绪论

电子技术的进步不断推动汽车向高效节能和安全可靠的技术方向发展，电气化技术的发展则使汽车产生能源革命性的转变，由一次能源化石燃料向二次能源电转型，从传统汽车向电动汽车转型，使环保节能和可持续发展成为汽车能源变革中的主旋律。基于电路理论和电子学基础的功率电子学，旨在阐述与汽车相关的基本功率电子电路及其工作原理和设计方法。

1.汽车电子技术的发展历程

1886年，德国人哥德利普·戴姆勒发明了世界首辆汽油四轮汽车。1908年，美国人福特用生产线的方式推出了惠及大众的T型福特汽车。汽车是工业发展历史上的技术集大成者，促使汽车产业发生由外燃机向内燃机转型的能源革命。从T型福特汽车推出至19世纪60年代，机械技术及其制造技术支撑汽车的技术进步，汽车产业通过机械加工及内燃机技术，实现了发动机性能的提升，实现了汽车的基本功能，即“行驶、转弯和停车”。

1947年，美国贝尔实验室的肖克利等发明了晶体管，开创了电子技术的新纪元。从晶体管到集成电路IC，再经过微处理器，最终促进了软件技术的发展。电子技术的应用遍及所有产业，它在汽车车载技术领域的推广应用也毫不逊色于其他领域。为了降低汽车尾气的排放，19世纪70年代发动机燃料电子喷射装置开始了实用化，它的性能大大超越了机械式燃料喷射装置，不但能够净化发动机排放的气体，而且还可提高相同排量的发动机的功率和燃油经济性。汽车电子技术促进了机械技术的新发展，汽车借助电子技术与机械技术的相乘效应，实现了跨越式发展，电子技术不仅限于发动机控制和传动控制，而是向车身系统、行驶安全系统及信息系统等领域不断扩展，汽车的低排放、动力性、经济性、安全性和舒适性越来越好。

汽车的电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU），如1973年的发动机控制ECU，由采用分立元件实现的模拟电路而后发展为由模拟IC构成的ECU。1978年，实现了以微控制器为主体构成的数字ECU的发动机控制开始了程序决定汽车功能的年代。从此，ECU规模、定制IC、封装形状及软件编写语言等都在与电子技术同步发展。其中微控制器及输入/输出（Input & Output，I/O）、传感器、执行器和软件等是汽车ECU的基本组成部分，EMI抑制/EMC能力、散热震动性、控制算法、高速实时通信和评测方法是汽车ECU的关键技术。

2.电动汽车

1997年，日本丰田推出了“普锐斯（Prius）”混合动力轿车，象征着汽车跨入了电气化时代，表现了传统汽车难以企及的环保性和经济性。无论是标准工况还是实车路况运行，Prius的燃油经济性比同等级的传统汽车提高两倍以上，达到（3.0～4.0）L/100km，尾气的CO2排放下降45%之多。

丰田Prius混合动力系统THSⅡ的结构框图如图1所示，THSⅡ系统由发动机、驱动电动机、发电机、高压DC/DC转换器、动力分配机构、动力电池、混合动力电控单元和低压DC/DC转换器共同组成。动力分配机构是电子控制的行星齿轮机械变速装置，连接发动机、发电机和驱动电动机，并通过CVT（无极变速器）与驱动轴连接。通过动力分配机构，发动机输出的动力分解为发电机的驱动力和车轮的驱动力，发电机产生的电能分别传输给驱动电动机和动力蓄电池组。动力蓄电池组的直流电通过电动机控制器逆变为交流电，输送给驱动电动机驱动车轮，这样形成发动机-发电机和电池组并联给驱动电动机供电并驱动车轮的工作模式，具有串联混合动力汽车工作方式的特点。同时，动力蓄电池组直接供电给驱动电动机产生的车轮驱动力，与发动机输出的车轮驱动力形成合力，驱动汽车行驶，具有并联混合动力汽车工作方式的特点。因此，THSⅡ是一种典型的串/并联（混联）混合动力系统（Series Parallel Hybrid Drive System）。THSⅡ混合动力系统有5种工作模式，即① 启动、低速；② 普通行驶；③ 全力加速；④ 减速、制动；⑤ 停止。汽车启动或以极低的速度行驶或缓下坡时，THSⅡ系统采用纯电动模式工作；汽车普通行驶时，发动机和电动机共同驱动车轮，动力源来自发动机；汽车全力加速时，发动机和动力蓄电池同时输出功率，发动机和电动机共同驱动车轮；汽车减速或制动时，车轮驱动电动机能量再生回馈给动力蓄电池组，发动机停止空转；汽车停止时，发动机、驱动电动机和发电机均停止工作。

1999年，本田推出了一种双座双门的Insight混合电动轿车，百公里油耗为3.0～4.0L。Insight的整备质量为893kg，采用一台1.0L十二气阀三缸汽油发动机和一台10kW永磁交流同步电动机同轴混合驱动方式，采用6.5Ah镍氢动力电池，额定电压为144V。本田IMA（Integrated Motor &Alternator）混合动力系统，由一台汽油发动机、一台永磁电动机、CVT、动力蓄电池组、低压DC/DC和混合动力电控单元组成，如图2所示。汽车低速行驶时，以纯电动方式驱动，发动机完全停止工作。汽车缓加速和高速行驶时，仅以发动机工作驱动车辆行驶。汽车急加速时，电动机和发动机共同为车轮提供驱动力，改善车辆加速性能。汽车减速或制动时，发动机停止工作，发电机发电运行，将车辆的机械能再生为电能存储在动力蓄电池组内。汽车停车时，发动机和电动机自动关闭。IMA混合动力系统是典型的并联式混合动力系统（Parallel Hybrid Drive System），具有发动机即时启/停功能。在汽车启动开始时，电动机带动发动机旋转，在发动机达到某一设定转速时开始喷油，以此通过延迟点火降低发动机的启动振动冲击，降低发动机的油耗和排放。

1998年美国能源部和纽约公交公司在纽约市马哈顿区启动10辆12米Orion混合电动公交车试验运行计划，在效率、排放、维护成本和使用费用等方面，与7辆NovaBUS RTS普通柴油车比较，以评估混合动力公交车批量使用的可行性。Orion混合电动公交车的整备质量约为14.5吨，载客64人，最高行驶速度为105km/h，续驶里程为640km。采用550V母线电压，它包括一台连续功率为187kW的交流感应牵引电动机、一台170kW @2000r/min的车载发电机组（柴油发动机和永磁发电机）和两组64Ah铅酸动力电池组，如图3所示。柴油发动机带动三相永磁同步发电机发电，经功率转换装置转换成直流电，既可向动力蓄电池组充电，又可向驱动电动机及其控制器供电，驱动车轮，这是典型的串联式混合动力系统（Series Hybrid Drive System）。串联混合动力系统结构简单，发动机与驱动轴机械解耦，发动机排放容易控制，很适合在需要经常启/停的城市工况的公共交通车辆上使用。对比运行测试表明，Orion混合串联混合动力公交车的油耗降低10%，尾气排放的PM减少99%，NOx减少44%，HC减少28%，CO减少98%，CO2减少33%。

对汽车的动力系统结构而言，燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicles）与串联混合动力汽车本质上没有区别，都采用纯电驱动模式，驱动电动机及其控制器的电能来自于车载发电系统和动力蓄电池。燃料电池汽车用基于氢氧反应发电原理的燃料电池作为车载发电系统，而串联混合动力汽车则用化石燃料（如汽油、柴油、CNG等）内燃发动机驱动的发电机组实现车载发电，提高汽车的续航里程。

为了提高混合动力汽车的燃油效率和降低排放，在混合动力汽车行驶中，多使用电力驱动，增加电动机的驱动功率，减少发动机排量。通过公用电网夜间给车载动力蓄电池组充电，一方面可提高混合动力汽车效率，另一方面可为夜间电网蓄能，而且车载动力蓄电池组还可为电网供电，形成了V2G（Vehicle to Grid）的智能电网系统。在V2G模式的智能电网中，电动汽车必须具有与公用电网双向传输电能的功能。纯电动汽车自然需要动力蓄电池组的电网充电功能，而混合动力汽车的动力蓄电池组也需要与电网连接，也就出现了插电式混合动力汽车。2010上市的通用汽车雪佛兰Volt采用插电式混合动力系统，当行驶里程小于60km时，它能够完全依靠一个车载的16kW·h锂离子动力蓄电池组所储备的电能来驱动车辆，实现“零油耗、零排放”。当车载锂离子动力蓄电池组电量消耗至最低值时，车载发电机将自动启动并为驱动电动机继续提供电能，使整车具有高达500km以上的续航里程。

无论混合动力汽车HEV（Hybrid Electric Vehicles），还是插电式混合动力汽车PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicles），它们都集成了传统汽车和纯电动汽车的驱动技术要素，是传统汽车向纯电动汽车或燃料电池汽车过渡的一种电动汽车类型。纯电动汽车是基于动力蓄电池和驱动电动机行驶的一种汽车，相对于传统汽车的能源供应发生了革命性的变革，其等效燃油经济性是传统汽车的3倍之多，没有尾气排放。纯电动汽车的动力系统结构如图4所示，主要由驱动电动机及其控制器、动力蓄电池组及其管理、变速装置、低压DC/DC和整车控制器等组成。驾驶员的油门踏板和刹车踏板等经整车控制器处理后，输出相应的控制信号，通过整车网络（如CAN总线），传输给电动机控制器、电池管理器等电控单元，控制驱动电动机，实现动力蓄电池组的直流电能与汽车的机械能之间双向流动，满足驾驶员的即时行驶需求，提供驾驶乐趣。纯电动汽车没有发动机，因而取消了发动机专用的启动机和发电机，低压DC/DC转换器代替了发动机随带的低压发电机及其电压调节器。汽车的辅助动力系统，如转向系统、制动系统和空调系统等都需要由电能驱动来完成其功能。

2010年12月，日产在美国和日本上市了C级Leaf纯电动轿车，前轮驱动，配备最大功率为80kW的三相交流永磁同步电动机，最大转矩为280N·m，最大转速为9800r/min，最高车速为145km/h。Leaf的电能源自层叠式紧凑型的锂离子动力电池组，24kW·h@360V，最大输出功率为90kW，一次充电的最大行驶里程可达160km。锂离子电池能够通过专用的快速充电器在30min以内充电80%，8h内可用220V交流电充满。Leaf具有超过同级别发动机汽车的行驶性能。

• 优秀的加速性能。在小型车上实现了与排量为3L的发动机汽车相当的加速性能。
• 出色的操纵稳定性。锂离子动力电池组配置在车体中央的地板下方，车辆质心低，且位于车辆中心附近，提高了转弯时的操纵稳定性。
• 可靠的电安全性。为了防止触电，高电压部件采用封闭性的保护壳进行绝缘处理。Leaf发生碰撞时，高电压切断。将高电压部件的保护壳与车身电连接起来，确保乘客安全。锂离子动力电池组不仅被密封，而且通过加深在模块上设计的凹坑形状来稳稳按住电池单元，用树脂部件将层压型电池单元固定，保证汽车行驶过程中电池电极及隔膜不发生移动，电池性能稳定，耐久性提高，更加安全可靠。在积水0.7m深的路面上行驶时，Leaf没有任何问题。
• 宽大的内部空间。驱动电动机及其控制器、DC/DC转换器、车载充电器及加热器等众多部件位于“发动机”前舱内，尽可能扩大车内空间和后备厢容量。
• 良好的舒适性。在车身骨架上增加了电池支架和逆变器固定支架，提高发动机汽车的车身刚性，车身的振动抑制性好。
• 其他性能。Leaf配备了可在驾驶中显示当前的电池余量能够行驶多远距离的导航系统，可通过个人计算机、智能电话及手机查看电池的状态，在家中及办公室进行开始或停止充电的控制。另外，Leaf还配备有可在任意时间充电的定时充电功能，可利用便宜的深夜电网电力为锂离子电池组充电。

在不使用空调且基本不堵车的情况下，在70km/h匀速行驶状态下，Leaf的续驶里程可延长至220km。如果使用空调（冷气或暖气），在拥堵的道路上，Leaf的续驶里程可能达不到100km。为此，Leaf配备了可远程操纵空调的功能，在充电时事先于出发前将车内温度调整到最佳程度，以便在开始行驶后降低空调的负荷，延长可行驶距离。

受限于动力蓄电池组的高成本、低能量密度、长充电时间和安全性问题，纯电动汽车的推广应用困难重重。

3.功率电子学与电动汽车技术的关系

对混合动力汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车的动力系统而言，它们与传统汽车有本质上的差别，驱动电动机和动力蓄电池组则是其中产生技术变革的两个部件，对电动汽车具有的卓越的整车性能（如动力性、经济性、安全性、环保性和舒适性等）起到了极其重要的作用。例如，相对于传统汽车，上市10年来畅销百万辆的Prius混合动力汽车的动力性、安全性和舒适性毫不逊色，而且其经济性和环保性两方面都极其优秀，它们源自THSⅡ动力系统的镍氢蓄电池和稀土永磁同步电动机。在各种工况下，发动机效率、发动机停止和电制动能量回收三部分对Prius燃油经济性提高所作的贡献比例不同，如表1所示。Prius只有在永磁同步电动机单独驱动下，才能实现纯电动功能；只有永磁同步电动机参与整车的制动过程，才能实现Prius的电制动能量回收；只有永磁电动机参与驱动过程，实现发动机的即时启/停功能，才能保证阿特金森循环发动机在混动动力模式下高效工作。

表1 三种工况下Prius的燃油经济性作的贡献比例分析

功率电子学研究电路中功率半导体器件的开关过程，尽量降低器件的功率损耗，减小EMI，提高EMC能力。运用电子电路理论和计算机控制理论，将一种电能高效率转换成另一种满足系统需要的电能，是功率电子技术的基本要求。

电动机是一种机械能、电磁能、电能相互转换的机电装置，无论是直流电动机还是交流电动机，电动机调速是一种普遍需求，其技术的关键在于实现电能转换的功率转换装置的功率电路拓扑和电流电压控制。三相笼式感应电动机和永磁同步电动机被广泛用于电动汽车的动力驱动装置中，电动机控制器是实现车载动力蓄电池组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转换装置。交流电动机四象限运行，纯电动汽车前行时驱动电动机处于电动状态，需要将直流电转换为交流电，该方法称为逆变技术。纯电动汽车制动时驱动电动机可处于发电状态，需要将汽车的机械能转换为电能存储在动力蓄电池组中。交流电机再生制动，需要将交流电转换为直流电，该方法称为整流技术。

电动汽车停车充电时，车载充电器将公用电网的单相或三相50Hz/60Hz交流电转换为电流/电压幅值可控的直流电，对动力蓄电池组充电，这也是整流技术。其中，谐波控制、功率因数调节等控制技术对改善电能的质量起到了重要的作用。

电动汽车至少有两种直流母线电压，一种是继承了传统汽车的低压电气系统的直流电压14V/28V，另一种是动力蓄电池组形成的上百伏的直流母线电压。两种直流母线电压之间需要转换，往往需要一种直流-直流转换器将动力蓄电池的高电压转换为诸如车灯、雨刷、音响等低压电器使用的低电压14V/28V，这是一种直流转换技术，常称为DC/DC转换技术。

整流技术、逆变技术和直流转换技术是功率电子学的三大电源转换方法，已经完全集成在电动汽车技术中，如图5所示。与其相关的电子电路、开关控制策略、EMI/EMC、绝缘技术和热管理技术，旨在实现高效率、高功率、可靠安全和经久耐用的符合汽车复杂环境要求的功率转换装置。对学科而言，电动汽车是机械工程、电气工程、信息工程和化学工程的集成，电动汽车技术与功率电子学密不可分，目标是优化车载能源的分配。