电动汽车技术中最先进的电力电子变换器的配置外文翻译资料

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电动汽车技术中最先进的电力电子变换器的配置

摘要

今天，内燃机（ICE）正逐渐被电动机所取代，这导致了更高的能源效率和低温室气体排放。电动汽车全部或部分依靠电池和超级电容器产生的电能工作。在插电式电动汽车中，电池或超级电容器由连接到电网线路的交流电源充电，在混合动力电动汽车中由内燃机充电。另外，电池通过再生制动从牵引电机充电。在相反的方向，电池或超级电容器的能量被注入插电式电动汽车的交流电网线路。电力电子转换器在从电网线到牵引电机的转换过程中以及在逆向中发挥了重要作用。在本文中，阐述了电力电子转换器在电动汽车中的作用。双向DC-DC转换器在电动汽车的电 力转换过程中起着重要作用。对现有的双向DC-DC转换器拓扑结构进行了全面的回顾、比较和应用。此外，还阐述了电力电子转换器的进步，以提高车辆系统的效率和可靠性。

1.简介

由于在传统车辆系统中过度使用化石燃料来推动，化石燃料正在逐渐枯竭。车辆系统的进步，对化石燃料的需求也在逐渐增加传统的内燃机车的能源效率接近20%。剩余的能量在燃烧后作为热量和温室气体（GHG）的副产品被浪费掉。电动汽车的一些关键特征是易于操作，活动部件少，反映出越来越多的电动性，无污染，可以频繁地启动和停止操作，以及高启动扭矩。除此之外，电动汽车正在成为可再生能源发电设施和先进电网系统的一个新兴概念。在一个插电式电动车中(PEV)，电池向电网线注入电力，以克服过载问题并提供辅助服务。电动汽车的所有这些特点都在鼓励研究人员将这项技术推向新的高度。

在最近的汽车系统发展中，先进的电力电子转换器（PECs）和电机驱动器在车辆技术中发挥了重要作用。在电动汽车中，PEC和电动马达驱动器控制着汽车内或从外部充电站或电网到汽车的电能流动，反之亦然。这使得电动车无污染、更环保、性能更高，并增加了车辆的耐用性。图一为汽车分类。

车辆启动和运行其他电动设备需要6至12伏电压。刹车等液压系统和转向等机械驱动系统正在被电力驱动系统所取代，这使得电动车更经济、更安全。如今厂家在先进的汽车 系统中引入了豪华的负载，如电动车窗、高功率大灯和自动启动，需要更高的功率和不同的额定电压，以支持其正常工作。因此，电力电子转换装置器作为负责电动汽车的关键部分，未来会迎来的增长。

本文将阐述电池、混合动力、燃料电池和插电式电动汽车系统中的PECs的最新技术，并比较这些车辆系统中现有PECs的相关优势和劣势。在本文中，第二节阐述了电动汽车的分类、结构、运行模式以及PECs 在每个车辆系统中的作用。第三节讨论了PEC在现有电动汽车技术中的作用，并讨论了非隔离双向DC-DC转换器。第四节包括电力电子车辆系统中的挑战。

2.电动汽车的类型和电力电子转换器的作用

电动车使用电能来驱动车辆，并使车内的电器发挥作用。根据国际电子技术委员会的技术委员会（IETCTC），如果车辆使用两个或更多的能源、存储设备和转换器来驱动车辆，那么只要至少有一个能源提供电能，它就被称为混合动力汽车（HEV）。根据来源的组合，电动汽车被分为不同的类型。如图1所示，在电池电动汽车（BEV）中，电池单独作为能源；在燃料电池电动汽车（FCEV）中，燃料电池和电池；在HEV中，电池和ICE；在PEV中，电池和电网或外部充电站。电动车类型的细节将在下一节讨论。

图1. 电动汽车的一般分类

2.1.电池电动车

2.1.1.电池电动车的结构

在BEV中，电池提供动力来驱动车辆的运行。可充电电池存储单元在BEV中充当燃料箱。因此，BEV的范围取决于电池单元的容量。通常情况下，一旦充满电，BEV可以行驶100公里到250公里的距离。在BEV中，内燃机被电动马达控制于推进状态，这使得它成为一种无污染。BEV典型结构如图2（a）所示。

图2.电池电动车（a）BEV的典型结构，（b）BEV的控制方案工作模式

根据车辆的类型，BEV使用300V的可充电电池。其中轻型车、中型车和重型车分别需要14伏、120伏和150伏的直流电池。在BEV中可以观察到两种操作模式。在电池工作模式下，来自电池的电力通过一个DC-DC转换器和一个逆变器传输到车辆。在再生制动模式下，电力由牵引电机产生的电能通过整流器和直流-交流转换器转移到电池。

2.1.2.PECs在电池电动汽车中的作用

在BEV中，采用单向升压的DC-DC转换器，根据推进系统和电力负载的需求提升电压。低电压年龄/功率额定的设备，如移动充电器从电池接收电源。蓄电池的 直流电压通过升压转换器被转移到高压直流母线。高压直流母线为更高电压等级的设备供电，如投影仪灯等。直流-交流变频器的功能是将直流电转换为可变（电压和频率）的三相交流电来驱动交流电机。为了驱动车辆和其他电子类型的设备，来自电池的直流电能被当作燃料使用如图2（b）。电压控制器控制DC-DC转换器将电池的充电水平保持在最高和最低限度。

2.2.燃料电池电动汽车

2.2.1.燃料电池电动汽车的结构

混合FCEV是一种电动汽车，其中燃料电池和电池都提供电力来驱动车辆的传动系统。在FCEV中，空气中的氧气与储存的氢气结合，产生驱动电动马达的动力。从燃料箱中，碳氢化合物气体被转移到燃料转化器，以实现氢气的纯度要求，而后被储存在燃料电池堆中。根据电力的要求，燃料电池堆的氢气与空气中的氧气结合产生电力，多余的电力可以保存在电池或超级电容器中。

市场上有不同类型的燃料电池，如聚合物电子膜（PEM）、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、再生燃料电池、重整甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池。混合动力汽车和燃料电池汽车都是无污染的，副产品是水混合动力和燃料电池汽车的原理见图3（a）。FCEV的运行模式分为如图3（b）所示，燃料电池分为五种模式。在燃料模式下，燃料电池作为一个能量源，单独推动列车。在电池模式下，电池作为一个能量源来驱动列车。如果电池和燃料供应都在一起，那么它被称为 '组合模式'。在分裂模式中，燃料电池提供动力来驱动车辆，而多余的能量被用来给电池充电。在再生模式下，牵引电机作为一个来源为电池充电。

图3.燃料电池电动车（a）FCEV的典型结构，（b）FCEV的工作模式

2.2.2.PECs在燃料电池电动汽车中的作用

在FCEV中，电能是由电池和燃料电池产生的。FCEV的主要目标是通过使用效率方法，将燃料电池的电能转换为车辆各种负载的可用电力，以提高车辆的效率和性能。

低压直流设备，如移动充电器、汽车启动器，直接从电池或燃料电 池接收电源。对于电机驱动和高电压应用，低电压通过升压DC-DC转换器升压到300V。牵引控制器适合于通过改变逆变器输出的振幅和频率来维持车辆的所需速度。如图4所示，电压控制器适用于维持电池的最高和最低充电水平，并延长其寿命。在FCEV电气系统中，双向DC-DC功率转换器发挥了关键作用，在混合FCEV的电机模式下控制从燃料电池 到牵引电机的能量流，在再生制动模式下控制从电机到电池的能量流。

2.3.混合动力汽车(HEVS)

混合动力电动汽车是ICG汽车和BEV的组合。内燃机提供必要的动力来驱动车辆。通过再生机制，在制动机制中损失的能量被储存在电池中，以提高车辆的效率和经济性。通常有两种类型的混合电动汽车，即串联式混合电动汽车（SHEV）和平行式混合电动汽车（PHEV）。为了提高动力、性能和燃油经济性，结合SHEV 和PHEV 的特点，推出了第三种串联-平行混合动力车。

图4.FCEV的控制方案

2.3.1.串联式混合动力电动车

在SHEV中，内燃机车和电池都是以这样的方式建模的，它们可以产生必要的动力来推动列车和周边的电气和电子设备。在SHEV中，ICE 的机械能通过使用发电机转换为电能形式。产生的交流电通过使用 AC- DC整流器转换为直流电，为电池充电。在SHEV中，内燃机不直接连接到牵引电机来驱动列车。在内燃机和牵引电机之间，电池是中间单元。为了驱动汽车，SHEV需要三个推进装置。内燃机将产生机械能，发电机将机械能转化为电能，而牵引电机将电能转化为机械能以推动车辆。因此，SHEV的效率较低。SHEV的典型结构如图5（a）所示。

在SHEV中，电池是驱动列车的主要动力来源。内燃机车以最佳速度运行，驱动发电机并为电池充电。当电池的充电状态（SOC）降到最低时，内燃机车开始为电池充电。当SOC达到最大水平（约65%-70%）时，内燃机车停止对电池充电。电池是驱动列车的动力来源，这减少了车辆 的燃料消耗和排放。当需要频繁地启动和停止车辆时，如在城市骑行中，SHEV是一个可行的解决方案。在SHEV 中可以观察到三种操作模式。首先，在燃料模式下，ICE被用来根据电池的SOC为电池充电。在电池模式下，推动力来自电池。牵引电机在制动操作中也作为一个来源为电池充电，这被称为再生制动模式，如图5（b）所示。

图5.SHEV（a）SHEV的典型结构（b）SHEV的不同工作模式

2.3.2.并联式混合动力电动车

PHEV是另一种类型的HEV，其中ICE和 电池作为一个来源来驱动车辆的列车。如图6(a)所示，内燃机和电池都可以单独驱动列车。内燃机车和电动机都是 通过两个离合器与驱动轴耦合的。内燃机车直接与驱动系统的机械轴相连，以推动车辆。由于内燃机和传动系统之间没有中间转换阶段，与SHEV相比，PHEV的效率更高。对于长距离行驶 ，PHEV是一个可行的解决方案，因为没有像SHEV那样的中间转换状态。因此，该车的燃油效率很高。在PHEV中，有三种不同的方式来利用ICE和电池，如图6（b）所示。

在电机模式下，电池被用来为列车提供动力，这对低速行驶是一个可双向进行的解决方案。在燃料模式下，内燃机车以最佳速度运行，驱动列车高速前进。在制动或减速操作中，牵引电机充当了充电补给的作用。在PHEV中，最低的直流电压被一个双向的DC-DC转换器提升以 供给高压直流母线。三相逆变器的功能是将恒定的直流电压转换成可 变的交流电压和频率，以保持牵引电机的扭矩和速度。

图6.PHEV（a）PHEV的典型结构（b）PHEV的不同工作模式

2.3.3.串联-并联混合电动车

串并联混合动力汽车（SPHEV）的概念包含了SHEV和PHEV的特点等人。在SPHEV中，与PHEV相比，发电机被引入ICE和电池之间为 电池充电，与SHEV相比，ICE直接连接到机械轴来驱动车辆，如图7（a）所示。从结构上看，SPHEV与其他两种HEV相比，显然更加复杂和昂贵。如图7（b）所示，有五种不同的方式来利用内燃机和电池来支持车辆和其他电气设备的功能。在燃料模式下，内燃机车工作以驱动车辆。然而，在电池模式下，推动力是从电池中获得的。在分流模式下，内燃机车将动力传递给牵引电机，而多余的动力被用来给电池充电。在联合模式下，内燃机车和电池都向牵引电机提供动力。在制动和减速操作中，牵引电机作为一个发电机， 在再生制动模式下向电池提供电力。在SPHEV中有效利用电池和内燃机的最主要策略是，在内燃机单独高速行驶后，利用电池开始运行并 以低速推进，这增加了车辆的燃油效率。当需要加速时，电池模式处于激活状态，与内燃机一起提供额外的动力。

图7.SPHEV（a）SPHEV的典型结构（b）SPHEV的不同工作模式

2.3.4.PECs在混合电动汽车中的作用

如前所述，混合动力汽车依靠电池产生的电能、内燃机汽车产生的机 械能以及电池和内燃机汽车产生的机械能工作。在电压和牵引控制器的帮助下，PEC保持和控制从电池或内燃机到牵引电机以及从牵引电机到电池的能量流动。 蓄电池的低电压被提供给低电压额定的直流设备，如移动充电器和自动启动。在再生制动模式下，采用的AC-DC整流器将可变的交流电转换为恒定的直流电压。在电池模式下，高直流电压被转换为可变的交流量，以保持所需的扭矩和速度。SHEV、PHEV和SPHEV的控制方案分别见图8（a）-8（c）。

图8.(a) SHEV, (b) PHEV 和 (c) SPHEV的控制方案

2.4.插电式电动汽车

2.4.1.插电式电动汽车的结构

PEV是HEV的一种类型，其中电池由外部来源充电。内燃机是不适 合将燃料能量转化为机械能来驱动轴的。大部分能量在转换过程中以热量的形式流失。此外，ICE作为副产品会排放温室气体。为了克服ICE的缺点，ICE被电池取代 。同时由于运动部件较少，PEV的维护成本较低。PEV的典型结构如图9（a）所示，它与SHEV相似。PEV有一个外部充电装置为电池充电，而SHEV则是在车上充电。PEV在电力供应上工作，电池在电池充电站充电。充电站可以在家里或电网上。从概念上讲，PEV以两种模式工作，一种是电网对车辆（G2V），电池从电网充电，另一种是车辆对电网（V2G），电池向电网注入电力，如图9（b）所示。

在V2G概念中，电池能量可以注入电网，以解决电网的过载问题。在G2V模式中，来自电网的电力被利用来 驱动车辆和为电池充电，主要是

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