廣州城建職業(yè)學院 張 劍

電力電子技術在電動汽車中的應用分析

廣州城建職業(yè)學院 張 劍

在環(huán)境壓力日益緊張的今天,電動汽車的研究越來越受重視。本文在電動汽車的結構原理基礎上，對電力電子技術在電動汽車中的應用進行了分析，闡述了電力電子技術對于電動汽車的重要性。

電力電子技術；電動汽車；驅動

引言

汽車工業(yè)是國民經濟的支柱型產業(yè)。近年來我國汽車產銷增長非常迅速，從2000年的200萬輛到2015年已增加至2400多萬輛，連續(xù)多年超越美國，成為全球第一大汽車產銷國。然而汽車在為我們的出行帶來便捷的同時，這些靠燃油生存的普通汽車也引發(fā)了嚴重的環(huán)境與人類生存問題。而隨著技術的進步以及政策的推動，電動汽車近年來發(fā)展迅速，為城市交通提供了良好的解決方案。電動汽車將能源儲存在蓄電池中，以電能的方式提供一切能源。由于其接近零排放、高效率、電動機比內燃機簡單可靠、電動機的轉速和轉矩也更易控制等因素，受到了業(yè)內科研人員的極大關注。

電動汽車與傳統(tǒng)內燃機汽車原理及結構有著明顯差異，它取消了傳統(tǒng)發(fā)動機，通過電驅動系統(tǒng)向車輛提供動力。它在結構上主要分為：電力驅動子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。通常在儲能系統(tǒng)中電能是以直流的方式儲存，而電動汽車各個用電設備所需的電能的形式各不相同，比如電力驅動系統(tǒng)中的電動機通常所需的功率較大，而且在電動汽車的控制系統(tǒng)中也需要用到各種形式的電能，所以在電動汽車中，蓄電池儲存的電能需要通過一系列的變換才能供到各級用電設備使用，而實現(xiàn)電能的變換和控制的技術即稱為電力電子技術。

電力電子技術作為一個新興的工程領域，國際電氣和電子工程師協(xié)會IEEE在2005年把它定義為：“使用電子元器件，應用電路理論和設計技術以及發(fā)展分析工具來實現(xiàn)對電能的高效轉變、控制和調節(jié)”。它的目的是將電能從一種方便運輸?shù)哪Ｊ阶儞Q到另一種符合應用需求的模式，從而提高電能的利用效率。

1.電動汽車的驅動原理

燃油汽車主要由發(fā)動機，底盤、車身和電氣四大部分組成，純電動汽車的結構與燃油汽車相比，主要增加了電力驅動控制系統(tǒng)，而取消了發(fā)動機。電力驅動控制系統(tǒng)由電力驅動主模塊、車載電源模塊和輔助模塊三大部分組成。來自加速踏板的信號輸入電力驅動主模塊的控制單元，通過控制功率變化器來調節(jié)電動機輸出的轉矩或轉速，電動機輸出的轉矩通過汽車傳動系統(tǒng)驅動車輪轉動。充電控制器通過汽車的充電接口從電網電源向蓄電池充電。在汽車行駛時，蓄電池經功率變換器向電動機供電。當電動汽車采用電制動時，驅動電動機運行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動能回饋給蓄電池對其充電，并延長電動汽車的續(xù)駛里程。

2.電力電子技術在電力驅動主模塊的應用

電力驅動主模塊是電力驅動系統(tǒng)是的核心，也是區(qū)別于內燃機汽車的最大不同點。一般地，驅動模塊由電氣和機械系統(tǒng)組成。電氣系統(tǒng)由中央控制單元、驅動控制器和驅動電動機組成。中央控制單元根據(jù)加速踏板和制動踏板的輸入信號，向驅動控制器發(fā)出相應的控制指令，對電動機進行啟動、加速、減速、制動控制。驅動控制器的功能是按中央控制單元的指令和電動機的速度、電流反饋信號，將儲存在蓄電池中的電能高效地進行功率變化，轉化為驅動電動機所需要的電能的形式，并對電動機的速度、驅動轉矩和旋轉方向進行控制，電機在電動汽車中被要求承擔電動和發(fā)電的雙重功能，即在正常行駛時發(fā)揮其主要的電動機功能，將電能轉化為機械能；在減速和下坡滑行時又被要求進行發(fā)電，將車輪的慣性動能轉化為電能。根據(jù)電動汽車使用的電機驅動系統(tǒng)的種類，電力電子功率變換器也可分為DC-DC轉換和DC-AC轉換兩種形式：

A、直流電機驅動系統(tǒng) 直流電動驅動系統(tǒng)是以直流電動機為驅動電機的電動汽車驅動系統(tǒng)。直流電動機驅動系統(tǒng)中的DC-DC轉換器又稱直流斬波器，兩象限直流斬波器能把蓄電池的直流電壓轉換為可變的直流電壓，用于直流電動機的驅動。在早期的電動汽車上，直流電動機的調速采用串接電阻或改變電動機磁場線圈的匝數(shù)來實現(xiàn)。因其調速是有級的，且會產生附加的能量消耗或使用電動機的結構復雜，現(xiàn)在已很少使用。隨著電力電子技術的發(fā)展，直流電機的調速控制已經基本由斬波調速方式取代，早期應用較廣泛的是晶閘管斬波調速，通過均勻地改變直流電動機的端電壓，控制電動機的電流，來實現(xiàn)電動機的無級調速，而電力電子器件的不斷發(fā)展，它也逐漸被其他電力晶體管（如GTO，MOSFET，BTR及IGBT等）斬波調速裝置所取代。

B、異步電機驅動系統(tǒng) 由于蓄電池以直流電的形式輸出能量,所以要用蓄電池輸出的能量來驅動交流感應電機,就先必須將蓄電池輸出的直流電進行變流處理,將其逆變?yōu)榻涣麟姟．惒诫姍C驅動系統(tǒng)中的DC-AC轉換器通常稱作逆變器，它將蓄電池的直流電轉換為頻率和電壓均可調的交流電。電動汽車一般只是用電壓輸入式逆變器，因為其結構簡單且又能進行雙向能量轉換。而且，通常采用的是SPWM（正弦波SPWM）逆變器。其原理是將正弦調制波與三角載波比較，得到相應的PWM脈沖序列。SPWM的優(yōu)點在于它的算法簡單，而且容易實現(xiàn)。異步電機調速方法主要包括改變轉差率調速、調壓調速、變頻調速、變極對數(shù)調速等,其中以變頻調速應用最為廣泛?，F(xiàn)代研究較多的調速方法有PWM調速、矢量控制和直接轉矩控制。

3.電力電子技術在其他模塊的應用

在電動汽車的其他各個模塊中，不同的用電設備也需要用到各種形式的電能，所以也需要對儲能系統(tǒng)中的電能進行一系列的轉換和控制才能供給到各類用電設備的使用。

車載電源模塊中的充電控制器需要電網電源的輸出的交流電能轉換為相應電壓的直流電，并在充電過程中按照要求控制其電流的大小。

電動汽車輔助系統(tǒng)主要包括輔助動力源、動力轉向系統(tǒng)、駕駛室顯示操縱臺和各種輔助裝置等。輔助動力源主要由輔助電源和DC/DC功率轉換器組成，其功用是通過DC/DC功率轉換將蓄電池電源輸出的直流電轉換為供給電動汽車其它各種輔助裝置所需要的電能，一般為12V或24V的低壓直流電，它主要給動力轉向、制動力調節(jié)控制、照明、空調、電動窗門等各種輔助裝置提供所需的能源。

4.總結

電能是電動汽車中唯一的能量來源，通常以直流電能的形式儲存于蓄電池當中。而電動汽車各個用電設備所需要的電能的形式和功率各不相同，所以需要對儲能系統(tǒng)中的電能進行各種功率變換才能供到各個用電設備使用。電力電子裝置在電動汽車的驅動系統(tǒng)及各個輔助控制系統(tǒng)中都發(fā)揮了重要的作用，電力電子裝置的性能也會直接影響到電動汽車的性能。電動汽車的發(fā)展離不開電力電子技術的發(fā)展，在電動汽車高速發(fā)展的今天，與之對應的電力電子技術也必將得到完善。

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圖3 永磁同步電機無傳感器控制波形圖

圖4 永磁同步電機硬件系統(tǒng)構成圖

4.結論

本文在滑模觀測器的基礎上研究實現(xiàn)了永磁同步電機無速度傳感器控制方法。電機正常運轉工作時通過對電機電壓，電流等參數(shù)的監(jiān)測，構建滑模觀測器模型。將觀測器獲得的轉子位子信息反饋入電機速度閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了永磁同步電機速度電流雙閉環(huán)控制。實驗證實滑模觀測器在永磁同步電機中高速運轉中有良好的效果，系統(tǒng)有較好的控制性能。但通過實測發(fā)現(xiàn)，滑模觀測器在永磁同步電機低速階段位置估算準確度較差，因此滑模觀測器適用于控制精度要求較低的無速度傳感器控制場合。

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馬文斌（1989-），男，中車株洲電機有限公司助理工程師，研究方向：永磁同步電機控制。