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(多图) 混合动力电动汽车中电力电子技术应用综述

张立伟 胡广艳 游小杰 郑琼林?? 2008年08月14日 ?? 收藏0

  3、 HEV常用的电力电子技术及装置

  本文结合起来丰田新一代混合动力系统THS Ⅱ,具体研究发电力电子技术在HEV中的应用情况。THSⅡ的整车电气驱动系统(见图4)主要由采用AtkinSon 循环的高效发动机、永磁交流同步电动机、发电机、动力分配装置、高性能镍金属氢化物(NI—MH)电池、控制管理单元以及各相关逆变器的DC—DC变换器等产件组成。

  高压电源电路 、各种逆变器和14V蓄电池用辅助DC-DC变换器组成了功率控制单元(见图5),该单元集成了DSP控制器、驱动和保护电路、直流稳压电容、半导体、绝缘体、传感器、液体冷却回路以及和汽车通信的CAN总线接口。

功率控制单元

  3.1电动机/发电机用逆变器单元

  在Prius THS Ⅱ主驱动系统中,电动机和发电机所用三相电压型逆变器(功率分别为50kW和30kW)被集成一个模块上(如图6所示,逆变器的电气结构图如图7所示),直流母线最大供电电压被设定为500V。功率器件选用带有反并联续流二极管的商用IGBT(850V/200A),该功率等级的IGBT具有足以承受最大 500V反压的能力,以及其它诸如雪崩击穿、瞬时短路的能力。

逆变器的电气结构

  电动机用逆变器的每个桥臂都是由并联有两个IGBT模块和二极管模块。每个IGBT芯片的面积为133mm2(13.7mm×9.7mm),并且发射极使用了5μm 厚的铝膜;而每个二极管芯片的面积为90mm2(8.2mm×11mm)。

  目前,电动汽车普遍采用PWM控制的电压型逆变器,这种逆变器具有线路简单、效率高的特点,同时PWM逆变器呈现出以下几种发展趋势:

  (1) 通常采用IGBT器件,工作频率高,并减少了低频谐波分量和起动是的电流冲击,当前国外应用的最高开关频率已达20kHz;

  (2) 电机额定频率相应提高了,扩大了调速范围,在更好地满足运行要求的同时,减少电机的体积和重量,提高功率比。目前国外电动汽车专用电机的最高额定频率已达500Hz;

  (3) 采用DSP为核心的计算机控制系统,能够实现可靠的矢量控制和运算,电机可做到快速恒力矩起动及弱磁高速运行,这种控制系统稳定,电流冲击小,控制效率高。

  除了以上传统的PWM控制技术外,最近出现了谐振直流环节变换器和高频谐振交流环节变换器。采用零电压或零电流开关技术的谐振式变换器具有开关损耗小、电磁干扰小、低噪声、高功率密度和高可靠性等优点,引起研究人员广泛的兴趣。

  目前应用于功率变换器的常用电子开关器件主要有GTO、BJT、MOSFET、IGBT和MCT等,由于IGBT集BJT和MOSFET特点于一体,所具有的高阻抗压控栅极,可明显降低栅极驱动功率,从而可使栅极驱动电路集成化;并且IGBT具有的极短的开关时间,可使系统具有快速响应能力,并减小了开关损耗,降低了噪声,因此IGBT是很好的开关器件。MCT也是一个潜在的选择器件,虽然目前商用的MCT的额定值还有待于提高;但是由于MCT具有低的导压降,因此随着MCT新型制造工艺的完善和新材料的使用,未来的MCT在电动汽车中将有良好的应用前景。

  3.2DC—DC升压变换器单元

  在THS中,蓄电池通过逆变器直接与电机和发电机相连(见图8);而THSⅡ中,蓄电池组输出的电压首先通过DC—DC升压变换器进行升压操作,然后再与逆变器相连,因此逆变器的直流母线电压从原THS的220V提升为现在的500V。

  图9为THSⅡ系统中能量交换示意图,图9中发电机的功率为30kW,蓄电池组的瞬时功率为20kW,两者联合起来为50kW的电机提供能量;图9中升压变换器的容量也被设计为20kW。

蓄电池通过逆变器直接与电机和发电机相连

THS

  这种系统具有如下优点:

  (1)由于电机的最大输出功率能力是与直流母线电压成正比的,因此与原THS系统的202V供电工况相比,在不增加驱动电流的情况下,THSⅡ系统中电机在 500V供电时,其最大输出功率以及转矩的输出能力是原THS系统的2.5倍;此外相同体积的电机,还能免输出更高的功率;

  (2) 由于使用了直流母线供电电压可变系统,因此THSⅡ可以根据电动机和发电机的实际需要,自由的调节直流母线供电电压,从而选择最优的供电电压,达到减少逆变器开关损耗以及电动机铜损的节能目的;

  (3) 对于供电电压一定的蓄电池组来说,由于可以通过调整升压变压器的输出电压的方式,来满足电动机和发电机的实际需要,因此从某种程度上讲,可以减少蓄电池的使用数量,降低整车质量。

  图9所示的DC—DC升压变换器每个支路都并联有2个IGBT模块和续流二极管模块,其中每个IGBT芯片的面积为255mm2(15mm× 15mm),每个续流二极管芯片的面积为117mm2(13mm×9mm)。图9所示的电路拓扑结构可以在不打断系统的正常工作的情况,保证蓄电池的充电和放电进行瞬间转化。由于DC—DC升压变换器的作用,而使主电容器上的系统电压(System Voltage)不同于蓄电池组的输出电压,从而保证电动机和发电机高电压工作的同时,而不受蓄电池组低电压输出能力的限制。


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混合动力? 电动汽车? Prius THS? 逆变器?

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