混合動力車的電力電子系統(tǒng)介紹

逍遙設(shè)計自動化

引言
汽車工業(yè)通過滿足人類的移動需求，已經(jīng)深刻地改變了現(xiàn)代社會。內(nèi)燃機（ICE）汽車的發(fā)展是汽車工業(yè)最大的成就之一，使得汽車在人類社會中得到廣泛應(yīng)用。然而，內(nèi)燃機汽車的使用在全球范圍內(nèi)造成了嚴重的環(huán)境污染。通過開發(fā)可再生和替代能源來提高能源轉(zhuǎn)換效率，是減少環(huán)境污染的有效方法之一。電動汽車（EVs）的發(fā)明正在幫助汽車工業(yè)克服這些環(huán)境問題[1]。
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電動汽車是使用電動機或電動機與內(nèi)燃機組合的運輸系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以減少有害的燃料氣體排放，提高車輛性能，增加車輛效率，并減少化石燃料的消耗。電動汽車系統(tǒng)包含四種主要驅(qū)動技術(shù)：燃料電池電動汽車（FCEVs）、純電動汽車（BEVs）、混合動力電動汽車（HEVs）和插電式混合動力電動汽車（PHEVs）。
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圖1展示了基于電氣化程度的電動汽車完整分類系統(tǒng)。
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電動汽車技術(shù)

4 r; m1 x: O7 b圖2展示了燃料電池車輛系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，說明了氫氣轉(zhuǎn)換為電能的過程。
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( G6 G: c/ B; s) c, J) a0 `圖3展示了純電動汽車系統(tǒng)的關(guān)鍵組件和能量流動。
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圖4說明了插電式混合動力汽車如何集成電池和內(nèi)燃機動力源。

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4 A9 t6 y9 m% q1 |9 q7 K圖5展示了混合動力汽車及其主要組件的基本結(jié)構(gòu)。
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混合動力汽車配置
混合動力汽車結(jié)合了電能存儲系統(tǒng)和內(nèi)燃機的驅(qū)動力。這種組合通過牽引驅(qū)動系統(tǒng)向車輪傳遞能量。系統(tǒng)使用電池進行能量存儲，同時使用超級電容器驅(qū)動電動機。混合動力汽車在低功率需求時使用電力運行，在需要高速時切換到內(nèi)燃機，從而在燃料消耗和性能方面具有優(yōu)勢。
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圖6展示了串聯(lián)混合動力結(jié)構(gòu)


圖7展示了串聯(lián)混合動力配置，其中內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機而不是直接驅(qū)動車輪。
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圖8展示了并聯(lián)混合動力結(jié)構(gòu)
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圖9展示了并聯(lián)混合動力系統(tǒng)架構(gòu)，內(nèi)燃機和電動機都能直接驅(qū)動車輪。
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5 O# k, {0 f2 B; Z! M! f* ]$ R- y圖10展示了如何將串聯(lián)和并聯(lián)配置組合成單一系統(tǒng)。
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圖11展示了具有多重能量流路徑的最復(fù)雜混合動力配置。

能量流動運行模式

; G" H8 c+ {4 l3 V1 \7 I+ [& p2 W$ v4 L% z圖12展示串聯(lián)混合動力能量流模式：(a) 正常行駛/加速模式，(b) 最小負荷條件模式，(c) 制動模式，(d) 停止模式。展示了串聯(lián)混合動力運行中的四種不同能量流情況。


" \9 K. ?3 _+ R1 j) d+ k圖13展示并聯(lián)混合動力能量流模式：(a) 啟動模式，(b) 正常行駛模式，(c) 制動模式，(d) 輕負荷模式。展示了并聯(lián)混合動力車輛的四種運行狀態(tài)。


圖14展示了串并聯(lián)混合動力能量流模式：(a) 啟動模式，(b) 高速行駛模式，(c) 正常行駛模式，(d) 制動模式，(e) 行駛和停止時的電池充電模式。這組圖展示了串并聯(lián)混合動力車輛的五種不同運行模式。


, e4 R$ E9 P0 D" W圖15展示了復(fù)雜混合動力能量流模式：(a) 啟動模式，(b) 高速行駛模式，(c) 正常行駛模式，(d) 輕負荷行駛模式，(e) 制動模式，(f) 軸平衡模式。這些圖展示了復(fù)雜混合動力車輛的六種不同運行模式。

混合動力程度分類
) E1 h% r5 e3 B7 @現(xiàn)代混合動力汽車基于電氣化程度進行分類。輕度混合動力配備較大的啟動電機，允許在制動、滑行和停止時關(guān)閉發(fā)動機。中度混合動力包含用于扭矩提升的啟動電機，與動力系統(tǒng)并聯(lián)連接。強混合動力（也稱為全混合動力）可以單獨使用內(nèi)燃機、電力或兩者結(jié)合運行。插電式混合動力配備大容量可充電電池，可從外部電源充電。

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+ X* t, @! _" D( m混合動力汽車技術(shù)代表了汽車工程領(lǐng)域的重大進步，既解決了環(huán)境問題，又滿足了性能要求。各種配置和運行模式在滿足不同駕駛需求的同時，減少了環(huán)境影響。通過持續(xù)發(fā)展，混合動力汽車技術(shù)不斷進步，在效率提升、排放減少和性能增強方面顯示出良好的發(fā)展態(tài)勢。
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參考文獻
* y$ v7 s, c1 ]0 Z, [6 ]/ F[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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