电力电子技术在汽车工业领域的技术应用.doc

1、电力电子技术在汽车工业领域的技术应用摘 要本文阐述了电力电子技术在燃油汽车发动机控制系统、电动汽车控制系统及汽车安全系统等方面的开发与应用，综述了电力电子技术在汽车工业电子化发展过程中不可低估的作用。 关键字：电力电子技术；燃油汽车；发动机控制；电动汽车；汽车安全； 1 绪 论 现代社会中，汽车已不仅是代步工具，而且具有娱乐、办公和通讯等多种功能。伴随汽车工业与电子信息产业加速融合，汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，由以机械产品为主向高级机电一体化产品方向演变，电子装置占汽车整车价值量的比重逐步提高。 为了满足人们对汽车的动力性1、操作稳定性、安全性、舒适性、燃油经济性、对环境的友好

2、性等各方面不断提高的要求, 各种电子装置不断地被应用于汽车, 使现代汽车成了一个广泛的电气系统, 包含大量的电气设备。在汽车电气系统中, 电力电子技术正起着越来越重要的作用, 不仅如此, 电力电子技术也是一项对未来开发出具有新特性和功能设备十分有用的技术。汽车工业的发展和大量的汽车电子设备的出现, 将给电力电子带来广阔的应用前景。本文将从以下几个方面探讨电力电子技术在汽车工业中的应用。1 电力电子技术在燃油汽车发动机控制系统中的运用2 采用电子装置系统控制汽车发动机, 能够提高汽车的经济性, 满足汽车快速、排污净化的需求。1.1 汽油发动机电力电子控制系统的控制原则 以电脑为控制核心, 以空气

3、流量和发动机转速为控制参数, 以喷油器、点火器和怠速3空气调节器为控制对象, 保证获得与发动机各种工况相匹配的最佳空燃比和最佳点火时刻。发动机电子控制系统一般由进气系统、燃油系统、点火系统和控制系统等四个部分组成，如图所示。空气滤清器空气流量器节气门开度传感器进气室进度纹管发动机ISCV空气阀图1 进气系统框图燃油箱燃油泵燃油滤清器油压调节器主喷油器冷启动喷油器各缸进气管总进气管压力油管图2 燃油供给系统框图1.2 汽油发动机电力电子技术控制系统的工作原理 车载计算机控制系统根据发动机中各种传感器送来的信号控制喷油时间、点火时刻等。 电脑通过空气流量计的信号对气量进行采样, 根据进气量和转速计

4、算出荃本喷油4持续时间。然后进行温度、海拔高度、节气门开度等各种工作参数的修正, 得到发动机在这一工况下运行的最佳喷油持续时间, 精确地控制喷油量。最佳点火时刻也用同样的方法进行计算, 修正后送给点火电子组件, 控制点火时刻。此外, 根据发动机的要求, 电脑还可以控制怠速和废气再循环等其它系统。电子控制式汽油直接喷射系统, 由于计算机的运算速度快, 它能根据各个传感器输入的电信号迅速做出反应, 及时而准确地将燃油喷入进气门附近, 可使发动机的功率提高10%左右, 油耗降低10%左右。发动机的怠速稳定、加速性能和工况过渡圆滑, 而且操作的灵敏度高。该系统工作可靠性能好, 故障率低, 发动机ECU

5、在10万km内的故障率仅为1/1000。在排放系统中利用ECU对排气再循环（EGR）、氧传感器及三元催化器、二次空气喷射装置、活性炭罐电磁阀5、曲轴箱强制通风系统等进行控制,这样既有效地减少了CO、NOx、和HC等有害气体的排放, 又改善了经济性。使发动机废气排放中的污染物约为0.5%, 大大低于我国GB3842-83汽油车怠速污染物排放标准中5%的规定。2 电力电子技术在电动汽车中的应用 随着传统内燃机汽车的大范围推广应用, 人们的生活变得日益方便舒适, 但同时也引起了一系列的能源与环境问题。混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车,作为解决环境和能源问题的一种切实可行的方案, 逐渐得到了世界各

6、大汽车厂商的青睐。这是因为与传统汽车、纯电动汽车技术相比, 它们具有以下一些优势：1）效率高；2）续驶时间长；3）绿色环保；4）过载能力强；5）低噪音：6）设计灵活方便。 电动汽车采用蓄电池作储能动力源, 给电机驱动系统提供电能, 驱动电动机, 推动车轮前进, 是电力驱动系统。电力驱动系统可以说是电动汽车的心脏, 分为两个部分：电力部分和机械装置。其中电力部分主要包括电动机、能量转换器、电子控制器和电源系统。图3是典型的电动汽车电力驱动系统功能块示意图, 其中双箭头和单箭头分别对应能量流和信号流6。电子控制器能量转换器电动机传动或差速装置蓄电池图3 典型的电动汽车电力驱动系统功能块示意图 目前

7、, 电力电子技术在电动汽车上的应用与传统汽车相比, 主要增加了在电力驱动系统上的应用, 包括电动机调速系统、能量转换器、充电器等。2.1 电动调速系统7 电动机是电动汽车发动机的主要部件。功率变换器, 作为电力电子技术之一, 在电动汽车电机调速系统中, 主要有两种形式：用于直流电动机的斩波器和交流电机的逆变器。 （1）斩波器 对于直流电动机调速系统, 一般采用斩波器, 其功率电路比较简单, 效率也比较高。随着功率器件的发展, 斩波器的频率可做到几千赫兹, 因而很适合用作直流牵引调速。电动汽车采用直流电机驱动, 无论是串励电机8, 还是他励电机, 都采用斩波器作为功率变换器。斩波器的功率电力电子

8、器件多采用MOSFET 和BJT。 （2）逆变器在DC/DC变换方式中, 一般采用直流斩波器加逆变器和DC/DA逆变器两种方式。由于电动汽车的电源(蓄电池)电压低, 采用前种方式, 传输能量环节过多, 会降低整个系统的效率。而采用PWM电压型逆变器, 则线路简单、环节少、效率高。另外, 现在还出现了谐振直流环节变换器和高频谐振交流环节变换器。由于采用零电压或零电流开关技术, 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, 已引起研究人员广泛的兴趣。2.2 能量转换器9 电动汽车能量转换器的主要部件是功率器件。目前常用的功率器件有CTO、BJT、MOSFET、IGB

9、T、SITSITH、MCT, 其中CTO、MCT 具有高开关速度、高能量传输能力、优越的动态特性及高可靠性, 很适合于电动汽车驱动, 同时, 功率器件能影响到能量转换器的结构。直直流及直交流转换器各自应用于直流电动机和交流电动机。除了通常的脉宽调制(PWM)转换器外, 最近有一种电池回授转换器叫做共振直流耦合转换器, 它可提供零电压开关或零电流开关, 具有零开关损耗、低散热需要、无需缓冲器工作、高能量密度、很少严重的电磁干扰问题、噪声小及高可靠性的优点。2.3充电装置10 发展自动充电器是发展电动汽车的必要条件, 因为它能将交流电网的电能有效地补充到每辆电动汽车的蓄电池中。今后为使电动汽车普及

10、, 则需要建立蓄电池充电站, 每个站必须配备若干套自动充电器。此外，为方便起见, 每辆电动汽车亦需配备一台自动充电器, 汽车制造厂和修配厂亦需配备若干套充电器。可以看出充电器对电动汽车的发展有着必然的影响。充电器的功能就是将交流电变为直流电, 这就需要用到电力电子技术, 使用功率器件。当这些充电器用到电动汽车中时, 人们对它们提出了更多的要求。要求它们恒流恒压二段式充电, 还要求高效、轻量, 有自检及自动充电等多种保护功能, 并且能程控设定充电时间曲线、监视电池温度, 对电网无污染等。这些要求需要电力电子技术来解决, 更突出了电力电子技术在充电器上的应用。3 电力电子技术在安全系统中的应用 安

11、全是汽车发展过程中的永恒的主题，汽车安全一直受到汽车制造业、汽车消费者以及各国政府的普遍重视和关注。在发达的工业化国家中, 巨大的人力、财力和物力不断投入到汽车安全性的研究领域, 并制定了大量相关的汽车安全性标准, 立即体现在各国的汽车安全法规上, 政府管理部门的法规使汽车企业不能不在汽车安全性上做出迅速而有力的回应。分析世界汽车交通事故的基本规律, 导致汽车交通事故的原因既有汽车自身的不安全因素, 也有参与交通的人为因素, 还有公路和气象等环境因素。总之, 人、车、环境是影响汽车行驶安全性能的三大因素。这者组成了相互制约的系统工程, 必须进行全面的分析和研究, 进行综合治理, 才能实现汽车安

12、全运行。汽车企业为了提高汽车的主动安全性, 做到防患于未然,主要通过如图4所示几个方面的技术加以实现。车外环境控制执行系统驾驶员底盘电子综合控制系统CPU信息传递采集系统显示报警诊断系统车内环境图4 汽车主动安全系统框图由图4可见, 它是以计算机和通信技术为核心, 利用车辆底盘电子综合控制装置, 构筑汽车人机一体化的闭环安全系统。这个系统以人（驾驶员）为中心, 人与车辆平等合作, 共同决策, 驾驶员驾车的过程是人、车辆与环境三者之间信息交流的过程。在汽车人机一体化的闭环安全系统中, 可达到人、车辆和环境三者之间相互作用的协调与各自特性的最佳匹配, 实现安全、高效和舒适的行驶。同时，电力电子技术

13、也为汽车安全问题提出了防抱死制动系统（ABS）。汽车装备的安全装置分为主动安全装置和被动安全装置两大类，主动安全装置是避免发生事故, 被动安全装置的作用是减轻事故的伤害程度。防抱死制动系统(ABS) 就是一种主动安全装置。由汽车理论可知, 当制动器制动力大于轮胎和道路之间的附着力时, 车轮就会抱死滑移。只有汽车具有足够的制动力, 同时地面又提供较大的附着力时, 汽车才能获得较好的制动效果。在汽车制动过程中, ABS 能自动调节车轮的制动力, 从而使汽车在制动时, 车轮与地面都能达到峰值的纵向附着系数和较大的横向附着系数, 以保证不发生车轮抱死滑移、车辆失去转向能力等不安全的工况, 提高车辆的方

14、向稳定性、转向控制能力,缩短制动距离。驱动防滑系统(ASR) 也称牵引力控制系统, 是防抱死制动系统的完善和补充, 它可以防止汽车起动和加速时的驱动轮打滑, 既有助于提高汽车加速时的牵引性能, 又能改善其操作稳定性。4 综述本文主要介绍了电力电子技术在燃油汽车、电动汽车以及汽车安全等方面的应用，彰显了电力电子技术在汽车工业发展中的重要作用。通过使用电力电子技术来控制燃油汽车的发动机系统，与传统方式相比，该系统能够精准的控制喷油量、最佳喷油持续时间和汽车性能，同时它可以进行废气循环再利用，提高了汽油利用率减少了环境污染。然而燃油汽车的大范围推广使用，给人们的生活带来了舒适便利的同时也造成了一系列

15、的能源和环境问题。混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车,作为解决环境和能源问题的一种切实可行的方案,逐渐得到了世界各大汽车厂商的青睐。电动汽车采用蓄电池作储能动力源, 给电机驱动系统提供电能, 驱动电动机, 推动车轮前进, 是电力驱动系统。电力驱动系统是电动汽车的核心，它主要包括两个部分：电力部分和机械装置。其中电力部分主要包括电动机、能量转换器、电子控制器和电源系统。与传统汽车相比，其主要增加了电力驱动系统方面的应用，包括：电动机调速系统、能量转换器、充电器等。这些装置的使用，使其具有无污染、效率高、噪声低、更有利于智能化等优点，具有非常光明的发展前景。 随着国家交通法规的不断更新，交通安全

16、越来越受到人们的重视，安全也是汽车发展过程中永恒的主题。导致汽车交通事故的原因既有汽车自身的不安全因素, 也有参与交通的人为因素, 还有公路和气象等环境因素。这三者组成了相互制约的系统工程, 必须进行全面的分析和研究, 进行综合治理, 才能实现汽车安全运行。通过设计以计算机和通信技术为核心的汽车主动安全系统，可达到人、车辆和环境三者之间相互作用的协调与各自特性的最佳匹配, 实现安全、高效和舒适的行驶。汽车中不断增加的电气部件既强调了对电力电子技术的需要, 也反映了这些部件的引进给汽车性能带来的改善，它们被用于增加电功率发生部位的功率输出能力和效率，也为提高汽车性能、安全和功能等提供可能。可以肯

17、定地说, 电力电子技术在未来汽车技术的发展中必将继续起着重要的作用11。参考文献【1】 张新文，张杰飞.论现代电子技术在汽车智能管理系统中的应用【M】.河南：科技天地，2010.【2】 凌利琴.电子技术在汽车工业发展中的应用【J】.湖南：湖南交通科技，2001.【3】 王志强.谈电子技术在汽车工业中的应用【J】.科技信息,2008,(4).【4】 曹霞，姚水清.电动汽车的电子电力学概述.汽车电器.1999(2):1-3【5】 王海仙，陈福民.电动汽车的电气驱动技术及其发展.电工电能新技术，2006(4):14-16.【6】 马宪民.电动汽车的电气驱动系统.西安公路交通大学学报,2006(3):83