07純電動汽車與電源變換器第七章純電動汽車與電源變換器7-1純電動汽車7-2電源變換器7-3汽車中的電力電子器件純電動汽車7-17-1純電動汽車純電動汽車的組成如圖7-1-1所示，主要包括電源系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、整車控制器和輔助系統(tǒng)等。動力蓄電池輸出電能，通過電機(jī)控制器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力，再通過減速機(jī)構(gòu)將動力傳送給驅(qū)動車輪，使車輛行駛。一、純電動汽車的組成7-1純電動汽車純電動汽車的電源系統(tǒng)主要由動力蓄電池、電池管理系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)、輔助蓄電池及車載充電機(jī)等組成，其作用是為驅(qū)動電機(jī)及其他用電裝置提供電能、監(jiān)測動力蓄電池使用情況以及控制充電設(shè)備向蓄電池充電。二、純電動汽車的電源系統(tǒng)7-1純電動汽車1.?動力蓄電池純電動汽車使用的動力蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鋰電池、燃料電池、超級電容器等。鉛酸蓄電池主要用于低速電動汽車，超級電容器主要用于城市公交車。目前，我國純電動汽車中，鋰電池的應(yīng)用最為廣泛（見圖1-1-2）。7-1純電動汽車（1）鋰電池鋰電池分為圓柱形和方形兩種，電池內(nèi)部為卷式結(jié)構(gòu)，由正極、負(fù)極和含鋰鹽的有機(jī)溶液組成（見圖7-1-3）。鋰電池在充放電過程中不消耗電解液，也不產(chǎn)生氣體，只是鋰離子在正負(fù)極之間移動，所以鋰電池可以做成完全封閉式，其優(yōu)點(diǎn)是充電效率高、能量密度大、使用壽命長。7-1純電動汽車2）燃料電池燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池及其應(yīng)用如圖7-1-4所示。7-1純電動汽車2.?電池管理系統(tǒng)（BMS）電池管理系統(tǒng)主要由檢測模塊、均衡電源模塊和控制模塊三部分組成，其基本功能如下。（1）電池狀態(tài)監(jiān)測：一般是指對電池電壓、電流及溫度進(jìn)行監(jiān)測。（2）電池狀態(tài)分析：一般是指對電池剩余電量和電池老化程度進(jìn)行評估。（3）電池安全保護(hù)：一般是指對電池的過流、過充、過放、過熱等進(jìn)行保護(hù)。（4）能量控制管理：一般是指對電池的充電、放電和均衡控制進(jìn)行管理。（5）電池信息管理：電池信息管理包括電池的信息顯示、系統(tǒng)內(nèi)外信息的交換和儲存。7-1純電動汽車?yán)?，每輛特斯拉電動汽車使用約8000節(jié)小容量鋰電池組成電池組，如圖7-1-5a所示。7-1純電動汽車特斯拉電動汽車電池組中的每一個單體電池都連接著一個熱敏電阻以及一系列光導(dǎo)纖維，并分別連接到相應(yīng)的監(jiān)控器。當(dāng)某一個單體電池溫度超限時，熱敏電阻輸出信號至電池監(jiān)控器，電池冷卻系統(tǒng)隨之起動。冷卻管道曲折分布在電池之間，管道兩端既是進(jìn)液口，也是出液口（見圖7-1-5b），冷卻液雙向流動，提高了散熱能力，保證了單體電池間溫度的均一性，從而降低整體的平均溫度。當(dāng)汽車發(fā)生激烈碰撞時，電池組與電機(jī)的能量傳輸路徑被立即阻斷，電池組外保護(hù)層將保護(hù)電池組免受碰撞影響。7-1純電動汽車3.?高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)（1）高壓系統(tǒng)的組成電動汽車高壓系統(tǒng)是指電動汽車內(nèi)部與動力蓄電池直流母線相連或由動力蓄電池電源驅(qū)動的高壓驅(qū)動零部件系統(tǒng)，其組成框圖如圖7-1-6所示。7-1純電動汽車1）動力蓄電池為車輛提供高壓電能，充電時儲存電能，如圖7-1-7所示。7-1純電動汽車2）高壓控制盒（PDU，也稱高壓配電箱）為高壓系統(tǒng)中各個零部件進(jìn)行電能分配。圖7-1-8所示為三合一高壓電控總成（包含高壓分配器、DC/DC變換器、電機(jī)控制器等）。7-1純電動汽車3）驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，為車輛行駛提供驅(qū)動力（見圖7-1-9）。4）電機(jī)控制器控制動力電源與驅(qū)動電機(jī)之間的能量傳輸（見圖7-1-10）。7-1純電動汽車5）空調(diào)壓縮機(jī)為空調(diào)制冷循環(huán)提供動力（見圖7-1-11）。6）PTC加熱器為空調(diào)加熱系統(tǒng)提供熱能（見圖7-1-12）。7-1純電動汽車7）車載充電機(jī)（OBC）將220V交流電轉(zhuǎn)換成直流電，為動力蓄電池補(bǔ)充電能（見圖7-1-13）。8）交流充電接口。輸入高壓交流電，經(jīng)交流充電接口轉(zhuǎn)化為高壓直流電后，再經(jīng)PDU為動力蓄電池充電（見圖7-1-14）。7-1純電動汽車9）直流充電接口。輸入高壓直流電，經(jīng)直流充電接口直接為動力蓄電池充電（見圖7-1-14）。10）DC/DC變換器將動力蓄電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，為車輛低壓電路提供電源（見圖7-1-15）。7-1純電動汽車（2）低壓系統(tǒng)電動汽車低壓系統(tǒng)是指由12V或24V低壓直流電源供電的零部件系統(tǒng)。一方面為燈光、儀表、車身附件等常規(guī)低壓電器供電；另一方面為整車控制器、高壓電氣設(shè)備的控制電路和輔助部件供電。電動汽車與燃油汽車的低壓系統(tǒng)相比，主要區(qū)別在于燃油汽車的輔助蓄電池是由與發(fā)動機(jī)相連的發(fā)電機(jī)充電，而電動汽車的輔助蓄電池則是由動力蓄電池通過DC/DC變換器充電（見圖7-1-16）。7-1純電動汽車純電動汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器組成，由于電動汽車的驅(qū)動電機(jī)與常規(guī)的工業(yè)驅(qū)動電機(jī)不同，工業(yè)驅(qū)動電機(jī)通常優(yōu)化在額定的工作點(diǎn)，而電動汽車的驅(qū)動電機(jī)必須適應(yīng)一系列的特殊要求，如頻繁的起動、停車、加速、減速，速或者爬坡時要求高轉(zhuǎn)矩，并要求變速范圍大等。電動汽車所使用的電動機(jī)主要有直流電動機(jī)、永磁無刷直流電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)、異步電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)等。三、純電動汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)7-1純電動汽車1.?直流電動機(jī)根據(jù)磁場來源不同，直流電動機(jī)分為永磁式和繞組勵磁式兩類。永磁式直流電動機(jī)按有無換向電刷，又分為有刷和無刷兩種。繞組勵磁式直流電動機(jī)按勵磁方式不同，又分為他勵式、并勵式、串勵式、復(fù)勵式四種。電動汽車所使用的直流電動機(jī)主要是他勵式直流電動機(jī)（包括永磁式直流電動機(jī)）串勵式直流電動機(jī)、復(fù)勵式直流電動機(jī)三種。7-1純電動汽車2.?永磁無刷直流電動機(jī)永磁無刷直流電動機(jī)用電子換向裝置取代了有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置（見圖7-1-17），克服了有刷直流電動機(jī)機(jī)械換向帶來的一系列缺點(diǎn)，是最理想的調(diào)速電動機(jī)之一，在電動汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。7-1純電動汽車（1）永磁無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖7-1-18a所示為三相無刷直流電動機(jī)，定子是電動機(jī)的靜止部分，主要由定子鐵芯和繞組線圈組成，轉(zhuǎn)子由高磁能永磁材料制成。為了減小電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩脈動，通常將定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極數(shù)同步加倍，如圖7-1-18b所示，A1X1

和A2X2

串聯(lián)構(gòu)成A相，這樣在通電時會同時產(chǎn)生磁通，使轉(zhuǎn)矩脈動減小。7-1純電動汽車（2）永磁無刷直流電動機(jī)的工作原理永磁無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)主要由電動機(jī)本體、電子換向器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成，如圖7-1-19所示。7-1純電動汽車3.?開關(guān)磁阻電動機(jī)（1）開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電動機(jī)主要由雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子組成，如圖7-1-20所示。定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)并不相等。定子極上繞有集中繞組，把徑向相對的兩個繞組串聯(lián)成為“一相”；轉(zhuǎn)子既無繞組，又無永磁體，僅由硅鋼片疊成。7-1純電動汽車（2）開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理下面以圖7-1-21所示四相8/6極開關(guān)磁阻電動機(jī)為例，介紹開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理。圖中，S1、S2為電子開關(guān)。7-1純電動汽車開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由開關(guān)磁阻電動機(jī)本體和控制系統(tǒng)兩部分組成，而控制系統(tǒng)主要由功率變換器、電流檢測器、位置檢測器、控制器等組成，如圖7?1?22所示。7-1純電動汽車4.?異步電動機(jī)異步電動機(jī)是由定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種交流電動機(jī)。異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來分，有籠型和繞線型；按定子繞組相數(shù)來分，有單相、三相等。在電動汽車中，主要使用三相籠型異步電動機(jī)。7-1純電動汽車（1）三相籠型異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7-1-23所示，三相籠型異步電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。7-1純電動汽車（2）三相籠型異步電動機(jī)的工作原理三個對稱繞組互成120°嵌入鐵芯槽中，并以星形連接，當(dāng)通入三相交流電時，在三個繞組中會產(chǎn)生同樣按正弦規(guī)律變化的旋轉(zhuǎn)磁場（設(shè)轉(zhuǎn)速為no）。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，因此轉(zhuǎn)子繞組中便有感應(yīng)電流流過，繞組中的感應(yīng)電流同時又受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，于是轉(zhuǎn)子就沿著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)起來（設(shè)轉(zhuǎn)速為no），如圖7-1-24所示。7-1純電動汽車異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n必定小于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0（又稱同步轉(zhuǎn)速），如果n=n0，則轉(zhuǎn)子和磁場之間沒有相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流，不能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)就不能轉(zhuǎn)動。由此可見，n<n0是異步電動機(jī)工作的必要條件，所以稱其為異步電動機(jī)。又由于這類電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電流是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，故又稱其為感應(yīng)電動機(jī)。7-1純電動汽車若交流電頻率為f，則旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0=60f（r/min）。如果旋轉(zhuǎn)磁場有兩對磁極，當(dāng)電流變化一周時，磁場只轉(zhuǎn)過半周。以此類推，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有P

對磁極時，磁場的轉(zhuǎn)速為旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0

與n

之差稱為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差Δn

與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0之比稱為轉(zhuǎn)差率，用S

表示，即電動機(jī)轉(zhuǎn)速的計算式為由以上分析可知，對于籠型交流異步電動機(jī)，通過改變定子繞組極對數(shù)或改變定子電源頻率都可以達(dá)到調(diào)速的目的。7-1純電動汽車5.?電機(jī)控制器電機(jī)控制器是控制動力電源與驅(qū)動電機(jī)之間能量傳輸?shù)难b置，主要由電子控制模塊、驅(qū)動模塊、功率變換模塊和各種傳感器組成。其功能是從動力蓄電池獲得電能，經(jīng)逆變器調(diào)制后，提供給驅(qū)動電機(jī)所需要的電壓和電流，滿足車輛對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等在各種工況下的要求。（1）電子控制模塊電子控制模塊對電機(jī)電流、電壓、轉(zhuǎn)速、溫度等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，與整車各控制單元交互傳輸信息，根據(jù)不同電機(jī)的控制要求進(jìn)行相應(yīng)的計算。7-1純電動汽車（2）驅(qū)動模塊驅(qū)動模塊將微處理器輸出的控制信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電源變換器的信號。（3）功率變換模塊功率變換模塊對電機(jī)電流進(jìn)行控制，常用功率器件有大功率晶體管、門極可關(guān)斷晶體管、功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）以及智能功率模塊等。（4）傳感器傳感器包括電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器和位置傳感器等。電源變換器7-27-2電源變換器DC/DC變換器的作用是將動力蓄電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，為車輛低壓電路提供電源。由于電動汽車無燃油發(fā)動機(jī)，無法利用交流發(fā)電機(jī)供電，所以大率DC/DC變換器是必不可少的設(shè)備。下面以圖7-2-1所示電路為例，講解DC/DC變換器的工作原理。一、直流/直流（DC/DC）變換器7-2電源變換器1.?降壓型DC/DC變換器開關(guān)調(diào)整管（簡稱開關(guān)管）V1與負(fù)載RL串聯(lián)，對輸出直流電壓起穩(wěn)定和調(diào)節(jié)作用?；鶞?zhǔn)電壓電路提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓UR，IC1對取樣電壓uF

與基準(zhǔn)電壓UR

的差值進(jìn)行放大，其輸出電壓uA

送到電壓比較器IC2的同相輸入端。振蕩器產(chǎn)生一個頻率固定的三角波uT，它決定了電源的開關(guān)頻率。uT

送到電壓比較器IC2的反相輸入端，與uA進(jìn)行比較。當(dāng)uA>uT

時，IC2輸出電壓uB

為高電平，開關(guān)管V1飽和導(dǎo)通；當(dāng)uA<uT

時，輸出電壓uB

為低電平，開關(guān)管V1截止。uA、uT

和uB

的波形如圖7-2-2a、b所示。7-2電源變換器7-2電源變換器設(shè)開關(guān)管的導(dǎo)通時間為ton，截止時間為toff（見圖7-2-2c），脈沖波形的占空比定義為當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，忽略飽和壓降，uE≈Ui，則輸出電壓平均值為電路采取LC濾波，V2為續(xù)流二極管。當(dāng)開關(guān)管V1導(dǎo)通時，二極管V2截止；當(dāng)V1截止時，電感L的自感電動勢eL

極性如圖7-2-2c所示。自感電動勢eL

加在RLV2的回路上，二極管V2導(dǎo)通（電容C同時放電），負(fù)載RL中繼續(xù)保持原方向電流。續(xù)流濾波波形如圖7-2-2d所示。7-2電源變換器假設(shè)輸出電壓Uo

升高，取樣電壓同時增大，比較放大器IC1輸出電壓uA下降，開關(guān)管V1導(dǎo)通時間ton

減小，占空比q減小，輸出電壓Uo

隨之減小，結(jié)果使Uo

基本不變。調(diào)節(jié)過程可用下式表示以上控制過程是在保持開關(guān)管開關(guān)周期T不變的情況下，通過改變其導(dǎo)通時間ton來調(diào)節(jié)脈沖占空比，調(diào)整輸出電壓的平均值，從而實現(xiàn)DC/DC變換，這種開關(guān)控制方式稱為脈寬調(diào)制（PWM），其簡化電路如圖7-2-3所示。串聯(lián)型DC/DC變換器的輸出電壓總是小于輸入電壓，所以又稱其為降壓型DC/DC變換器。7-2電源變換器7-2電源變換器2.?升壓型DC/DC變換器升壓型DC/DC變換器簡化電路如圖7-2-4a所示，開關(guān)管V1與負(fù)載RL并聯(lián)。當(dāng)PWM電路輸出高電平時，開關(guān)管V1飽和導(dǎo)通，集電極電位近似為零，電感L儲能，續(xù)流二極管V2截止，電容C對負(fù)載RL放電，等效電路如圖7-2-4b所示。當(dāng)PWM電路輸出低電平時，開關(guān)管V1截止，電感L產(chǎn)生自感電動勢，與輸入電壓Ui相加后通過二極管V2對電容C充電，等效電路如圖7-2-4c所示。并聯(lián)型DC/DC變換器的輸出電壓總是大于輸入電壓，所以又稱其為升壓型DC/DC變換器。電感越大，儲能時間越長，輸出電壓就越大于輸入電壓。電容越大，則輸出電壓的脈動越小。7-2電源變換器DC/AC變換器也稱逆變器，其作用是把固定直流電變換為固定或可調(diào)的交流電。使用交流電動機(jī)或無刷電動機(jī)的電動汽車必須配置DC/AC變換器。二、直流/交流（DC/AC）變換器7-2電源變換器1.?“逆變”控制原理圖7-2-5所示為電動汽車“逆變”控制原理圖。V1～V6共6只功率場效應(yīng)管作為開關(guān)管構(gòu)成逆變整流電路，控制三相繞組U、V、W的通電狀態(tài)。由霍爾傳感器采集的轉(zhuǎn)子位置信號，經(jīng)整形放大后輸入數(shù)字信號處理器（DSP），形成六路脈寬調(diào)制脈沖波，脈沖波經(jīng)隔離電路和反向驅(qū)動電路放大后，接入開關(guān)管V1～V6的控制柵極，按一定順序給各相繞組輪流通電。7-2電源變換器7-2電源變換器2.?繞組通電模式繞組通電模式有“兩兩導(dǎo)通”和“三三導(dǎo)通”兩種。圖7-2-6所示為定子繞組“兩兩導(dǎo)通”工作原理圖，開關(guān)管“兩兩導(dǎo)通”工作狀態(tài)如圖7-2-7所示。7-2電源變換器汽車中的電力電子器件7-37-3汽車中的電力電子器件在電力晶體管中，空穴和電子兩種載流子都參與導(dǎo)電，故又稱雙極型電力晶體管。大功率電力晶體管如圖7-3-1所示。電力晶體管的電流放大倍數(shù)和穿透電流都比小功率晶體管小得多，熱穩(wěn)定性好。在電路中工作于開關(guān)狀態(tài)，雖然傳輸功率大，但自身損耗小。一、電力晶體管（GTR）7-3汽車中的電力電子器件電力場效應(yīng)管只有一種極性的載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電，故又稱單極型電力晶體管。與小功率場效應(yīng)管類似，它也分絕緣柵型和結(jié)型兩大類，其中絕緣柵型由于制造工藝簡單，便于實現(xiàn)集成化，應(yīng)用更為廣泛。絕緣柵型場效應(yīng)管（MOSFET）也有N溝道和P溝道兩類，每一類又可分增強(qiáng)型和耗盡型兩種，因此，共有四種類型，其圖形符號見表7-3-1。二、電力場效應(yīng)管（MOSFET）7-3汽車中的電力電子器件7-3汽車中的電力電子器件場效應(yīng)管的3個引腳分別為源極（S）、柵極（G）和漏極（D），分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極、基極和集電極。D極和S極之間為三段斷續(xù)線表示增強(qiáng)型，為連續(xù)線表示耗盡型。一般來說，耗盡型場效應(yīng)管多用于放大，增強(qiáng)型場效應(yīng)管多用于開關(guān)。與普通晶體管相比，場效應(yīng)管具有以下特點(diǎn)。1.場效應(yīng)管是電壓控制器件（用柵極電壓控制漏極電流），輸入電阻極高，驅(qū)動功率很??；而普通晶體管是電流控制器件，輸入電阻低，驅(qū)動功率大。2.開關(guān)速度快，工作頻率高。3.因為少數(shù)載流子不參與導(dǎo)電，其熱穩(wěn)定性優(yōu)于雙極型電力晶體管。但由于電力場效應(yīng)管電流容量小、導(dǎo)通壓降大、耐壓低，所以只適用于小功率電力電子裝置。7-3汽車中的電力電子器件1.?絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和特性絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種典型的雙極復(fù)合型功率器件。它將單極型絕緣柵電力場效應(yīng)管（MOSFET）和雙極型電力晶體管（GTR）集成在同一個芯片中，兼有MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好和GTR的低飽和電壓、大電流等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電力電子等領(lǐng)域（如調(diào)速、變頻電源等）。三、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7-3汽車中的電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的等效電路、圖形符號和輸出特性見表7-3-2。7-3汽車中的電力電子器件一單元、兩單元、六單元IGBT的結(jié)構(gòu)如圖7-3-2所示。7-3汽車中的電力電子器件圖7-3-3所示為兩單元IGBT模塊實物圖和接線圖，模塊內(nèi)部有兩個IGBT功率開關(guān)管。7-3汽車中的電力電子器件2.?IGBT在變頻器中的應(yīng)用變頻器是通過改變電動機(jī)工作電源頻率來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備，如圖7-3-4所示。7-3汽車中的電力電