Application of Power Electronics Technology in Electric Vehicle*
Liu Xia
Keywords： Electric vehicle; Power electronics technology; Vehicular charger; Motor controller; DC-DC converterCLC NO.： U469.7 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）09-17-03前言隨着全球能源和生态环境的日益恶化，电动汽车的开发和应用已成为各国汽车工业积极探索的焦点。电动汽车能量来源不同于传统燃油车，储存于动力蓄电池中的高压直流电能是其唯一的能量来源。电动汽车驱动电机需要三相交流电能，车灯、电脑、音响等用电设备需要低压直流电能，对电能的形式和功率的不同要求，就需要对储能系统中的电能进行各种功率变换。“电力电子技术”正是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，其在电动汽车中各种形式的电能转换中都有应用。1 电力电子技术研究范围及与电动汽车技术的密切关系电力电子技术是以电力电子器件为核心，通过对不同电路拓扑的不同控制方式来实现对电能的转换和控制，其基本的转换形式和功能有以下四种：（1）整流技术，也称为交流/直流（AC/DC）变换技术，即把交流电能转换为固定或可调的直流电能。（2）逆变技术，亦称为直流/交流（DC/AC）变换技术，即将直流电能变换为交流电能。（3）直流变换技术（DC/DC变换），即将某一直流电压变换为另一直流电压。（4）交流变换技术（AC/AC变换），即对交流电能的参数（幅值、频率）加以转换。整流技术、逆变技术和直流变换技术是电力电子技术的三大电源变换方法，已经完全集成在新能源汽车技术中，如图1所示。2 整流技术在车载充电机中的应用电动汽车停车充电时，车载充电机将公用电网的单相或三相50Hz/60Hz交流电转换为电压电流幅值可控的直流电，对动力电池充电，这就需要整流技术。目前车载充电机采用的结构主要有两大类，一类是不控整流加高频隔离直流变换器，一类是前级AC/DC整流校正模块、后级DC/DC隔离调压模块的结构。这两种结构都能满足安全的要求，但是前一种结构对功率有很大限制且功率因数较低，因此如大量接入电网对电网污染较大，而后一种结构对电网污染小，能实现低谐波和高功率因数的要求，因此得到广泛的应用[1]。由前级AC/DC整流校正模块、后级DC/DC隔离调压模块组成的车载充电机整体结构框图如图2所示，主要由主功率单元、控制与保护单元、辅助电源与通讯单元3部分组成。2.1 主功率单元简介
CLC NO.： U469.7 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）09-17-03
前言
隨着全球能源和生态环境的日益恶化，电动汽车的开发和应用已成为各国汽车工业积极探索的焦点。电动汽车能量来源不同于传统燃油车，储存于动力蓄电池中的高压直流电能是其唯一的能量来源。电动汽车驱动电机需要三相交流电能，车灯、电脑、音响等用电设备需要低压直流电能，对电能的形式和功率的不同要求，就需要对储能系统中的电能进行各种功率变换。“电力电子技术”正是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，其在电动汽车中各种形式的电能转换中都有应用。
1 电力电子技术研究范围及与电动汽车技术的密切关系
电力电子技术是以电力电子器件为核心，通过对不同电路拓扑的不同控制方式来实现对电能的转换和控制，其基本的转换形式和功能有以下四种：
（1）整流技术，也称为交流/直流（AC/DC）变换技术，即把交流电能转换为固定或可调的直流电能。
（2）逆变技术，亦称为直流/交流（DC/AC）变换技术，即将直流电能变换为交流电能。
（3）直流变换技术（DC/DC变换），即将某一直流电压变换为另一直流电压。
（4）交流变换技术（AC/AC变换），即对交流电能的参数（幅值、频率）加以转换。
整流技术、逆变技术和直流变换技术是电力电子技术的三大电源变换方法，已经完全集成在新能源汽车技术中，如图1所示。
2 整流技术在车载充电机中的应用
电动汽车停车充电时，车载充电机将公用电网的单相或三相50Hz/60Hz交流电转换为电压电流幅值可控的直流电，对动力电池充电，这就需要整流技术。
目前车载充电机采用的结构主要有两大类，一类是不控整流加高频隔离直流变换器，一类是前级AC/DC整流校正模块、后级DC/DC隔离调压模块的结构。这两种结构都能满足安全的要求，但是前一种结构对功率有很大限制且功率因数较低，因此如大量接入电网对电网污染较大，而后一种结构对电网污染小，能实现低谐波和高功率因数的要求，因此得到广泛的应用[1]。
由前级AC/DC整流校正模块、后级DC/DC隔离调压模块组成的车载充电机整体结构框图如图2所示，主要由主功率单元、控制与保护单元、辅助电源与通讯单元3部分组成。
2.1 主功率单元简介
主功率单元的功能为将电压为85～265V的单相交流电首先经过EMI滤波，然后在AC/DC整流校正模块的作用下，整流成稳定输出的直流电压;再经过DC/DC隔离调压模块转化成动力电池充电可以接受的高精度直流电压，并通过控制器来实现恒压限流和恒流限压的两段式充电。
（1）AC/DC整流校正模块结构
AC/DC整流校正模块常用电路结构为Boost型APFC电路，如图3所示。该电路通过整流二极管组成的整流电路将交流市电转变为正弦半波直流电，然后进行基于Boost电路的DC/DC功率变换，最后通过控制电路对全控型电力场效应晶体管进行控制。经過该模块后，能够实现输入电流平均值波形呈现正弦化，并且电流能跟踪整流后的电压波形，实现高功率因数，同时维持直流输出电压稳定[2]。
（2）DC/DC隔离调压模块结构
DC/DC隔离调压模块最常见的电路拓扑为LLC串联谐振DC/DC变换器，如图4所示。该电路首先通过对全控型电力场效应晶体管T1～T4进行控制，将T1、T4分为一组，T2、T3分为一组，先导通T1和T4，导通角为180°，然后导通T2和T3，导通角同样为180°。经过上述控制，直流电压逆变为交流方波电压，然后在高频变压器的升降压与隔离后，在变压器次级得到不同幅值的交流方波电压，最后经过整流二极管组成的整流电路和滤波电容后，将交流方波电压转化为蓄电池组充电可以接受的高精度直流电压。
2.2 控制与保护单元简介
控制与保护单元的作用主要有三部分：一为信号采集，包括输入交流电压电流的检测和输出直流电压电流的检测，测得的数值会送入控制器;二为逻辑运算，该电路中有两种控制器，分别为APFC控制器和DSP控制器，采集的电压电流信号在控制器中按照设定的逻辑进行计算，得出对APFC电路和LLC串联谐振DC/DC变换器电路相对应开关管的驱动信号;三为驱动输出，在控制器中运算得到的驱动信号，通过驱动电路输出，以控制相对应的开关器件，实现对动力电池进行高效、智能的充电与保护控制[3]。2.3 辅助电源与通讯单元简介
辅助电源与通讯单元有两部分组成：一为低压辅助电源，作用为车载充电机内部控制芯片等提供低压直流电源，如24V、15V、5V、3.3V、1.8V等;二为CAN通讯，主要是充电机与BMS之间的通讯，在充电过程中对BMS电池特性进行实时监测，从而选择最优的电池充电曲线，实现对电池的高效快速充电。
3 逆变技术在电机控制器中的应用
三相笼式异步电机和永磁同步电机被广泛用于电动汽车的动力驱动装置中，电机控制器是实现车载动力电池直流电与电动机所需的电流矢量相位幅值可调的三相交流电双向转换的功率变换装置。纯电动汽车前进时，驱动电机处于电动工作状态，电机控制器将动力电池直流电转换为电机所需交流电，该方法即为逆变技术。
三相笼式异步电机和永磁同步电机的控制器硬件拓扑是一样的，其硬件电路可以通用，主要的区别是电机的软件控制核心不同[4]。由于永磁同步电机在电动汽车上的应用最为广泛，在此着重介绍一下永磁同步电机控制器系统结构，如图5所示，同样由主功率单元、控制与保护单元、辅助电源与通讯单元3部分组成。
3.1 主功率单元简介
主功率单元的功能为根据整车控制器发送来的驾驶人驾驶意图，在当前电机运转状况的基础上，将动力电池储存的直流电，通过逆变模块逆变为一定频率和幅值的高压三相交流电，来驱动三相交流电机运转。主功率单元的电路结构见图6所示，其中逆变模块的功率器件目前使用最广泛的为六个IGBT管芯集成的IGBT模块。
3.2 控制与保护单元简介
电机控制器控制与保护单元的作用与车载充电机类似，也分为三部分：一是信号采集，采集的信号包括输入端的直流母线电压、输出端的三相交流电流、三相电机的温度信号以及旋转变压器传入的电机转子位置信号;二是逻辑运算，数据信号处理器（DSP）接收上述信号以及来自CAN通讯单
元的信号，经过控制策略的处理后，再输给DSP内部的ePWM模块形成六路PWM脉冲波;三是驱动输出，DSP形成的PWM脉冲波，通过驱动电路输出接入IGBT逆变模块中开关管的控制栅极。3.3 辅助电源与通讯单元简介
低压辅助电源，为电机控制器内部控制芯片等提供低压直流电源;CAN通讯单元，主要作用为与整车控制器（VCU）通讯，如接收来自整车控制器的加速踏板信号、制动踏板信号、动力电池状态等，然后输入电机控制器，电机控制器通过整车状态信息来判断当前的驾驶需求。
4 直流变换技术在DC/DC变换器中的应用
电动汽车的能源通常以直流电能的形式储存于动力蓄电池中，其标称电压一般在300～650V之间，而车辆的辅助设备如车灯、音响系统、ECU等则继承了传统汽车的低压电气系统，其供电电压仍为12V/24V。两种直流母线电压之间需要转换，所以需要直流/直流（DC/DC）变换器，将动力电池的高电压转换为低压电器使用的低电压12V/24V。
DC/DC变换器的主功率电路与车载充电机LLC串联谐振DC/DC变换器电路（如图4所示）结构和功能相似，这里就不再赘述[5]。
5 总结
本文对电力电子技术中三大电源变换方法在电动汽车中的应用进行了概述，包括整流技术在车载充电机中的应用、逆变技术在电机控制器中的应用以及直流变换技术在DC/DC变换器中的应用。电动汽车行业从业人员、各大院校电动汽车专业师资力量在进行电动汽车研究时，必然需要对电力电子技术进行深入研究，以完善电力电子技术在电动汽车大功率电能调节方面的能力，降低电动汽车的能耗。
参考文献[1] 邱慧，蔡群英.车载充电机拓扑结构对比[J].电子技术与软件工程， 2017（08）：244-245.[2] 刘红丽，马正来，聂鹏.4kw电动汽车车载充电机的研究与实现[J]. 电气传动， 2017（02）：20-23+42.[3] 王虎，高桂芬.电动汽车车载充电机的研究与设计[J].长春工业大学学报，2018（04）：356-361.[4] 张勇波.纯电动汽车电机控制器电路设计[J].变频器世界，2018（02）： 48-53.[5] 武远征.电动汽车DC-DC变换器设计与研究[D].辽宁工业大学， 2019.
[1] 邱慧，蔡群英.车载充电机拓扑结构对比[J].电子技术与软件工程， 2017（08）：244-245.[2] 刘红丽，马正来，聂鹏.4kw电动汽车车载充电机的研究与实现[J]. 电气传动， 2017（02）：20-23+42.[3] 王虎，高桂芬.电动汽车车载充电机的研究与设计[J].长春工业大学学报，2018（04）：356-361.[4] 张勇波.纯电动汽车电机控制器电路设计[J].变频器世界，2018（02）： 48-53.[5] 武远征.电动汽车DC-DC变换器设计与研究[D].辽宁工业大学， 2019.
[2] 刘红丽，马正来，聂鹏.4kw电动汽车车载充电机的研究与实现[J]. 电气传动， 2017（02）：20-23+42.[3] 王虎，高桂芬.电动汽车车载充电机的研究与设计[J].长春工业大学学报，2018（04）：356-361.[4] 张勇波.纯电动汽车电机控制器电路设计[J].变频器世界，2018（02）： 48-53.[5] 武远征.电动汽车DC-DC变换器设计与研究[D].辽宁工业大学， 2019.
[3] 王虎，高桂芬.电动汽车车载充电机的研究与设计[J].长春工业大学学报，2018（04）：356-361.[4] 张勇波.纯电动汽车电机控制器电路设计[J].变频器世界，2018（02）： 48-53.[5] 武远征.电动汽车DC-DC变换器设计与研究[D].辽宁工业大学， 2019.
[4] 张勇波.纯电动汽车电机控制器电路设计[J].变频器世界，2018（02）： 48-53.[5] 武远征.电动汽车DC-DC变换器设计与研究[D].辽宁工业大学， 2019.
[5] 武远征.电动汽车DC-DC变换器设计与研究[D].辽宁工业大学， 2019.