EV中的电力电子器件

车载电气设备的供电问题

现如今，一般所谓的“汽车”中，都配备了大量的电气设备。比如，用来辅助发动机启动的启动电机、车前灯、雨刮器、喇叭、空调、收音机/ 音响、车载导航系统、转向助力器、自动车窗……不仅如此，众所周知，现在每台汽车上还安装了几十个ECU（电子控制单元），以及几十个大小不一的电机。因此，不仅是E V 与混合动力车，普通汽车上也安装有大量的电气设备。这些电气设备，自然是由电能驱动的。那么，这些电能是以怎样的形式供应的呢？很多人会认为，电能是由汽车上安装的12V（或24V）铅酸蓄电池供应的。然而，仅凭蓄电池，真的能够驱动如此多的电气设备吗？仅凭铅酸蓄电池的话，电能很快就会耗尽。

电力电子技术的进化，有助于节省燃料费、电费

事实上，汽车行驶过程中一直在“ 发电”，并以此电能一边为电池充电，一边为电气设备供电。所以，汽车中会配备发电机。无论是EV、混合动力车，还是燃油汽车，电力电子技术都是一项与燃料费、电费直接相关的关键技术。EV 或者混合动力车，一般使用最大功率10kW左右的电机，因此对应的电力电子器件更加重要。再加上配备了减速时的再生制动发电系统，对电池进行充电，整个系统会更加复杂。本文聚焦商业化EV（包括混合动力车）的发电系统，对此进行详细讲解。

EV 中的电力电子技术概览

E V 与混合动力车中，究竟使用了什么样的电力电子技术？最近又有哪些技术得到了发展？首先，我们以“纯电动”日产聆风（LEAF）系列为例，进行介绍。




图1 展示了早期日产聆风系列（2 0 1 0 ～ 2 0 1 2年）中的电力电子系统相关部件。EV 中的电力电子系统如图1 所示，有7 个车内的与1 个车外的重要组成单元。







驱动用电机

EV 驱动电机为无刷直流电机

如前文所述，现在许多汽车中都配置了数量惊人的电机。这里所说的E V 驱动电机，是指驱动汽车行驶的动力电机。聆风系列使用了一台最大功率为80kW（109PS）的永磁同步电机（一般为无刷直流电机）（照片1）。




其驱动电压为360V，因此最大电流约为200A。不仅是日产，日本各家公司的E V 和混合动力车中，都使用了无刷直流电机。不过，一些国外公司也有使用感应电机（异步电机）的先例。无论如何，电机的选型都要遵循能量转换效率高、便于逆变器驱动的原则。




锂离子电池

为了在EV 上使用，需要能够提供大电流

为了匹配聆风的驱动用电机，EV 中使用的主电池，必须具备提供360V/200A 以上电能的能力。如果采用铅酸蓄电池，至少需要100 个以上，其质量将超过1000kg。因此，基本上所有的E V 都采用了质量较小的锂离子电池。

聆风的锂离子电池规格为3 6 0 V / 2 4 k W·h（照片2），




一列共有96 个电池串联（共2 列，192 个电池）。电池组总质量比起铅酸蓄电池来要小很多，即便如此，也达到了300kg。聆风不仅搭载了锂离子电池，也安装了一般汽车上用的1 2 V 铅酸蓄电池。这一点将会在后续的DC-DC 变换电路中进行说明。







逆变器

 为电机提供动力的交流电生成器

无刷直流电机的电机本身，是由交流电（AC）驱动的。通过改变交流电的波形，进而对电机进行控制。在电机与电池之间，有图2 所示的逆变器电路，




用于实时产生驱动电机的交流电。另外，在汽车减速时的能量回馈中，逆变器能将交流电变换为直流电。聆风的逆变器模块如照片3 所示。




逆变器模块中包含了如下结构：6 个用作开关器件的半导体模块，由IGBT（绝缘栅双极晶体管）与二极管组成，用于滤波的大容量薄膜电容器，还有读取电机的电流、旋转角度、温度等信息进行控制的电路板。

另外，逆变器产生的大量热量，通过水冷装置进行冷却。商业化的E V 中，为了冷却电机与逆变器，一般都装有水冷散热片。

带有升压电路（DC-DC 变换器）的逆变器

混合动力车中，如丰田AQUA 系列，其电池电压只有144V。通过图3 所示的升压电路，电压被提高到520V，然后输入逆变器中。普锐斯也是同样的机制。




车载普通充电器

EV 搭载的充电器

EV 或者插电式混合动力车的内部，都搭载了车载普通充电器（Onboard Charger），可使用家用AC200V 或AC 100V 对电池进行充电。聆风系列在使用AC 200V 进行充电时，额定输入为15A/3kW，约8h 可以充满。聆风系列升级之前，曾经用过尼吉康（NICHICON）公司生产的充电器，其尺寸为4 1 0 m m×2 5 0 m m×130mm，与光伏逆变器的大小相近。车载普通充电器的内部结构如图4 所示，




 包含了输入滤波器、P F C （ 功率因数校正） 电路、DC-DC 隔离变换器、输出滤波器等。PFC 电路的作用是，将输入电流的波形校正为正弦波，使其与AC200V/100V 正弦电压的波形相同，即保证输入功率因数接近1。电路结构中使用了升压型变换器。




立式充电桩

为EV 进行必要的快速充电并不容易

正如普通汽车需要加油站，EV 也同样需要能够进行快速充电的充电站。

例如，聆风系列的电池容量约为2 4 k W·h，从0 电量开始（虽然实际中并不会用到0 电量），在360V 电压下，30min 内完全充满，所需充电功率为50kW，充电电流将达130A。如此巨大的电流，需要很粗的电缆，连接器和配电装置也会相应变大。为E V 以及插电式混合动力车提供快速充电的立式充电桩，一般安装在汽专卖店或者高速公路服务区内（照片4）。

不同类型的车，电池电压也不尽相同。因此，充电桩与汽车之间需要相互通信，以决定合适的输出直流电压。日本采用的名为C H A d e M O 的标准，规定了连接器与通信协议，并在2014 年被采纳为国际标准。输出电压为DC 50～500V 的宽幅电压，最大功率从10～50kW 不等。以50kW 功率为日产聆风系列充电时，充入80% 的电量需要约30min。

快速充电桩的电路结构

快速充电桩的电路结构与车载普通充电器基本

类似。首先，如图5 （ a）所示，




使用输入滤波器与PFC 电路，将三相或单相200V 转换为直流电压；接着，利用DC-DC 隔离变换器内的开关电路，变换为高频交流电压；最后，通过隔离变压器与整流滤波电路，得到直流电压。最近几年，使用图5（b）所示矩阵变换器的方法得到了广泛应用。三相低频交流电压（6 0 H z 或50Hz）不经过转换为直流电压，而是直接变换为高频交流电压。以往充电器的尺寸如照片4 （ b ） 所示，为750mm×640mm×1700mm。采用矩阵变换器后，尺寸可以缩小至380mm×665mm×1840mm，如照片4（c）所示，小了近40%。




DC-DC 变换器

EV 中没有交流发电机

如图6 所示，




普通汽车中，为了给音响、车载导航、前大灯、雨刮器等各式电气设备供电，安装有12V 铅酸蓄电池（充满电时的电压约为14V）。如上文所述，聆风系列也安装有12V 铅酸蓄电池。发动机驱动的汽车，利用发动机带动交流发电机发电，对蓄电池充电。EV 没有发动机，无法使用发电机进行发电，而是通过DC-DC 变换器，利用电压较高的主电池对铅酸蓄电池进行充电。

 DC-DC 隔离变换器

日产聆风系列使用了D C - D C 隔离变换器，将直流3 6 0 V 电压变换为直流1 2 V 。早期型号的聆风系列，使用了电装公司（DENSO）生产的隔离变换器。另一方面，对于即将投入市场的48V 轻混合动力车a，只需要将直流48V 电压变换为直流12V 即可，DC-DC 变换器也可以采用非隔离的形式。由于48V 无须进行隔离，所以DC-DC 变换器的价格更加便宜。制动电源备份单元

为了避免EV 制动时失去电源

EV 减速时，一般不使用摩擦制动（将动能转换为摩擦热），而是把电机当做发电机，将动能转换为电能，反向对电池进行充电，以提高能量效率。然而，这种再生制动发电，在电池充满电的时候是无法有效制动的，制动效果受充电情况的影响。虽然通过电气上的方法可以对此进行改善，然而，一旦电气系统出现问题，制动系统将无法工作，其危险性比摩擦制动还要大得多。

使用双电层电容器

制动电源备份单元的作用是，即使出现异常情况，电动制动控制装置失去供电，仍可以保证正常制动。如图7 所示，







备份储电元件采用双电层电容器（EDLC）。铅酸蓄电池为双电层电容器充电，以及双电层电容器向电动制动控制装置供电时，都会用到DC-DC 变换器。




电池管理单元

对每个电池单体的监视

每个锂离子电池单体的电压约为3.6V。聆风的电池组中含有192 个锂离子电池单体。然而，为每个单体施加相同的电压进行充电，并不是一件容易的事情。如果各单体的充电电压无法均衡，某个特定单体充电的功率过大，就会产生严重发热，甚至导致电池自燃或爆炸。在电池放电时，同样有可能出现上述问题。

电池管理单元（BMU 或BMS）可以防止这类事故发生。通过监视电池单体的电压与温度，防止个别单体出现过充电、过放电。也可以对串联电池组，进行各单体电池电压的均等化调整。结束语：以技术进步实现小型化与一体化如前文所述，EV 内部不仅包括电机与电池，还搭载有逆变器、车载普通充电器、DC-DC 变换器的电力电子电路等。此外，还需要制动电源备份单元、电池管理单元等。早期型号的日产聆风中，没有将这些动力单元一体化，如图1 所示，车载普通充电器与制动电源备份单元都安装在后座背面，占用了汽车的储物空间。为了解决这一问题，2012 年的改进型聆风将主要动力单元一体化，实现小型、轻量化，如图8 所示。如照片5 所示，动力单元实现了D C - D C 变换器、车载普通充电器、配电盒（将电压分配至各单元，并在出现电气故障时切断电路）3 种功能，被称作PDM（Power Delivery Module，动力输出模块）。另外，电机、逆变器、减速机也实现了一体化，比起早期的聆风，动力总成的体积减小了30%，质量减小了10%。PDM 由日产汽车与松下汽车电子开发有限公司（Panasonic Automotive