电动汽车电机控制与驱动技术课件 项目七 电动汽车能量系统的电源变换装置
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CUK双向变换器
双向升降压
电容的使用降低了可靠性，输入输出极性相反，电 路结构稍显复杂
Sepic-Zeta双向变换器
双向升降压
电容的使用降低了可靠性，电路结构稍显复杂
第三节 DC/AC功率变换器
DC/AC逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一 种静止变流装置，供交流负荷用电或与交流电网并网发电。随着石油、煤和天然气 等主要能源的大量使用，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。利用新能源 的关键技术，逆变技术能将蓄电池、太阳电池和燃料电池等其他新能源转化的电能 变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着 至关重要的地位。
图 7-6 AC/DC 功率变换模块电路原理
第五节 电力变换装置在电动汽车上的应用
采用Boost电路作为最大功率跟踪电路，采用电流双象限变换器作为超级 电容与直流母线的连接通道，得到复合能源电动车系统总体硬件电路图。
图中的能源装置有太阳能电池、蓄电池和超级电容(UC)。M为电机，图77复合能源系统总体硬件电路Un（n为c、b、mppt）为电压传感器，In（n为c 、b、m、mppt）为电流传感器。
2）双向DC/DC变换器的应用
电动汽车中的电机是典型的有源负荷，电机根据驾驶员的不同指令，既可以工作 在电动状态又可以工作在再生发电状态，既可以吸收电池组电能将其转换成机械 能输出，也可以将机械能转换成电能反馈给电池组。由于电动汽车中的电机的转 速范围很宽，行驶过程中频繁加速、减速，而且在电动汽车运行过程中蓄电池电 压的变化范围也是很大的，在这样的条件下如果用蓄电池组直接驱动电机运转， 会造成电机驱动性能的恶化，使用直流／直流( DC/DC)变换器可以将蓄电池组的 电压在一定的负荷范围内稳定在一个相对较高的电压值，从而可以明显提高电机 的驱动性能。另一方面，DC/DC变换器又可以将电机制动时，由机械能转化而来 的电能回馈给蓄电池组，以可控的方式对蓄电池组进行充电，这对于电池电动汽 车有着非常重要的意义
项目七 电动汽车能量系统的电源变换装置
电动汽车电子设备常常是一个极为复杂的电子系统。这 个复杂的系统包含许多作用不同的功能模块，每个功能模 块对电源的要求不尽相同。各部分所需的功率等级、电压 高低、电流大小、安全可靠性、电磁兼容性等指标不同。 为了满足上述要求，电动汽车常使用各种功率变换器。目 前使用的功率变换器可分为AC/DC（或AC- DC）、DC/DC （或DC-DC）、DC/AC（或DC-AC）三种类型。他们分别 适用于各种不同的领域，其中使用最多的是前两种。
电路中VD1为防反充二极管，防止当负荷电压高于太阳能电池时对其反充电。 VD5为防蓄电池反接二极管，当蓄电池接反的时候，二极管VD5导通，产生大电流迅 速熔断熔丝，从而达到保护蓄电池的目的。Cl、C2为大容量滤波电容，电力开关管 VI2（这里采用的是IGBT）起开关的作用，连接辅助电源与主电池，通过控制其导 通 ／ 关 断 实 现 能 量 流 动 方 向 的 控 制 。 Boost 电 路 用 作 最 大 功 率 跟 踪 ， 电 流 双 象 限 DC/DC变换器在电动汽车起动或者加速时工作在降压状态（Buck电路），为电动汽 车提供瞬时大电流，在其他工况下工作于升压状态，由太阳（光伏）电池向超级电
电动汽车电机控制和驱动技术
项目一 电动汽车控制与驱动技术 项目二 直流电机类型及其控制技术 项目三 交流电机类型及其控制技术 项目四 永磁同步电动机类型及其控制技术 项目五 开关磁阻电机类型及其控制技术 项目六 续流增磁电机类型及其控制技术 项目七 电动汽车能量系统的电源变换装置 项目八 轮毂电机类型及其控制技术 项目九 电动汽车控制系统 项目十 电动汽车再生制动控制技术 项目十一 电动汽车电机控制和驱动系统的测试 项目十二 电动汽车电机控制和驱动系统试验标准
第二节 DC/DC变换器的种类与比较 按照功率转化类型，功率开关变换器可分为下列四种类型： （1) DC/DC（直流／直流）变换器；（2) DC/AC（直流／交流）变换器； （3) AC/AC（交流／交流）变换器；（4) AC/DC（交流／直流）变换器。
常见双向变换器功能及特点对比
变换器
功能
特点
电流双象限变换器
图 7-5 有源逆变与无源逆变的感念
第四节 AC/DC功率变换器结构和工作原理 AC/DC功率变换器（模块）的作用就是将交流电压如220V、110V转换成电子设 备需要的稳定直流电压，电动汽车中AC/DC的功能主要是将交流发电机发出的交流 电转换成直流电提供给用电器或储能设备储存。AC/DC功率变换模块电路的一般原 理如图7-6所示，图中Vref为参考电压，PWM为脉冲宽度调制式开关变换器。AC/DC 功率变换模块由输入滤波电路、全波整流和滤波电路、DC/DC变换电路、过电压和 过电流保护电路、控制电路和输出整流电路组成。整流电路的作用是将交流电压变 为直流脉冲电压，输入滤波电路的作用是使整流后的电压更加平滑，并将电网中的 杂波滤除以免对模块产生干扰，同时输入滤波器也阻止模块自身产生的干扰影响。 DC/DC变换电路和控制电路是模块的关键环节，由它实现直流电压的转换和稳压。
第一节 DC/DC功率变换器
1）DC/DC的功用
在电动汽车的电子系统和设备中，系统中的直流母线不可能满足性能 各异、种类繁多的元器件（包括集成组件）对直流电源的电压等级、稳定 性等要求。因而必须采用各种DC/DC功率变换模块来满足电子系统对直流 电源的各种需求。DC/DC变换模块的直流输入电源可来自系统中的电池， 也可来自直流总线。这种电源通常有48V、24V、12V或者其他数值，其电 压稳定性能差、且会有较高的噪声分量。
降压／升压
电流双象限、结构简单、应用成熟，同等功率条件下主开关管电压电流应力 小，电感易于优化设计
全桥变换器
降压／升压
四象限运行，应用于中大功率场合，结构复杂，所用元器件较多
T型双向升降压变换器 级联式升降压变换器
双向升降压 双向升降压
结构简单，输入输出极性相反，开关管应力大
开关管应力与电流双象限变换器相似，结构复杂， 所用器件多、成本高
CUK双向变换器
双向升降压
电容的使用降低了可靠性，输入输出极性相反，电 路结构稍显复杂
Sepic-Zeta双向变换器
双向升降压
电容的使用降低了可靠性，电路结构稍显复杂
第三节 DC/AC功率变换器
DC/AC逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一 种静止变流装置，供交流负荷用电或与交流电网并网发电。随着石油、煤和天然气 等主要能源的大量使用，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。利用新能源 的关键技术，逆变技术能将蓄电池、太阳电池和燃料电池等其他新能源转化的电能 变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着 至关重要的地位。
图 7-6 AC/DC 功率变换模块电路原理
第五节 电力变换装置在电动汽车上的应用
采用Boost电路作为最大功率跟踪电路，采用电流双象限变换器作为超级 电容与直流母线的连接通道，得到复合能源电动车系统总体硬件电路图。
图中的能源装置有太阳能电池、蓄电池和超级电容(UC)。M为电机，图77复合能源系统总体硬件电路Un（n为c、b、mppt）为电压传感器，In（n为c 、b、m、mppt）为电流传感器。
2）双向DC/DC变换器的应用
电动汽车中的电机是典型的有源负荷，电机根据驾驶员的不同指令，既可以工作 在电动状态又可以工作在再生发电状态，既可以吸收电池组电能将其转换成机械 能输出，也可以将机械能转换成电能反馈给电池组。由于电动汽车中的电机的转 速范围很宽，行驶过程中频繁加速、减速，而且在电动汽车运行过程中蓄电池电 压的变化范围也是很大的，在这样的条件下如果用蓄电池组直接驱动电机运转， 会造成电机驱动性能的恶化，使用直流／直流( DC/DC)变换器可以将蓄电池组的 电压在一定的负荷范围内稳定在一个相对较高的电压值，从而可以明显提高电机 的驱动性能。另一方面，DC/DC变换器又可以将电机制动时，由机械能转化而来 的电能回馈给蓄电池组，以可控的方式对蓄电池组进行充电，这对于电池电动汽 车有着非常重要的意义
项目七 电动汽车能量系统的电源变换装置
电动汽车电子设备常常是一个极为复杂的电子系统。这 个复杂的系统包含许多作用不同的功能模块，每个功能模 块对电源的要求不尽相同。各部分所需的功率等级、电压 高低、电流大小、安全可靠性、电磁兼容性等指标不同。 为了满足上述要求，电动汽车常使用各种功率变换器。目 前使用的功率变换器可分为AC/DC（或AC- DC）、DC/DC （或DC-DC）、DC/AC（或DC-AC）三种类型。他们分别 适用于各种不同的领域，其中使用最多的是前两种。
电路中VD1为防反充二极管，防止当负荷电压高于太阳能电池时对其反充电。 VD5为防蓄电池反接二极管，当蓄电池接反的时候，二极管VD5导通，产生大电流迅 速熔断熔丝，从而达到保护蓄电池的目的。Cl、C2为大容量滤波电容，电力开关管 VI2（这里采用的是IGBT）起开关的作用，连接辅助电源与主电池，通过控制其导 通 ／ 关 断 实 现 能 量 流 动 方 向 的 控 制 。 Boost 电 路 用 作 最 大 功 率 跟 踪 ， 电 流 双 象 限 DC/DC变换器在电动汽车起动或者加速时工作在降压状态（Buck电路），为电动汽 车提供瞬时大电流，在其他工况下工作于升压状态，由太阳（光伏）电池向超级电
电动汽车电机控制和驱动技术
项目一 电动汽车控制与驱动技术 项目二 直流电机类型及其控制技术 项目三 交流电机类型及其控制技术 项目四 永磁同步电动机类型及其控制技术 项目五 开关磁阻电机类型及其控制技术 项目六 续流增磁电机类型及其控制技术 项目七 电动汽车能量系统的电源变换装置 项目八 轮毂电机类型及其控制技术 项目九 电动汽车控制系统 项目十 电动汽车再生制动控制技术 项目十一 电动汽车电机控制和驱动系统的测试 项目十二 电动汽车电机控制和驱动系统试验标准
第二节 DC/DC变换器的种类与比较 按照功率转化类型，功率开关变换器可分为下列四种类型： （1) DC/DC（直流／直流）变换器；（2) DC/AC（直流／交流）变换器； （3) AC/AC（交流／交流）变换器；（4) AC/DC（交流／直流）变换器。
常见双向变换器功能及特点对比
变换器
功能
特点
电流双象限变换器
图 7-5 有源逆变与无源逆变的感念
第四节 AC/DC功率变换器结构和工作原理 AC/DC功率变换器（模块）的作用就是将交流电压如220V、110V转换成电子设 备需要的稳定直流电压，电动汽车中AC/DC的功能主要是将交流发电机发出的交流 电转换成直流电提供给用电器或储能设备储存。AC/DC功率变换模块电路的一般原 理如图7-6所示，图中Vref为参考电压，PWM为脉冲宽度调制式开关变换器。AC/DC 功率变换模块由输入滤波电路、全波整流和滤波电路、DC/DC变换电路、过电压和 过电流保护电路、控制电路和输出整流电路组成。整流电路的作用是将交流电压变 为直流脉冲电压，输入滤波电路的作用是使整流后的电压更加平滑，并将电网中的 杂波滤除以免对模块产生干扰，同时输入滤波器也阻止模块自身产生的干扰影响。 DC/DC变换电路和控制电路是模块的关键环节，由它实现直流电压的转换和稳压。
第一节 DC/DC功率变换器
1）DC/DC的功用
在电动汽车的电子系统和设备中，系统中的直流母线不可能满足性能 各异、种类繁多的元器件（包括集成组件）对直流电源的电压等级、稳定 性等要求。因而必须采用各种DC/DC功率变换模块来满足电子系统对直流 电源的各种需求。DC/DC变换模块的直流输入电源可来自系统中的电池， 也可来自直流总线。这种电源通常有48V、24V、12V或者其他数值，其电 压稳定性能差、且会有较高的噪声分量。
降压／升压
电流双象限、结构简单、应用成熟，同等功率条件下主开关管电压电流应力 小，电感易于优化设计
全桥变换器
降压／升压
四象限运行，应用于中大功率场合，结构复杂，所用元器件较多
T型双向升降压变换器 级联式升降压变换器
双向升降压 双向升降压
结构简单，输入输出极性相反，开关管应力大
开关管应力与电流双象限变换器相似，结构复杂， 所用器件多、成本高