1.5.1 汽车能源转型的支柱

最早批量上市的混合动力电动汽车的动力性、安全性和舒适性与燃油汽车相比毫不逊色，而且其经济性和环保性两个方面极其优秀，它们离不开混合动力系统的动力电池和永磁同步电机。以普锐斯混合动力电动乘用车为例，在FTP、ECE和JP10-15三种工况下，发动机效率提高、发动机停止和电制动能量回收三部分对混合动力电动汽车燃油经济性提高所做的贡献比例不同，见表1-1。

表1-1 三种工况下某混合动力电动汽车燃油经济性提高的贡献比例

由表1-1可知，该混合动力电动汽车在永磁同步电机的驱动下，才能实现纯电动和发动机的即时起停功能；只有永磁同步电机参与整车制动过程，才能实现车辆的电制动能量回收；只有永磁同步电机参与驱动过程，才能保证阿特金森循环发动机在混合动力模式的高效工作。

电机是一种机械能、电磁能、电能相互转换的机电装置，无论是直流电机还是交流电机，电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变换装置的功率电路拓扑及其电流电压的PWM控制。三相交流笼型异步电机和永磁同步电机被广泛用于新能源汽车的动力驱动装置中，电机控制器是实现车载动力电池直流电与电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变换装置。交流电机四象限运行，纯电动汽车前行时，驱动电机处于电动工作状态，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，驱动电机可处于发电工作状态，需要将汽车的机械动能转化为电能存储在动力电池中。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。

新能源汽车停车充电时，车载充电机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，对动力电池充电，这也需要整流技术。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发挥了重要的作用。

新能源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12V/24V;另一种是动力电池形成的上百伏的直流母线电压，可分为400V、600V和800V三个等级，应从车辆的使用场景、全生命周期成本、功率半导体器件可获得性、电力技术复杂性等方面合理选用，比如，800V高电压直流母线能够提高电驱动系统效率、增强电池快速充电能力，但也带来电池组一致性、功率半导体器件电应力、材料绝缘疲劳等方面的负面效应。两种直流母线电压体制之间需要转换，往往需要一种直流/直流（DC/DC）变换器，将动力电池的高电压转换为如车灯、刮水器、音响等低压电器使用的低电压12V/24V，这是一种直流变换技术，常称为DC/DC变换技术。

整流技术、逆变技术和直流变换技术是功率电子学的三大电源变换方法，已经完全集成在新能源汽车技术中，如图1-8所示。与之相关的技术涉及电子电路、嵌入式计算机系统、开关控制策略、电磁干扰/电磁兼容性（EMI/EMC）、材料绝缘和系统热管理等，旨在实现高效率、高功率密度、可靠安全和经久耐用的符合汽车复杂环境要求的功率变换装置。就学科而言，新能源汽车是机械工程、电气工程、信息工程和化学工程等知识的融合、集成，新能源汽车技术与功率电子学密不可分，目标是优化车载能源能量流的分配。

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求的电能，是功率电子技术的基本要求。

总而言之，功率电子学理论、方法与技术对汽车能源转型提供了关键支撑，拓宽了汽车一次能源供给的多元化和绿色化，例如光伏太阳能、风能、水能、氢能和核能等。

图1-8 新能源汽车技术与功率电子学的密切关系