電動(dòng)汽車電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)技術(shù)課件：電動(dòng)汽車能量系統(tǒng)的電源變換裝置

電動(dòng)汽車能量系統(tǒng)的電源變換裝置電動(dòng)汽車電子設(shè)備常常是一個(gè)極為復(fù)雜的電子系統(tǒng)。這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)包含許多作用不同的功能模塊，每個(gè)功能模塊對(duì)電源的要求不盡相同。各部分所需的功率等級(jí)、電壓高低、電流大小、安全可靠性、電磁兼容性等指標(biāo)不同。為了滿足上述要求，電動(dòng)汽車常使用各種功率變換器。目前使用的功率變換器可分為AC/DC（或AC-DC）、DC/DC（或DC-DC）、DC/AC（或DC-AC）三種類型。他們分別適用于各種不同的領(lǐng)域，其中使用最多的是前兩種。第一節(jié)DC/DC功率變換器

1）DC/DC的功用

在電動(dòng)汽車的電子系統(tǒng)和設(shè)備中，系統(tǒng)中的直流母線不可能滿足性能各異、種類繁多的元器件（包括集成組件）對(duì)直流電源的電壓等級(jí)、穩(wěn)定性等要求。因而必須采用各種DC/DC功率變換模塊來(lái)滿足電子系統(tǒng)對(duì)直流電源的各種需求。DC/DC變換模塊的直流輸入電源可來(lái)自系統(tǒng)中的電池，也可來(lái)自直流總線。這種電源通常有48V、24V、12V或者其他數(shù)值，其電壓穩(wěn)定性能差、且會(huì)有較高的噪聲分量。2）雙向DC/DC變換器的應(yīng)用電動(dòng)汽車中的電機(jī)是典型的有源負(fù)荷，電機(jī)根據(jù)駕駛員的不同指令，既可以工作在電動(dòng)狀態(tài)又可以工作在再生發(fā)電狀態(tài)，既可以吸收電池組電能將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出，也可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能反饋給電池組。由于電動(dòng)汽車中的電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍很寬，行駛過(guò)程中頻繁加速、減速，而且在電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中蓄電池電壓的變化范圍也是很大的，在這樣的條件下如果用蓄電池組直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)造成電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的惡化，使用直流／直流(DC/DC)變換器可以將蓄電池組的電壓在一定的負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)較高的電壓值，從而可以明顯提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。另一方面，DC/DC變換器又可以將電機(jī)制動(dòng)時(shí)，由機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能回饋給蓄電池組，以可控的方式對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，這對(duì)于電池電動(dòng)汽車有著非常重要的意義第二節(jié)DC/DC變換器的種類與比較按照功率轉(zhuǎn)化類型，功率開(kāi)關(guān)變換器可分為下列四種類型：（1)DC/DC（直流／直流）變換器；（2)DC/AC（直流／交流）變換器；（3)AC/AC（交流／交流）變換器；（4)AC/DC（交流／直流）變換器。常見(jiàn)雙向變換器功能及特點(diǎn)對(duì)比變換器

功能

特點(diǎn)

電流雙象限變換器降壓／升壓電流雙象限、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用成熟，同等功率條件下主開(kāi)關(guān)管電壓電流應(yīng)力小，電感易于優(yōu)化設(shè)計(jì)

全橋變換器降壓／升壓四象限運(yùn)行，應(yīng)用于中大功率場(chǎng)合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用元器件較多

T型雙向升降壓變換器

雙向升降壓

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入輸出極性相反，開(kāi)關(guān)管應(yīng)力大

級(jí)聯(lián)式升降壓變換器雙向升降壓開(kāi)關(guān)管應(yīng)力與電流雙象限變換器相似，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用器件多、成本高

CUK雙向變換器雙向升降壓電容的使用降低了可靠性，輸入輸出極性相反，電路結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜

Sepic-Zeta雙向變換器

雙向升降壓

電容的使用降低了可靠性，電路結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜

第三節(jié)DC/AC功率變換器DC/AC逆變器是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，將直流電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻交流電能的一種靜止變流裝置，供交流負(fù)荷用電或與交流電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。隨著石油、煤和天然氣等主要能源的大量使用，新能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越得到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)，逆變技術(shù)能將蓄電池、太陽(yáng)電池和燃料電池等其他新能源轉(zhuǎn)化的電能變換成交流電能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆變技術(shù)在新能源的開(kāi)發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。第四節(jié)AC/DC功率變換器結(jié)構(gòu)和工作原理AC/DC功率變換器（模塊）的作用就是將交流電壓如220V、110V轉(zhuǎn)換成電子設(shè)備需要的穩(wěn)定直流電壓，電動(dòng)汽車中AC/DC的功能主要是將交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電提供給用電器或儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存。AC/DC功率變換模塊電路的一般原理如圖7-6所示，圖中Vref為參考電壓，PWM為脈沖寬度調(diào)制式開(kāi)關(guān)變換器。AC/DC功率變換模塊由輸入濾波電路、全波整流和濾波電路、DC/DC變換電路、過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)電路、控制電路和輸出整流電路組成。整流電路的作用是將交流電壓變?yōu)橹绷髅}沖電壓，輸入濾波電路的作用是使整流后的電壓更加平滑，并將電網(wǎng)中的雜波濾除以免對(duì)模塊產(chǎn)生干擾，同時(shí)輸入濾波器也阻止模塊自身產(chǎn)生的干擾影響。DC/DC變換電路和控制電路是模塊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由它實(shí)現(xiàn)直流電壓的轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓。

第五節(jié)

電力變換裝置在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用

采用Boost電路作為最大功率跟蹤電路，采用電流雙象限變換器作為超級(jí)電容與直流母線的連接通道，得到復(fù)合能源電動(dòng)車系統(tǒng)總體硬件電路圖。圖中的能源裝置有太陽(yáng)能電池、蓄電池和超級(jí)電容(UC)。M為電機(jī)，圖7-7復(fù)合能源系統(tǒng)總體硬件電路Un（n為c、b、mppt）為電壓傳感器，In（n為c、b、m、mppt）為電流傳感器。電路中VD1為防反充二極管，防止當(dāng)負(fù)荷電壓高于太陽(yáng)能電池時(shí)對(duì)其反充電。VD5為防蓄電池反接二極管，當(dāng)蓄電池接反的時(shí)候，二極管VD5導(dǎo)通，產(chǎn)生大電流迅速熔斷熔絲，從而達(dá)到保護(hù)蓄電池的目的。Cl、C2為大容量濾波電容，電力開(kāi)關(guān)管VI2（這里采用的是IGBT）起開(kāi)關(guān)的作用，連接輔助電源與主電池，通過(guò)控制其導(dǎo)通／關(guān)斷實(shí)現(xiàn)