·电气技术与自动化·何凤有,等·混合动力电动汽车核心技术分析与研究‘
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221008J
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2l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
HEV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:U469.72文献标识码:B文章编号:1671-5276(2009)01-0133-.04
AnalysisandInvestigationofPivotalTechnologiesinHybridElectricVehicle
HEFeng.you,MAXiu.1i。QIANMiao.wang。LINa
(ChinaUniversityofMiningandkhnology,Xuzhou221008,China)
Abstract:Becausehybridelectricvehicleshavegreateradvantagethantraditionalvehiclesinenvironmentalprotectionandenergy
saving.itwillbecomethemainterrestrialvehiclesontheurbanroadsinthe21“century.Thispaperexpoundsthebasicstructureof
hybridelectricvehicle,carefullyanalyzesseveralcorrelativetechnologiesforHEVapplication.includingthestoragebatteriestech·
niqueandtheapplicationsofpowerelectronicsetc,andbringsforwardsomequestionstobesettled.
Keywords:HybridElectdcVehicle;storagebattedes;motordrivesystem;印plicationsofpowerelectronics
0引言
随着石油供应的Et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(HEV)异军突起,在世界范围内成为新型汽车开
发的热点。
1HEV的结构及特点
目前国内外研究的HEV有多种结构,按动力系统布
置可分为串联式混合动力汽车(SHEV)、并联式混合动力
汽车(PHEV)、混联式混合动力汽车(PSHEV)和复合式混
合动力汽车(CHEV)。
SHEV的动力系统结构是HEV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。SHEV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SHEV的能鼍转换、传输环
节多,造成能量转换效率低,使得燃油利用率比较低。
车
辆
图1串联式混合动力汽车
PHEV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SHEV相比较,PHEV的发动机和电动机的功率较
小,但结构复杂、控制难度大。
I塑塑H垄垫塾I生
辆
图2并联式混合动力汽车
PSHEV在结构上综合了SHEV和PHEV的特点,如
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。
。
’Machine
Building8Automation,Feb2009,船(J):133—136·133·
万方数据
·电气技术与自动化·。何风有,等·混合动力电动汽车核心技术分析与研究
图3所示。与SHEV相比,它增加了机械动力传递路线;
与PHEV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,PSHEV结构复杂,成
本高。
蚶崔圭
辆
图3混联式混合动力汽车
CHEV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。
主
辆
图4复合式混合动力汽车
2HEV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。HEV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。
2.1HEV用电池
HEV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。HEV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)HEV对电池的特殊要求:与EV不同,HEV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HEV电池SOC工作范围在50%左右,波动一般不超
过20%。这是因为HEV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。HEV和EV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HEV合理的行驶性能,对其能源系统有如
·134.
下要求:高比能量(确保HEV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)HEV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(VRLA),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Ni-cd,Ni·MH,Na/S,
Li.ion和Zn/Air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HEV
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(USABC)性能指标。另外,一
种叫质子交换膜的燃料电池(PEMFC)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PEMFC非常适合用作交通工具的动力源,有关
专家预言:2l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)HEV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HEV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(Ni—MH)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。
2.2HEV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HEV
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
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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HEV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。
M
P
图5电动机转矩和功率控制特性
用于HEV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HEV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HEV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。
2.3HEV中电力电子技术的应用
a)HEV常用的电力电子技术装置:丰田新一代混合
动力系统PriusTHSII的电力电子技术在HEV中的应用
如图6所示。该整车电器驱动系统主要采用用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和DC—DC变换器等部件组成。
b)HEV对电力电子技术的要求:受各方面运行条件
发动机控
制单元
HEV中央
控制单元
电气驱动压缩机
发动机活塞控制
功率控制单元匡巫圃
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DC—DC升压变换
钏爨离糕
发动
机
嚣io功率上l鹄il皇蚴毡.-J
辅助蓄
电池组
14V
图6PriusTHSII整车电气系统结构
Ma&ineBuilding学Automation,Feb2009,38(J):133—136
的限制,要求HEV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(EMC/EMI)问题:HEV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EMC/EMI问题。
3)直流母线电压利用问题:HEV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一30%~+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HEV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HEV中的应用:目前,HEV普遍采
用PWM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SPWM或SVPWM,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dv/dt和di/dt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SPWM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)HEV用逆变器的通态损耗分析:目前,逆变器中
的主流器件仍是IGBT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HEV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HEV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HEV,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,HEV将得到全面的
发展和应用。
·135·万方数据
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1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+4-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。
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(上接第129页)
在开启\“·.emp\”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Pro/ECAD模块与Pro.
telDXP软件之间进行PCB板的设计数据交换,能够解决
PCB板子之间与机构空间干涉的问题,减少PCB上下板
元器件(Ic,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。
·136·
图6运用Pro/ECAD前
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混合动力电动汽车核心技术分析与研究
作者:何凤有,马秀丽,钱苗旺,李娜,HEFeng-you,MAXiu-li,QIANMiao-wang,LI
Na
作者单位:中国矿业大学,江苏,徐州,221008
刊名:机械制造与自动化
英文刊名:JIANGSUMACHINEBUILDING&AUTOMATION
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxzzyzdh200901043.aspx
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