淺談電力電子技術在電動汽車中的應用

劉霞

摘 要：受到環境污染和能源短缺的壓力，各大汽車廠商和科研院校加大了對電動汽車技術的研究和開發。文章對電動汽車中的一項關鍵技術電力電子技術進行了總結，主要闡述整流技術在車載充電機中的應用、逆變技術在電機控制器中的應用以及直流變換技術在DC/DC變換器中的應用，為電動汽車技術研究人員學習電力電子技術提供一定的參考。關鍵字：電動汽車;電力電子技術;車載充電機;電機控制器;DC/DC變換器

中圖分類號：U469.7 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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環境的日益惡化，電動汽車的開發和應用已成為各國汽車工業積極探索的焦點。電動汽車能量來源不同于傳統燃油車，儲存于動力蓄電池中的高壓直流電能是其唯一的能量來源。電動汽車驅動電機需要三相交流電能，車燈、電腦、音響等用電設備需要低壓直流電能，對電能的形式和功率的不同要求，就需要對儲能系統中的電能進行各種功率變換?！半娏﹄娮蛹夹g”正是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，其在電動汽車中各種形式的電能轉換中都有應用。

1?電力電子技術研究范圍及與電動汽車技術的密切關系

電力電子技術是以電力電子器件為核心，通過對不同電路拓撲的不同控制方式來實現對電能的轉換和控制，其基本的轉換形式和功能有以下四種：

（1）整流技術，也稱為交流/直流（AC/DC）變換技術，即把交流電能轉換為固定或可調的直流電能。

（2）逆變技術，亦稱為直流/交流（DC/AC）變換技術，即將直流電能變換為交流電能。

（3）直流變換技術（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（AC/AC變換），即對交流電能的參數（幅值、頻率）加以轉換。

整流技術、逆變技術和直流變換技術是電力電子技術的三大電源變換方法，已經完全集成在新能源汽車技術中，如圖1所示。

2 整流技術在車載充電機中的應用

電動汽車停車充電時，車載充電機將公用電網的單相或三相50Hz/60Hz交流電轉換為電壓電流幅值可控的直流電，對動力電池充電，這就需要整流技術。

目前車載充電機采用的結構主要有兩大類，一類是不控整流加高頻隔離直流變換器，一類是前級AC/DC整流校正模塊、后級DC/DC隔離調壓模塊的結構。這兩種結構都能滿足安全的要求，但是前一種結構對功率有很大限制且功率因數較低，因此如大量接入電網對電網污染較大，而后一種結構對電網污染小，能實現低諧波和高功率因數的要求，因此得到廣泛的應用^[1]。

由前級AC/DC整流校正模塊、后級DC/DC隔離調壓模塊組成的車載充電機整體結構框圖如圖2所示，主要由主功率單元、控制與保護單元、輔助電源與通訊單元3部分組成。

2.1 主功率單元簡介

主功率單元的功能為將電壓為85～265V的單相交流電首先經過EMI濾波，然后在AC/DC整流校正模塊的作用下，整流成穩定輸出的直流電壓;再經過DC/DC隔離調壓模塊轉化成動力電池充電可以接受的高精度直流電壓，并通過控制器來實現恒壓限流和恒流限壓的兩段式充電。

（1）AC/DC整流校正模塊結構

AC/DC整流校正模塊常用電路結構為Boost型APFC電路，如圖3所示。該電路通過整流二極管組成的整流電路將交流市電轉變為正弦半波直流電，然后進行基于Boost電路的DC/DC功率變換，最后通過控制電路對全控型電力場效應晶體管進行控制。經過該模塊后，能夠實現輸入電流平均值波形呈現正弦化，并且電流能跟蹤整流后的電壓波形，實現高功率因數，同時維持直流輸出電壓穩定^[2]。

（2）DC/DC隔離調壓模塊結構

DC/DC隔離調壓模塊最常見的電路拓撲為LLC串聯諧振DC/DC變換器，如圖4所示。該電路首先通過對全控型電力場效應晶體管T1～T4進行控制，將T1、T4分為一組，T2、T3分為一組，先導通T1和T4，導通角為180°，然后導通T2和T3，導通角同樣為180°。經過上述控制，直流電壓逆變為交流方波電壓，然后在高頻變壓器的升降壓與隔離后，在變壓器次級得到不同幅值的交流方波電壓，最后經過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 控制與保護單元簡介

控制與保護單元的作用主要有三部分：一為信號采集，包括輸入交流電壓電流的檢測和輸出直流電壓電流的檢測，測得的數值會送入控制器;二為邏輯運算，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在控制器中按照設定的邏輯進行計算，得出對APFC電路和LLC串聯諧振DC/DC變換器電路相對應開關管的驅動信號;三為驅動輸出，在控制器中運算得到的驅動信號，通過驅動電路輸出，以控制相對應的開關器件，實現對動力電池進行高效、智能的充電與保護控制^[3]。

2.3 輔助電源與通訊單元簡介

輔助電源與通訊單元有兩部分組成：一為低壓輔助電源，作用為車載充電機內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，主要是充電機與BMS之間的通訊，在充電過程中對BMS電池特性進行實時監測，從而選擇最優的電池充電曲線，實現對電池的高效快速充電。

3 逆變技術在電機控制器中的應用

三相籠式異步電機和永磁同步電機被廣泛用于電動汽車的動力驅動裝置中，電機控制器是實現車載動力電池直流電與電動機所需的電流矢量相位幅值可調的三相交流電雙向轉換的功率變換裝置。純電動汽車前進時，驅動電機處于電動工作狀態，電機控制器將動力電池直流電轉換為電機所需交流電，該方法即為逆變技術。

三相籠式異步電機和永磁同步電機的控制器硬件拓撲是一樣的，其硬件電路可以通用，主要的區別是電機的軟件控制核心不同^[4]。由于永磁同步電機在電動汽車上的應用最為廣泛，在此著重介紹一下永磁同步電機控制器系統結構，如圖5所示，同樣由主功率單元、控制與保護單元、輔助電源與通訊單元3部分組成。

3.1 主功率單元簡介

主功率單元的功能為根據整車控制器發送來的駕駛人駕駛意圖，在當前電機運轉狀況的基礎上，將動力電池儲存的直流電，通過逆變模塊逆變為一定頻率和幅值的高壓三相交流電，來驅動三相交流電機運轉。主功率單元的電路結構見圖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IGBT管芯集成的IGBT模塊。

3.2 控制與保護單元簡介

電機控制器控制與保護單元的作用與車載充電機類似，也分為三部分：一是信號采集，采集的信號包括輸入端的直流母線電壓、輸出端的三相交流電流、三相電機的溫度信號以及旋轉變壓器傳入的電機轉子位置信號;二是邏輯運算，數據信號處理器（DSP）接收上述信號以及來自CAN通訊單

元的信號，經過控制策略的處理后，再輸給DSP內部的ePWM模塊形成六路PWM脈沖波;三是驅動輸出，DSP形成的PWM脈沖波，通過驅動電路輸出接入IGBT逆變模塊中開關管的控制柵極。

3.3 輔助電源與通訊單元簡介

低壓輔助電源，為電機控制器內部控制芯片等提供低壓直流電源;CAN通訊單元，主要作用為與整車控制器（VCU）通訊，如接收來自整車控制器的加速踏板信號、制動踏板信號、動力電池狀態等，然后輸入電機控制器，電機控制器通過整車狀態信息來判斷當前的駕駛需求。

4 直流變換技術在DC/DC變換器中的應用

電動汽車的能源通常以直流電能的形式儲存于動力蓄電池中，其標稱電壓一般在300～650V之間，而車輛的輔助設備如車燈、音響系統、ECU等則繼承了傳統汽車的低壓電氣系統，其供電電壓仍為12V/24V。兩種直流母線電壓之間需要轉換，所以需要直流/直流（DC/DC）變換器，將動力電池的高電壓轉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載充電機LLC串聯諧振DC/DC變換器電路（如圖4所示）結構和功能相似，這里就不再贅述^[5]。

5 總結

本文對電力電子技術中三大電源變換方法在電動汽車中的應用進行了概述，包括整流技術在車載充電機中的應用、逆變技術在電機控制器中的應用以及直流變換技術在DC/DC變換器中的應用。電動汽車行業從業人員、各大院校電動汽車專業師資力量在進行電動汽車研究時，必然需要對電力電子技術進行深入研究，以完善電力電子技術在電動汽車大功率電能調節方面的能力，降低電動汽車的能耗。

參考文獻

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