电动车用辅助逆变器的设计与实现
城市轨道交通电客车辅逆系统及辅助供电技术
城市轨道交通电客车辅逆系统及辅助供电技术
城市轨道交通电客车辅逆系统及辅助供电技术是城市轨道交通系统中非常重要的一环。
随着城市轨道交通系统的快速发展，电动车已经成为城市轨道交通的主要交通工具。
为了
保证电动车的正常运行，必须对其进行逆变器系统和辅助供电系统的优化设计。
1.辅逆系统
轨道交通电客车辅逆系统主要是指用于调节电动车驱动电机功率输出方向的逆变器系统，其主要作用是将电池直流电转换成交流电，并通过变频控制电机输出功率的大小和方向。
若电动车以一定速度行驶，但驾驶员必须从油门踏板上拿走脚，此时辅逆器将接受来
自电动车的电能而不发热，同时将失控的电能逆向输送给电池，以保证电动车系统的安
全。
辅逆系统可以提高电动车的行驶效率，节省能源，减少对环境的污染。
但逆变器系统
在实际运行中常存在一些限制，例如逆变器的输出功率及工作温度等，这就需要对辅逆系
统进行进一步优化设计以使其更加可靠和稳定。
2.辅助供电系统
城市轨道交通电客车辅助供电系统主要是负责为车内的电子设备和乘客提供所需的电能，例如车内照明，制动灯和空调等。
辅助供电系统采用直流供电方式，由主电池提供电能，通过DC-DC转换器将其转换成所需的低电压直流电。
辅助供电系统是车辆供电系统中
的一个重要组成部分，其安全性和稳定性直接影响到电动车的正常运行。
为了提高辅助供电系统的稳定性和可靠性，必须采用优化设计的转换器和过滤器等电
子元件，以减少系统中出现的电磁干扰和噪音。
同时，对辅助供电系统的维护和保养也至
关重要，例如定期检查并更换设备中的电子元件，保持设备内部通风良好，以防止发生过
热和短路等故障。
电动车用辅助逆变器的设计方案与实现
电动车用辅助逆变器的设计与实现摘要: 电动汽车的运行与普通汽车有许多不同, 需要设计安装大量专用辅助设备, 且要求辅助设备结构简单、运行稳定、运行成本低。
文章描述了电动车用辅助逆变器的特殊应用环境和工作要求, 提出一种设计思路, 并分别从硬件结构和软件流程两方面介绍系统的构成。
关键词: 逆变器SA 4828 芯片脉宽调制CAN 总线1 引言目前各种类型的电动汽车发展日新月异, 车辆主动力单元采用的电机和驱动方式各有特色, 但在车用辅助电机的选择上却观点一致, 即充分利用电动车直流母线电压高(通常为300～600 V ) 的特点, 利用辅助逆变器将直流变成三相交流电驱动交流异步电机, 为车上的刹车气泵、液压助力泵、空调压缩机等设备提供动力。
在大型电动车上, 驱动这些设备的电机功率在3～10 kW 之间, 采用交流电机可以比同等直流电机成本更低、体积更小、重量更轻, 而且运行噪音小、维护量大大降低。
电动车的发展在国外已经进入实际应用阶段, 而国内仍处于开发样车阶段, 多数研发单位只是将通用变频器进行简单改装后作为辅助逆变电源投入使用。
这样不仅成本较高, 不能完全适应电动车的实际运行需要, 也不具备CAN 总线通讯能力, 无法参与整车系统的数据通讯。
新公布的国家“863 计划”关于电动车发展规划中已经明确规定: 新申报的电动车开发项目必须采用基于CAN 总线的整车通讯控制系统。
因此辅助逆变器在提供三相交流电源功能的同时, 系统必须具有CAN 总线通讯接口, 以便参与整车系统的控制。
电动车用辅助逆变器的设计必须充分考虑产品的运行环境和负载特点, 简化系统硬件结构, 确保设备运行稳定。
从直流输入来看, 电动车动力电池电压有一定的波动范围, 在电量充足时每个电池单体的电压可以达到 1. 45 V 或更高, 随着使用过程中能量的不断输出, 电压会逐渐降低, 达到 1. 2 V 甚至更低。
由280 节单体串联成的电池组, 其母线电压通常会在400～330 V 之间浮动, 变化率高达21. 2%。
电动车逆变器工作原理
电动车逆变器工作原理
电动车逆变器是一种将直流电转换为交流电的装置。
其工作原理如下：
1. 输入电源：电动车逆变器首先接收来自电池组的直流电源作为输入电源。
2. 滤波器：输入电源经过滤波器进行滤波处理，去除直流电中的纹波成分，以保证输出交流电的质量。
3. 逆变器控制器：逆变器控制器对滤波后的电流进行控制和调节，以满足电动车需求的输出功率和频率。
4. 逆变器开关：逆变器开关是核心部件，它根据控制器的信号，以高频开关的方式将直流电源转换为交流电源。
5. 升压变压器：逆变器通过升压变压器将低电压的直流电转换为高电压的交流电，以提供给电动车需要的电能。
6. 输出电路：经过变压器升压的交流电通过输出电路传输到电动车的驱动系统，供电驱动电机运转。
需要注意的是，在整个过程中，逆变器控制器会根据电动车的工作状态和驱动需求，实时调节输出电流和频率，以保证整个系统的稳定性和高效性能。
通过这种工作原理，电动车逆变器能够将直流电源转化为交流
电源，并提供给电动车的驱动系统，从而实现了电动车的正常运行。
基于能量回馈的电力机车辅助逆变器试验系统
机 车 电 传 动
２００８ 年
图 １ 辅助逆变器试验系统结构
１．２ 系统工作原理 图２ 为采用Ｐ Ｗ Ｍ 整流器构成的能量回馈式辅助逆
变器试验系统原理图，升压变压器将电网电压３８０ Ｖ 升 压为交流 ８６０ Ｖ，经ＳＣＲ 整流器输出直流５００ Ｖ，被试逆 变器输出 ３８０ Ｖ 交流方波电压、固定频率５０ Ｈｚ。
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时若ＶＴ２１ 导通则电感电流减小，若ＶＴ２４ 导通则电流维 持不变。这样通过控制 Ｐ Ｗ Ｍ 整流器开关导通与关断， 可使电感电流相位滞后逆变器输出电压 ９ ０ °，电流的 大小可在容量允许范围内任意调节。其余两相与此类 似，即逆变器三相输出电流可以单独控制，以模拟辅 助逆变器三相不平衡、缺相等故障工况。
１ 系统结构及工作原理
１．１ 系统结构 机车辅助逆变器试验系统结构如图１ 所示。系统主
要由升压变压器、ＳＣＲ 整流器、被试ＩＧＢＴ 辅助逆变器和 Ｐ Ｗ Ｍ 整流器组成，３ 个单相电感接于被试逆变器和 Ｐ Ｗ Ｍ 整流器的交流侧，逆变器和 Ｐ Ｗ Ｍ 整流器直流侧 并联，形成能量回馈回路。
操作控制台上按功能布置有工控机、系统运行控 制按钮及系统运行状态指示灯等。
制周期内跟踪上指令电流，若令
（ ３）
把式（３）代入式（２），则有ｉｊ（ｔｋ＋１）＝ｉ＊ｊ（ｔｋ＋１）。因此，根 据式（３ ）来控制 Ｐ Ｗ Ｍ 整流器的交流电压就可以实现
电流控制的要求。
控制框图如图４ 所示。这种预测电流控制方法属于
采用预测电流控制算法使电感电流跟踪其指令 值。由图 ２ 写出电感电流方程如下：
（ ｊ ＝ ａ，ｂ，ｃ） （ １）
式中：ｕ ｊ 为逆变器交流侧电压；ｉ ｊ 为电感电流； 为 Ｐ Ｗ Ｍ 整流器交流侧电压；Ｒ 为电路中杂散电阻的总 和，通常可以忽略。 由式（１）可知，只要对 进行适当控制，便可使电 感电流达到预定指令值［３］。
辅助逆变电路结构
辅助逆变电路结构随着电力电子器件IGBT的发展，城轨车辆辅助供电系统由过去的单一形式逐渐发展为设计多样化，满足了城轨车辆在不同时期的不同需求。
辅助逆变电路结构按逆变器电路原理的不同，分为先斩波（升/降压斩波）后逆变方式和直接逆变方式。
从逆变器的电路构造来分，分为双逆变器型和单逆变器型。
其中，双逆变器型又分为串联型与并联型。
单逆变器型又分为先经升/降压稳压后逆变型和直接逆变型。
这些逆变器均采用二电平逆变方式。
（1）按逆变器电路原理选型。
①先斩波（升/降压斩波）后逆变方式(DC-DC-AC)。
将高压直流电通过斩波器转换为较低/高直流电压，通过逆变装置输出交流电。
此电路主要由单管DC/DC斩波器、二点式逆变器、三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。
在DC-DC-AC方式升/降压斩波中，升压斩波的系统应用在网压为DC750V的场合，降压斩波的系统应用在网压为DC1500V的场合。
采用升/降压斩波的目的是使逆变器的输入电压稳定，当负载变化或电压波动时，保证斩波器有稳定的输出电压。
德国Siemens公司制造的车辆多采用此项技术。
②直接逆变方式（DC-AC）。
这种方式是地铁车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式。
它将高压直流电通过逆变设备直接逆变输出交流电，供列车使用。
开关器件通常可采用大功率GTO、IGBT或智能功率模块（intelligent power module，IPM）。
辅助逆变电源采用直接从受电弓或第三供电轨受流的方式，逆变器按V/F 等于常数的控制方式，输出三相脉宽调制电压采用变压器隔离向负载供电。
这种电路的特点是电路结构简单，元器件使用数量少，控制方便，但逆变器电源输出电压容易受电网输入电压波动的影响，功率电子器件（如IGBT）环流时承受的DU/DT较大，特别是在高电压的情况下（DC1500V供电系统再生制动时，网压可达2 000 V）。
Bombardier 公司多采用此项技术，应用于长春生产的车辆中。
地铁辅助逆变系统分析
地铁辅助逆变系统分析王成均（城轨筹备办公室）摘要辅助逆变系统是地铁或轻轨车辆上的一个必不可少的关键的电气部分，它可为空调、通风机、空压机、蓄电池充电器及照明等辅助设备提供供电电源，其核心部件就是辅助逆变器。
本文主要介绍地铁车辆辅助逆变系统的逆变特性、参数和逆变电路等。
并对PWM信号线路优化，实现控制信号和电力线路的光电隔离。
然后详细的分析了六列编组地铁车辆的配变电系统，主要配电设备，配电线路以及配电原理等。
目前世界上在地铁与轻轨辅助逆变系统中大都采用绝缘栅双极型晶体管IGBT（或IPM）模块来构成。
使用IGBT元件的辅助逆变器提供低压辅助电源，其冷却方式采用强迫风冷。
蓄电池采用镍镉电池，容量大于100Ah。
关键词：地铁车辆控制系统；辅助逆变系统；IGBT逆变器；PWM脉宽控制引言随电力电子器件发展，辅助逆变系统也经历着不同方案的发展过程。
由于新一代性能优良的IGBT器件迅速发展，20世纪90年代中后期，欧洲与日本等国的车辆辅助逆变系统大都采用IGBT来构成，其方案大致有：（1）斩波稳压再逆变，加变压器降压隔离；（2）三点式逆变器加变压器降压隔离；（3）电容分压两路逆变，加隔离变压器构成12脉冲方案；（4）二点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离；（5）直——直变换与高频变压器隔离加逆变的方案。
这些方案各有其特点，而且都能满足地铁或轻轨车辆的要求。
在目前的方案中，对DC110V控制电源主要有两种不同的设想：（1）通过50Hz隔离降压变压器来实现；（2）独立的直——直变换器直接接于供电网压通过高频变压器隔离后再整流并滤波得到DC110V控制电源。
1 辅助系统的主电路分析辅助逆变器可以产生400VAC和230VAC的中压。
400VAC中压用于空压机、空气调节、牵引设备的通风，230VAC中压用于正常照明。
辅助逆变器自带的变压器将中压转换为低压，用于车门、应急照明、旅客紧急通风、通讯、控制和数据处理等。
图1 辅助逆变器的工作原理图。
支持CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计(doc 47页)
支持CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计(doc 47页)2015届毕业设计说明书支持CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计院、部：电气与信息工程学院学生姓名：王思宇指导教师：黄海波职称实验师专业：电气工程及其自动化班级：电气本1105班完成时间：2015年6月6日ABSTRACTModern electronic control technology is widely used in the electric vehicle industry and it is widely favored by the electric vehicle industry because parameters of electric vehicle is shared. Because CAN bus has high efficiency in data exchange and strong ability in anti noise, it became the preferred internal communication network of electric vehicle.The three-phase inverter of electric vehicle introduced in this paper is vehicle auxiliary inverter of electric inverter and it is known as the "auxiliary elec trical power source”, which provides load to AC motor among various departments of the electric vehicle, such as the compressor of the electric vehicle’s air conditioning system, power steering pump, brake air pump of electric vehicle and water pump in cooling water cycle. In the design of electric vehicle’s auxiliary powe r, it requires: (1) keep stable operation of the inverter auxiliary engine in the process of travailing and corresponding working condition can be made according to the requirements of host computer ; (2) when the load power failure of electric vehicle such as engine short-circuit happens, the output needs to be disconnected to secure safe shutdown. Fault happened needs to the various panel points and the host computer through the CAN bus control and every fault in the bus needs to be operated, such as early warning signs in display system of electric vehicle to remind the driver to slow down. Moreover, Issuing a directive to turn off the input of auxiliary inverter power, receiving its error code and saving the current running data of electric vehicle would be conducted through power supply management system of electric vehicle to facilitate troubleshooting of maintenance personnel.To realize the basic functions of the electric vehicle’s auxiliary inverter, a frequency converter can be chosen to make modification. Developing and strengthening the optimization of intelligent panel point from the ground is choosing the chip that can support the CAN bus of the electric vehicle. After choosing the ideal chip, good integration of control program can be made to meet the communication requirement of the CAN bus. Finally, fault system in the design can be secured by open-loop simulation, fault management can be done by uploading bus control and design of electric inverter power of CAN bus can be realized.Key words Inverter; The power supply;The controller目录1 绪论 (1)1.1选题背景及意义 (1)1.2逆变电源概况 (1)1.3论文研究内容的章节安排 (2)2 整体研究方案 (3)2.1电源设计方案 (3)2.2系统总体设计方案的确定 (4)3 硬件的电路设计 03.1逆变电源硬件构成 03.2P8OC592芯片介绍 (7)3.3复位电路模块 (7)3.4指示灯电路模块 (8)3.5电源电路模块 (9)3.6接口电路模块 (9)3.7晶振电路模块 (6)3.8CAN通信模块 (6)3.8.1CAN总线基本原理 (4)3.8.2CAN通信模块电路设计 (4)4 软件的系统设计 (8)4.1软件系统的设计构思 (8)4.2主控程序软件设计 (14)4.2.1主控程序设计方案 (14)4.2.2主程序设计流程 (15)4.3故障处理程序设计 (11)4.4CAN总线数据通信子程序设计.............. 错误!未定义书签。
基于新型谐振控制器的辅助逆变器控制器设计方法_学位论文
河北科技大学微电子概论结课论文基于新型谐振控制器的辅助逆变器控制器设计方法学生姓名李元阳学号 12L0551012学生专业机械类班级 1二级学院理工学院指导教师赵甘露河北科技大学2013年11月基于新型谐振控制器的辅助逆变器控制器设计方法李元阳(河北科技大学理工学院，石家庄，080081)摘要:提出一种基于新型谐振控制器的辅助逆变器控制器设计方法.系统阐述了电流环和电压环的建模及设计方法.电流环有效抑制了数字延时的影响，提高了系统动态响应.基于新型谐振控制器的电压环，有效减小了基波和谐波处的逆变器内阻，达到了抑制不平衡负载和非线性负载的目的.最后搭建了基于导Function的虚拟DSP系统仿真模型，并通过实验验证了这种控制方法的优越性.关键词:辅助逆变器;谐振控制器;不平衡负载;非线性负载Auxiliary inverter controller design method basedon new resonant controllerCHEN Jie, D UHuiqing, SANG Lei, DIA 0 L红un, LI U Zhigang(Heibei University Of Science And Techoology , Shijiazhuang,050081，China) Abstract:This paper presents a design method of auxiliary inverter which based on the new resonantcontroller. The paper systematically elaborates the modeling and design method of current and voltageloop. Current loop suppresses the influence of the digital delay effectively, and improves the dynamicresponse of the system. V oltage loop based on the new resonant controller reduces the internal resintance of the fundamental and harmonics effectively, which achieves the purpose of suppressing unbaFanted and nonlinear load. Finally, the paper builds the virtual DSP system based on the导Function,and the superiority of the control method is illustrated by experiments.Key words: auxiliary inverter; resonant controller; unbalanced load; nonlinear load 伴随着中国城市化进程的加快，城市轨道交通也得到了迅速发展.辅助变流器作为轨道交通车辆的重要部件之一，也引起了国内各大厂商的重视.为了提供更为舒适的乘车环境，城市轨道交通车辆内的用电设备也变得多样化.从以前单一的三相平衡负载发展到现在的不平衡负载和非线性负载.这就要求辅助逆变器的结构和控制方法要有新的发展，以适应负载变化的要求.传统的辅助逆变器只需提供三相平衡电压，所以采用简单的三相三线制逆变器就能满足要求，但新的城轨车辆中包含大量不平衡负载(如电热、单相接触器和单相插座等)，这就要求辅助逆变器提供中性点，以形成三相四线制.目前，三相四线制逆变器结构大体可分为两类:一类通过外接变压器形成中性点(4/ Y。
电动车组辅助供电工作方式研究-供电管理论文-管理论文
电动车组辅助供电工作方式研究-供电管理论文-管理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——常见国外电动车组辅助供电系统的布局与工作方式１ＲｅｇｉｎａＣ２００８型电动车组ＲｅｇｉｎａＣ２００８型电动车组采用的是动力分散的设计，每列车为３辆编组，其中２辆为装载牵引电机的动力车，其他车辆为无动力的拖车（即２Ｍ１Ｔ）。
每节动车车厢上都设有主变流器和辅助变流器，每列拖车上都设有主变压器。
因此，在ＲｅｇｉｎａＣ２００８型电动车组上共有２台辅助变流器并联工作。
在正常情况下，这２台辅助变流器同时工作，将逆变的三相交流电输送到交流母线上。
在每一辆动车上均设有一个辅助电源装置，主要包括辅助逆变器单元（ＡＣ）、隔离变压器、蓄电池充电机以及蓄电池等。
在启动过程中，辅助供电系统的负载必须按一定顺序启动，以降低系统担负的启动电流。
２Ｅ２－１０００型电动车组Ｅ２－１０００型电动车组共有２台辅助电源装置（ＡＰＵ），分别设置在１号车和８号车，每一台ＡＰＵ向其所在的４辆车的辅助用电设备提供电源。
当１台辅助电源装置发生故障时，可通过另１台辅助电源装置向全列车提供辅助电源。
Ｅ２－１０００型电动车组的辅助供电系统由牵引变压器辅助绕组、辅助电源装置、蓄电池、辅助及控制用电设备、地面电源等几部分组成。
Ｅ２－１０００型电动车组的输出用电制式繁多，种类复杂，其按照负载种类的不同来提供不同的电能：从牵引变压器的副边辅助绕组取电，不经过控制直接给空调和换气装置提供电能。
因此，Ｅ２－１０００型电动车组的空调装置需要自己配置变流器，否则有可能不能适应大范围的电压波动。
而且Ｅ２－１０００型电动车组的稳压４００Ｖ电源不是直接供给负载的，而是通过隔离变压器将三相交流电压分别转化为ＡＣ２２０Ｖ和ＡＣ１００Ｖ的两个单相交流电输出，其输出的两个电压幅位不相等但容量相等，因此，有可能造成三相的不平衡供电。
Ｅ２－１０００型电动车组的直流供电系统主要由变压器和三相不控整流电路组成。
电动汽车逆变器功能实现原理
电动汽车逆变器功能实现原理一、逆变器基本原理逆变器是一种电力电子装置，主要由功率半导体器件、控制电路和滤波电路组成。
逆变器的输入是直流电源，输出是交流电源。
逆变器的工作原理是根据控制电路对功率半导体器件的开关控制，使得直流输入电压按照一定频率和波形变换为交流输出电压。
1.交流输出控制逆变器的一个重要功能是实现交流输出的控制。
逆变器通过控制开关管的导通和闭断，改变交流输出电压的频率和波形。
控制电路根据输入信号实时控制开关管的开关时间，从而实现交流输出电压的控制。
2.直流输入电压电动汽车的电池组输出直流电压，而电动机的工作需要交流电源。
逆变器的功能之一是将直流输入电压转换为交流输出电压。
逆变器通过对直流输入电压的开关控制和变换，实现从直流到交流的转换。
3.电流控制逆变器实现对输出电流的控制，可以根据需要调整输出电流的大小和波形。
对于电动汽车来说，逆变器可以根据驾驶员的操作和路况的变化，控制电动机的速度和扭矩，从而实现对车辆的控制。
4.整流和功率因素校正逆变器还可以实现对电能的整流，将电能从电池组吸收并转化为机械能。
此外，逆变器还可以实现功率因素校正，提高电能利用效率。
5.输出电压保护和稳定性逆变器在工作过程中还需要实现对输出电压的保护和稳定性。
逆变器通过对输出电压的监测和调整，保证输出电压的稳定性，并在输出电压过高或过低时进行保护操作，防止设备损坏。
6.故障保护逆变器还具备故障保护的功能。
在工作过程中，如果逆变器出现故障，例如过载、温度过高或开关管故障等，逆变器可以自动切断电源，保护电动汽车和逆变器本身。
总结：电动汽车逆变器的功能实现原理主要包括交流输出控制、直流输入电压转换、电流控制、整流和功率因素校正、输出电压保护和稳定性以及故障保护等。
通过对功率半导体器件的控制和开关管的开关控制，逆变器可以实现从直流到交流的转换，满足电动汽车对交流电源的需求。
同时，逆变器还具备保护功能，能够保护电动汽车和逆变器本身的安全。
混合动力汽车EVHEV逆变器设计方案
混合动力汽车EV/HEV逆变器设计方案关键字：混合动力汽车逆变器设计随着我们的元件不断提供高成本效益、高效率和高功率密度，英飞凌也在推动面向未来个人移动性的电动系统解决方案。
现代生活方式的移动性在不断增加，从而提高了CO2排放量和自然资源消耗量。
个人交通在朝着以比现在低的排放量保证将来的移动性的方向发展。
并且，油价上涨和政府管制也在创造新的边界条件，加快了电动汽车（EV）的市场引入速度。
大西洋两岸的废气排放规范日益提高对那些不符合燃料效率或排放标准的汽车制造商的惩罚力度。
事实上，我们已经发现消费需求在向燃料效率更高的汽车方向发展的重大转变。
人口统计学也起到了一定作用，因为越来越多的人将生活在大城市中，这进一步提高了对电动汽车的需求。
考虑到将来的排放标准会更严格，唯一的实现方式就是引入零排放汽车；这只能通过开发新兴技术（如全电动汽船或氢燃料电池汽车）来实现。
将来，极有可能不同的技术会共存；例如，存储电能的高性能电池、发电的燃料电池和用于满足能量需求突增的超级电容器。
英飞凌可以通过扩展其电动传动系统活动（如混合电动汽车）来利用这种趋势。
电子元件是提高能效的关键。
为了节约能源和降低污染，英飞凌提供了采用同类中最好的（混合）电动汽车技术的创新型高性能解决方案，这些技术代表了最有效的、面向个人交通的能量转换方法之一。
英飞凌整合了世界高级功率电子领域的领导厂商和世界第二大汽车半导体公司的专业知识来为这些新型个人运输提供创新型电子解决方案。
这些解决方案延续了我们致力于出色的质量与高可靠性的承诺，而这正是世界领先的轻型汽车制造商所期望的。
我们的系统专业知识意味着，我们能够提供全面的芯片集来实现性能和成本的最佳均衡。
今天，我们很高兴能够为用户提供HEV应用的众多领域内的技术领先产品，如功率半导体、电源模块、微控制器和传感器。
混合动力汽车的动力系统解决方案框图系统优势实现混合或电力传动超高效校3相驱动器，因为它在高开关频率下也实现了极低的开关损耗已经通过汽车质量认证的产品集成到IGBT驱动器内的隔离功能DC总线电压高达450VEV/HEV - 逆变器方案框图推荐产品HYBRIDPACK™1电源模块1EDxxx门驱动器IC。
支持CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计
支持CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计CAN总线是一种常用于汽车电子系统的通信协议，广泛应用于电动车等领域。
在电动车中，辅助逆变电源的设计对于电动车的正常运行至关重要。
本文将介绍支持CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计。
电动车辅助逆变电源主要是为车载电子设备供电，如仪表盘、车载娱乐系统、导航系统等。
CAN总线作为一种优秀的通信协议，可以实现电动车内部各个子系统之间的通信和数据传输。
因此，将CAN总线与电动车辅助逆变电源结合起来，可以实现对辅助逆变电源的智能控制和监测。
首先，电动车辅助逆变电源的设计需要考虑到电源的输出功率和电压稳定性。
电动车辅助逆变电源的输出功率应根据实际需求来确定，包括车载电子设备的功耗和使用场景。
同时，电压稳定性是辅助逆变电源设计的关键指标，需要保证在不同工况下，电压输出的稳定性。
其次，电动车辅助逆变电源的设计应考虑到CAN总线的通信需求。
CAN总线的特点是支持多节点通信，因此辅助逆变电源需要设计成具有CAN总线接口的节点设备。
通过CAN总线接口，辅助逆变电源可以与其他车载电子设备进行通信，实现数据传输和控制。
在设计过程中，可以采用一些常见的电源设计技术来保障辅助逆变电源的性能。
例如，采用高效的开关电源拓扑结构，提高电源的转换效率；采用稳压电路和滤波电路，保证电源输出的稳定性和纹波小；采用过压、过流、过温等保护电路，提高电源的安全性能。
此外，辅助逆变电源的设计还需要考虑到电动车的动力系统。
电动车的动力系统通常由电池组、电控系统和电机组成，因此辅助逆变电源需要与动力系统相互协调。
例如，可以通过CAN总线接口与电控系统通信，实现协同控制和数据交互。
最后，辅助逆变电源的设计应注重系统的可靠性和可维护性。
电动车作为一种特殊的交通工具，其系统的可靠性和可维护性对于用户的安全和舒适体验至关重要。
因此，在设计电动车辅助逆变电源时，应充分考虑到系统的故障诊断和容错能力，以及故障处理和维护的便捷性。
辅助逆变器控制单元硬件系统设计
第3期2021年06月石河子科技中图分类号：TM464文献标识码：B文章编号：1008-0899（2021）06-0025-021引言随着国内经济的快速发展，机动车数量增加造成的交通拥堵已变成日益严峻的社会问题，各式各样的公共交通和出行方式也应运而生，其中地下铁道（简称地铁）以其运输量大、准时、速度快、无污染等特点备受政府部门和上班族的喜爱。
辅助逆变器作为地铁车辆的重要核心部件之一，其主要功能是将弓网的直流1500V 高压转换为三相交流电，给地铁上的空调、照明、空气压缩机、电加热器及监控系统等设备供电。
但早期由于技术受限，该设备只能从国外引进。
国际上从事相关系统设计制造的公司主要集中在欧洲和日本，在欧洲主要以法国的阿尔斯通、加拿大的庞巴迪、德国的西门子为代表，日本则是以日立、三菱、东芝等著名企业为代表。
阿尔斯通在世界轨道交通行业拥有超过18%的市场份额，其在技术创新和环保方面已成为全球轨道交通行业的领头羊。
法国的巴黎地铁14号线，被誉为“21世纪地铁”，它的列车控制系统是当今世界最先进的列车运行控制系统之一。
日本具有完备的轨道交通装备制造体系，其中，日立公司在轨道车辆和电气设备生产和设计方面居于世界领先地位。
我国在购买这些企业设备的同时也进行了技术引进，经过不断实验和优化升级，逐步走上了辅助逆变器国产化自主研发的道路，并已经大量应用于地铁上。
随着应用环境、控制方式、轻量化、小型化、电磁兼容等各方面的要求，辅助逆变器及其内部部件，都在不断的优化升级。
从轻量化、小型化方面去优化辅助控制单元的硬件设计，在保证各功能模块和接口不变的情况下，尽量多预留多兼容适用于其它控制模式的平台。
同时拟采用底板加小板的架构完成相应功能的设计，将模拟采样、数字信号输入输出、门极驱动以及相应的保护和检测电路集成在底板上，将通讯板、核心控制板通过板间插针与底板连接，并通过螺柱、螺母与底板固定。
该方案无需通过背板进行板间通信，有效防止了信号之间的串扰，简化了电路设计，提高了模拟采样的精度和电路的稳定性。
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电动车用辅助逆变器的设计与实现摘要: 电动汽车的运行与普通汽车有许多不同, 需要设计安装大量专用辅助设备, 且要求辅助设备结构简单、运行稳定、运行成本低。
文章描述了电动车用辅助逆变器的特殊应用环境和工作要求, 提出一种设计思路, 并分别从硬件结构和软件流程两方面介绍系统的构成。
关键词: 逆变器 SA 4828 芯片脉宽调制 CAN 总线1 引言目前各种类型的电动汽车发展日新月异, 车辆主动力单元采用的电机和驱动方式各有特色, 但在车用辅助电机的选择上却观点一致, 即充分利用电动车直流母线电压高 (通常为300～ 600 V ) 的特点, 利用辅助逆变器将直流变成三相交流电驱动交流异步电机, 为车上的刹车气泵、液压助力泵、空调压缩机等设备提供动力。
在大型电动车上, 驱动这些设备的电机功率在 3～ 10 kW 之间, 采用交流电机可以比同等直流电机成本更低、体积更小、重量更轻, 而且运行噪音小、维护量大大降低。
电动车的发展在国外已经进入实际应用阶段, 而国内仍处于开发样车阶段, 多数研发单位只是将通用变频器进行简单改装后作为辅助逆变电源投入使用。
这样不仅成本较高, 不能完全适应电动车的实际运行需要, 也不具备 CAN 总线通讯能力, 无法参与整车系统的数据通讯。
新公布的国家“863 计划”关于电动车发展规划中已经明确规定: 新申报的电动车开发项目必须采用基于CAN 总线的整车通讯控制系统。
因此辅助逆变器在提供三相交流电源功能的同时, 系统必须具有CAN 总线通讯接口, 以便参与整车系统的控制。
电动车用辅助逆变器的设计必须充分考虑产品的运行环境和负载特点, 简化系统硬件结构, 确保设备运行稳定。
从直流输入来看, 电动车动力电池电压有一定的波动范围, 在电量充足时每个电池单体的电压可以达到 1.45 V 或更高, 随着使用过程中能量的不断输出, 电压会逐渐降低, 达到 1. 2 V 甚至更低。
由 280 节单体串联成的电池组, 其母线电压通常会在 400～ 330 V 之间浮动, 变化率高达 21. 2%。
因此逆变器必须能够适应较宽范围内的电压浮动。
同时, 作为电源设备, 这种辅助逆变器不仅可以驱动各种三相交流电机, 还可以作为车上的工频电源, 为更多的车载设备服务。
因此, 设计开发一种专用的电动车用辅助逆变器, 不仅可适应电动车直流母线电压浮动大的特点, 还可以参与整车控制, 提高系统运行效率、节约能源。
2 系统整体构成设计完成辅助逆变器的设计必须从其输入ö输出要求出发, 做到结构清晰、功能明确。
在系统结构上可以将电动车用辅助逆变器按功能分为 4 个部分, 如图 1 所示。
1）DCöDC 电源, 自动适应直流输入端的大范围电压浮动, 为逆变器的其他电路提供稳定的低压电源。
2) 主功率逆变电路, 由 6 路 IGBT 组成三相逆变桥, 完成主直流电源的逆变输出。
3) 逆变器主控制板, 监测各路输出的电压、电流, 根据运行情况智能调整逆变电路的输出; 采用三相 PWM 波型发生专用芯片, 提高系统稳定性。
4) 整车通讯接口, 负责传递逆变器运行数据, 参与整车系统的通讯和控制。
每个部分尽量采用成熟技术和常用标准器件, 保证系统运行的可靠性。
3 硬件实现本辅助逆变器的直流输入为 330～ 400 V , 交流输出相间电压 220 V , 输出频率 50 H z, 最大输出功率 5 kW。
因为负载中包括单相交流电机, 系统设计中考虑了解决三相负载不平衡的问题。
311 DCöDC 多功能电源所谓多功能是指该DCöDC 电源不仅要为整个辅助逆变器提供多路隔离电源, 同时具有自动适应输入电压波动的功能。
电路板中采用 SG3525A 集成脉宽调制器作为主控制单元, 功率 M O SFET 管、多抽头高频变压器和二极管整流电路等设备共同组成 1 个稳压电源, 如图 2 所示。
作为核心器件的 SG3525A 是一种常用开关电源控制器, 包括了脉宽调制开关稳压电源所需的基本电路。
外接振荡电路后, 芯片可以从输出端 OU TA 发出高频脉冲信号, 驱动功率M O SFET 管, 并由后者控制变压器原边高压电路的导通和关断。
高频变压器副边为彼此隔离的多路绕组, 经二极管整流后, 输出多路 5 V , 12 V 和 20 V 稳定直流电压。
SG3525A 内部比较器可根据+ V , - V 2 个管脚的输入调整输出信号的脉宽。
将变压器输出端的 1 路 5 V 电压作为负反馈接入管脚- V , 而将芯片自身发出的标准电压V REF 引入管脚 + V , 形成DCöDC 电源输出的闭环控制。
当系统输入电压受到整车直流母线电压下降影响时, SG3525A 根据反馈电压及时进行补偿, 从而保证在不同电压输入条件下实现稳定的直流电压输出。
3. 2 主功率逆变电路辅助逆变器主功率电路的设计目标是简化结构, 并尽量减少不必要的线路和设备。
硬件结构主要包括由 6 个独立 IGBT 搭建而成的三相逆变桥, 以及 EXB841 专用芯片组成的标准驱动电路。
由于辅助变频器驱动的负载明确, 就是普通三相异步电机, 不需要过多考虑电压输出波形的圆滑, 因此只在高压直流母线上并入大容量电容, 适当吸收逆变桥产生的脉冲尖刺。
同时在直流和交流侧分别安装电压、电流感应器件, 为控制板提供监测数据。
3. 3 主控制板逆变器主控制板是整个系统的核心, 它不仅要给三相逆变电路提供控制信号, 还要不断采集主电路的电压、电流数据, 并根据收集的信息合理调整系统运行状态。
控制板采用单片机 89C51 与三相高精度 PWM 波发生器 SA 4828 构成, 各主要接线如图 3 所示。
单片机负责主功率电路各种信号的采样, 完成各种逻辑运算, 调整运行参数, 同时通过CAN 总线接口与整车系统进行数据通讯。
主功率电路三相逆变桥的控制信号由 SA 4828 提供, 该芯片是M ITEL 公司生产的新一代 PWM 波发生器, 能够独立对三相输出分别独立控制, 确保在负载不平衡的情况下三相输出电压的不平衡度不会超标。
SA 4828 芯片的特点是控制简单、频率精度高, 且运行可靠性高, 它支持标准的 8 位M O TEL 复用数据总线, 可以方便地和单片机交换数据。
单片机只需对芯片内部的 8 个数据寄存器赋值, 就可以完成对 PWM 波形输出的初始化和实时控制。
SA 4828 芯片为标准 28 脚双列直插式封装, 管脚 RPH T , RPHB, YPH T , YPHB, BPH T , BPHB 输出三相可独立控制的 TTL 驱动信号, 对应驱动三相逆变桥上的 6 路 IGBT。
针对三相负载的不平衡情况, SA 4828 允许通过软件决定三相输出波形的幅值, 选择统一控制或三相分别独立控制, 确保三相电压的平衡输出。
为了确保运行安全, 芯片的 SET TR IP 能够响应IGBT 驱动电路返回的故障信号, 迅速关断 PWM 波形输出, 对逆变器电路进行快速保护, 并通过 TR IP 状态输出端通知 89C51 单片机。
控制板采用这种器件组合结构的优点为: 辅助逆变器进入稳定运行状态后, SA 4828 可以独立维持三相逆变桥的运行, 不再占用单片机工作资源; 单片机多数时间是通过 A öD 转换电路监测系统的电压、电流幅值, 根据运行情况向 SA 4828 控制寄存器写入参数, 改变三相输出; 同时单片机具有足够的时间响应整车系统, 进行 CAN 总线通讯。
此外, 单片机的 2 个外部中断输入脚分别连接 SA 4828 的 TR IP 输出和 CAN 总线通讯接口电路, 用以触发不同的中断服务程序。
3. 4 CAN 总线通讯接口控制器局部网(CAN - Con tro ller A rea N et2 wo rk) 属于现场总线范畴, 它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。
它可以根据优先权进行总线访问, 系统配置灵活, 信息传输快速可靠。
由于该系统可以实现故障节点的自动脱离, 确保整个网络的稳定, 因此在现代电动车辆上都开始广泛采用CAN 总线通讯形式。
辅助变频器的通讯接口属于整车系统CAN 总线上的 1 个节点, 系统硬件主要包括 CAN 总线控制器SJA 1000 和 CAN 总线收发器 82C250, 它们与单片机共同完成数据交换和通信处理, 硬件连接如图 4 所示。
图 4 CAN 总线通讯接口电路结构系统工作时, CAN 总线控制器SJA 1000 从 CAN 总线接收上位机发出的命令和数据, 以中断方式通知单片机 89C51。
单片机启动数据采集程序, 将当前的运行数据经 CAN 总线控制器发送给整车系统接收。
整车系统通过各种数据监视逆变器运行状况, 并根据情况通过 CAN 总线发送命令调整辅助变频器的运行参数。
4 软件设计辅助逆变器的控制软件由 8051 汇编语言编制, 在完成其控制功能外, 力求程序的合理与简化, 以适应电动汽车对系统稳定性和可靠性的要求, 控制流程如图 5 所示。
图 5 控制流程图逆变器上电运行后, 单片机 89C51 首先对 SA 4828 芯片进行数据初始化, 然后根据负载电机的特点运行电机软启动程序, 不断修改 SA 4828 控制寄存器的数据, 逐渐升高三相电压输出(或同时根据需要逐渐升高频率输出)。
电压 (频率) 达到预定工作点后, 辅助变频器即进入稳定运行状态。
此时程序将始终循环检测 2 个项目: ①各电路的电压、电流是否正常, 即根据运行情况程序自动调整三相(或某相) 输出电压波形幅值; ②控制参数是否发生改变, 这种情况是由于整车系统经总线通讯接口修改了单片机内部的控制参数, 则控制程序根据新的数据改变输出电压或频率。
此外, 控制程序包括 2 个中断服务程序: ① CAN 总线通讯程序( IN T 1) , CAN 总线通讯接口接收到整车系统发出的命令和数据, 通过中断方式通知 89C51, 完成系统数据采集和控制参数设定的功能; ②故障保护程序 ( IN T 0) , 当三相逆变电路发生故障时, EXB841 驱动芯片立即发出故障信号, SA 4828 芯片在第一时间关断 PWM 输出, 并触发单片机 IN T 0 中断, 执行故障保护程序, 单片机在停止各芯片工作的同时, 通过CAN 总线通知整车系统发生故障, 并最后完成辅助逆变器的安全关机。
5 结语实验结果显示, 辅助逆变器在 330～ 400 V 的直流电压输入条件下运行稳定, 始终保持220 V 的三相交流电压输出。
三相负载不平衡度达到 35% 时, 仍能维持三相电压不平衡度< 1% , 满足使用要求。