广州城建职业学院 张 剑

电力电子技术在电动汽车中的应用分析

广州城建职业学院 张 剑

在环境压力日益紧张的今天,电动汽车的研究越来越受重视。本文在电动汽车的结构原理基础上，对电力电子技术在电动汽车中的应用进行了分析，阐述了电力电子技术对于电动汽车的重要性。

电力电子技术；电动汽车；驱动

引言

汽车工业是国民经济的支柱型产业。近年来我国汽车产销增长非常迅速，从2000年的200万辆到2015年已增加至2400多万辆，连续多年超越美国，成为全球第一大汽车产销国。然而汽车在为我们的出行带来便捷的同时，这些靠燃油生存的普通汽车也引发了严重的环境与人类生存问题。而随着技术的进步以及政策的推动，电动汽车近年来发展迅速，为城市交通提供了良好的解决方案。电动汽车将能源储存在蓄电池中，以电能的方式提供一切能源。由于其接近零排放、高效率、电动机比内燃机简单可靠、电动机的转速和转矩也更易控制等因素，受到了业内科研人员的极大关注。

电动汽车与传统内燃机汽车原理及结构有着明显差异，它取消了传统发动机，通过电驱动系统向车辆提供动力。它在结构上主要分为：电力驱动子系统、能源子系统和辅助子系统三个子系统。通常在储能系统中电能是以直流的方式储存，而电动汽车各个用电设备所需的电能的形式各不相同，比如电力驱动系统中的电动机通常所需的功率较大，而且在电动汽车的控制系统中也需要用到各种形式的电能，所以在电动汽车中，蓄电池储存的电能需要通过一系列的变换才能供到各级用电设备使用，而实现电能的变换和控制的技术即称为电力电子技术。

电力电子技术作为一个新兴的工程领域，国际电气和电子工程师协会IEEE在2005年把它定义为：“使用电子元器件，应用电路理论和设计技术以及发展分析工具来实现对电能的高效转变、控制和调节”。它的目的是将电能从一种方便运输的模式变换到另一种符合应用需求的模式，从而提高电能的利用效率。

1.电动汽车的驱动原理

燃油汽车主要由发动机，底盘、车身和电气四大部分组成，纯电动汽车的结构与燃油汽车相比，主要增加了电力驱动控制系统，而取消了发动机。电力驱动控制系统由电力驱动主模块、车载电源模块和辅助模块三大部分组成。来自加速踏板的信号输入电力驱动主模块的控制单元，通过控制功率变化器来调节电动机输出的转矩或转速，电动机输出的转矩通过汽车传动系统驱动车轮转动。充电控制器通过汽车的充电接口从电网电源向蓄电池充电。在汽车行驶时，蓄电池经功率变换器向电动机供电。当电动汽车采用电制动时，驱动电动机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池对其充电，并延长电动汽车的续驶里程。

2.电力电子技术在电力驱动主模块的应用

电力驱动主模块是电力驱动系统是的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。一般地，驱动模块由电气和机械系统组成。电气系统由中央控制单元、驱动控制器和驱动电动机组成。中央控制单元根据加速踏板和制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对电动机进行启动、加速、减速、制动控制。驱动控制器的功能是按中央控制单元的指令和电动机的速度、电流反馈信号，将储存在蓄电池中的电能高效地进行功率变化，转化为驱动电动机所需要的电能的形式，并对电动机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制，电机在电动汽车中被要求承担电动和发电的双重功能，即在正常行驶时发挥其主要的电动机功能，将电能转化为机械能；在减速和下坡滑行时又被要求进行发电，将车轮的惯性动能转化为电能。根据电动汽车使用的电机驱动系统的种类，电力电子功率变换器也可分为DC-DC转换和DC-AC转换两种形式：

A、直流电机驱动系统 直流电动驱动系统是以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统。直流电动机驱动系统中的DC-DC转换器又称直流斩波器，两象限直流斩波器能把蓄电池的直流电压转换为可变的直流电压，用于直流电动机的驱动。在早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少使用。随着电力电子技术的发展，直流电机的调速控制已经基本由斩波调速方式取代，早期应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变直流电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速，而电力电子器件的不断发展，它也逐渐被其他电力晶体管（如GTO，MOSFET，BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。

B、异步电机驱动系统 由于蓄电池以直流电的形式输出能量,所以要用蓄电池输出的能量来驱动交流感应电机,就先必须将蓄电池输出的直流电进行变流处理,将其逆变为交流电。异步电机驱动系统中的DC-AC转换器通常称作逆变器，它将蓄电池的直流电转换为频率和电压均可调的交流电。电动汽车一般只是用电压输入式逆变器，因为其结构简单且又能进行双向能量转换。而且，通常采用的是SPWM（正弦波SPWM）逆变器。其原理是将正弦调制波与三角载波比较，得到相应的PWM脉冲序列。SPWM的优点在于它的算法简单，而且容易实现。异步电机调速方法主要包括改变转差率调速、调压调速、变频调速、变极对数调速等,其中以变频调速应用最为广泛。现代研究较多的调速方法有PWM调速、矢量控制和直接转矩控制。

3.电力电子技术在其他模块的应用

在电动汽车的其他各个模块中，不同的用电设备也需要用到各种形式的电能，所以也需要对储能系统中的电能进行一系列的转换和控制才能供给到各类用电设备的使用。

车载电源模块中的充电控制器需要电网电源的输出的交流电能转换为相应电压的直流电，并在充电过程中按照要求控制其电流的大小。

电动汽车辅助系统主要包括辅助动力源、动力转向系统、驾驶室显示操纵台和各种辅助装置等。辅助动力源主要由辅助电源和DC/DC功率转换器组成，其功用是通过DC/DC功率转换将蓄电池电源输出的直流电转换为供给电动汽车其它各种辅助装置所需要的电能，一般为12V或24V的低压直流电，它主要给动力转向、制动力调节控制、照明、空调、电动窗门等各种辅助装置提供所需的能源。

4.总结

电能是电动汽车中唯一的能量来源，通常以直流电能的形式储存于蓄电池当中。而电动汽车各个用电设备所需要的电能的形式和功率各不相同，所以需要对储能系统中的电能进行各种功率变换才能供到各个用电设备使用。电力电子装置在电动汽车的驱动系统及各个辅助控制系统中都发挥了重要的作用，电力电子装置的性能也会直接影响到电动汽车的性能。电动汽车的发展离不开电力电子技术的发展，在电动汽车高速发展的今天，与之对应的电力电子技术也必将得到完善。

[1]王兆安,黄俊．电力电子技术[M]．机械工业出版社,2006,5．

[2]徐国凯,赵秀春,苏航．电动汽车的驱动与控制[M]．北京:电子工业出版社,2010:15．

[3]李红钧．电力电子技术在电动车驱动系统中的应用[J]．自动化与仪器仪表,2010,5:65-67．

[4]李斌花．纯电动汽车电机驱动系统控制策略研究[D]．湖南大学,2005,5．

[5]王丹,续丹,曹秉刚．电动汽车关键技术发展综述[J]．中国工程科学,2013,15(1):68-72．

图3 永磁同步电机无传感器控制波形图

图4 永磁同步电机硬件系统构成图

4.结论

本文在滑模观测器的基础上研究实现了永磁同步电机无速度传感器控制方法。电机正常运转工作时通过对电机电压，电流等参数的监测，构建滑模观测器模型。将观测器获得的转子位子信息反馈入电机速度闭环系统，实现了永磁同步电机速度电流双闭环控制。实验证实滑模观测器在永磁同步电机中高速运转中有良好的效果，系统有较好的控制性能。但通过实测发现，滑模观测器在永磁同步电机低速阶段位置估算准确度较差，因此滑模观测器适用于控制精度要求较低的无速度传感器控制场合。

参考文献

[1]刘锦波,张承慧．电机与拖动[M]．北京:清华大学出版社．2007．

[2]程明．微特电机及系统[M]．北京:中国电力出版社,2008．

[3]贾洪平,贺益康．基于高频注入法的永磁同步电动机转子初始位置检测研究[J]．中国电机工程学报,2007, 27(15): 15-20．

马文斌（1989-），男，中车株洲电机有限公司助理工程师，研究方向：永磁同步电机控制。