混合动力车的电力电子系统介绍

逍遥设计自动化

引言
汽车工业通过满足人类的移动需求，已经深刻地改变了现代社会。内燃机（ICE）汽车的发展是汽车工业最大的成就之一，使得汽车在人类社会中得到广泛应用。然而，内燃机汽车的使用在全球范围内造成了严重的环境污染。通过开发可再生和替代能源来提高能源转换效率，是减少环境污染的有效方法之一。电动汽车（EVs）的发明正在帮助汽车工业克服这些环境问题[1]。
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电动汽车是使用电动机或电动机与内燃机组合的运输系统。这种系统可以减少有害的燃料气体排放，提高车辆性能，增加车辆效率，并减少化石燃料的消耗。电动汽车系统包含四种主要驱动技术：燃料电池电动汽车（FCEVs）、纯电动汽车（BEVs）、混合动力电动汽车（HEVs）和插电式混合动力电动汽车（PHEVs）。
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图1展示了基于电气化程度的电动汽车完整分类系统。
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1 i/ u4 U6 P4 h; u' _7 R  x# y电动汽车技术
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图2展示了燃料电池车辆系统的基本结构，说明了氢气转换为电能的过程。
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% }( ]5 `$ T" [3 X. B图3展示了纯电动汽车系统的关键组件和能量流动。


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图4说明了插电式混合动力汽车如何集成电池和内燃机动力源。
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7 v8 _& @3 L4 m5 {6 H- A图5展示了混合动力汽车及其主要组件的基本结构。

混合动力汽车配置
. ]& u* o; C" i: ^6 t( K混合动力汽车结合了电能存储系统和内燃机的驱动力。这种组合通过牵引驱动系统向车轮传递能量。系统使用电池进行能量存储，同时使用超级电容器驱动电动机。混合动力汽车在低功率需求时使用电力运行，在需要高速时切换到内燃机，从而在燃料消耗和性能方面具有优势。
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图6展示了串联混合动力结构

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图7展示了串联混合动力配置，其中内燃机驱动发电机而不是直接驱动车轮。

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% Z! u; }; Y9 A# O0 q图8展示了并联混合动力结构

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图9展示了并联混合动力系统架构，内燃机和电动机都能直接驱动车轮。

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图10展示了如何将串联和并联配置组合成单一系统。

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图11展示了具有多重能量流路径的最复杂混合动力配置。
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能量流动运行模式

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4 S6 y; i5 U3 w8 w+ M' s$ ^4 A图12展示串联混合动力能量流模式：(a) 正常行驶/加速模式，(b) 最小负荷条件模式，(c) 制动模式，(d) 停止模式。展示了串联混合动力运行中的四种不同能量流情况。

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& s) ^# y1 Q7 o7 y* d图13展示并联混合动力能量流模式：(a) 启动模式，(b) 正常行驶模式，(c) 制动模式，(d) 轻负荷模式。展示了并联混合动力车辆的四种运行状态。

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1 I3 N8 r5 D  ?, n' D- v5 [图14展示了串并联混合动力能量流模式：(a) 启动模式，(b) 高速行驶模式，(c) 正常行驶模式，(d) 制动模式，(e) 行驶和停止时的电池充电模式。这组图展示了串并联混合动力车辆的五种不同运行模式。
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图15展示了复杂混合动力能量流模式：(a) 启动模式，(b) 高速行驶模式，(c) 正常行驶模式，(d) 轻负荷行驶模式，(e) 制动模式，(f) 轴平衡模式。这些图展示了复杂混合动力车辆的六种不同运行模式。

% E2 ^  `8 q- _# D- l3 q5 I' p# |% A% `混合动力程度分类
3 a0 k! }6 M* d5 M* r现代混合动力汽车基于电气化程度进行分类。轻度混合动力配备较大的启动电机，允许在制动、滑行和停止时关闭发动机。中度混合动力包含用于扭矩提升的启动电机，与动力系统并联连接。强混合动力（也称为全混合动力）可以单独使用内燃机、电力或两者结合运行。插电式混合动力配备大容量可充电电池，可从外部电源充电。

结论
. ~, }( S2 j, x+ x: S混合动力汽车技术代表了汽车工程领域的重大进步，既解决了环境问题，又满足了性能要求。各种配置和运行模式在满足不同驾驶需求的同时，减少了环境影响。通过持续发展，混合动力汽车技术不断进步，在效率提升、排放减少和性能增强方面显示出良好的发展态势。
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) m# K' l+ |2 J参考文献
[1] D. Kishan, R. Kannan, B. D. Reddy, and P. Prabhakaran, Eds., Power Electronics for Electric Vehicles and Energy Storage. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2023.
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