电力电子技术在汽车领域的应用
摘 要 文章阐述了电力电子技术在汽车领域的开发与应用。通过方波电压的相位控制与电流偏移反馈控制，使方波电压适用于永磁电动机驱动，这一汽车电动机的驱动控制，可提高功率约30％；同时，采用带升压变换器的可变电压系统，按照电动机工况进行可变电压的控制，因而实现了高功率和低损耗的双重目的，影响电动机功率的电压成分是基波成分，改变逆变器输出电压的波形，以此增大电压的基波成分，因而可提高电动机功率。正弦波PwM是最常用的控制电压波形，优点是能迅速通过正弦波抑制转矩波动使输出半稳，但是调制系数较小，会影响电机的功率输出。表1列出逆变器的电压波形与调制系数，调制系数表示：相对于逆变器电源电压，其输出电压波形中基波成分所占的比例。方波从理论I一是町能产生最大基波成分的电压波形，其调制系数被恒定为0 78，电压幅值固定，控制过程中可操作的仅是电压的相位变化，为永磁电机开发的控制算法是由方波驱动的。
关键词 电力电子技术，汽车，电机驱动，可变电压系统
ABSTRACT
The article expounds the electronic (pe) technology in the area of development and application. by the wave aspect of the voltage and current control deflections feedback to keep the party, applies to the voltage don’t drive the car driver of the motor control and power of about 30 ％ ； at the same time, with the voltage change variable system, in accordance with the conditions for the purpose of the voltage and wattage achieved high and low wastage of a double purpose.。Affect the waveforms quickly through the advantages are sinusoidal waves could turn to the volatility of output and a half of the modulation, but is smaller, affect the electrical power output. table 1 are listed in reverse the same voltage waveforms coefficient with modulation, a glass of the state relative to the inverse ： change the supply voltage.
Keywords ： Power electronic technology , The motor car driver , Variable voltage and wattage system ,Stage of a double purpose
引言
作为汽车用电源，在原来14v、28v基础上，现又增加了新的42V系列，特别对混合动力汽车等，其驱动电压，已高达288v。因此在现代汽车上，已形成了多种电源并存的局面。使用不同的电源以便实现汽车的各种功能，必须利用所谓的电力电子技术。
例如，实现能量管理或功率管理的最佳化，高效率、高可靠性化；利用线控装置的电子控制系统等都是非常重要的应用技术。
这些装置与原来的装置比较，由于技术导致了“响应性好”、“软控制的灵活性”、“小型轻量化的操控”、“高的效率”等一系列优越的性能，特别是从各类照明、指示灯、雨刷(刮水器)、电动窗等1kw以下的轻负载，到数10kw功率级的电力驱动，功率不断增大。利用电动机、逆变器或交流变换器等装置的性能，大幅度提升了汽车的动力性能。
下面，对有关混合动力汽车和燃料电池电动汽车等功率范围较大的技术的开发应用予以介绍。
汽车用电动机系统
1.1驱动系统的概要
由带行星齿轮的动力分离机构，将并联式混合系统和串联式混合系统组合一起，具有这一结构特点的系统，称之为丰田混合动力系统(THs)。图1所示为THs II的新一代汽车模型。该系统由以F主要结构部件组成：高效率的汽油发动机，动力分离机构，发电机，电动机，逆变器，升压变换器，镍氢(Ni—MH)电池，以及对这些进行协调控制的系统控制装置。
行星齿轮式有两个自由度，可实现功率的汇流、分流和反流传动。由于采用行星齿轮机构对发动机，电动机，发电机进行以下几方面的综合控制，故实现了发动机的高效率运转和无级变(1)停车时，发动机停止，发动与轻载运行时仅由电动机驱动Ev(电动汽车)行驶；(2)加速时，将发电机作为起动机，起动发动机。发动机的功率，藉行星齿轮机构分离成直接驱动力与发电机的驱动力，发电机向电动机供电；(3)急加速时，不仅增加发电机功率，还藉来自蓄电池的功率，以提升电动机的驱动力；(4)正常行驶时，控制发电机和电动机的转速，达到发动机效率最高。同时，按照需要对蓄毛池进行充电；(5)减速时，将电动机作为发电机使用，实现能量的回收(再生)。
1.2永磁电机的特性与基本控制
丰田在系统中采用了稀土永磁电动机，磁通密度比感应式电机高的多，有效减少，电机尺寸。式(1)和(2)为电机稳态时电压和力矩的方程
式中，ud和uq——d轴和q轴的电机电压；。ω—角速度；Ld和Lq——d轴和q轴的电机电感；R——电阻；φ——互连磁通量；P——磁极对数；T——电机转矩。
图2为电流振幅恒定时，转矩和相位间的关系。相位超前使得磁阻力矩提高，当电流相位超前90°时电机的转矩达到最大值。图中将不同的电流振幅时最大转矩所对应的点连接起来，所得曲线就是最合适的工作曲线。电机沿这条曲线lI_作时可获得最大转矩和效率，此时电机控制类型称作作最大转矩控制。
图3为电流振幅恒定时单位转速下的感应电压和相位问的关系。其特性为：当相位超前时感直电压会F降。感应电压与转速成正比，故高电压只在高转速时获得。如果感应电压高于逆变器电压，那么电流则会失去控制。所以必须通过电流相位的超前量来控制电压，这种方法称为弱场控制。通过弱场控制，电机电流对转矩的影响相对减弱，效率也相应降低，图4所示为在不同的转速范围中采取相应的最大转矩控制和弱场控制。
据上述原理，可得知通过控制电流的振幅和相位就能控制永磁电动机。恒定电压后电机动力下降，由于电压的约束，系统必须在高转速下切换为弱场控制，提升电机电压就可能在高转速下获得最人的转矩，从而使动力提升。
1.3高功率电动机控制
1.3.1电动机驱动
电压波形与调制系数为了提高丰田轿车中电动机的功率，采用了在原来正弦波 (脉宽调制)基础上增加的、按照过调制及方波的电动机驱动。
影响电动机功率的电压成分是基波成分，改变逆变器输出电压的波形，以此增大电压的基波成分，因而可提高电动机功率。正弦波PwM是最常用的控制电压波形，优点是能迅速通过正弦波抑制转矩波动使输出半稳，但是调制系数较小，会影响电机的功率输出。表1列出逆变器的电压波形与调制系数，调制系数表示：相对于逆变器电源电压，其输出电压波形中基波成分所占的比例。方波从理论I一是町能产生最大基波成分的电压波形，其调制系数被恒定为0 78，电压幅值固定，控制过程中可操作的仅是电压的相位变化，为永磁电机开发的控制算法是由方波驱动的。
过调制PwM的调制系数介于0 61～O．78之间，是一种补充波形。在混合动力系统中如果不采用过调制PwM，电机在中高速范围内将会逐渐损失转矩。过调制PwM可同时控制电压振幅和相位，因此可用来控制电流。
图5所示，由3种电压波形驱动永磁电动机场合下，各种电压波形的适用范围。正弦波PwM和过调制PwM控制着最大转矩；方波用来弱场控制。
1.3.2方波电压的相位控制
水磁电动机的转距与电压相位的关系如F式：
图6为方程式(3)对应的曲线图。为用方波驱动永磁电动机，已经开发仪通过操控电压相位来控制转矩的方法，从图6可知，向前推进的电压相位与转矩存在正向增大的关系(象限III、I)，在转矩上升的区域电压相位超前，在此区域中转矩只由电压相位控制。由于采用这一控制，在不改变电动机、逆变器、蓄电池的情况下，功率约提高30％(图7)。
1.3.3电流偏移反馈为控制
永磁电动机的相位，利用了角度传感器，因而受传感器误差的影响，会出现电流的偏移，这是永磁电动机固有的现象。从机理上说，由于角度传感器的误差，会导致开关时间的移位，即方波不处于1：1的平衡状态。直流偏移是因重叠了的不平衡电压波形所致。如果永磁电动机的 电流被直流偏移所覆盖，电机转子铁芯上会加上一个与磁体旋转同步的交变磁场，这将产生涡流和过热，从而导致效率下降、退磁等现象。为避免这一现象，TFHSII 设计了探测电机电流的偏移，并具有按照偏移修正开关正时的功能——每个相位工况下的电流波形将被采样，然后由计算机估算并产生直流偏移电流，最后开关正时将按减小直流偏移电流的方向修正。
1.4系统的特征
作为提高电动机功率的手段之一，考虑采用升高逆变器电源电压(系统电压)的方法。但是，若增加电池(单元7C、)的数量来提高电池电压，电池组的体积和价格会急剧增加。而且，由于电池的(放电)特性及内部阻抗，电压下降，加大了能量损耗，不能满足大功率时的高电压，无法获得高功率输出，此外，充电时因电压上升，逆变器等装置的零件耐压值必须相应提高，这对规格尺寸和成本均不利，未充分有效的利用电池电H{。冈此，丰田公司设计了新型升压变换器，开发了将电池电压转换为高电压的可变电压系统。图8为适用于THSII的系统结构及能量流向之一例。
本例中，约200V的电池电压已升压到500v。
可变电压系统与原米的系统对比，因追加了升压变换器，元件的数量及系统的体积增大，又碧加了升压变换器部分的损耗。考虑到这些缺点，凶此，对整个系统应进行优化设计。在有发电机和电动机的THS中,由发电机供给电动机的功率为主，而由电池提供的功率相对较小，如图8所示。在电动机功率50kw的情况下，发电机供电30kW,电池可解决20kw功率。经由升压变换器的功率是从电池提供的功率。相应电动机的功率，对较小容量的升压变换器是足够的。与新追加的升压变换器部分体积和成本增加比较起来，电动机、逆变器、电池等原有部件体积减小，成本下降的优点更显突出。因此可以说，可变电压系统是与THs系统协调性、互补性非常好的一个系统。图9为升压变换器的电路图，该电路由1对IGBT、电抗器、主电容器、滤波电容器等组成。这一电路方案中，电池的充电和
放电是双向的，可实现无电路切换的连续操作。
1.5可变电压控制
升压变换器的控制旨在按照电动机与发电机的工况连续地改变电压，使系统的损耗限制到最小。在电动机系统中产生的主要损耗有以下 4点：1)电动机损耗(cu损+Fe损)；2)逆变器损耗(通态损耗+开关损耗)；3)升压IGBT损耗(通态损耗+开关损耗)；4)升压电抗器损耗(cu损+Fe损)。
以上损耗无论哪一项都要受到电压的影日『司，故借助最佳的控制电压可使损耗最小化。
(1)电动机的损耗。流过电动机线圈的电流越小，电动机的损耗越小。一旦系统电压低于电动机的感应电压，这一“弱场控制”将使电流增大，故必须没定系统电压比感应电压高。
(2)逆变器的损耗。逆变器的损耗主要包括开关元件的损耗。电流越小，电压越低，损耗则越小。当电流最小时，电机无法切换到弱场控制。电流最小的条件即电动机不得为弱场控制的条件。这与电动机损耗的情况相同。但是，对于开关损耗，电压越高，损耗越大，应将电压设定为不引起弱场控制的最低值，故作为损耗最小的条件应是：未过渡到弱场控制的最小电压，也即，要使系统电压与感应电压大致相同。
(3)升压变换器的损耗。这是IGBT损耗和电感线圈损耗的总合。电流越小，电压越低，损耗减小。升压变换器的电流与电池电流相同。电池电流最小的条件是：在系统损耗最小的情况下，也即电动机损耗、逆变器损耗均为最小的条件。
鉴于上面所述，系统损耗最小的条件是，使系统电压与电动机感应电压大致相等。因感应电压随电动机的工况(转速、转距)而变化，故相应于电动机工况，可变地控制系统电压则能实现损耗最小。
图10所示电机产生最大转矩时所需的电压。当电机工作在低速状态下，它的输出电压为电池电压(升压变换器的最小电压)；当电机工作在高速状态F，它由系统的最大电压控制；在中间转速范围内，在最小化系统损耗的前提下系统电压根据电机的转速改变其自身的大小。
1.6计算结果
图11所示为采用可变电压系统的新模型(THsII)对比旧的模型THs(第一代混合动力系统)的功率、转矩特性。由图可知：功率从33 kw约提高到l 5倍的50 kw。
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