混合动力电动汽车核心技术分析与研究_何凤有

作者简介:何凤有(1963—　),男,河北尚义人,教授,博士生导师,研究方向为现代交流调速系统、电力电子技术应用、电气控制系统容

错技术故障诊断等。

混合动力电动汽车核心技术分析与研究

何凤有,马秀丽,钱苗旺,李娜

(中国矿业大学,江苏徐州221008)

摘　要:混合动力汽车在节能和环保方面有着巨大优越性,必将成为21世纪城市的重要地面

交通工具,阐述了混合动力汽车的基本结构,分析了电池技术、电力电子技术等核心技术在H E V 中的应用,并提出了急需解决的问题。关键词:混合动力汽车;电池;电机驱动系统;电力电子技术

中图分类号:U 469.72 文献标识码:B 文章编号:1671-5276(2009)01-0133-04

A n a l y s i s a n dI n v e s t i g a t i o no f P i v o t a l T e c h n o l o g i e s i n H y b r i d E l e c t r i c V e h i c l e

H EF e n g -y o u ,M AX i u -l i ,Q I A NM i a o -w a n g ,L I N a

(C h i n aU n i v e r s i t yo f Mi n i n ga n dT e c h n o l o g y ,X u z h o u 221008,C h i n a )

A b s t r a c t :

B e c a u s eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sh a v eg r e a t e r a d v a n t a g et h a nt r a d i t i o n a l v e h i c l e si ne n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o na n de n e r g y

s a v i n g ,i t w i l l b e c o m et h em a i nt e r r e s t r i a l v e h i c l e so nt h eu r b a nr o a d si nt h e 21s t

c e n t u r y .T h i sp a p e r e x p o u n

d st h eb a s i c s t r u c t u r eo f

h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ,c a r e f u l l ya n a l y z e s s e v e r a l c o r r e l a t i v et e c h n o l o g i e sf o r H E V a p p l i c a t i o n ,i n c l u d i n gt h es t o r a g eb a t t e r i e st e c h -n i q u ea n dt h ea p p l i c a t i o n so f p o w e r e l e c t r o n i c se t c ,a n db r i n g sf o r w a r ds o meq u e s t i o n st ob es e t t l e d .

K e yw o r d s :H y b r i dE l e c t r i cV e h i c l e ;s t o r a g eb a t t e r i e s ;m o t o r d r i v es y s t e m;a p p l i c a t i o n so f p o w e r e l e c t r o n i c s

0　引言

随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧,以电能为动力,节能、环保为特色的电动汽车逐渐成为业界关注的焦点。近10多年来,世界各大汽车产业集团陆续投入巨额资金研发电动汽车技术,目前均已从实验室开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段,并进一步转向产业化批量生产阶段。但是,由于现阶段电动汽车关键部件之一的电池存在能量密度低,寿命短,价格高等问题,使电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。在这种环境下,融合内燃机汽车和电动汽车各自优点的混合动力电动汽车(H E V )异军突起,在世界范围内成为新型汽车开发的热点。

1　H E V 的结构及特点

目前国内外研究的H E V 有多种结构,按动力系统布置可分为串联式混合动力汽车(S H E V )、并联式混合动力汽车(P H E V )、混联式混合动力汽车(P S H E V )和复合式混合动力汽车(C H E V )。S H E V 的动力系统结构是H E V 中最简单的一种(图1)。发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能,该电能可通过功率转换器为蓄电池充电,或经由电动机和传动装置驱动汽车。S H E V 以电动机为主驱动装置,发动机为辅助动力装置以提高行驶里程。由于发动机与驱动车轮之间没有直接的机械连接,发动机不受汽车行驶工况

影响,易运行在高效区。但是S H E V 的能量转换、传输环

节多,造成能量转换效率低,使得燃油利用率比较低。

图1　串联式混合动力汽车

P H E V 采用发动机和电动机两套驱动系统(图2),可

采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或发动机和电动机联合驱动3种工作模式。在汽车需要大功率输出时,发动机和电动机联合驱动汽车,所以此时发动机和电动机的额定功率选较小值就可以达到动力要求。在汽车减速或刹车时,电动机工作在发电状态,向蓄电池充电,即再生制动。与S H E V 相比较,P H E V 的发动机和电动机的功率较小,但结构复杂、控制难度大。

图2　并联式混合动力汽车

P S H E V 在结构上综合了S H E V 和P H E V 的特点,如

图3所示。与S H E V 相比,它增加了机械动力传递路线;与P H E V 相比较,它增加了电能的传递路线。发动机和电动机可选择比较小的功率,控制策略灵活,发动机可以比较容易的工作在高效率区域。但是,P S H E V 结构复杂,成本高。

图3　混联式混合动力汽车

C H E V 结构更加复杂,如图4所示,一般用于双轴独立系统,相当于一套完整的串联系统加上一套完整的并联系统,工作模式更加多样化,成本最高,控制系统也最复杂。

图4　复合式混合动力汽车

2　H E V 的核心技术研究与发展

汽车的混合动力技术发展与机械、电气、内燃机、能源、计算机、汽车、信息等技术息息相关。H E V 作为多种高薪技术的集成,是典型的高薪技术产品,集智能化、数字化、轻量化和实用化于一体。其研制和开发的核心技术主要是电池、电动机、电动机控制、电力电子技术、能量管理技术以及车身和底盘设计等,其中前4项是混合动力汽车的发展瓶颈。

2.1　H E V 用电池

H E V 的成败关键在于电池,电池也是一直制约混合动力汽车发展的关键因素。H E V 在匀速行驶时,由发动机提供能量,电池组基本上处于不充不放的状态;汽车行驶需要大功率时(如加速、爬坡、高速等),电池组放电,释放能量;汽车行驶需要小功率时(如低速、停车等),电池组充电,积蓄能量。

a )H E V 对电池的特殊要求:与E V 不同,H E V 电池连续工作时间短,对电池容量要求不高,而对功率要求较高。另外H E V 电池S O C 工作范围在50%左右,波动一般不超过20%。这是因为H E V 要求电池留有足够的余量,以保证车辆制动时可以充分吸收能量,并不致使电池过充后降低寿命,甚至破坏电池。H E V 和E V 用电池的主要性能指标有质量比能量、体积比能量、质量比功率、价格和循环寿命等。

为了确保H E V 合理的行驶性能,对其能源系统有如下要求:高比能量(确保H E V 达到合理的行驶里程);高比功率(确保加速和爬坡性能);寿命长、免维护、充电快、效率高(提高车辆的使用效率和接受制动回输功率的能力);尺寸小;安全性高。

b )H E V 电池的发展:至今为止,电动汽车用电池经历了三代的发展,已取得了突破的进展。第一代是铅酸电池,主要是阀控铅酸电池(V R L A ),由于其比能量高、价格低和放电倍率高,成为目前唯一大批量生产的电动汽车用电池。第二代是碱性电池,只要有N i -C d ,N i -M H ,N a /S ,L i -i o n 和Z n /A i r 等多种电池,其比能量和比功率都比铅酸电池高,大大提高了电动汽车的电动能力和续驶里程,但

是价格比铅酸电池要高。第三代是以燃料电池为主的电池,燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能,具有能量转换效率高、比能量高、比功率高、控制反应过程可控、能量转化过程可连续的特点,因此是理想的汽车用电池,现正处于研制阶段,一些关键技术还有待突破。

从目前车用电池的发展来看,镍氢电池可能是H E V 动力能源的首选电池,它已经规模化生产,性能稳定,其质量比、体积比功率、电池寿命和重复充放电次数方面已经达到美国先进电池联合会(U S A B C )性能指标。另外,一种叫质子交换膜的燃料电池(P E M F C )的能量转换效率是普通内燃机热效率的2～3倍;同时它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性,使得P E M F C 非常适合用作交通工具的动力源,有关

专家预言:21世纪燃料电池电动汽车可能成为汽车的主体。其他尚在试验阶段的电池如飞轮电池、太阳能电池,有着寿命长、环保等优点,在未来的车用电池中也必将占有一席之地。

c )H E V 电池的管理:在电池管理方面,目前着力于多个电池串、并联使用,为管理此更新的电池类型,需要采用嵌入式控制器来监视电池组的工作情况。大型H E V 电池组可能包含200个甚至更多的独立电池,因此对所有电池进行单独监控是不现实的,而嵌入式处理器的可根据电池技术的多重特性、不同电池组之间的电压以及流入或流出电池组的电流来估计电池的电量状态。当铿电池或镍氢(N i -M H )电池的电量耗尽到低于闭值时,镍氢电池和铿电池将很快损坏,不过嵌入式处理器可测定电量状态,并在电池组或单个电池的电压低于闭值前关断系统。但也不可对铿电池和镍氢电池进行过充电,以尽量延长电池组的使用寿命。

2.2　H E V 电机驱动系统

电机驱动系统是电动汽车的原动机,是心脏,是H E V

的关键核心技术之一。电机驱动系统是由电动机和驱动控制器两部分组成。

电动机是一种将电能转化为机械能的装置,为满足整车动力性能的需要,对电动机的具体要求为:1)瞬时功率大、功率密度高、过载能力强;2)效率高;3)运行速度范围要广,高、低速综合效率也要高。电动机在低速区具有恒转矩特性,在高速区具有恒功率特性,其转矩和功率控制特性如图5所示;4)结构简单牢固,耐冲击、颠簸、运行可靠,免维护,低成本等。驱动控制器是将电池的电能转换

为适于电动机运行的另外一种电能变换控制装置。通过这种变换和控制使电动机处于上述要求的运行最佳工作状态,以满足H E V 实际行驶工况的需要。驱动控制系统结构简单,控制精度高,动态响应好,系统可靠性高,成本低等。

图5　电动机转矩和功率控制特性

用于H E V 的电机必须要具有良好的可控性和容错能力以及具有低噪声、高效率的特点,同时具有对电压波动不敏感等性能。用于H E V 的电机类型有交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机。其中交流感应电机较具有代表性,但这种电机很难解决其功率和效率之间的矛盾,因此需要能够适用于H E V 的具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机的先进电机来替代目前使用的交流感应电机。同时对电机的控制方法和冷却系统也应有深入的研究。

2.3　H E V 中电力电子技术的应用

a )H E V 常用的电力电子技术装置:丰田新一代混合动力系统P r i u s T H S I I 的电力电子技术在H E V 中的应用

如图6所示。该整车电器驱动系统主要采用用A t k i n S o n 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(N i -M H )电池、控制管理单元以及各相关逆变器和D C -D C 变换器等部件组成。

图6　P r i u s T H S I I 整车电气系统结构

b )H E V 对电力电子技术的要求:受各方面运行条件

的限制,要求H E V 用电力电子技术机装置应具有成本低、体积小、比功率大。易于安装的特点。此外,以下的技术细节必须得到重点考虑:

1)电力电子装置密封问题:各种车用电力电子装置必须要进行有效的密封,以耐受温度和振动的影响,并能防止各种汽车液体的侵入。2)电磁兼容/电磁干扰(E M C /E M I )问题:H E V 是一个相对狭小的空间,里面包含有各种控制芯片和弱电回路,因此在进行车载电力电子装置设计时,为了消除将来的事故隐患,必须要很好的研究并解决E M C /E M I 问题。

3)直流母线电压利用问题:H E V 储能系统的电压是可变的,电压的大小取决于汽车实际负载的大小、运行工况(电动还是发电)以及电机是否弱磁运行等等,典型的母线电压波动范围是标称值的-30%～+25%。因此如何在汽车工况频繁变化的情况下,充分利用直流母线电

压,成为了控制策略设计者所需要解决的问题。

4)电力电子装置控制问题:“高开关频率”和“高采样率”目前被普遍应用于H E V 的电力电子装置和交流传动系统中,客观上,“双高”需要高精度的编码器和解算器,因此这就意味着电机中出现宽的温度梯度和饱和状态时,如何降低参数敏感度,以满足控制要求。

5)软开关技术在H E V 中的应用:目前,H E V 普遍采用P WM 控制的电压源型逆变器。长时间以来,正弦波逆变器主要的工作模式是S P WM 或S V P WM ,在这种工作模式下,逆变器开关管工作在“硬开关”状态。它存在开、关损耗大、过高的的d v /d t 和d i /d t 带来传导和辐射电磁干扰等问题,这些问题已经引起人们的充分重视,做了大量的研究,研究的重心就是如何实现功率开关器件的“软开关”。现阶段,研究较为活跃的有电感换向S P WM 软开关技术、电感换能式三相软开关技术新型半桥电流源串联谐振软开关技术等等。

6)H E V 用逆变器的通态损耗分析:目前,逆变器中的主流器件仍是I G B T 和快恢复二极管,这些器件在运行时都会产生损耗,主要由通态损耗和开关损耗组成。随着器件开关特性的优化,通态损耗占变换器损耗的比重越来越大,特别是软开关技术的应用使得开关损耗大大减小,通态损耗从而成为主要的功率损耗源。因此,通态损耗的精确计算是H E V 用逆变器系统热设计的一个重要的环节。

3　总结

阐述了混合动力汽车的基本结构,分析了电池技术、

电力电子技术等核心技术在H E V 中的应用,并提出了急需解决的问题。

随着电池技术、电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展,数字化交流驱动系统在商业化电动汽车中得到广泛应用;而开发研制采用交流电机驱动系统的H E V ,已经汽车工业可持续发展的重要途径之一。随着人类对生存环境要求的提高,合理利用能源意识的增强,作为一种污染小和高效率的现代化交通工具,H E V 将得到全面的

发展和应用。

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收稿日期:2008-08-07

(上接第127页)

示多种波形,该系统体积小,功能强大,具有实际工程运用价值,此外良好的C/C++开发经验对于该系统的开发具有促进作用,并可能最终决定了系统的稳定性能。

参考文献:

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收稿日期:2008-06-06

(上接第129页)

在开启“＊.e m p”档时,发现有相同文件名的零件存在,会使用既存在的档案取代建立新的档案。

4　结论

由图6和图7比较可知,通过P r o/E C A D模块与P r o-

t e l D X P软件之间进行P C B板的设计数据交换,能够解决P C B板子之间与机构空间干涉的问题,减少P C B上下板元器件(I C,连接器、按键等)干涉问题,提高了设计过程中的工作效率和正确性,同时也有效降低了失误设计成本,寻求最佳的产品厚度及外观,并且使得产品设计的轻薄、短小成为可能。

图6　运用P r o/E C A D前

图7　运用P r o/E C A D后

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收稿日期:2008-08-18