时，汽车高温、高寒、高湿、高振动、高海拔、复杂电磁环境等特殊的工作条件也对电力电子器件、电力电子电路、电力电子控制等方面提出了非常高的要求。电力电子技术相关知识的普及以及相关理论的进一步深入研究具有非常重要的意义。 1.2 电力电子技术在电动汽车中的应用 电力电子技术在电动汽车中的应用可以分为两个层次：电力电子器件和电力电子电路。电力电子器件层次包括电动汽车电力电子器件设计、材料选取、制造与生产工艺、试验检测以及器件应用过程中的驱动、保护、热管理等相关技术。电力电子电路层次包括电路拓扑结构设计与优化、元器件参数选择、控制策略与方法、评价手段等相关技术。 图1-5所示为插电式燃料电池乘用车(plug-in fuel cell electric car)的电气系统结构，图中所示部件对电力电子技术都具有很强的依赖性。 图1-5 插电式燃料电池乘用车的电气系统结构 对于图1-1中的“电能变换器”，若其以独立部件出现在电动汽车动力系统中，可以分为三类，如表1-1所示。 表1-1常见的电动汽车电能变换器典型应用 电力电子技术在电动汽车中的具体应用领域主要有以下几个方面。 1)直流-直流变换器 主要包括两类：一类为前面提到的用于燃料电池和动力蓄电池两个动力源电压匹配和功率分配的大功率直流-直流变换器，其功率可达几十千瓦至近百千瓦；另一类为电动汽车用小功率辅助直流-直流变换器，其主要功能是将动力蓄电池提供的高压直流电能变换为12V或24V低压直流电能，供整车控制系统、车身电气系统等使用。这类小功率直流-直流变换器，对于乘用车，普遍功率为1～3kW；对于商用车，普遍功率为3～5kW。 2)电机控制器 电动汽车普遍采用交流异步电机或永磁同步电机来驱动车辆，电机控制器实现电能在直流与交流之间的转换并实现对电机转矩或转速的控制，是电动汽车的核心部件。对于部分电动车辆，为了提高电机控制器输入电压，进而提升驱动系统的综合性能，在电机控制器与动力蓄电池之间会配有双向直流-直流变换器。从功能角度看，这种复合电力电子装置仍可以被视为电机控制器。车用电机控制器的功率范围通常为几十千瓦至数百千瓦。 3)充电系统 充电系统集成了整流、逆变、直流-直流等多个电能变换环节，具有非常复杂的电力电子拓扑结构。充电系统反映了电力电子器件、电力电子控制、电力电子电路等电力电子技术核心理论体系在汽车领域的综合应用，是电力电子技术应用方面的典型代表。充电系统功率范围一般为几千瓦至百余千瓦。除上述应用领域外，电力电子技术还在电动汽车中的锂离子电池管理与均衡、燃料电池空气压缩机驱动与控制、电动空调、电动转向、制动系统等领域有所应用[8]。 1.3 电动汽车电力电子技术的特点和发展趋势 1.3.1 电动汽车电力电子技术的特点 电动汽车电力电子技术的主要特点表现在以下几个方面。 1)高效率 高效率体现在电力电子器件和电力电子部件两个层次。对于电力电子器件而言，由于导通损耗和开关损耗不断降低，尤其是一些宽禁带(wide band gap， WBG)材料功率器件(如碳化硅器件、氮化镓器件)的出现和使用，大大提高了器件的工作效率[9，10]；对于电力电子部件而言，采用一些先进的控制技术或进行电路拓扑结构优化，可以有效提高汽车电力电子部件的工作效率。 2)高频率 高频工作是汽车电力电子器件的一个典型特征。大功率直流-直流变换器、电机控制器等电力电子器件的开关频率普遍不低于20kHz；在无线充电系统中，开关器件工作频率往往接近100kHz[11]。较高的频率可以减轻因器件通断而引起的部件工作噪声对车辆司乘人员产生的影响，但也会增加设备的开关损耗，带来突出的汽车电磁兼容问题[12]。 3)高密度 由于汽车空间有限，同时各部件之间有机械、电气之间的连接和耦合，因此汽车部件的结构设计非常关键。电力电子部件应在满足整车的电气、机械、冷却的需求以及整