電力電子技術(shù)在汽車工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用.doc

電力電子技術(shù)在汽車工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用摘 要本文闡述了電力電子技術(shù)在燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)及汽車安全系統(tǒng)等方面的開發(fā)與應(yīng)用，綜述了電力電子技術(shù)在汽車工業(yè)電子化發(fā)展過程中不可低估的作用。 關(guān)鍵字：電力電子技術(shù)；燃油汽車；發(fā)動(dòng)機(jī)控制；電動(dòng)汽車；汽車安全； 1 緒 論 現(xiàn)代社會中，汽車已不僅是代步工具，而且具有娛樂、辦公和通訊等多種功能。伴隨汽車工業(yè)與電子信息產(chǎn)業(yè)加速融合，汽車開始向電子化、多媒體化和智能化方向發(fā)展，由以機(jī)械產(chǎn)品為主向高級機(jī)電一體化產(chǎn)品方向演變，電子裝置占汽車整車價(jià)值量的比重逐步提高。 為了滿足人們對汽車的動(dòng)力性1、操作穩(wěn)定性、安全性、舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性、對環(huán)境的友好性等各方面不斷提高的要求, 各種電子裝置不斷地被應(yīng)用于汽車, 使現(xiàn)代汽車成了一個(gè)廣泛的電氣系統(tǒng), 包含大量的電氣設(shè)備。在汽車電氣系統(tǒng)中, 電力電子技術(shù)正起著越來越重要的作用, 不僅如此, 電力電子技術(shù)也是一項(xiàng)對未來開發(fā)出具有新特性和功能設(shè)備十分有用的技術(shù)。汽車工業(yè)的發(fā)展和大量的汽車電子設(shè)備的出現(xiàn), 將給電力電子帶來廣闊的應(yīng)用前景。本文將從以下幾個(gè)方面探討電力電子技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。1 電力電子技術(shù)在燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用2 采用電子裝置系統(tǒng)控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī), 能夠提高汽車的經(jīng)濟(jì)性, 滿足汽車快速、排污凈化的需求。1.1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)電力電子控制系統(tǒng)的控制原則 以電腦為控制核心, 以空氣流量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為控制參數(shù), 以噴油器、點(diǎn)火器和怠速3空氣調(diào)節(jié)器為控制對象, 保證獲得與發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況相匹配的最佳空燃比和最佳點(diǎn)火時(shí)刻。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)一般由進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等四個(gè)部分組成，如圖所示?？諝鉃V清器空氣流量器節(jié)氣門開度傳感器進(jìn)氣室進(jìn)度紋管發(fā)動(dòng)機(jī)ISCV空氣閥圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)框圖燃油箱燃油泵燃油濾清器油壓調(diào)節(jié)器主噴油器冷啟動(dòng)噴油器各缸進(jìn)氣管總進(jìn)氣管壓力油管圖2 燃油供給系統(tǒng)框圖1.2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)電力電子技術(shù)控制系統(tǒng)的工作原理 車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)中各種傳感器送來的信號控制噴油時(shí)間、點(diǎn)火時(shí)刻等。 電腦通過空氣流量計(jì)的信號對氣量進(jìn)行采樣, 根據(jù)進(jìn)氣量和轉(zhuǎn)速計(jì)算出荃本噴油4持續(xù)時(shí)間。然后進(jìn)行溫度、海拔高度、節(jié)氣門開度等各種工作參數(shù)的修正, 得到發(fā)動(dòng)機(jī)在這一工況下運(yùn)行的最佳噴油持續(xù)時(shí)間, 精確地控制噴油量。最佳點(diǎn)火時(shí)刻也用同樣的方法進(jìn)行計(jì)算, 修正后送給點(diǎn)火電子組件, 控制點(diǎn)火時(shí)刻。此外, 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求, 電腦還可以控制怠速和廢氣再循環(huán)等其它系統(tǒng)。電子控制式汽油直接噴射系統(tǒng), 由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度快, 它能根據(jù)各個(gè)傳感器輸入的電信號迅速做出反應(yīng), 及時(shí)而準(zhǔn)確地將燃油噴入進(jìn)氣門附近, 可使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高10%左右, 油耗降低10%左右。發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速穩(wěn)定、加速性能和工況過渡圓滑, 而且操作的靈敏度高。該系統(tǒng)工作可靠性能好, 故障率低, 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU在10萬km內(nèi)的故障率僅為1/1000。在排放系統(tǒng)中利用ECU對排氣再循環(huán)（EGR）、氧傳感器及三元催化器、二次空氣噴射裝置、活性炭罐電磁閥5、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)等進(jìn)行控制,這樣既有效地減少了CO、NOx、和HC等有害氣體的排放, 又改善了經(jīng)濟(jì)性。使發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放中的污染物約為0.5%, 大大低于我國GB3842-83汽油車怠速污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中5%的規(guī)定。2 電力電子技術(shù)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用 隨著傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的大范圍推廣應(yīng)用, 人們的生活變得日益方便舒適, 但同時(shí)也引起了一系列的能源與環(huán)境問題。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及燃料電池電動(dòng)汽車,作為解決環(huán)境和能源問題的一種切實(shí)可行的方案, 逐漸得到了世界各大汽車廠商的青睞。這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)汽車、純電動(dòng)汽車技術(shù)相比, 它們具有以下一些優(yōu)勢：1）效率高；2）續(xù)駛時(shí)間長；3）綠色環(huán)保；4）過載能力強(qiáng)；5）低噪音：6）設(shè)計(jì)靈活方便。 電動(dòng)汽車采用蓄電池作儲能動(dòng)力源, 給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電能, 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī), 推動(dòng)車輪前進(jìn), 是電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以說是電動(dòng)汽車的心臟, 分為兩個(gè)部分：電力部分和機(jī)械裝置。其中電力部分主要包括電動(dòng)機(jī)、能量轉(zhuǎn)換器、電子控制器和電源系統(tǒng)。圖3是典型的電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能塊示意圖, 其中雙箭頭和單箭頭分別對應(yīng)能量流和信號流6。電子控制器能量轉(zhuǎn)換器電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)或差速裝置蓄電池圖3 典型的電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能塊示意圖 目前, 電力電子技術(shù)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用與傳統(tǒng)汽車相比, 主要增加了在電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用, 包括電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換器、充電器等。2.1 電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)7 電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件。功率變換器, 作為電力電子技術(shù)之一, 在電動(dòng)汽車電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中, 主要有兩種形式：用于直流電動(dòng)機(jī)的斬波器和交流電機(jī)的逆變器。 （1）斬波器 對于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng), 一般采用斬波器, 其功率電路比較簡單, 效率也比較高。隨著功率器件的發(fā)展, 斬波器的頻率可做到幾千赫茲, 因而很適合用作直流牽引調(diào)速。電動(dòng)汽車采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng), 無論是串勵(lì)電機(jī)8, 還是他勵(lì)電機(jī), 都采用斬波器作為功率變換器。斬波器的功率電力電子器件多采用MOSFET 和BJT。 （2）逆變器在DC/DC變換方式中, 一般采用直流斬波器加逆變器和DC/DA逆變器兩種方式。由于電動(dòng)汽車的電源(蓄電池)電壓低, 采用前種方式, 傳輸能量環(huán)節(jié)過多, 會降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。而采用PWM電壓型逆變器, 則線路簡單、環(huán)節(jié)少、效率高。另外, 現(xiàn)在還出現(xiàn)了諧振直流環(huán)節(jié)變換器和高頻諧振交流環(huán)節(jié)變換器。由于采用零電壓或零電流開關(guān)技術(shù), 諧振式變換器具有開關(guān)損耗小、電磁干擾小、低噪聲、高功率密度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn), 已引起研究人員廣泛的興趣。2.2 能量轉(zhuǎn)換器9 電動(dòng)汽車能量轉(zhuǎn)換器的主要部件是功率器件。目前常用的功率器件有CTO、BJT、MOSFET、IGBT、SITSITH、MCT, 其中CTO、MCT 具有高開關(guān)速度、高能量傳輸能力、優(yōu)越的動(dòng)態(tài)特性及高可靠性, 很適合于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng), 同時(shí), 功率器件能影響到能量轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。直直流及直交流轉(zhuǎn)換器各自應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。除了通常的脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器外, 最近有一種電池回授轉(zhuǎn)換器叫做共振直流耦合轉(zhuǎn)換器, 它可提供零電壓開關(guān)或零電流開關(guān), 具有零開關(guān)損耗、低散熱需要、無需緩沖器工作、高能量密度、很少嚴(yán)重的電磁干擾問題、噪聲小及高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。2.3充電裝置10 發(fā)展自動(dòng)充電器是發(fā)展電動(dòng)汽車的必要條件, 因?yàn)樗軐⒔涣麟娋W(wǎng)的電能有效地補(bǔ)充到每輛電動(dòng)汽車的蓄電池中。今后為使電動(dòng)汽車普及, 則需要建立蓄電池充電站, 每個(gè)站必須配備若干套自動(dòng)充電器。此外，為方便起見, 每輛電動(dòng)汽車亦需配備一臺自動(dòng)充電器, 汽車制造廠和修配廠亦需配備若干套充電器?？梢钥闯龀潆娖鲗﹄妱?dòng)汽車的發(fā)展有著必然的影響。充電器的功能就是將交流電變?yōu)橹绷麟? 這就需要用到電力電子技術(shù), 使用功率器件。當(dāng)這些充電器用到電動(dòng)汽車中時(shí), 人們對它們提出了更多的要求。要求它們恒流恒壓二段式充電, 還要求高效、輕量, 有自檢及自動(dòng)充電等多種保護(hù)功能, 并且能程控設(shè)定充電時(shí)間曲線、監(jiān)視電池溫度, 對電網(wǎng)無污染等。這些要求需要電力電子技術(shù)來解決, 更突出了電力電子技術(shù)在充電器上的應(yīng)用。3 電力電子技術(shù)在安全系統(tǒng)中的應(yīng)用 安全是汽車發(fā)展過程中的永恒的主題，汽車安全一直受到汽車制造業(yè)、汽車消費(fèi)者以及各國政府的普遍重視和關(guān)注。在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家中, 巨大的人力、財(cái)力和物力不斷投入到汽車安全性的研究領(lǐng)域, 并制定了大量相關(guān)的汽車安全性標(biāo)準(zhǔn), 立即體現(xiàn)在各國的汽車安全法規(guī)上, 政府管理部門的法規(guī)使汽車企業(yè)不能不在汽車安全性上做出迅速而有力的回應(yīng)。分析世界汽車交通事故的基本規(guī)律, 導(dǎo)致汽車交通事故的原因既有汽車自身的不安全因素, 也有參與交通的人為因素, 還有公路和氣象等環(huán)境因素?？傊? 人、車、環(huán)境是影響汽車行駛安全性能的三大因素。這者組成了相互制約的系統(tǒng)工程, 必須進(jìn)行全面的分析和研究, 進(jìn)行綜合治理, 才能實(shí)現(xiàn)汽車安全運(yùn)行。汽車企業(yè)為了提高汽車的主動(dòng)安全性, 做到防患于未然,主要通過如圖4所示幾個(gè)方面的技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。車外環(huán)境控制執(zhí)行系統(tǒng)駕駛員底盤電子綜合控制系統(tǒng)CPU信息傳遞采集系統(tǒng)顯示報(bào)警診斷系統(tǒng)車內(nèi)環(huán)境圖4 汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)框圖由圖4可見, 它是以計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為核心, 利用車輛底盤電子綜合控制裝置, 構(gòu)筑汽車人機(jī)一體化的閉環(huán)安全系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)以人（駕駛員）為中心, 人與車輛平等合作, 共同決策, 駕駛員駕車的過程是人、車輛與環(huán)境三者之間信息交流的過程。在汽車人機(jī)一體化的閉環(huán)安全系統(tǒng)中, 可達(dá)到人、車輛和環(huán)境三者之間相互作用的協(xié)調(diào)與各自特性的最佳匹配, 實(shí)現(xiàn)安全、高效和舒適的行駛。同時(shí)，電力電子技術(shù)也為汽車安全問題提出了防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）。汽車裝備的安全裝置分為主動(dòng)安全裝置和被動(dòng)安全裝置兩大類，主動(dòng)安全裝置是避免發(fā)生事故, 被動(dòng)安全裝置的作用是減輕事故的傷害程度。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS) 就是一種主動(dòng)安全裝置。由汽車?yán)碚摽芍? 當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)力大于輪胎和道路之間的附著力時(shí), 車輪就會抱死滑移。只有汽車具有足夠的制動(dòng)力, 同時(shí)地面又提供較大的附著力時(shí), 汽車才能獲得較好的制動(dòng)效果。在汽車制動(dòng)過程中, ABS 能自動(dòng)調(diào)節(jié)車輪的制動(dòng)力, 從而使汽車在制動(dòng)時(shí), 車輪與地面都能達(dá)到峰值的縱向附著系數(shù)和較大的橫向附著系數(shù), 以保證不發(fā)生車輪抱死滑移、車輛失去轉(zhuǎn)向能力等不安全的工況, 提高車輛的方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向控制能力,縮短制動(dòng)距離。驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)(ASR) 也稱牽引力控制系統(tǒng), 是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的完善和補(bǔ)充, 它可以防止汽車起動(dòng)和加速時(shí)的驅(qū)動(dòng)輪打滑, 既有助于提高汽車加速時(shí)的牽引性能, 又能改善其操作穩(wěn)定性。4 綜述本文主要介紹了電力電子技術(shù)在燃油汽車、電動(dòng)汽車以及汽車安全等方面的應(yīng)用，彰顯了電力電子技術(shù)在汽車工業(yè)發(fā)展中的重要作用。通過使用電力電子技術(shù)來控制燃油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方式相比，該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)的控制噴油量、最佳噴油持續(xù)時(shí)間和汽車性能，同時(shí)它可以進(jìn)行廢氣循環(huán)再利用，提高了汽油利用率減少了環(huán)境污染。然而燃油汽車的大范圍推廣使用，給人們的生活帶來了舒適便利的同時(shí)也造成了一系列的能源和環(huán)境問題。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及燃料電池電動(dòng)汽車,作為解決環(huán)境和能源問題的一種切實(shí)可行的方案,逐漸得到了世界各大汽車廠商的青睞。電動(dòng)汽車采用蓄電池作儲能動(dòng)力源, 給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電能, 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī), 推動(dòng)車輪前進(jìn), 是電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，它主要包括兩個(gè)部分：電力部分和機(jī)械裝置。其中電力部分主要包括電動(dòng)機(jī)、能量轉(zhuǎn)換器、電子控制器和電源系統(tǒng)。與傳統(tǒng)汽車相比，其主要增加了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的應(yīng)用，包括：電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換器、充電器等。這些裝置的使用，使其具有無污染、效率高、噪聲低、更有利于智能化等優(yōu)點(diǎn)，具有非常光明的發(fā)展前景。 隨著國家交通法規(guī)的不斷更新，交通安全越來越受到人們的重視，安全也是汽車發(fā)展過程中永恒的主題。導(dǎo)致汽車交通事故的原因既有汽車自身的不安全因素, 也有參與交通的人為因素, 還有公路和氣象等環(huán)境因素。這三者組成了相互制約的系統(tǒng)工程, 必須進(jìn)行全面的分析和研究, 進(jìn)行綜合治理, 才能實(shí)現(xiàn)汽車安全運(yùn)行。通過設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為核心的汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)，可達(dá)到人、車輛和環(huán)境三者之間相互作用的協(xié)調(diào)與各自特性的最佳匹配, 實(shí)現(xiàn)安全、高效和舒適的行駛。汽車中不斷增加的電氣部件既強(qiáng)調(diào)了對電力電子技術(shù)的需要, 也反映了這些部件的引進(jìn)給汽車性能帶來的改善，它們被用于增加電功率發(fā)生部位的功率輸出能力和效率，也為提高汽車性能、安全和功能等提供可能。可以肯定地說, 電力電子技術(shù)在未來汽車技術(shù)的發(fā)展中必將繼續(xù)起著重要的作用11。參考文獻(xiàn)【1】 張新文，張杰飛.論現(xiàn)代電子技術(shù)在汽車智能管理系統(tǒng)中的應(yīng)用【M】.河南：科技天地，2010.【2】 凌利琴.電子技術(shù)在汽車工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用【J】.湖南：湖南交通科技，2001.【3】 王志強(qiáng).談電子技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用【J】.科技信息,2008,(4).【4】 曹霞，姚水清.電動(dòng)汽車的電子電力學(xué)概述.汽車電器.1999(2):1-3【5】 王海仙，陳福民.電動(dòng)汽車的電氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其發(fā)展.電工電能新技術(shù)，2006(4):14-16.【6】 馬憲民.電動(dòng)汽車的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006(3):83