汽車電氣系統中的電力電子技術應用

摘要：隨著汽車工業的不斷發展，現代汽車的電氣系統日益復雜化和多樣化。電力電子技術作為實現電能高效變換和控制的關鍵技術，在汽車電氣系統中得到了廣泛應用。本文首先簡要介紹電力電子技術的基本原理，然后分別探討了電力電子技術在傳統汽車和新能源汽車電氣系統中的應用現狀。傳統汽車方面，重點分析了電力電子技術在照明、音響、空調、發動機控制等系統中的應用；新能源汽車方面，重點分析了電力電子技術在驅動系統、能量管理系統、充電系統、輔助電源等方面的應用。

關鍵詞：電力電子；汽車電氣系統；傳統汽車；新能源汽車；技術應用

引言

隨著汽車工業的快速發展，現代汽車已不再是單純的機械裝置，而是集機械、電子、控制、通信等多學科先進技術于一體的高科技產品，其中，汽車電氣系統作為連接汽車各部件和駕駛員的紐帶，在汽車性能提升中發揮著不可或缺的作用。電氣系統在汽車中的應用最早可追溯到1912 年，當時美國凱迪拉克公司首次在汽車上應用了電動啟動系統，替代了手搖啟動機，極大地改善了汽車的使用便利性。此后，隨著照明、音響、空調等電氣設備不斷引入，汽車電氣系統日益復雜，進入21世紀，隨著新能源汽車的崛起，電驅動、電池管理、車載充電等成為汽車電氣系統的核心，對電氣技術提出了更高要求。

一、電力電子技術基本原理

電力電子技術的本質是通過功率半導體器件的通斷實現電能的變換和控制。根據電能形式和控制目的，電力電子變換主要有以下幾種類型：AC/DC 變換，又稱為整流變換，是將交流電變換為直流電，如汽車交流發電機輸出的交流電需整流為直流電；DC/DC 變換，是在直流電路中改變電壓和電流的變換，如將汽車上高壓動力電池電壓降壓為12V 低壓電；DC/AC 變換，又稱為逆變變換，是將直流電變換為交流電，如新能源汽車用逆變器驅動交流電機；AC/AC 變換，是改變交流電壓和頻率的變換，如汽車空調壓縮機調速。

電力電子變換的核心器件是功率半導體開關管，常見的有晶閘管、MOSFET、IGBT 等，通過控制開關管的導通和關斷，可在很寬的范圍內調節電壓、電流、頻率，實現靈活可控的電能變換，為抑制開關過程中的浪涌電壓和電流，需在電路中加入吸收回路電容、鉗位電路等保護電路。電力電子變換的控制主要采用脈寬調制（PWM）技術，PWM 通過改變開關管導通的占空比來等效調節輸出電壓和電流，調制方式有正弦PWM、空間矢量PWM 等，調制頻率一般在數千赫茲以上，PWM 信號的產生可通過模擬電路實現，但目前大都采用數字控制技術，用DSP、FPGA、單片機等實現。

二、電力電子技術在傳統汽車電氣系統中的應用

（一）汽車照明系統

汽車照明是駕駛安全的重要保障，主要包括前照燈、尾燈、轉向燈、剎車燈等，傳統汽車一般采用白熾燈泡或鹵素燈，但存在功耗高、易燒壞等問題，隨著LED、HID 等新型光源的興起，汽車也隨之升級換代。以LED 前照燈為例，LED 光源由驅動電路供電，工作在直流低壓（一般9 ～ 16V），考慮到車載蓄電池電壓波動和瞬間尖峰電壓，需采用DC/DC 變換提供穩壓電源，目前多采用Buck 變換器，將蓄電池12V 電壓降壓至LED 需要的電壓，再經過線性恒流驅動控制LED 電流，從而獲得穩定的亮度，通過調節占空比還可實現燈光的漸亮漸暗。LED 前照燈相比傳統鹵素燈，光電轉換效率可提高40%以上，使用壽命可達50 000 小時以上，而且具有響應快、體積小、易設計造型等優點，目前已在中高端車型中得到普遍應用。

（二）汽車音響系統

汽車音響是駕乘舒適性的重要體現，為獲得更高的音質，除了揚聲器選型，功放電路的設計也至關重要。目前汽車音響普遍采用D 類功放，即采用脈寬調制器將音頻信號轉換為高頻脈沖信號，經功率放大后驅動揚聲器，原理上屬于一種逆變變換，與傳統AB 類功放相比，D 類功放的效率可達90% 以上。但D 類功放輸出的高頻脈沖信號會產生電磁干擾，而汽車音響靠近各種傳感器、天線，如何做好電磁兼容是設計的難點，需要在電路板布局、屏蔽、濾波等方面下功夫，同時要選擇優質的電感器件，以承受大電流脈沖，D 類功放的失真、動態響應、限幅、功率因數校正等性能優化也對電力電子技術提出了更高要求[1]。

三、電力電子技術在新能源汽車電氣系統中的應用

（一）電動汽車驅動系統

電動汽車驅動系統是指驅動電動機將電能轉換為機械能，驅動車輪行駛的系統，主要由電動機、電力電子變換器（逆變器）、減速器及相關控制器等組成，根據驅動電機類型的不同，電動汽車驅動系統一般分為交流異步電機驅動、永磁同步電機驅動、開關磁阻電機驅動等類型，其中，永磁同步電機以其功率密度大、效率高等優勢在乘用車中得到廣泛應用[2]。永磁同步電機驅動系統通常使用電壓型三相PWM 逆變器作為電力電子變換器，逆變器將電池組的直流電壓轉換為三相交流電壓，其幅值和頻率可通過SVPWM 等調制方式進行調節，從而實現電機轉速和轉矩的控制，常見的控制策略有Id=0 矢量控制、最大轉矩/ 電流比控制、磁場弱化控制等，整個驅動系統涉及電機建模、坐標變換、電流環和速度環控制、無感測速等諸多控制技術，需保證足夠的動態響應和控制精度。在逆變器拓撲方面，考慮到驅動電機的大功率特性，一般采用三電平拓撲，既可提高直流側電壓利用率，也可降低輸出電流諧波，減小電機損耗，同時多采用功率模塊化設計，即將IGBT、驅動電路集成為一個整體，以提高功率密度和可靠性，在散熱方面也多采用水冷方式，利用水冷板對功率器件進行熱管理。電機控制器通常采用基于DSP 和FPGA 為核心的嵌入式實時控制系統，DSP 用于實現電機控制算法，FPGA 用于實現PWM 信號的生成和故障保護等，同時還需要采集電機位置、電流等多路模擬量，并進行快速AD 轉換和同步采樣，對控制芯片的性能提出了很高的要求[3]。

（二）電動汽車能量管理系統

電動汽車能量管理系統是指對車載可再生能源（如制動能量回收）和車載儲能裝置（如電池、超級電容）進行控制和管理，實現能量的高效利用和分配，其核心是電池管理系統（BMS），負責對動力電池進行監測、均衡、估算和保護。動力電池一般由數百上千節單體電池串并聯而成，電池單體之間存在一定的參數差異如容量、內阻等，長期工作會出現不同程度的不一致，如電壓不均衡、SOC 不一致等，因此，BMS 需對每一節電池電壓、溫度等參數進行實時采集，再經過信號調理電路進行隔離、濾波、放大等處理后，送入控制器進行分析和控制，一般通過均衡電路（如能量轉移、能量耗散）來平衡各單體電壓，提高電池電荷狀態（SOC）一致性，延長電池使用壽命。在電壓采樣電路方面，由于動力電池電壓較高（通常數百伏），需要進行高壓隔離和高精度采樣，目前多采用Σ-Δ 型ADC，具有很高的分辨率，但采樣時間較長，不太適合快速變化過程，磁耦合隔離和光耦合隔離是常用的隔離方式，抗共模干擾素能力強，但成本較高，此外，智能功率模塊（IPM）等新器件的出現，可將隔離、驅動、均流、檢測保護等功能集成在一起，簡化了BMS 設計。

（三）輔助電源系統

輔助電源是為車載低壓電器供電的系統，一般電壓等級為12V 或48V，與傳統汽車相比，新能源汽車的低壓負載功率更大，種類更多，如空調壓縮機、電子水泵、EPS 等，對輔助電源的輸出能力提出了更高要求，輔助電源的電能來源主要是12V 蓄電池，但由于其容量和功率密度限制，往往需要從高壓動力電池取電，通過DC/DC 變換器降壓后向12V 蓄電池充電或并聯供電。輔助電源DC/DC 變換器需要在寬范圍負載波動下，維持輸出電壓的恒定，目前多采用磁隔離拓撲如LLC 諧振變換器，可實現軟開關，減小開關損耗，提高效率，且輸入輸出隔離耐壓高，可靠性好，也有一些采用磁隔離的Buck、Boost 等拓撲，雙向DC/DC 技術使得在動力電池過放時，也可從12V 蓄電池向動力電池回充，擴大了整車工況適應性。輔助電源管理方面，需要實現低壓負載的優先級管理，在緊急情況下切除非重要負載，要合理規劃高壓蓄電池與低壓蓄電池的能量分配，協調輔助電源DC/DC 與車載充電機、制動能量回收等部件的工作，實現整車能量的優化管理，在雙電源并聯供電時，還需考慮二者的電流分配、電壓控制等。

結論

展望未來，隨著新型功率器件、智能控制、能源互聯網等新技術的發展，電力電子技術與汽車電氣系統的結合將更加緊密，在提高汽車電氣化、智能化、網聯化方面發揮更大的作用。電動汽車、自動駕駛汽車、共享汽車等新業態也將催生電力電子技術的創新發展，這需要汽車、電力電子、控制、通信等多學科的交叉融合，也需要產學研用各界的通力協作，相信在各方共同努力下，電力電子技術必將引領汽車工業邁向更加美好的未來。

參考文獻：

[1] 劉琦， 付寶鑫， 楊浩. 電力電子技術在風力發電中的應用[J].電子技術，2023（1）：230-231.

[2] 李旻運，蔡志端，許虹怡.“電力電子技術”多層次系統化教學模式[J]. 電氣電子教學學報，2024，46（2）：176-179.

[3] 徐富林. 電力電子技術在電氣工程中的應用[J]. 光源與照明，2023（5）：231-233.