《電力電子應(yīng)用技術(shù)-設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)踐（微課版）》任務(wù)5 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)踐

電力電子技術(shù)系列課程電力電子技術(shù)·PowerElectronics第5章電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)踐2024/6/28電力電子技術(shù)目錄2.直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)3.電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)5.永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真1.帶隔離的直流-直流變換電路4.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真6.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)踐調(diào)試項(xiàng)目3電動(dòng)汽車(chē)電控系統(tǒng)時(shí)代背景項(xiàng)目簡(jiǎn)介能源可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)是21世紀(jì)全球面臨的重大挑戰(zhàn)，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境兩大戰(zhàn)略極大地促進(jìn)了新型汽車(chē)技術(shù)的迅速發(fā)展。汽車(chē)自產(chǎn)生以來(lái)，為人類(lèi)提供了諸多便利。而汽車(chē)能源消耗是造成大氣污染和溫室效應(yīng)的主要原因，也是造成全球石油危機(jī)的重要原因。面對(duì)嚴(yán)峻的形勢(shì)，新型節(jié)能環(huán)保型汽車(chē)的研發(fā)得到了各國(guó)政府和汽車(chē)公司的高度關(guān)注和大力支持，電動(dòng)汽車(chē)(ElectricVehicle，EV)已成為汽車(chē)能源動(dòng)力轉(zhuǎn)型的優(yōu)先選擇。綠色發(fā)展是二十大精神的核心要求之一。電動(dòng)汽車(chē)代表了汽車(chē)行業(yè)的創(chuàng)新。相比燃油汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)的尾氣排放更低，可以減少空氣污染和溫室氣體排放，推動(dòng)綠色出行實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。項(xiàng)目3電動(dòng)汽車(chē)電控系統(tǒng)時(shí)代背景圖3-1純電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目簡(jiǎn)介電動(dòng)汽車(chē)又可以分為純電動(dòng)汽車(chē)(蓄電池電動(dòng)汽車(chē))、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)。在這三種電動(dòng)汽車(chē)中，純電動(dòng)汽車(chē)由于其零排放、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能源來(lái)源便捷等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來(lái)越多的人接受。純電動(dòng)汽車(chē)配套設(shè)施如充電樁等也在緊鑼密鼓的布局之中。純電動(dòng)汽車(chē)一般采用高效率充電動(dòng)力電池作為動(dòng)力源，不需要內(nèi)燃機(jī)，因此其電機(jī)相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力電池相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的油箱，如圖3-1所示，電控、電機(jī)、電池是電動(dòng)汽車(chē)的三大關(guān)鍵技術(shù)。其中動(dòng)力電池儲(chǔ)電量是有限的；提升電機(jī)的效率，降低電機(jī)的耗電量，則可以增加蓄電池的使用時(shí)長(zhǎng)。5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路1.電路組成與工作原理①隔離變壓器有三個(gè)繞組：原邊繞組W1,匝數(shù)為N1；副邊繞組W2，匝數(shù)為N2；復(fù)位繞組W3,匝數(shù)為N3。繞組中標(biāo)有“·”的一端為同名端。（a）降壓斬波電路

（b）正激變換電路圖3-2正激變換電路演變過(guò)程直流降壓變換電路在虛線(xiàn)位置處增加隔離變壓器，變動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的位置，使其發(fā)射極與電源的地相連，即可得到正激變換電路，如圖3-

2所示。有復(fù)位繞組的單開(kāi)關(guān)正激變換電路由電源E、隔離變壓器T,開(kāi)關(guān)S,二極管VD1~VD3、濾波電感L和電容C負(fù)載電阻RL等組成，如圖3-

2所示。組成②電路中隔離變壓器不僅起電氣隔離作用，還起儲(chǔ)能電感作用。③濾波電感L,電容C和續(xù)流二極管VD2保證了輸出電流的連續(xù)和平穩(wěn)。④開(kāi)關(guān)S可選用IGBT等全控型電力電子器件。分析5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路（a）S導(dǎo)通（b)關(guān)斷ivd3電流方向畫(huà)反圖3-3正激變換電路的工作過(guò)程電路分析:一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電路的工作過(guò)程如圖3-3所示,電路工作波形如圖3-4所示,具體分析如下:t0~t1期間:①t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，工作過(guò)程變壓器原邊繞組W1中產(chǎn)生上正下負(fù)的電壓uw1，同時(shí)將能量傳遞到副邊繞組②根據(jù)變壓器同名端的關(guān)系，副邊繞組W2中也產(chǎn)生上正下負(fù)的電壓uw2，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止③電感L中的電流iL逐漸增大，能量提供給負(fù)載④復(fù)位繞組W3的電壓uw3極性是上負(fù)下正，二極管VD3承受反壓而截止。t1~t2期間:①t1時(shí)刻，開(kāi)關(guān)S截止，電壓uw1、uw2變?yōu)樯县?fù)下正，二極管VD1截止②電感L中電流iL通過(guò)二極管VD2續(xù)流并逐漸下降，儲(chǔ)存在電感中的能量釋放給負(fù)載③根據(jù)同名端的關(guān)系，復(fù)位繞組W3電壓uw3為上正下負(fù)，二極管VD3導(dǎo)通，變壓器原邊儲(chǔ)存的能量經(jīng)復(fù)位繞組W3和二極管VD3流回電源端5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路①開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，變壓器的勵(lì)磁電流由零開(kāi)始增加，且隨著時(shí)間的推移線(xiàn)性增長(zhǎng)。②開(kāi)關(guān)S關(guān)斷到下次再導(dǎo)通時(shí)，勵(lì)磁電流必須下降到零。③否則，在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，勵(lì)磁電流將在本周期結(jié)束時(shí)的剩余值的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，并在以后的開(kāi)關(guān)周期中不斷累積，最后使變壓器磁芯飽和。④磁芯飽和后變壓器繞組電流將會(huì)迅速增大而損壞電路中的開(kāi)關(guān)器件。圖3-4正激變換電路的工作波形關(guān)于變壓器的磁芯復(fù)位問(wèn)題5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路PWM控制器TL494構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源如圖3-5所示,主電路為正激變換電路,開(kāi)關(guān)頻率100kHz,輸出功率150W,具體工作原理分析查閱相關(guān)資料。圖3-5TL494構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路應(yīng)用案例5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路②在濾波電感L電流不連續(xù)的情況下，輸出電壓U。隨負(fù)載電流減小而升高,在負(fù)載為零的極限情況下：U0=(N2/N1)E#(3-2)④如圖3-4所示,t1~tr期間，開(kāi)關(guān)S承受的電壓為：us=(1+N1/N3)E#(3-3)2.數(shù)量關(guān)系分析①在濾波電感L電流連續(xù)的情況下，輸出電壓：Uo=(N1/N2)(ton/T)kE#(3-1)式中:k——占空比；N1、N2

——變壓器繞組W1、W2的匝數(shù)。③從開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)到繞組W3的電流下降到零的時(shí)間：

tr=(N3/N1)ton#(3-3)⑤tr~t2期間，開(kāi)關(guān)S承受的電壓為：

Us=E#(3-4)式中N1、N3--變壓器繞組W1、W3的匝數(shù)5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路正激變換電路具有電路簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于較小功率的開(kāi)關(guān)電源中。由于其變壓器鐵芯工作點(diǎn)只在其磁化曲線(xiàn)的第一象限，變壓器鐵芯未得到充分利用。在對(duì)開(kāi)關(guān)電源體積、質(zhì)量和效率要求較高時(shí)，不適合采用正激變換電路。電路組成與工作原理圖3-6反激變換電路分析：開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)，根據(jù)變壓器副邊繞組中的電流是否為零，反激變換電路存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式。說(shuō)明：將直流升降壓變換電路中的儲(chǔ)能電感更換為變壓器繞組,整理繞組電感的同名端和開(kāi)關(guān)的位置后得到反激變換電路,如圖3-6所示引入組成：它由電源E、隔離變壓器T、開(kāi)關(guān)S、二極管VD1和VD2、濾波電感L和電容C、負(fù)載電阻RL等組成。5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路（1）電流連續(xù)工作模式to~t1期間:to時(shí)刻,開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通,根據(jù)繞組間同名端關(guān)系,副邊繞組W2上的電壓極性為上負(fù)下正

二極管VD1反向偏置而截止,變壓器原邊電流is線(xiàn)性增長(zhǎng),變壓器儲(chǔ)能增加。(a)S導(dǎo)通（b)S關(guān)斷圖3-7反激變換電路電流連續(xù)時(shí)工作過(guò)程圖3--8反激變換電路電流連續(xù)時(shí)工作波形一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電路的工作過(guò)程如圖3-7所示，電路工作波形如圖3-8所示分析t1~t2期間:t1時(shí)刻,開(kāi)關(guān)S關(guān)斷,副邊繞組W2上的電壓極性為上正下負(fù)

二極管VD1導(dǎo)通,電流is被切斷,變壓器在to~t1時(shí)段儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量通過(guò)變壓器副邊繞組W2和二極管VD1向負(fù)載釋放。5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路（1）電流連續(xù)工作模式to~t1期間:to時(shí)刻,開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通,根據(jù)繞組間同名端關(guān)系,副邊繞組W2上的電壓極性為上負(fù)下正

二極管VD1反向偏置而截止,變壓器原邊電流is線(xiàn)性增長(zhǎng),變壓器儲(chǔ)能增加。(a)S導(dǎo)通（b)S關(guān)斷圖3-7反激變換電路電流連續(xù)時(shí)工作過(guò)程圖38反激變換電路電流連續(xù)時(shí)工作波形一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電路的工作過(guò)程如圖3-7所示，電路工作波形如圖3-8所示分析t1~t2期間:t1時(shí)刻,開(kāi)關(guān)S關(guān)斷,副邊繞組W2上的電壓極性為上正下負(fù)

二極管VD1導(dǎo)通,電流is被切斷,變壓器在to~t1時(shí)段儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量通過(guò)變壓器副邊繞組W2和二極管VD1向負(fù)載釋放。5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電路的工作過(guò)程如圖3-

9所示，電路工作波形如圖3-

10所示，具體分析如下：to~t1期間:變壓器儲(chǔ)能過(guò)程同上。t1~t2期間:變壓器釋能過(guò)程同上。t2時(shí)刻,變壓器中的磁場(chǎng)能量釋放完畢,二極管VD1截止。t2~t3期間:變壓器原邊繞組W1和副邊繞組W2中電流均為零,電容C向負(fù)載提供能量。（2）電流斷續(xù)工作模式圖3-9反激變換電路電流斷續(xù)時(shí)工作過(guò)程圖3-10反激變換電路電流斷續(xù)時(shí)工作波形分析5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路應(yīng)用案例單端輸出式脈寬調(diào)制器UC3842構(gòu)成的反激變換式開(kāi)關(guān)電源電路如圖3-11所示。電路工作過(guò)程分析查閱相關(guān)資料。圖3-11UC3842構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路2.數(shù)量關(guān)系5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路③反激變換電路工作中變壓器繞組W1和W2不會(huì)同時(shí)有電流流過(guò),不存在磁動(dòng)勢(shì)相互抵消的可能，因此變壓器磁芯的磁通密度取決于繞組中電流的大小。電流斷續(xù)模式時(shí)，變壓器磁芯的利用率較高、較合理。因此，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證反激變換電路工作在電流斷續(xù)方式。②反激變換電路的輸入輸出電壓關(guān)系和升降壓變換電路差別也僅在于變壓器的變比，但反激電路輸入輸出電壓極性相同，升降壓變換電路的輸入輸出電壓極性相反。①電路工作在電流連續(xù)模式時(shí),輸出電壓:U0=(N2/N1)(ton/toff)E=(N2/N1)[k/(1-k)]E#(3-5)式中:k--占空比；N1、N2

——變壓器繞組W1、W2的匝數(shù)。④開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)其兩端承受電壓：Us=E+(N1/N2)U0#(3-6)N2式中:U0——輸出電壓；N1、N2

——變壓器繞組W1、W2的匝數(shù)。分析5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路推挽變換電路實(shí)際上就是由兩個(gè)正激變換電路組成的,只是它們工作的相位相反。在每個(gè)周期中,兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S1和S2交替導(dǎo)通和截止,在各自導(dǎo)通的半個(gè)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)管分別將能量傳遞給負(fù)載，故稱(chēng)為“推挽”變換電路。圖3-12推挽變換電路推挽變換電路由電源E、隔離變壓器T、開(kāi)關(guān)S1和S2、整流二極管VD1和VD2、濾波電感L和電容C、負(fù)載電阻RL等組成,如圖3-12所示。變壓器具有中間抽頭,原邊繞組W11、W12匝數(shù)相等,均為N1;副邊繞組W21、W22匝數(shù)也相等,均為N2。繞組間同名端如圖3-12中“·”所示。二極管VD1、VD2構(gòu)成全波整流電路,濾波電感L、電容C保證輸出電流的連續(xù)和平穩(wěn)。組成補(bǔ)充總結(jié)5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路推挽變換電路也存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式。電路工作于電流連續(xù)模式時(shí)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電路的工作過(guò)程如圖3-

13所示，工作波形如圖3-

14所示。圖3-13推挽變換電路的工作過(guò)程圖3-14推挽變換電路的工作波形5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路推挽變換電路中,如果S1和S2同時(shí)導(dǎo)通,就相當(dāng)于變壓器一次繞組短路。為避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通,每個(gè)開(kāi)關(guān)各自的占空比不能超過(guò)50%,并留有一定的裕量。工作分析t0~t1期間：開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通,電源電壓E加到原邊繞組W11兩端。根據(jù)繞組間同名端關(guān)系,變壓器兩個(gè)副邊的電壓極性均為上正下負(fù),二極管VD1正向偏置導(dǎo)通,二極管VD2反向偏置截止,電感L電流i流經(jīng)副邊繞組W21線(xiàn)性上升。t1~t2期間：開(kāi)關(guān)S1和S2都關(guān)斷,原邊繞組W11中的電流為零。根據(jù)變壓器磁動(dòng)勢(shì)平衡方程,變壓器兩個(gè)副邊繞組中電流大小相等、方向相反,二極管VD1和VD2都導(dǎo)通,各分擔(dān)一半的電流,即iVD1=iVD2=iL/2,電感電流iL線(xiàn)性下降。t2~t3期間:開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通,二極管VD2正向偏置導(dǎo)通,二極管VD1反向偏置截止,電感L電流i流經(jīng)副邊繞組W22線(xiàn)性上升。t3~t4期間：與t1~t2時(shí)段的電路工作過(guò)程相同。提醒5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路應(yīng)用案例TL494構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路如圖3-15所示。集成電路TL494驅(qū)動(dòng)兩只開(kāi)關(guān)管VT1和VT2推挽工作,開(kāi)關(guān)頻率約100kHz,通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T1升壓,再經(jīng)整流濾波獲得400V輸出電壓。圖3-15TL494構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路2.數(shù)量關(guān)系

①在推挽變換電路中,還必須注意變壓器的磁芯偏磁問(wèn)題。開(kāi)關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通,使變壓器磁芯交替磁化和去磁,完成能量從變壓器原邊到副邊的傳遞當(dāng)濾波電感L電流連續(xù)時(shí),輸出電壓:U0=(N2/N1)(2ton/T)E=2k(N2/N1)E#(3-7)式中:k——占空比;N1、N2

——原邊、副邊繞組的匝數(shù)。當(dāng)濾波電感L的電流不連續(xù)時(shí),輸出電壓U0隨負(fù)載減小而升高,在負(fù)載為零的極限情況下,有:U0=(N2/N1)E#(3-8)分析說(shuō)明②由于電路不可能完全對(duì)稱(chēng),例如開(kāi)關(guān)S1和S2的開(kāi)通時(shí)間可能不同,或開(kāi)關(guān)S1和S2導(dǎo)通時(shí)的通態(tài)壓降可能不同,會(huì)在變壓器原邊的高頻交流上疊加一個(gè)數(shù)值較小的直流電壓,這就是所謂的直流偏磁③由于原邊繞組電阻很小,即使是一個(gè)較小的直流偏磁電壓,如果作用時(shí)間太長(zhǎng),也會(huì)使變壓器磁芯單方向飽和,引起較大的磁化電流,導(dǎo)致器件損壞。因此只能靠精確的控制信號(hào)和電路元器件參數(shù)的匹配來(lái)避免電壓直流分量的產(chǎn)生5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路電路組成與工作原理圖3-16半橋變換電路①變壓器副邊具有中間抽頭,原邊繞組W1的匝數(shù)為N1;副邊繞組W21和W22匝數(shù)相等,均為N2。②繞組間同名端如圖3-16中“·”的標(biāo)識(shí)。開(kāi)關(guān)S1和S2構(gòu)成一個(gè)橋臂;兩個(gè)容量相等的電容C1和C2構(gòu)成另一個(gè)橋臂,電容C1和C2的容量較大,故UC1=UC2=E/2。變壓器副邊電路同推挽變換電路。半橋變換電路由電源E、變壓器T、開(kāi)關(guān)S1和S2、輸入電容C1和C2、二極管VD1和VD2、濾波電感L和電容C、負(fù)載電阻RL等組成,如圖3-16所示。組成補(bǔ)充5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電路的工作過(guò)程如圖3-

17所示，工作波形如圖3-

18所示。圖3-17半橋變換電路的工作過(guò)程圖3-18半橋變換電路的工作波形5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路（1）電流連續(xù)工作模式to~t1期間:開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通,電容C1加到原邊繞組W1兩端放電。根據(jù)繞組間同名端關(guān)系,變壓器兩個(gè)副邊的電壓極性均為上正下負(fù),二極管VD1正向偏置導(dǎo)通,二極管VD2反向偏置截止,電感L的電流iL流經(jīng)副邊繞組W21線(xiàn)性上升。分析t1~t2期間:開(kāi)關(guān)S1和S2都關(guān)斷,分析過(guò)程同推挽變換電路。t2~t3期間：開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通,電容C2加到原邊繞組W1兩端,VD2導(dǎo)通,VD1截止,電感L電流iL流經(jīng)副邊繞組W22線(xiàn)性上升。t3~t4期間:與t1~t2期間的電路工作過(guò)程相同。①由于電容的隔離作用,半橋變換電路對(duì)由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱(chēng)而造成的變壓器一次電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用,因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。②為了避免上下兩開(kāi)關(guān)在換流的過(guò)程中發(fā)生短暫的同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象而造成短路,損壞開(kāi)關(guān)器件,每個(gè)開(kāi)關(guān)各自的占空比不能超過(guò)50%,并留有一定的裕量。補(bǔ)充5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路案例分析④VT5、VT6與分壓電容C8、C9的中點(diǎn)之間構(gòu)成工作頻率200kHz半橋變換電路,通過(guò)輸出變壓器B2降壓,并經(jīng)VD6、VD11全波整流,L0、C14、C15濾波,輸出直流電壓供蓄電池充電。TL494構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路如圖3-19所示,其工作原理簡(jiǎn)述如下:①工頻50Hz、220V市電分兩路。一路經(jīng)C1降壓,又經(jīng)過(guò)VD1~VD2全波整流,提供集成電路TL494工作電壓,C2、C3為濾波電容。②另一路經(jīng)VD7~VD10全波整流,C7濾波后提供近300V直流電壓。③集成電路TL494的9、10腳輸出方波,通過(guò)晶體管VT1、VT2、VT3、VT4組成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)BTL功率放大電路放大后驅(qū)動(dòng)高頻變壓器B1的原邊繞組n1,變壓器副邊n2、n3輸出的信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管VT5、VT6。圖3-19TL494構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路數(shù)量關(guān)系當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí),輸出電壓為：U0=(N2/N1)(ton/T)E=k(N2/N1)E#(3-9)如果輸出電感電流不連續(xù),輸出電壓U0將高于上式中的計(jì)算值,并隨負(fù)載減小而升高。在負(fù)載為零的極限情況下有：

U0=(N2/N1)E/2#(3-10)①半橋變換電路在前半個(gè)周期內(nèi)流過(guò)變壓器的電流與后半個(gè)周期流過(guò)的電流大小相等、方向相反，變壓器的磁芯工作在磁滯回線(xiàn)的兩端，磁芯得到充分利用②變壓器雙向勵(lì)磁，開(kāi)關(guān)較少，成本低③缺點(diǎn)是：可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路拓展學(xué)習(xí)圖3-20變壓器原邊串接電容的半橋變換電路半橋變換電路中C1和C2上的電壓不相等時(shí),變壓器的伏·秒?yún)?shù)將不平衡,變壓器磁芯將逐漸趨于飽和,開(kāi)關(guān)管會(huì)因變壓器原邊過(guò)電流而損壞。無(wú)極隔直電容Cbe與變壓器原邊串聯(lián),避免偏磁問(wèn)題,應(yīng)用電路如圖3-20所示。5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路電路組成與工作原理圖3-21全橋變換電路①變壓器原邊繞組W1的匝數(shù)為N1,副邊繞組W2的匝數(shù)為N2,繞組間同名端如圖3-21中“·”的標(biāo)識(shí)。②開(kāi)關(guān)S1、S3和開(kāi)關(guān)S2、S4分別構(gòu)成一個(gè)橋臂,互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1、S4和S2、S3同時(shí)導(dǎo)通,而同一橋臂上下兩開(kāi)關(guān)S1、S2和S3、S4交替導(dǎo)通。③變壓器副邊由二極管VD1~VD4構(gòu)成橋式整流電路。全橋變換電路由電源E、變壓器T、開(kāi)關(guān)S1~S4、二極管VD1~VD4、濾波電感L和電容C、負(fù)載電阻RL等組成,如圖3-21所示。組成說(shuō)明5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電路的工作過(guò)程如圖3-

22所示，工作波形如圖3-

23所示。圖3-22全橋變換電路的工作過(guò)程圖3-23全橋變換電路的工作波形5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路①若S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱(chēng),則變壓器原邊交流電壓中將含有直流分量,可能造成磁路飽和,因此全橋變換電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生。②也可以在變壓器的原邊回路中串聯(lián)一個(gè)電容,以阻斷直流電流的通路,如圖3-20所示。為避免同一橋臂中上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)在換流的過(guò)程中發(fā)生短暫的同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象而損壞開(kāi)關(guān),每個(gè)開(kāi)關(guān)各自的占空比也不能超過(guò)50%,并留有一定的裕量。t0~t1期間:①開(kāi)關(guān)S1、S4導(dǎo)通,輸入電壓E加到原邊繞組W1兩端。

②根據(jù)繞組間同名端關(guān)系,變壓器副邊的電壓極性為上正下負(fù),二極管VD1、VD4正向偏置導(dǎo)通,二極管VD2、VD3反向偏置導(dǎo)通,電感電流i線(xiàn)性上升。③開(kāi)關(guān)S2和S3承受的峰值電壓均為E。t1~t2期間:①開(kāi)關(guān)S1~S4都關(guān)斷,原邊繞組W1中的電流為零,電感通過(guò)二極管VD1、VD4和VD2、VD3續(xù)流,每個(gè)二極管流過(guò)電感電流i的一半,即iVD1=iVD2=iVD3=iVD4=iL/2,電感電流i線(xiàn)性下降。②在t2~t3期間:開(kāi)關(guān)S2、S3導(dǎo)通,其余分析同tp~t1期間。③開(kāi)關(guān)S1和S4承受的峰值電壓均為E。t3~t4期間:與t1~t2期間的電路工作過(guò)程相同。分析說(shuō)明5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路2.數(shù)量關(guān)系如果電感L電流不連續(xù),輸出電壓U0將高于上式中的計(jì)算值,并隨負(fù)載減小而升高,在負(fù)載為零的極限情況下,有:

U0=(N2/N1)E#(3-12)當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí),輸出電壓:U0=(N2/N1)(2ton/T)E=2k(N2/N1)E#(3-11)例題解析：例3-4:如圖3-24所示的DC-DC變換器,如要求輸出電壓為24V,負(fù)載電阻為R=0.4Ω,MOS管和二極管通態(tài)壓降分別為1.2V和1V,k=0.5,匝數(shù)比N2/N1=0.5,求:(1)平均輸入電流Ii;(2)轉(zhuǎn)換效率;(3)MOS管平均電流、峰值電流和有效值電流;(4)MOS管承受的峰值電壓。圖3-24例題電路圖5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路Ui=U1+1.2U1=(N1/N2)U2U2=U0+2x1則U1=(N1/N2)(U0+2)=2×(24+2)=52VUi=52+1.2=53.2VPi=Uili=53.2x30=1596W

P0=U0l0=24x60=1440W所求效率為：η=(P0/Pi

)x100%=(1440÷1596)x100%=90.2%解:(1)I0=U0/R=24/0.4=I2=60AI2=(N2/N1)I2=30A(3)MOS管平均電流為:IdVT=(1/2)li=15AMOS管峰值電流:

IPVT=Ii=30AMOS管有效值電流為:

IVT=√(1/2)Ii=21.2AMOS管承受的峰值電壓為:Ucc=2Ui=2x53.2=106.4V5.1帶隔離的直流-直流變換電路5.1.1正激變換電路5.1.2反激變換電路5.1.3推挽變換電路5.1.4半橋變換電路5.1.5全橋變換電路磁性器件是開(kāi)關(guān)電源中的關(guān)鍵元器件之一。磁性器件主要由繞組和磁芯兩部分組成，其中，繞組可以是1個(gè)，也可以是2個(gè)或多個(gè)。磁性器件是進(jìn)行儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換和隔離所必備的元器件，在開(kāi)關(guān)電源中主要把它作為變壓器和電感來(lái)使用。當(dāng)作為變壓器使用時(shí)，其主要功能是：電氣隔離；變壓(升壓或降壓)；磁耦合傳輸能量；測(cè)量電壓、電流等。當(dāng)作為電感使用時(shí)，其主要功能是：儲(chǔ)能、平波或者濾波；抑制尖峰電壓或電流，保護(hù)容易因過(guò)壓或過(guò)流而損壞的電子元器件；與電容構(gòu)成諧振，產(chǎn)生方向交變的電壓或電流。與其他電氣元件不同，開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)人員一般很難直接采購(gòu)到符合自己要求的磁性器件。磁性器件的分析與設(shè)計(jì)比電路的分析與設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。此外，由于磁性器件的設(shè)計(jì)涉及很多因素，設(shè)計(jì)結(jié)果通常不是唯一的，即使是工作條件完全相同的磁性器件，因其磁性材料的生產(chǎn)批次、體積、質(zhì)量、工藝過(guò)程等差異而導(dǎo)致結(jié)果不完全相同，且重復(fù)性差。因此，磁性器件設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)電源研發(fā)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。工程經(jīng)驗(yàn)5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器

在過(guò)去的工業(yè)應(yīng)用中，普通晶閘管變流器構(gòu)成的相控式直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)著主要的地位。由于普通晶

閘管是一種

只能用“門(mén)極”控制其導(dǎo)通，不能用“門(mén)極”控制其關(guān)斷的半控型器件，所以這種晶閘管整流裝置的性能受到了很大的限制。隨著電力電子器件的發(fā)展，在直流傳動(dòng)應(yīng)用中以全控型器件為基礎(chǔ)組成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)逐漸成為主流。脈寬調(diào)制是利用器件的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成較高頻率的方波電壓，加在直流電動(dòng)機(jī)的電樞上，通過(guò)對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓的平均值，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖3-25所示，其核心是脈沖寬度調(diào)制變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類(lèi)，可逆變換器又有不同的工作方式。下面分別介紹其工作原理和特性。圖3?25直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)框圖概述5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器

1.無(wú)制動(dòng)力情況簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器就是直流斬波器，其原理如圖3-26（a）所示,電路工作波形如圖3-26（b）所示。（a）原理圖（b）工作波形圖3?26簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器及工作波形

5.2.1不可逆PWM變換器5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器

??為占空比

圖3?27有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器當(dāng)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)

電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速時(shí)

5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器

圖3?28有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器工作波形圖3-29泵升電壓限制電路一般直流電源由不可控的整流器供電，電機(jī)回饋制動(dòng)階段電能不可能通過(guò)它送回電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容C充電，從而造成瞬間的電壓升高，稱(chēng)作“泵升電壓”。如果回饋能量大，泵升電壓太高，將危及開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管，須采取措施加以限制，泵升電壓限制電路如圖3-29所示。當(dāng)電源的濾波電容C兩端電壓超過(guò)規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時(shí)，過(guò)壓信號(hào)使VT導(dǎo)通，接入分流電阻R，把回饋能量的一部分消耗在分流電阻中。對(duì)于更大功率的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在分流電路中接入逆變器，把一部分能量回饋到電網(wǎng)中去。5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器5.2.2可逆PWM變換器可逆PWM變換器雙極式單極式受限單極式可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)有H型、T型等類(lèi)型，本文主要討論常用的H型變換器。根據(jù)基極驅(qū)動(dòng)電壓的極性和大小不同，變換器又可分出雙極式、單極式和受限單極式三類(lèi)控制方式，下面逐一分析。5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器1.雙極式可逆PWM變換器圖3-30雙極式可逆PWM變換器及工作過(guò)程

5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器

圖3-31雙極式PWM變換器工作波形5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器

圖3-32RC阻容延時(shí)電路5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器2.單極式可逆PWM變換器

工作象限工作區(qū)間ⅠⅡⅢⅣ表31單極式工作制四象限工作情況5.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

5.2.1不可逆PWM變換器

5.2.2可逆PWM變換器3.受限單極式可逆PWM變換器

圖3-33受限單極式PWM變換器輕載時(shí)工作波形5.3電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.3.1系統(tǒng)概述

5.3.2DC/DC變換器

1.結(jié)構(gòu)組成與工作原理結(jié)構(gòu)組成：電動(dòng)汽車(chē)主要由電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)3部分組成，如圖3-34所示。工作原理：通過(guò)從制動(dòng)踏板和加速踏板輸入的信號(hào)，電子控制器發(fā)出相應(yīng)的控制指令來(lái)控制功率變換器功率裝置的通斷，功率變換器的功能是調(diào)節(jié)電機(jī)和電源之間的功率流。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)的動(dòng)能被電源吸收，此時(shí)功率流的方向要反向。能量管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)一起控制再生制動(dòng)及其能量的回收，能量管理系統(tǒng)和充電器一同控制充電并監(jiān)測(cè)電源的使用情況。輔助動(dòng)力供給系統(tǒng)供給電動(dòng)汽車(chē)輔助系統(tǒng)不同等級(jí)的電壓并提供必要的動(dòng)力，它主要給動(dòng)力轉(zhuǎn)向、空調(diào)、制動(dòng)及其他輔助裝置提供動(dòng)力。除了從制動(dòng)踏板和加速踏板給電動(dòng)汽車(chē)輸入信號(hào)外，方向盤(pán)輸入也是個(gè)很重要的輸入信號(hào)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)方向盤(pán)的角位置來(lái)決定汽車(chē)靈活的轉(zhuǎn)向。5.3.1系統(tǒng)概述圖3-34純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)系統(tǒng)5.3電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.3.1系統(tǒng)概述

5.3.2DC/DC變換器功率變換器是按電控單元的指令和電動(dòng)機(jī)的速度、電流反饋信號(hào)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制，如圖3-35所示。功率變換器與電動(dòng)機(jī)必須配套使用，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)主要是通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速控制的；而對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)需通過(guò)DC/AC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)頻調(diào)壓矢量控制，對(duì)于磁阻電動(dòng)機(jī)是通過(guò)控制其脈沖頻率來(lái)進(jìn)行調(diào)速的。圖3-35電動(dòng)汽車(chē)功率變換器

2.系統(tǒng)分類(lèi)出于對(duì)功率、體積、質(zhì)量、散熱等條件的考慮，純電動(dòng)汽車(chē)采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要包括直流有刷電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁式同步電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻式電動(dòng)機(jī)等，如圖3-36所示。①直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)控制一般采用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式。②交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)控制一般采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速控制方式。③交流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)和永磁無(wú)刷方波電機(jī)控制系統(tǒng)。其中永磁同步電機(jī)控制一般采用矢量控制方法，永磁無(wú)刷方波電機(jī)控制方法與直流電機(jī)控制方法相似。④開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)控制一般采用模糊滑?？刂品椒?。圖3-36純電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)5.3電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.3.1系統(tǒng)概述

5.3.2DC/DC變換器圖3-37電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)與工業(yè)用電機(jī)

3.系統(tǒng)對(duì)比電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與常規(guī)工業(yè)用電機(jī)有很大的不同，如圖3-37所示。工業(yè)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常優(yōu)化在額定的工作點(diǎn)，而電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常要求能夠頻繁地啟動(dòng)/停車(chē)、加速/減速，低速或爬坡時(shí)要求高轉(zhuǎn)矩；高速行駛時(shí)要求低轉(zhuǎn)矩，并要求變速范圍大。電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)如下：①過(guò)載能力強(qiáng)。為保證車(chē)輛動(dòng)力性好，要求電機(jī)具有較好的轉(zhuǎn)矩過(guò)載和功率過(guò)載能力，峰值轉(zhuǎn)矩一般為額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，峰值功率一般為額定功率的1.5倍以上，且峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率的工作時(shí)間一般要求5min以上。②轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。電機(jī)一般采用低速恒轉(zhuǎn)矩和高速恒功率控制方式，要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、波動(dòng)小穩(wěn)定性好。③調(diào)速范圍寬。要求電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，最高轉(zhuǎn)速是基速的2倍以上，電機(jī)要能四象限工作。④高效工作區(qū)寬。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求有寬轉(zhuǎn)速范圍高效工作區(qū)，系統(tǒng)效率大于80%的轉(zhuǎn)速區(qū)大于75%。⑤功率密度高。為便于電機(jī)及其控制系統(tǒng)在車(chē)輛上的安裝布置，要求系統(tǒng)具有很高的功率密度。⑥電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性好、電磁兼容性好易于維護(hù)。5.3電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.3.1系統(tǒng)概述

5.3.2DC/DC變換器三級(jí)標(biāo)題：微軟雅黑24號(hào)加粗四級(jí)標(biāo)題：微軟雅黑18號(hào)加粗5.3.2DC/DC變換器電動(dòng)汽車(chē)中上常見(jiàn)DC/DC變換器主要有低壓電源DC/DC變換器（單向DC/DC變換器）和雙向DC/DC變換器，分布關(guān)系如圖3-38所示。圖3-38DC/DC變換器的分布關(guān)系5.3電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.3.1系統(tǒng)概述

5.3.2DC/DC變換器1.低壓電源DC/DC變換器低壓電源DC/DC變換器是電動(dòng)汽車(chē)必不可少的設(shè)備，又稱(chēng)單向DC/DC變換器。主要功能是給車(chē)燈、電氣控制設(shè)備（electriccontrolunit，ECU）、小型電器等車(chē)輛附屬設(shè)備供給電力和向附屬設(shè)備電源充電，功率等級(jí)較小。DC/DC變換器與動(dòng)力蓄電池、12V輔助蓄電池、低壓設(shè)備的連接關(guān)系如圖3-39所示。圖3-39低壓電源DC/DC變換器連接關(guān)系低壓電源DC/DC變換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由功率回路和控制回路組成，如圖3-40所示。以控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為基礎(chǔ)，功率回路打開(kāi)或者關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，輸入直流電，供給變壓器交流電壓。在變壓器中變壓之后得到交流電壓，再經(jīng)過(guò)整流二極管的整流作用，得到斷續(xù)直流電壓，最后經(jīng)平滑電路平滑后對(duì)輔助電池充電?？刂苹芈愤€具有輸入過(guò)電壓保護(hù)、輸出限流、過(guò)熱保護(hù)和報(bào)警等功能。圖3-40低壓電源DC/DC變換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.3電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.3.1系統(tǒng)概述

5.3.2DC/DC變換器

圖3-41全橋DC/DC變換器原理圖

圖3-42非隔離型雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路5.3電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.3.1系統(tǒng)概述

5.3.2DC/DC變換器

圖3-43電池放電狀態(tài)等效電路

圖3-44電池充電狀態(tài)等效電路5.3電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.3.1系統(tǒng)概述

5.3.2DC/DC變換器

圖3?45雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器工程應(yīng)用拓展知識(shí)《電動(dòng)汽車(chē)DC/DC變換器》(GB/T24347-2009)中，對(duì)DC/DC變換器的型號(hào)命名格式的規(guī)定，如圖3-46所示。例如，某DC/DC變換器型號(hào)命名為ZB006-240-024A，則表示直流-直流電源變換器，額定輸出功率為6kW，額定輸入電壓為240V，額定輸出電壓為24V，單向。再比如ZB100-336-360B，表示直流-直流電源變換器，額定輸出功率為100kW，額定輸入(輸出)電壓為336V，額定輸出(輸入)電壓為360V，雙向。圖3?46DC/DC變換器型號(hào)命名格式5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證5.4.1直流電機(jī)1.工作原理直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理如圖3-47所示。當(dāng)在如圖3-47（a）所示位置時(shí)，a段導(dǎo)體在N極之下，電流方向?yàn)橛蒩到b，根據(jù)左手定則，其受力為逆時(shí)針?lè)较?；cd段導(dǎo)體在S極之下，電流方向?yàn)橛蒫到d，其受力也為逆時(shí)針?lè)较?，電樞連同換向器將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)導(dǎo)體與換向器旋轉(zhuǎn)至圖3-47（b）所示位置時(shí)，cd段導(dǎo)體轉(zhuǎn)到N極之下，但其電流方向改變?yōu)橛蒬到c，故其受力仍為逆時(shí)針?lè)较?。ab段導(dǎo)體轉(zhuǎn)到S極之下，其電流方向改變?yōu)橛蒪到a，受力仍為逆時(shí)針?lè)较颉Ｒ虼?，電?dòng)機(jī)可以進(jìn)行連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。

圖3?47直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證2.勵(lì)磁分類(lèi)直流電動(dòng)他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)自勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)復(fù)勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)使用永久磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為永磁式電動(dòng)機(jī)；如果磁場(chǎng)是由直流電通過(guò)圍繞鐵芯的繞組產(chǎn)生的，這樣的直流電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為繞組勵(lì)磁式電動(dòng)機(jī)。小功率的直流電動(dòng)機(jī)通常為永磁式電動(dòng)機(jī)，大功率直流電動(dòng)機(jī)通常為繞組勵(lì)磁式電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的供電方式稱(chēng)為勵(lì)磁方式，按照勵(lì)磁方式的不同，可將直流電動(dòng)機(jī)劃分為他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)和自勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)兩種。自勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組由同一個(gè)電源供電，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)又分為并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)。5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組相并聯(lián)，其勵(lì)磁繞組端電壓與電樞繞組的端電壓相同，如圖3-48（b）所示。串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組相串聯(lián)，其勵(lì)磁繞組的電流與電樞繞組的電流相同，如圖3-48（c）所示。復(fù)勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的主磁極鐵芯上面有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)是和電樞相并聯(lián)的并勵(lì)繞組，一個(gè)是和電樞相串聯(lián)的串勵(lì)繞組，如圖3-48（d）所示。直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁消耗的功率不大，一般占電動(dòng)機(jī)額定功率的1%~3%。（a）他勵(lì)（b）并勵(lì)（c）串勵(lì)（d）復(fù)勵(lì)圖3?48直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證3.特性分析

圖3?49直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電路圖3?50他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線(xiàn)5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，如果電磁轉(zhuǎn)矩T與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n方向一致，那么T為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)；如果電磁轉(zhuǎn)矩T與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n方向相反，那么T為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)分為能耗制動(dòng)、回饋制動(dòng)和反接制動(dòng)，如圖3-51所示。如果電機(jī)在四個(gè)象限內(nèi)都可以工作，我們說(shuō)電機(jī)可以進(jìn)行四象限運(yùn)行。電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)要求能夠在四象限內(nèi)運(yùn)行。第一象限：電磁轉(zhuǎn)矩T方向?yàn)檎D(zhuǎn)速n為正方向第二象限:轉(zhuǎn)速n方向?yàn)檎姶呸D(zhuǎn)矩T方向?yàn)樨?fù)第三象限：電磁轉(zhuǎn)矩T方向?yàn)樨?fù)轉(zhuǎn)速n為負(fù)方向第四象限:轉(zhuǎn)速n方向?yàn)樨?fù)電磁轉(zhuǎn)矩T方向?yàn)檎龍D3?51電機(jī)的四象限運(yùn)行5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

圖3?52直流PWM控制的H橋電路電動(dòng)狀態(tài)

電動(dòng)續(xù)流狀態(tài)

能耗制動(dòng)狀態(tài)

再生制動(dòng)狀態(tài)

5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證目前大多使用專(zhuān)用集成PWM控制電路構(gòu)成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。專(zhuān)用PWM集成電路SG1731內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-53所示。芯片內(nèi)集成有三角波發(fā)生器、偏差信號(hào)放大器、比較器及橋式功放等電路，該芯片是將一個(gè)直流信號(hào)電壓與三角波電壓疊加后，形成脈寬調(diào)制方波，再經(jīng)橋式功放電路輸出。它具有外觸發(fā)保護(hù)、死區(qū)調(diào)節(jié)和±100mA電流的輸出能力，其振蕩頻率在100~350kHz之間可調(diào)，適用于單極性PWM控制。集成PWM控制器SG1731構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)如圖3-54所示。圖3?53集成PWM控制器SG1731內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖3?54SG1731構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證5.4.3仿真驗(yàn)證仿真步驟：直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3?52所示，電路由直流電源、單相逆變器、直流電機(jī)、負(fù)載以及觸發(fā)電路組成，其中單相逆變器是由四個(gè)IGBT組成的，四個(gè)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)閉控制著電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，而相關(guān)占空比的調(diào)節(jié)可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，觸發(fā)電路為單相逆變器提供PWM控制信號(hào)，控制著IGBT的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。PSIM中的方波控制器模型如圖3-55所示，方波控制器是一個(gè)雙極式可逆PWM變換器。仿真四個(gè)步驟如下：圖3?55方波控制器仿真模型搭建仿真模型電路元件參數(shù)設(shè)置電路仿真仿真結(jié)果分析5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證1.搭建仿真模型（1）打開(kāi)PSIM軟件，新建一個(gè)仿真電路原理圖設(shè)計(jì)文件。（2）根據(jù)圖3-55所示的電路拓?fù)鋱D，從PSIM元件庫(kù)中選取主電路所需的直流電源、單相逆變器、電感、直流電機(jī)、變速器以及負(fù)載等元件放置于電路設(shè)計(jì)圖中。為了在仿真中實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，電機(jī)與變速器間可放置一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器?？刂齐娐愤x取一個(gè)方波控制器以產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。放置元件的同時(shí)調(diào)整元件的位置及方向，以便后續(xù)原理圖的連接。（3）利用PSIM中的畫(huà)線(xiàn)工具，按照對(duì)應(yīng)的拓?fù)鋱D將電路連接起來(lái)，組建成仿真電路模型。畫(huà)線(xiàn)時(shí)可適當(dāng)調(diào)整元件位置及方向，令所搭建的模型更加美觀。（4）放置測(cè)量探頭，測(cè)量需要觀察的電壓、電流等參數(shù)。本仿真案例中放置的電壓與電流探頭可用來(lái)測(cè)量電源電壓、負(fù)載電壓、負(fù)載電流以及電機(jī)轉(zhuǎn)速等多個(gè)參數(shù)。搭建完成的電路模型如圖3-57所示。圖3?56直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路仿真模型5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證本仿真案例中將直流電源設(shè)置為240V；電感設(shè)置為50mH；變速器的變速比設(shè)置為10；直流電機(jī)的勵(lì)磁電壓與電源電壓保持一致，設(shè)置為DC240V；方波控制器的頻率設(shè)置為600Hz，其它未提及參數(shù)均采用默認(rèn)設(shè)置。電壓探頭與電流探頭的命名如圖3?56所示。2.電路元件參數(shù)設(shè)置3.電路仿真

4.仿真結(jié)果分析仿真結(jié)束后在PSIM軟件自動(dòng)彈出的Simview窗口選取想要觀察的參數(shù)波形即可自動(dòng)彈出相對(duì)應(yīng)的波形圖。5.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.4.1直流電機(jī)

5.4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.4.3仿真驗(yàn)證當(dāng)設(shè)置占空比為0.2和0.4時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形如圖3?57所示。當(dāng)占空比為0.5時(shí)，正、負(fù)脈沖寬度相等，平均電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形如圖3?58所示。方波控制器的占空比范圍在0.6~1時(shí)，正脈沖較寬，平均電壓為正，電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時(shí)隨著占空比的增大電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)增加，當(dāng)設(shè)置占空比為0.6和0.9時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形如圖3?59所示。圖3?57電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)不同占空比下的轉(zhuǎn)速波形圖3?58占空比為0.5時(shí)的轉(zhuǎn)速波形圖3?59電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)不同占空比下的轉(zhuǎn)速波形（a）占空比為0.2（b）占空比為0.4（a）占空比為0.6（b）占空比為0.95.5永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.5.1永磁同步電機(jī)5.5.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.5.3仿真驗(yàn)證5.5.1永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)根據(jù)其結(jié)構(gòu)及控制方法主要分為兩種，一種是通以方波電流的方波永磁同步電機(jī)，一種是通以正弦波電流的正弦波永磁同步電機(jī)。方波永磁同步電機(jī)控制方法與直流有刷電機(jī)類(lèi)似，習(xí)慣上把它稱(chēng)為永磁無(wú)刷直流電機(jī)；而把正弦波永磁同步電機(jī)稱(chēng)為永磁同步電機(jī)。與永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用了一種“里翻外”結(jié)構(gòu)，如圖3-60所示，即把電樞繞組置在定子上，使得其電損耗熱量容易經(jīng)機(jī)殼向外發(fā)散且便于溫度檢控；而轉(zhuǎn)子采用永磁激勵(lì)，無(wú)電勵(lì)磁繞組，即免去向轉(zhuǎn)子通電需經(jīng)電刷的方式且損耗和發(fā)熱也就很小。（a）內(nèi)轉(zhuǎn)子、外定子

（b）外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子圖3?60永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)5.5永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.5.1永磁同步電機(jī)5.5.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.5.3仿真驗(yàn)證永磁無(wú)刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)換相電路三部分組成，如圖3?61所示；

圖3?62永磁同步電機(jī)工作原理5.5永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.5.1永磁同步電機(jī)5.5.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.5.3仿真驗(yàn)證5.5.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1.驅(qū)動(dòng)原理永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理如圖3?63所示。圖（a）為兩相式，當(dāng)定子的AB電流的方向改變時(shí)，定子的AB相的磁場(chǎng)方向改變，因此永磁鐵就可轉(zhuǎn)動(dòng)。圖（b）為三相式，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子中存在旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子像磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)一樣，隨著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)化為只有一對(duì)磁極的驅(qū)動(dòng)器原理如圖

3?64所示，電機(jī)的定子繞組分別為A相、B相、C相，每相在空間上間隔120°的電角度，每相上放置一個(gè)位置傳感器，每相電流的通斷由一個(gè)電子開(kāi)關(guān)管控制。（a）兩相式

（b）三相式圖

3?63永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理圖3?64永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路示意圖5.5永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.5.1永磁同步電機(jī)5.5.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.5.3仿真驗(yàn)證電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與通電繞組的關(guān)系如圖3?65所示。

圖3?65永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與通電繞組的關(guān)系

回到起始位置5.5永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.5.1永磁同步電機(jī)5.5.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.5.3仿真驗(yàn)證2.驅(qū)動(dòng)電路

圖3?66永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路5.5永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

5.5.1永磁同步電機(jī)5.5.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.5.3仿真驗(yàn)證5.5.3仿真驗(yàn)證永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)