混合动力汽车动力系统电力电子技术集成探究

张续文

（甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

目前，汽车市场在混合动力汽车出现的情况下正在快速发展。混合动力汽车控制电力系统电能流动的电力电子转换器和相关联的电动机驱动器，是保证混合动力汽车更高燃油效率和更低有害污染物排放的关键。另外，由于混合动力汽车电压比较高，为了给车上辅助负载供给低压电，必须配备DC/DC 转换器。 虽然DC/DC 转换器技术在低功耗应用上比较成熟，但是对于高功率应用还有许多工作需要去做。在这样的背景下，本文分析电力电子集约型的混合动力汽车动力系统的设计以及未来的发展方向，探讨混合动力汽车电力电子技术的应用，解决有关驱动的电力电子系统集约型问题。

1 混合动力汽车驱动传动布置

1.1 串联式混合动力汽车驱动传动系统拓扑

串联式混合动力汽车是一种用车载电池充电器的电动汽车。内燃机通常在最佳效率点运行以驱动发电机。 当电池的充电状态在预定的最低限度，内燃机开启给电池充电。 当电池达到理想的最大SOC 时，内燃机关闭。 发动机/发电机组维持电池的电量约65%～75%。 在串联式混合动力汽车中，内燃机和底盘之间没有机械连接。

串联式混合动力汽车配置的优点是：内燃机大部分时间在速度和扭矩的最佳组合运行， 经济性和动力性较好。但是在能量的转化过程中存在两个能量转换级，即内燃机和车轮、内燃机/发电机和发电机/电动机，在两级功率转换过程中有能量损失。

1.2 并联式混合动力汽车驱动传动系统拓扑

并联式混合动力汽车中，有许多方法来配置内燃机和牵引电动机的使用。最广泛使用的策略是低速时单独使用电动机， 因为它在低速时比内燃机更有效；高速时单独使用内燃机，当只有内燃机驱动时，电动机可以用作发电机给电池充电。并联式混合动力汽车也可以由无级变速器代替有级变速器。 因此,在自由给定和不断变化的转矩需求情况下，它可以选择内燃机的最有效运行点。

并联式混合动力汽车配置的优点在于：与串联式混合动力汽车相比有较少的能量转换阶段，能量损失也就相对较小，具有相对较高的整体驱动传动效率。

1.3 串—并联混合动力汽车驱动传动系统拓扑

串—并联混合动力汽车是串联和并联混合动力汽车的混合。 相比串联配置，在发电机和电动机之间附加机械连接，相对于并联式混合，有一个附加发电机。 这样的设计，可以结合串联和并联混合动力汽车两者布置的优点。 唯一不足的是，串—并联混合动力汽车相对更复杂和昂贵。

内燃机和电动机有许多可能的组合。两个主要的类别被定义为电动集约和发动机集约。电动集约串—并联混合动力汽车的配置中电动机在动力方面比内燃机更加活跃，而在发动机集约的情况下，内燃机更有效。串—并联混合动力系统的两种类型的共同可操作特性是：电动机开始起动时内燃机关闭。 在正常行驶时，在发动机集约的情况下内燃机单独驱动车辆。

串联式混合动力配置中的另一种形式是一个功率分流拓扑。这种拓扑结构包括一个行星齿轮箱，其连接着内燃机、电动机和发电机。 当内燃机关闭时，车辆被切换成纯电动模式。 然而，大多数的运行点，无论是并联式混合动力汽车或是串联式的混合动力汽车， 能量会以类似的方式流动。并联混合动力模式下，能量从内燃机经由变速箱到车轮流动， 而串联式混合动力汽车模式中，能量从发电机和电动机流向车轮。这两个能量流之间的比例取决于所整体车速。 在大多数工作条件下，这种配置是串联和并联混合动力汽车的组合。

2 混合动力汽车电力电子技术集成系统

2.1 使用ISA 系统的混合动力拓扑

在对混合动力汽车研究中引入了集成起动发电机系统（ISG），ISG 是具有转子的电动机，它提供电起动和交流发电机的功能。通过使用合适的功率电子变换器系统，ISG 补偿驱动传动系统的振动以提供更多的舒适性。电力电子变换器系统根据负载状态和电池充电状态控制ISG 运行状态。改进燃油经济性和降低排放是ISG 系统的两个突出优点。 ISG 可以在停止状态 （和/或在某一指定速度） 重新起动内燃机驱动车辆。 ISG 也可以将通过再生制动产生的能量储存到能量储存装置（电池或超级电容器）。在大坡度爬坡或在加速前进时它也可以用来提供辅助动力。

2.2 42 V/12 V 双电压车载电气系统

42 V/12 V 双电压架构是满足不断增加的车载负载需求的解决方案之一。 考虑用于42 V 系统的操作电压，最大动态过电压包括瞬态电压限制在58 V，系统的充电电压设置为42 V。 无论何时发动机运转时，车辆的整个电气系统运行在42 V 的标称值。 该系统的优点包括:高效率和高性能，更便宜的操作程序，由于机械和液压动力集成到电力系统减少了总安装功率，并降低了整体设计的复杂性。

从12 V 到完全由42 V 为主架构的过渡不可能马上完成。 因此，双电压汽车动力系统将存在一段时间。 在双电池系统中，42 V 电池用于高功率传输最优化，12 V 的电池被用于低功率优化，以支持间断负荷和危险信号灯操作。

与42 V 汽车电源系统相关的实际问题： 通过提高目前14 V 到42 V 的网络，车内重要部件和系统的变化将会是很必要。其中这种变化的一个主要的动机是因为由于在一个42 V 汽车电源系统的环境中较高的载流导线故障的性质和其相应的后果。

3 混合动力汽车动力系统电力电子技术集成

电力电子技术是混合动力汽车的核心技术， 它使得车辆更清洁、更智能、更精准、更高效、更灵活。 在过去，因为成本问题电力电子设备没有得到很好的应用。

3.1 新的体系结构

通过增加新的电负载，系统的成本和复杂性随之增加。该结构需要新的开关和可靠性功能。电力电子技术使得集成开关和熔断功能为一体的元件具有较高的可靠性成为可能。 实现电力电子系统的不同控制方法的可能性是远离继电器切换的另一个因素。另外，通过实现电力电子器件的集成传感技术， 诊断和故障检测变得更容易。 此外，未来的汽车技术如电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池汽车等清洁和高效能源汽车的发展，必须实施可以使用电力电子技术的新的体系结构。

3.2 按要求电源转换

大多数车辆的辅助驱动器是针对最坏的情况设计的。电力电子和电机驱动拓扑结构通过提供可调速驱动器使其更容易取得更高的效率。

车辆不同的组件需要不同级别的电压。双电压的体系结构中不同的电压水平可利用功率电子转换器。感应或同步电机需要高功率推进的交流电压，风扇和泵的小型电机需要低功率的交流电压。 直流—交流电压和直流—直流电压等不同的电压转换需要电力电子变换器。

3.3 精确的电子控制

发动机控制，如点火或喷油需要精确定时和执行器的动态控制。 快速、高功率运行控制，需要集成现代数字信号处理和电力电子技术。 车辆上越来越多的附加功能正在运行，这就需要高功率驱动和精确控制。电子液压、机电制动器、转向线控驱动器、主动悬架执行器以及新的安全执行机构是附加功能的一部分功能。

4 结语

为了提高混合动力汽车驱动传动系统的能源利用效率，保证车辆电气负载用电需要，本文分析了混合动力汽车动力系统的拓扑结构和双电压汽车电源系统架构，探讨了混合动力汽车先进车载电力电子和电机驱动器的发展方向，提出在混合动力汽车动力系统中采用双向DC/DC 转换器。