杜紅艷 師亞娟

電力電子技術(shù)主要作用于大功率電能的轉(zhuǎn)換與控制，該技術(shù)結(jié)合了電子、控制、電能轉(zhuǎn)換器件這三個(gè)部分，當(dāng)前電力電子裝置應(yīng)用非常普遍，例如在一些需要大功率電能來(lái)維持運(yùn)行的設(shè)備當(dāng)中，都可以輕易發(fā)現(xiàn)電力電子技術(shù)的身影?，F(xiàn)階段對(duì)于電力電子技術(shù)的研究大體分為三個(gè)方向，首先是變換器拓?fù)溟_(kāi)關(guān)、電路仿真建模、電路控制等方面，此外在電子設(shè)計(jì)中，還能夠作用于半導(dǎo)體器件的模型建立、測(cè)試工作以及仿真加工等，電力電子技術(shù)還可以應(yīng)用于工控領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，電動(dòng)汽車得到了廣泛青睞，它具有綠色節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)于城市環(huán)境改善具有深遠(yuǎn)意義，是一個(gè)值得長(zhǎng)期研究的汽車產(chǎn)品種類，現(xiàn)在將電力電子技術(shù)引入到電動(dòng)汽車當(dāng)中，這對(duì)于雙方面的應(yīng)用價(jià)值無(wú)疑是一種考量，具有很高的研究?jī)r(jià)值。

電動(dòng)汽車的特點(diǎn)及發(fā)展歷程

根據(jù)不同的動(dòng)力來(lái)源，電動(dòng)汽車主流類型分為三種：純電動(dòng)汽車、燃料電池電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車。車載電池是純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，但是由于電池性能在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都沒(méi)有實(shí)質(zhì)性突破，因此純電動(dòng)汽車并沒(méi)有更新到人們所預(yù)期的高度。而燃料電池電動(dòng)汽車則有所不同，它的動(dòng)力源可以實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的污染，電池使用壽命具有優(yōu)勢(shì)，但燃料電池電動(dòng)汽車的問(wèn)世至今，在性能方面依舊未獲得顯著提高，所以燃料電池電動(dòng)汽車也未能像人們所預(yù)想的那樣普及。最后，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車則是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)為汽車提供可靠的動(dòng)力，讓電力電子控制系統(tǒng)與蓄電池緊密配合，在能量分布上非常均衡，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車同樣具有污染低、能耗低等特點(diǎn)。上世紀(jì)90年代中后期，各國(guó)汽車生產(chǎn)巨頭開(kāi)始著手研究電動(dòng)汽車，對(duì)其應(yīng)用與發(fā)展作出了規(guī)劃，德國(guó)、日本、美國(guó)的汽車生產(chǎn)公司相繼推出了各自的電動(dòng)汽車，在車型方面涵蓋轎車、貨車與面包車等。

日本豐田公司始終是電動(dòng)汽車的領(lǐng)軍者，豐田所研制的電動(dòng)汽車已經(jīng)擁有15年商業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，第一批混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的量產(chǎn)開(kāi)始于上世紀(jì)90年代中期，緊接著又推出了混合動(dòng)力四輪驅(qū)動(dòng)面包車，并且為其搭載了專用動(dòng)力控制系統(tǒng)。豐田公司在2003年確立了一套混合動(dòng)力系統(tǒng)THSII，其油耗低，節(jié)能效果顯著，接下來(lái)豐田公司開(kāi)始面向歐洲拓展動(dòng)力電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)，LexusRX型混合動(dòng)力轎車正式與歐洲消費(fèi)者見(jiàn)面。2013年，豐田公司已經(jīng)將自家生產(chǎn)的電動(dòng)汽車悉數(shù)采用混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，為環(huán)境保護(hù)和節(jié)省燃油帶來(lái)了巨大幫助。

電動(dòng)汽車分類概述

現(xiàn)階段，汽車產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了技術(shù)改革和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要時(shí)期，以安全環(huán)保為前提的汽車成為了眾人關(guān)注的焦點(diǎn)，電動(dòng)汽車將成為汽車界的重要成員，在發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于電動(dòng)機(jī)車技術(shù)的研究始終沒(méi)有間斷，包括我國(guó)也同樣在大力研發(fā)新能源汽車。21世紀(jì)汽車領(lǐng)域的發(fā)展，電動(dòng)汽車會(huì)扮演一個(gè)重要角色，脫離了實(shí)驗(yàn)室階段的電動(dòng)汽車，開(kāi)始慢慢向商品化過(guò)渡，很多知名汽車生產(chǎn)廠家都陸續(xù)推出了環(huán)保型電動(dòng)汽車或概念電動(dòng)汽車，引發(fā)新一輪汽車技術(shù)浪潮。

混合電動(dòng)汽車根據(jù)不同的性能原理，可搭配合適的電力電子裝置，為汽車提供有效的動(dòng)力控制?；旌想妱?dòng)汽車分為多種類型，并根據(jù)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)來(lái)為發(fā)動(dòng)機(jī)分配功率。串聯(lián)式系統(tǒng)需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)供電，然后為汽車駕駛提供必要的電能轉(zhuǎn)換，功率分配會(huì)參照發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和相應(yīng)類型。因?yàn)閯?dòng)力源處于并行狀態(tài)，所以混聯(lián)式也被稱作為串并聯(lián)式，它可以極大程度上挖掘出并聯(lián)式與串聯(lián)式各自的性能優(yōu)點(diǎn)，豐田公司推出的Prius系列動(dòng)力系統(tǒng)便是采取這樣的工作原理，將動(dòng)力分配給發(fā)動(dòng)機(jī)，然后驅(qū)動(dòng)汽車行駛，加強(qiáng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。

電力電子技術(shù)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

1.應(yīng)用技術(shù)分析

因外部環(huán)境所限，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在使用電力電子技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注功率、體積、安裝以及成本這些問(wèn)題，此外，具體技術(shù)應(yīng)用細(xì)節(jié)也值得思考。首先是密封，電力電子裝置在電動(dòng)汽車內(nèi)部必須得到密封，車身劇烈的晃動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)油或其他液體溢出，損壞電子電力裝置。此外，蓄能系統(tǒng)作為混合動(dòng)力中的變量，它會(huì)因?yàn)殡娏麟妷旱淖兓瘜?duì)汽車構(gòu)成負(fù)載，進(jìn)而影響到直流母線，包括弱磁狀態(tài)下的電機(jī)，這些負(fù)載最終都會(huì)對(duì)蓄能系統(tǒng)帶來(lái)不利，致使母線電壓超過(guò)理論承載范圍?；陔妱?dòng)汽車復(fù)雜的駕駛情況，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)不同車型來(lái)調(diào)整和控制直流母線電壓。電力電子裝置的干擾問(wèn)題。電磁干擾會(huì)減弱電力電子裝置的控制能力，在車身空間內(nèi)，集成了許多控制芯片和電路的裝置很容遭到干擾，解決干擾的方法需要依靠設(shè)計(jì)工藝來(lái)完成，如何屏蔽或減弱這些干擾，為電力電子裝置提供穩(wěn)定的運(yùn)行空間。最后，電力電子裝置的系統(tǒng)控制問(wèn)題。高采用率的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著控制作用，這樣的控制系統(tǒng)必須搭配精確的解算器和編碼器，也就是說(shuō)必須讓電機(jī)呈現(xiàn)飽和或理想的溫度梯度，這樣才能滿足控制需求。電動(dòng)汽車電池組的供電電壓是固定的，為了讓電子電力裝置能夠發(fā)揮出良好的控制作用，可以通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)變壓器輸出電壓，讓電壓對(duì)應(yīng)電力電子裝置和發(fā)電機(jī)的需求。

豐田T H SⅡ?qū)τ陔娏﹄娮友b置的應(yīng)用非常具有代表性，裝載著“Atkin Son”循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的T H SⅡ，再搭配交流電動(dòng)機(jī)與動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置，使得電池組可以持續(xù)穩(wěn)定的輸出電壓，并且交由變壓器來(lái)調(diào)整。高壓電源電路，采取多種逆變器與14 V蓄電池組成功率控制單眼，該單元將D S P控制器和保護(hù)電路集成一體。

2.控制策略分析

電力電子技術(shù)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的應(yīng)用，還需要關(guān)注控制策略，當(dāng)主要配件設(shè)計(jì)完成后，怎樣針對(duì)控制策略展開(kāi)優(yōu)化變成了主要問(wèn)題。為了符合電動(dòng)汽車低排量、低油耗等特點(diǎn)，在汽車性能方面應(yīng)該在保證正常運(yùn)行的情況下，尋找一條最為科學(xué)的控制策略，讓混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)得以分配到合理的功率，節(jié)約混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的能源消耗，在最低排放下取得最為平穩(wěn)的駕駛感受。當(dāng)前并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在控制方面依舊存在不足，包括一些主流汽車制造企業(yè)的電動(dòng)汽車控制策略仍然對(duì)應(yīng)電池S O C和油門踏板、驅(qū)動(dòng)功率、車速等，在一定范圍內(nèi)限制發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩，讓混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩得到滿足。在控制策略方面應(yīng)用電力電子技術(shù)，可以有效解決相關(guān)控制問(wèn)題，其中包括自由切換系統(tǒng)控制工作程式，此外還能讓多個(gè)動(dòng)力源之間完成功率調(diào)配，想要讓電子電力技術(shù)在控制策略中發(fā)揮出最高性能，需要遵循以下三個(gè)原則。第一，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的整體車速以及功率消耗大于設(shè)定值后，由電力電子裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)換發(fā)動(dòng)機(jī)模式，讓發(fā)動(dòng)機(jī)為汽車提供功率，中止電機(jī)的工作。第二，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的整體車速和功率消耗若低于設(shè)定值，電力電子裝置令發(fā)動(dòng)機(jī)維持待機(jī)，汽車呈純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。第三，當(dāng)負(fù)荷過(guò)重時(shí)，電力電子裝置自動(dòng)將控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為混合工作模式，即電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪，應(yīng)對(duì)緊急加速或者高角度爬坡等駕駛情況。

結(jié)束語(yǔ)

隨著電子電力技術(shù)研究加深，已經(jīng)能夠兼容越來(lái)越多的受用器件，為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車提供穩(wěn)定的控制與調(diào)節(jié)。當(dāng)前商業(yè)電動(dòng)汽車開(kāi)始注重電力電子裝置的使用，并且充分肯定了電力電子技術(shù)對(duì)大功率電能的調(diào)節(jié)能力，所以電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用將會(huì)在汽車工業(yè)的未來(lái)得以驗(yàn)證。隨著人們的環(huán)保意識(shí)的逐漸上升，綠色節(jié)能電動(dòng)汽車將會(huì)得到更多消費(fèi)者青睞，降低石油能源的使用，在提供可靠性能的同時(shí)，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車還可以在低污染的情況下長(zhǎng)時(shí)間駕駛，所以與之對(duì)應(yīng)的電力電子技術(shù)也必將得到完善。

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