混合动力电动汽车中电力电子技术应用综述Summarization of the Applications of Power Electronics in Hybrid Elec-tric Vehicle
北京交通大学　电气工程学院  张立伟  胡广艳  游小杰  郑琼林摘　要：文章综述了混合动力电动汽车的发展和基本结构，在此基础上，结合丰田汽车公司的最新一代混合动力电动汽车Ｐｒｉｕｓ　ＴＨＳ　ＩＩ，介绍了电力电子技术在混合动力电动汽车上的具体应用情况。最后，结合混合动力电动汽车的实际情况，提出了需要重点解决的问题。
关键词：混合动力  电动汽车  功率电子  交流驱动  逆变器
Abstract:  This paper summarizes the development and basic structures of hybrid electrical vehicles (HEV). Subsequently, this paper introduces the applications of power electronics in TOYOTA new developed HEV Prius THSII, as well as some reviews about the application of power electronics installed in HEV are given.
Key words: Hybrid    Electric V ehicle  Power electronic    AC Drive  Inverter
１  概述
电力电子技术是研究应用电力半导体器件实现电能变换和控制的学科，它是一门由电子、电力半导体器
件和控制三者相互交叉而出现的新兴边缘学科。它研究的内容非常广泛，主要包括电力半导体器件、磁性材料、电力电子电路、控制集成电路以及由其组成的电力变换装置。目前，电力电子学研究的主要方向是［１］：
（１）电力半导体器件的设计、测试、模型分析、工艺及仿真等；
被套牌（２）电力开关变换器的电路拓扑、建模、仿真、控制和应用；
（３）电力逆变技术及其在电气传动、电力系统等工业领域中的应用等。
电动汽车（ＥＶ）作为清洁、高效和可持续发展的交通工具，既对改善空气质量、保护环境具有重大意义，又对日益严重的石油危机提供了解决方法；同时，电动汽车作为电力电子技术的一个新的应用领域，涵盖了ＤＣ／ＤＣ和ＤＣ／ＡＣ的全部变换，是实用价值非常高的运用领域［２］。２  　混合动力电动汽车简介
当前世界汽车产业正处于技术革命和产业大调整的发展时期，安全、环保、节能和智能化成为汽车界共同关心的重大课题。为了使人类社会和汽车工业持续发展，世界各国尤其是发达国家和部分发展中国家都在研究各种新技术来改善汽车和环境的协调性。
电动汽车作为２１世纪汽车工业改造和发展的主要方向，目前已从实验室开发试验阶段过渡到商品性
试生产阶段，世界上许多知名汽车厂家都推出了具有高科技水平的安全或环保型概念车，目的是为了引导世界汽车技术的潮流。
２．１  各种类型电动汽车特点及其发展
根据所使用的动力源不同，电动汽车大致可分为三类：蓄电池电动汽车或纯电动汽车（Ｂａｔｔｅｒｙ　ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）、以氢气为能源的燃料电池电动汽车（Ｆｕｅｌ　ＣｅｌｌＥｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）和混合动力电动汽车（Ｈｙｂｒｉｄ　ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）。
纯电动汽车是单独依靠蓄电池供电的，但目前动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，因此，纯电动汽车的发展没有达到预期的目的；
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燃料电池电动汽车具有能量转化率高、不污染环
境、使用寿命长等不可比拟的优势。但是由于目前燃料
电池技术和研究还没有取得重大突破，燃料电池电动
汽车的发展也受到了限制；
混合动力电动汽车是同时采用了电动机和发动机
作为其动力装置，通过先进的控制系统使两种动力装
置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低
污染和高度自动化的新型汽车。自１９９５年以来，世界
各大汽车生产商已将研究的重点转向了混合动力电动
汽车的研究和开发，日本、美国和德国的大型汽车公司
均开发了包括轿车、面包车、货车在内的混合动力电动
汽车。
以作为混合动力电动汽车研发前沿的丰田汽车公
司为例，所开发的混合动力电动汽车已达到实用化水
奥迪变速箱马自达6旅行车平，自１９９７年所推出的世界上第一款批量生产的混合
动力电动汽车Ｐｒｉｕｓ开始，其后又在２００２年推出了混合
动力面包车，该车混合动力系统采用了世纪首次批量
生产的电动四轮驱动及四轮驱动力／制动力综合控制
系统。２００３年，丰田又推出了新一代Ｐｒｉｕｓ，也被称为
“新时代丰田混合动力系统统－－ＴＨＳ　ＩＩ”（见图１），节能
效果可达到１００ｋｍ油耗不足３Ｌ。从２００４年开始，丰田
公司向欧洲市场推出了一款新的Ｌｅｘｕｓ　ＲＸ型豪华混合
动力轿车。丰田公司计划２０１２年全部采用汽油电力混
合发动机，以提高燃油经济性和降低排放污染。
２．２  混合动力电动汽车分类及特点
根据按照发动机与电动机的不同组合工作方式方
式，混合动力电动汽车主要可以分为３类：串联式、并
联式和混联式［３］，基本结构如图２所示。
图３所示为不同混合动力类型中电动机与发动机的
功率分配情况。
在串联式混合动力系统中，由发动机驱动发电机，
利用发出的电能由电动机驱动车轮。即，发动机所发出
的动能全部要先转换成电能，利用这一电能使车辆行驶。
图１  　丰田新一代混合动力电动汽车Ｐｒｉｕｓ　ＴＨＳＩＩ逸动plus
图２  混合动力电动汽车基本结构
图３　不同工作模式中电动机与发动机的功率分配示意图
并联式混合动力系统采用的是发动机与电动机驱
动车轮，根据情况来运用这两个动力源，由于动力源
是并行的，故称为并联式混合动力系统。
混联式也称串并联式，它可以最大限度地发挥串
联式与并联式的各自优点，丰田的Ｐｒｉｕｓ系列的混合动
Power Electronics  |  11力系统采用的就是这种工作方式。工作时，利用动力分
配器分配发动机的动力：一方面直接驱动车轮，另一方
面自主地控制发电。由于要利用电能驱动电动机，所以
与并联式相比，电动机的使用比率增大了。
３  　ＨＥＶ常用的电力电子技术及装置
本文结合丰田新一代混合动力系统ＴＨＳⅡ，具体
研究了电力电子技术在ＨＥＶ中的应用情况。ＴＨＳⅡ的
整车电气驱动系统（见图４）主要由采用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。
高压电源电路、各种逆变器和１４Ｖ蓄电池用辅助
ＤＣ－ＤＣ变换器组成了功率控制单元（见图５），该单元集
成了ＤＳＰ控制器、驱动和保护电路、直流稳压电容、半
导体、绝缘体、传感器、液体冷却回路以及和汽车通信
的ＣＡＮ总线接口。
下面主要介绍功率控制单元的结构组成和主要作
用［４］［５］。
３．１  电动机／发电机用逆变器单元
在Ｐｒｉｕｓ　ＴＨＳ　ＩＩ主驱动系统中，电动机和发电机
所用三相电压型逆变器（功率分别为５０ｋＷ和３０ｋＷ）被集
成在一个模块上，如图６所示，逆变器的电气结构图如
图７所示，直流母线最大供电电压被设定为５００Ｖ。功
率器件选用带有反并联续流二极管的商用ＩＧＢＴ（８５０Ｖ／
２００Ａ），该功率等级的ＩＧＢＴ具有足以承受最大５００Ｖ反
压的能力，以及其它诸如雪崩击穿、瞬时短路的能力。
电动机用逆变器的每个桥臂都是由并联有两个
ＩＧＢＴ模块和二极管模块组成，而发电机用逆变器的每
个桥臂只包含有一个ＩＧＢＴ模块和二极管模块。每个
ＩＧＢＴ芯片的面积为１３３ｍｍ２（１３．７ｍｍ×９．７ｍｍ），并且
发射极使用了５ｕｍ厚的铝膜；而每个二极管芯片的面积
为９０ｍｍ２（８．２ｍｍ×１１ｍｍ）。
目前，电动汽车普遍采用ＰＷＭ控制的电压型逆变
器，这种逆变器具有线路简单、效率高的特点，同时图４  　Ｐｒｉｕｓ　ＴＨＳＩＩ整车电气系统结构
图５  　Ｐｒｉｕｓ　ＴＨＳＩＩ功率控制单元
图６  　电动机和发电机用逆变器集成模块
图７    功率主回路示意图
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ＰＷＭ逆变器呈现出以下几种发展趋势：
（１）通常采用ＩＧＢＴ器件，工作频率高，并减少了低
频谐波分量和起动时的电流冲击，当前国外应用的最
高开关频率已达２０ｋＨｚ；
（２）电机额定频率相应提高了，扩大了调速范围，在
更好地满足运行要求的同时，减少电机的体积和重量，
提高功率比。目前国外电动汽车专用电机的最高额定
频率已达５００Ｈｚ；
（３）采用ＤＳＰ为核心的计算机控制系统，能够实现
可靠的矢量控制和运算，电机可做到快速恒力矩起动
及弱磁高速运行，这种控制系统稳定，电流冲击小，控
制效率高。
除了以上传统的ＰＷＭ控制技术外，最近出现了谐
振直流环节变换器和高频谐振交流环节变换器。采用
零电压或零电流开关技术的谐振式变换器具有开关损
耗小、电磁干扰小、低噪声、高功率密度和高可靠性等
优点，引起研究人员广泛的兴趣。
目前应用于功率变换器的常用电子开关器件主要
有ＧＴＯ、ＢＪＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ和ＭＣＴ等，由于ＩＧＢＴ
集ＢＪＴ和ＭＯＳＦＥＴ特点于一体，所具有的高阻抗压控
栅极，可明显降低栅极驱动功率，从而可使栅极驱动电
路集成化；并且ＩＧＢＴ具有的极短的开关时间，可使系
统具有快速响应能力，并减小了开关损耗，降低了噪
声，因此ＩＧＢＴ是很好的开关器件。ＭＣＴ也是一个潜在
的选择器件，虽然目前商用的ＭＣＴ的额定值还有待于
提高；但是由于ＭＣＴ具有低的通导压降，因此随着ＭＣＴ
新型制造工艺的完善和新材料的使用，未来的ＭＣＴ在
电动汽车中将有良好的应用前景。
３．２  　ＤＣ－ＤＣ升压变换器单元
在ＴＨＳ中，蓄电池组通过逆变器直接与电机和发
电机相连（见图８）；而在ＴＨＳ　ＩＩ中，蓄电池组输出的电
压首先通过ＤＣ－ＤＣ升压变换器进行升压操作，然后再
与逆变器相连，因此逆变器的直流母线电压从原ＴＨＳ
的２０２Ｖ提升为现在的５００Ｖ。
图９为ＴＨＳ　ＩＩ系统中能量交换示意图，图中发电
机的功率为３０ｋＷ，蓄电池组的瞬时功率为２０ｋＷ，两
者联合起来为５０ｋＷ的电机提供能量；图中升压变换器
的容量也被设计为２０ｋＷ。
这种系统具有如下优点：
（１）由于电机的最大输出功率能力是与直流母线电压成
正比的，因此与原ＴＨＳ系统的２０２Ｖ供电工况相比，在不
增加驱动电流的情况下，ＴＨＳ　ＩＩ系统中电机在５００Ｖ供电
时，其最大输出功率以及转矩的输出能力是原ＴＨＳ系统
的２．５倍；此外相同体积的电机，还能够输出更高的功率；
（２）由于使用了直流母线供电电压可变系统，因此
ＴＨＳ　ＩＩ可以根据电动机和发电机的实际需要，自由的
调节直流母线供电电压，从而选择最优的供电电压，达
到减少逆变器开关损耗以及电动机铜损的节能目的；
（３）对于供电电压一定的蓄电池组来说，由于可以
通过调整升压变压器的输出电压的方式，来满足电动
机和发电机的实际需要，因此从某种程度上讲，可以减
少蓄电池的使用数量，降低整车质量。
图９所示的ＤＣ－ＤＣ升压变换器每个支路都并联有两
个ＩＧＢＴ模块和续流二极管模块，其中每个ＩＧＢＴ芯片的
面积为２２５ｍｍ２（１５ｍｍ×１５ｍｍ），每个续流二极管芯片的
面积为１１７ｍｍ２（１３ｍｍ×９ｍｍ）。图９所示的电路拓扑结
构可以在不打断系统的正常工作的情况，保证蓄电池的
充电和放电进行瞬间转化。由于ＤＣ－ＤＣ升压变换器的作
用，而使主电容器上的系统电压（Ｓｙｓｔｅｍ　Ｖｏｌｔａｇｅ）不同于
上海大众新途安
蓄电池组的输出电压，从而在保证电动机和发电机高电图８  　Ｐｒｉｕｓ　ＴＨＳ与ＴＨＳ　ＩＩ直流供电方式比较
图９  　Ｐｒｉｕｓ　ＴＨＳＩＩ可变压系统电路结构图
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压工作的同时，而不受蓄电池组低电压输出能力的限制。３．３  ＤＣ－ＤＣ降压变换器单元
通常汽车中各种用电设备由１４Ｖ蓄电池组供电（额定电压为１２Ｖ），Ｐｒｉｕｓ也选用了１４Ｖ蓄电池组作为诸如控制计算机、车灯、制动器等车载电气设备的供电电源，而对该蓄电池的充电工作则由直流２０２Ｖ通过一个ＤＣ－ＤＣ降压变换器来完成的，变换器的电路图如图１０所示。变换器的容量为１．４ｋＷ（１００Ａ／１４Ｖ），功率器件选用压控型商用ＭＯＳＦＥＴ（５００Ｖ／２０Ａ），每个ＭＯＳＦＥＴ芯片的面积为４９ｍｍ２（７ｍｍ×７ｍｍ）。
３．４  其它交流设备用逆变器单元
Ｐｒｉｕｓ　ＴＨＳＩＩ空调系统使用了电机驱动的空气压缩机，取代了传统的用发动机机械驱动的空气压缩机。为了驱动该空气压缩机用电机，设计了一种小功率逆变器（ＤＣ２０２Ｖ，１．６ｋＷ）。功率器件选用带有反并联续流二极管的商用ＩＧＢＴ（６００Ｖ／３０Ａ），其中每个ＩＧＢＴ芯片的面积为２２．１ｍｍ２（４．７ｍｍ×４．７ｍｍ），每个续流二极管芯片的面积为９ｍｍ２（３ｍｍ×３ｍｍ）。
４  ＨＥＶ对电力电子技术的要求
受实际运用条件的限制，要求混合动力电动汽车用电力电子技术及装置应具有成本低、体积小、比功率大、易于安装的特点［６］。除此之外，下面的技术细节需进行重点考虑：
（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
混合动力电动汽车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
混合动力电动汽车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”目前被普遍应用于混合动力电动汽车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，因此这就意味着在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，以满足控制的要求。
５  结论
本文结合丰田汽车公司的最新一代混合动力电动汽车Ｐｒｉｕｓ　ＴＨＳＩＩ，综述了电力电子技术在混合电动汽
车中的应用情况，提出了需要重点考虑并解决的技术问题。
随着电力电子技术、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混合动力电动汽车，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，混合动力电动汽车将得到全面的发展和应用。
参考文献
［１］　俞勇祥．电力电子技术的应用概况．新技术新工艺，２００２（１０）
［２］　马宪民．电动汽车的电气驱动系统．西安公路交通大学学报，２００１．２１（３）
［３］　蔡梦贫．混合动力系统概述．汽车电器，２００５（１）［４］  Ａ．　Ｋａｗａｈａｓｈｉ，“Ａ　Ｎｅｗ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｓｕｐｐｏｒｔｉｏｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｅｍｉｃｏｎ－ｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ”，　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　２００４　ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　＆　ＩＣＳ，Ｋｉｔａｋｙｕｓｈｕ，　ｐｐ．　２３－２９．
作者简介
张立伟　男　博士后　研究方向为电力电子与电气传动。
图１０  １４Ｖ蓄电池充电用ＤＣ－ＤＣ变换器