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

關(guān)鍵詞：電力電子；汽車電氣系統(tǒng)；傳統(tǒng)汽車；新能源汽車；技術(shù)應用

引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)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(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，其中，汽車電氣系統(tǒng)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(fā)揮著不可或缺的作用。電氣系統(tǒng)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(tǒng)，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(diào)等電氣設備不斷引入，汽車電氣系統(tǒng)日益復雜，進入21世紀，隨著新能源汽車的崛起，電驅(qū)動、電池管理、車載充電等成為汽車電氣系統(tǒng)的核心，對電氣技術(shù)提出了更高要求。

一、電力電子技術(shù)基本原理

電力電子技術(shù)的本質(zhì)是通過功率半導體器件的通斷實現(xiàn)電能的變換和控制。根據(jù)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(fā)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(qū)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(diào)壓縮機調(diào)速。

電力電子變換的核心器件是功率半導體開關(guān)管，常見的有晶閘管、MOSFET、IGBT 等，通過控制開關(guān)管的導通和關(guān)斷，可在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓、電流、頻率，實現(xiàn)靈活可控的電能變換，為抑制開關(guān)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(diào)制（PWM）技術(shù)，PWM 通過改變開關(guān)管導通的占空比來等效調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，調(diào)制方式有正弦PWM、空間矢量PWM 等，調(diào)制頻率一般在數(shù)千赫茲以上，PWM 信號的產(chǎn)生可通過模擬電路實現(xiàn)，但目前大都采用數(shù)字控制技術(shù)，用DSP、FPGA、單片機等實現(xiàn)。

二、電力電子技術(shù)在傳統(tǒng)汽車電氣系統(tǒng)中的應用

（一）汽車照明系統(tǒng)

汽車照明是駕駛安全的重要保障，主要包括前照燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈、剎車燈等，傳統(tǒng)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(qū)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(wěn)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(jīng)過線性恒流驅(qū)動控制LED 電流，從而獲得穩(wěn)定的亮度，通過調(diào)節(jié)占空比還可實現(xiàn)燈光的漸亮漸暗。LED 前照燈相比傳統(tǒng)鹵素燈，光電轉(zhuǎn)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(yōu)點，目前已在中高端車型中得到普遍應用。

（二）汽車音響系統(tǒng)

汽車音響是駕乘舒適性的重要體現(xiàn)，為獲得更高的音質(zhì)，除了揚聲器選型，功放電路的設計也至關(guān)重要。目前汽車音響普遍采用D 類功放，即采用脈寬調(diào)制器將音頻信號轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動揚聲器，原理上屬于一種逆變變換，與傳統(tǒng)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(chǎn)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(yōu)質(zhì)的電感器件，以承受大電流脈沖，D 類功放的失真、動態(tài)響應、限幅、功率因數(shù)校正等性能優(yōu)化也對電力電子技術(shù)提出了更高要求[1]。

三、電力電子技術(shù)在新能源汽車電氣系統(tǒng)中的應用

（一）電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)是指驅(qū)動電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動車輪行駛的系統(tǒng)，主要由電動機、電力電子變換器（逆變器）、減速器及相關(guān)控制器等組成，根據(jù)驅(qū)動電機類型的不同，電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)一般分為交流異步電機驅(qū)動、永磁同步電機驅(qū)動、開關(guān)磁阻電機驅(qū)動等類型，其中，永磁同步電機以其功率密度大、效率高等優(yōu)勢在乘用車中得到廣泛應用[2]。永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)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(zhuǎn)換為三相交流電壓，其幅值和頻率可通過SVPWM 等調(diào)制方式進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，常見的控制策略有Id=0 矢量控制、最大轉(zhuǎn)矩/ 電流比控制、磁場弱化控制等，整個驅(qū)動系統(tǒng)涉及電機建模、坐標變換、電流環(huán)和速度環(huán)控制、無感測速等諸多控制技術(shù)，需保證足夠的動態(tài)響應和控制精度。在逆變器拓撲方面，考慮到驅(qū)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(cè)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(qū)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(tǒng)，DSP 用于實現(xiàn)電機控制算法，F(xiàn)PGA 用于實現(xiàn)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(zhuǎn)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(tǒng)

電動汽車能量管理系統(tǒng)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(xiàn)能量的高效利用和分配，其核心是電池管理系統(tǒng)（BMS），負責對動力電池進行監(jiān)測、均衡、估算和保護。動力電池一般由數(shù)百上千節(jié)單體電池串并聯(lián)而成，電池單體之間存在一定的參數(shù)差異如容量、內(nèi)阻等，長期工作會出現(xiàn)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(jié)電池電壓、溫度等參數(shù)進行實時采集，再經(jīng)過信號調(diào)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(zhuǎn)移、能量耗散）來平衡各單體電壓，提高電池電荷狀態(tài)（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(shù)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(xiàn)，可將隔離、驅(qū)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(tǒng)

輔助電源是為車載低壓電器供電的系統(tǒng)，一般電壓等級為12V 或48V，與傳統(tǒng)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(diào)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(lián)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(xiàn)軟開關(guān)，減小開關(guān)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(shù)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(xiàn)低壓負載的優(yōu)先級管理，在緊急情況下切除非重要負載，要合理規(guī)劃高壓蓄電池與低壓蓄電池的能量分配，協(xié)調(diào)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(xiàn)整車能量的優(yōu)化管理，在雙電源并聯(lián)供電時，還需考慮二者的電流分配、電壓控制等。

結(jié)論

展望未來，隨著新型功率器件、智能控制、能源互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)與汽車電氣系統(tǒng)的結(jié)合將更加緊密，在提高汽車電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化方面發(fā)揮更大的作用。電動汽車、自動駕駛汽車、共享汽車等新業(yè)態(tài)也將催生電力電子技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)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(chǎn)學研用各界的通力協(xié)作，相信在各方共同努力下，電力電子技術(shù)必將引領汽車工業(yè)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(shù)在風力發(fā)電中的應用[J].電子技術(shù)，2023（1）：230-231.

[2] 李旻運，蔡志端，許虹怡.“電力電子技術(shù)”多層次系統(tǒng)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(shù)在電氣工程中的應用[J]. 光源與照明，2023（5）：231-233.