新能源汽车驱动电机与控制技术高职PPT完整全套教学课件

新能源汽车驱动电机与控制技术全套PPT课件前言本课程的参考学时为60学时，其中实训为20学时。具体学时分配见下表。0201目录学习情境一新能源汽车驱动电机的认知【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】学习情境二新能源汽车电机驱动系统与传动系统【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】0403目录学习情境三新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】学习情境四功率半导体器件【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】0605目录学习情境五功率变换电路【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】学习情境六直流电机及其控制技术【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】0807目录学习情境七无刷直流电机及其控制技术【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】学习情境八交流异步电机及其控制技术【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】1009目录学习情境九永磁同步电机及其控制技术【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】学习情境十开关磁阻电机及其控制技术【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】1211目录学习情境十一轮边/轮毂电机的工作原理与应用【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】学习情境十二新能源汽车驱动电机的更换【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】13目录学习情境十三新能源汽车驱动电机控制系统的检修【学习情境描述】【学习内容】一、课前任务单二、相关资讯三、决策与计划四、实施五、检测与评估【情境小结】【思考与练习】参考文献展示完毕感谢您的聆听学习情境一新能源汽车驱动电机的认知随着共享汽车越来越广泛地推广，小王常常开着共享汽车出门办事。他经常开的是一辆新能源汽车，发现新能源汽车的动力总成与传统汽车有很大不同。请你为小王介绍一下新能源汽车的驱动电机。学习情景描述学习目标1.了解新能源汽车驱动电机；2.掌握电动汽车对驱动电机的特性要求；3.了解电动汽车驱动电机的分类；4.掌握新能源汽车驱动电机的选型。工作任务1.在教师的指导下，制订新能源汽车驱动电机的认知计划；2.根据认知计划对新能源汽车驱动电机进行认知。目标和任务一、课前任务单根据查找的资料，完成课前任务单（见表1-1）。表1-1新能源汽车驱动电机的认知课前任务单学习内容1.电动汽车的动力系统由（）和（）组成。2.新能源汽车驱动电机有哪些不同的种类？3.电动汽车的驱动电机有哪些特性要求？

作为新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控系统，见图1-1）之一，驱动电机及其控制系统未来发展前景可观。二、相关资讯图1-1新能源汽车的核心部件资讯一新能源汽车驱动电机基础认知知识拓展1新能源汽车具有环保、节能、结构简单三大优势，这在纯电动汽车上体现得尤为明显：以电机代替燃油机，由电机驱动而不需要自动变速箱。相对于自动变速箱，电机结构简单，技术成熟，运行可靠。要使电动汽车具有良好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速、足够大的起动转矩，还要体积小、质量轻、效率高、动态制动性强，并具有能量回馈的性能。

知识拓展2电动汽车中的燃料电池汽车（FCV）、混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（EV）三大类都要用电机来驱动行驶，选择合适的电机是提高各类电动汽车性价比的重要因素，因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求，并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的驱动电机显得极其重要。

1.电动汽车对驱动电机的性能要求与传统工业驱动电机不同，电动汽车的驱动电机系统通常要求能够频繁地起动/制动、加速/减速，低速/爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩且变速范围大。电动汽车对驱动电机的性能要求归纳如下。资讯二驱动电机的性能要求与技术优势（1）体积小、质量轻。为了充分利用有限的车载空间，减小车辆质量，降低运行中的能量消耗，应尽量减小驱动电机的体积和质量。（2）全速段高效运行。一次充电续航里程长，特别是在车辆频繁起停或变速运行的情况下，驱动电机应具有较高的效率。（3）低速大转矩及宽范围的恒功率特性。即使没有变速器，驱动电机本身也应能满足所需的转矩特性，以满足在起动、加速、制动等要求。（4）高可靠性。在任何运行工况下都应具有高可靠性，以确保车辆的行驶安全。资讯二驱动电机的性能要求与技术优势（5）高电压。在允许的范围内尽可能采用高电压，可以减小电机的尺寸和控制器、导线等设备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。（6）安全性能达标。动力电池组、驱动电机等强电部件的工作电压能达到300V以上，对电气系统的安全性提出了更高的要求。（7）高转速。与低转速电机相比，高转速电机的体积和质量较小，有利于降低整车装备的质量。（8）使用寿命长。为降低新能源汽车的使用成本，驱动电机的使用寿命应与车辆保持一致，真正实现节能环保的目标。资讯二驱动电机的性能要求与技术优势022.驱动电机的技术优势01（2）电机实现转矩的快速响应性指标要比发动机高出两个数量级。常规来说，电气执行的响应速度都要比机械机构快几个数量级，因此随着计算机电子技术的发展，用先进的电气控制系统来取代笨重、庞大而响应滞后的部分机械、液压装置已成为技术进步的必然趋势。这样不但使各项性能指标大大提高，也将使制造成本降低。（1）由于发动机能高效产生转矩时的转速被限制在一个较窄的范围内，因而需通过庞大而复杂的变速机构来适应这一特性，而电机可以在相当宽广的转速范围内高效地产生转矩。电机驱动与发动机驱动相比具有以下两大技术优势。

1.驱动电机的分类驱动电机可分为两大类，即有换向器（又称电刷）电机和无换向器电机。习惯上将有换向器的直流电机简称为直流电机。由于技术成熟、控制简单，直流电机曾在电力驱动领域有着突出的地位。资讯三驱动电机的分类、性能对比与国内发展现状知识拓展3无换向器电机包括感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。无换向器电机在效率、功率密度、运行成本、可靠性等方面明显优于传统的直流电机，因此在现代电动汽车中获得广泛应用。

电动汽车驱动电机的分类汇总如图1-2所示。图1-2电动汽车驱动电机的分类资讯三驱动电机的分类、性能对比与国内发展现状2.驱动电机的性能对比电动汽车驱动电机性能对比见表1-2。资讯三驱动电机的分类、性能对比与国内发展现状3.驱动电机在国内的发展现状典型驱动电机在新能源汽车上的应用如下：交流异步电机主要应用在纯电动汽车中，永磁同步电机主要应用在混合动力汽车中，开关磁阻电机目前主要应用在客车中。资讯三驱动电机的分类、性能对比与国内发展现状知识拓展4从我国不同种类新能源汽车驱动电机的应用来看，目前交流异步感应电机和开关磁阻电机主要应用于新能源商用车,特别是新能源客车，开关磁阻电机的实际装配应用较少；永磁同步电机主要应用于新能源乘用车。

(2)对于开关磁阻电机驱动系统，我国已初具优化设计和自主研发能力，通过合理设计电机结构、改进控制技术，产品性能基本满足整车需求。(1)对于交流异步电机驱动系统，我国已建立了具有自主知识产权的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系。(4)对于永磁同步电机驱动系统，我国已具有一定的研发能力和生产能力，开发了不同系列产品，可应用于各类电动汽车。资讯三驱动电机的分类、性能对比与国内发展现状(3)对于无刷直流电机驱动系统，国内企业通过合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机性能，产品基本满足电动汽车需求，企业已初步具有机电一体化设计能力。

选择新能源汽车驱动电机的关键是电机的机械特性。至今为止电动汽车采用的驱动电机主要包括交流异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机和开关磁阻电机。在选择新能源汽车的驱动电机时，可以向电机生产厂家提出所需要的各种性能参数，以作为电机设计的依据。实际上大多数情况下是新能源汽车制造商根据电机生产厂家提供的技术性能参数选择现成的电机，可供选用的电机种类繁多，功率范围很广。资讯四新能源汽车驱动电机的选型012.额定转速的选择根据电动汽车的速度、动力性能的要求，需要选择不同转速的驱动电机。（1）低速电机。低速电机的转速为3000～6000r/min，扩大的恒功率区的低速电机额定转矩高，转子电流大，电机的尺寸和质量较大。（2）中速电机。中速电机的转速为6000～10000r/min,它的各种参数介于低速电机和高速电机之间。（3）高速电机。高速电机的转速为10000～15000r/min，扩大的恒功率区宽，尺寸和质量较小，相应的转换器和控制器的尺寸也较小。1.额定电压的选择电机电压主要依据车辆总体参数的要求来选择，车辆的自重、电池等相关参数确定后，才能确定电机的电压、转速等参数。即当车辆自重确定后，电池的个数就确定了，电机的电压等级也随之确定。02

结合以上内容，分析对新能源汽车驱动电机的认知，学生分组，每个小组各自查资料、讨论，制订实训计划，见表1-3。三、决策与计划四、实施小组分工合作，按照所制订的新能源汽车驱动电机的认知计划，对新能源汽车驱动电机进行认知。五、检测与评估综合整个学习过程，对学生的表现进行成绩评定，可采用学生互评、教师评价相结合的方式。情景小结本情境主要介绍了新能源汽车驱动电机，介绍了电动汽车对驱动电机的特性要求，介绍了电动汽车驱动电机的分类，介绍了新能源汽车驱动电机的选型等内容。

思考与练习一、判断题1.低速电机的转速一般为3000～6000r/min。（）2.中速电机的转速一般为6000～10000r/min。（）3.高速电机的转速一般为10000～15000r/min。（）二、选择题1.下列部件中，（）是电动汽车的关键部件。A.雨刮器B.座椅调节电机C.驱动电机2.电动汽车常采用（）作为驱动电机。A.低速电机B.中速电机C.高速电机三、问答题1.电动汽车对驱动电机的特性要求有哪些？2.电机驱动与发动机驱动相比有哪些技术优势？

展示完毕感谢您的聆听学习情境二新能源汽车电机驱动系统与传动系统学习情景描述大家都知道新能源汽车依靠电机驱动，那么它的电机驱动系统与传动系统和传统汽车相比会有哪些不一样的地方呢？作为一种新车型，新能源汽车到底有哪些方面的优势呢？目标和任务学习目标1.了解电机驱动系统的特点和技术参数；2.掌握新能源汽车的传动系统的种类；3.了解电机驱动系统的控制策略；4.掌握转子位置传感器的工作原理。工作任务1.在教师的指导下，制订新能源汽车电机驱动系统与传动系统的认知计划；2.根据认知计划对新能源汽车电机驱动系统与传动系统进行认知。学习内容一、课前任务单根据查找的资料，完成下列课前任务单（见表2-1）。表2-1新能源汽车电机驱动系统与传动系统课前任务单1.电机驱动系统的特性直接影响（）、（）和（）。2.电机控制器的主要功能有哪些？3.整车控制器根据车辆运行的不同情况，包括（）、（）、（），来决定电机输出转矩/功率。资讯一新能源汽车电机驱动系统简介1.电机驱动系统的基本组成电机驱动系统是新能源汽车车辆行驶系统中的主要执行机构，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，直接影响车辆的动力性、经济性和舒适性，它是新能源汽车的重要部件。电机驱动系统基本组成框图如图2-1所示。二、相关资讯新能源汽车的驱动系统包括电机驱动系统和传动系统两个部分。图2-1电机驱动系统的基本组成框图资讯一新能源汽车电机驱动系统简介（1）电机。电机一般要求具有电动、发电两项功能，按类型可选用直流电机、交流电机、永磁无刷电机或开关磁阻电机等几种。（2）功率变换器。功率变换器按所选电机类型，有DC/DC（直流/直流）功率变换器、DC/AC（直流/交流）功率变换器等形式。（3）控制器。控制器主要起到调节电机运行状态的作用，以满足整车不同的运行要求。针对不同类型的电机，控制的原理与方式有很大差别。控制器的另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障检测，保护电机驱动系统和实现故障反馈。资讯一新能源汽车电机驱动系统简介2.电机驱动系统的特点新能源汽车电机驱动系统的特点如下。（1）采用三相永磁交流电机（DM）、电机控制器（MCU）可调整输出电流和电机转速，电机和电机控制器采用水冷方式以防止温度过高。（2）整车控制器（VCU）根据驾驶员意图发出各种指令，电机控制器响应并反馈，实时调整驱动电机输出。资讯一新能源汽车电机驱动系统简介3.电机驱动系统的技术参数以北汽新能源EV200车型为例，其驱动电机技术参数见表2-2，驱动电机控制器技术参数见表2-3。资讯一新能源汽车电机驱动系统简介3.电机驱动系统的技术参数资讯二新能源汽车传动系统简介与内燃机驱动的传统汽车相比，电机驱动的电动汽车可方便地布置电机驱动单元，可以用一台电机进行集中驱动，也可以用多台电机分布于汽车的不同位置实现分布式驱动。电动汽车结构布置灵活多变，概括起来分为电机中央驱动和电动轮驱动两种形式。电机中央驱动形式借用了内燃机汽车的驱动方案，将内燃机换成电机及其相关器件。目前纯电动汽车驱动电机分为传统驱动布置形式、电机与驱动桥组合驱动布置形式、电机与驱动桥集成驱动布置形式、轮边电机驱动布置形式、轮毂电机驱动布置形式等。1.传统驱动布置形式传统驱动布置形式如图2-2所示，该布置形式与传统汽车的布置形式基本相同，通常是在传统汽车的基础上改装而成，把电机放在原燃油发动机的位置。这种布置形式可以提高纯电动汽车的起动转矩，增加低速时纯电动汽车的后备功率。这种驱动系统布置形式有电机前置-驱动桥前置、电机前置-驱动桥后置等驱动模式。资讯二新能源汽车传动系统简介图2-2传统驱动布置形式2.电机与驱动桥组合驱动布置形式电机与驱动桥组合驱动布置形式如图2-3所示，这种驱动系统布置形式即在驱动电机端盖的输出轴处加装减速器和差速器等，电机、固定速比减速器、差速器的轴互相平行，一起组合成一个驱动整体。它通过固定速比减速器来放大驱动电机的输出转矩，但没有可选的变速挡位，也就省掉了离合器。这种布置形式的传动系统结构紧凑，传动效率较高，便于安装。资讯二新能源汽车传动系统简介图2-3电机与驱动桥组合驱动布置形式3.电机与驱动桥集成驱动布置形式把电机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，并与驱动轴同轴，通过两根半轴驱动车轮，称为电机与驱动桥集成驱动系统，其布置形式如图2-4所示。把集成系统组成后驱动桥，安装在后车轴位置。这种布置形式有同轴式和双联式两种。资讯二新能源汽车传动系统简介图2-4电机与驱动桥集成驱动布置形式资讯二新能源汽车传动系统简介同轴式驱动系统的电机轴是一种特殊制造的空心轴，在电机左端输出轴处的装置有减速器和差速器，再由差速器带动左右半轴，左半轴直接带动，而右半轴则通过电机的空心轴来带动。双联式驱动系统也称为双电机驱动系统，由左右两台永磁电机直接通过固定速比减速器分别驱动车轮，左右两台电机由中间的电控差速器控制，每个驱动电机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速，不必选用机械差速器。4.轮边电机驱动布置形式轮边电机驱动布置形式是一种双电机驱动形式，如图2-5所示，由左右两台电机直接通过固定速比减速器分别驱动两个车轮。电机直接连接轮毂，这种电机称为轮边电机。两个车轮转动没有直接连接。每个电机的转速可以独立地调节控制，通过电子差速器来解决左右半轴的差速问题，使得电动汽车更加灵活，在复杂的路况上可以获得更好的整车动力性能。资讯二新能源汽车传动系统简介图2-5轮边电机驱动布置形式5.轮毂电机驱动布置形式把电机设计成饼状，直接安装在车轮的轮毂中，这种电机称为轮毂电机。轮毂电机驱动布置形式如图2-6所示，电机一端直接与车轮毂固定，另一端直接安装在悬架上。此种布置形式进一步缩短了电机和车轮之间的机械传动距离，节省了空间。资讯二新能源汽车传动系统简介图2-6轮毂电机驱动布置形式1.电机驱动系统驱动模式整车控制器根据车辆运行的不同情况，包括车速、挡位、电池SOC（电量）值，来决定电机输出转矩/功率。当电机控制器从整车控制器处得到转矩输出命令时，将动力电池提供的直流电转化成三相正弦交流电，驱动电机输出转矩，通过机械传动来驱动车辆，如图2-7所示。资讯三电机驱动系统控制策略图2-7电机驱动系统驱动模式二、相关资讯2.电机驱动系统发电模式当车辆在滑行或制动时，整车控制器检测到满足一定条件则发出能量回收指令，IGBT（insulate-gatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管）模块输出为0，电机停止工作，驱动车轮通过传动系统使电机转子旋转，此时电动机就成了发电机，输出三相正弦交流电，IGBT模块将交流电转换成直流电向动力电池充电，如图2-8所示。资讯三电机驱动系统控制策略图2-8电机驱动系统发电模式01020304（1）加速踏板开度为0或制动。（3）动力电池温度小于45℃。（2）电池电量小于95%。（4）各系统无故障。启动能量回收条件如下。1.霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来人们发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这一现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。资讯四转子位置传感器转子位置传感器安装在驱动电机内部，起着检测转子磁极位置、为逆变器提供正确换向信息的重要作用。转子位置传感器主要包括磁敏式（霍尔传感器）、光电式（光电编码器）和电磁式（旋转变压器）。资讯四转子位置传感器1）霍尔效应当放在磁场中的半导体基片中通过与磁场垂直的电流时，半导体基片中的电子将受到电磁力（洛伦兹力）的作用，使电子聚集于半导体基片的一侧成为负极，而半导体基片的另一侧则因为失去电子而成为正极。2）霍尔电压霍尔电压可用下式表达：UH=RH式中，RH为霍尔常数；I为控制电流；B为磁感应强度；d为霍尔元件的厚度。3）霍尔传感器的工作原理霍尔传感器以霍尔效应为工作基础，一般是由霍尔元件和其附属电路组成的集成传感器，用它可以检测磁场变化。永磁同步电机的转子为永磁体。通过霍尔传感器可以检测转子磁场强度，确定转子位置。霍尔传感器在永磁交流电机上的应用如图2-9所示。资讯四转子位置传感器图2-9霍尔传感器在永磁交流电机上的应用霍尔电压随磁感应强度的变化而变化：磁场越强，电压越高；磁场越弱，电压越低。霍尔电压值很小，通常只有几毫伏，但经集成电路中的放大器就能使该电压放大到足以输出较强的信号。霍尔传感器的输出波形为矩形脉冲，是一种数字信号，因此霍尔传感器表现为具有开关特性的磁开关。霍尔传感器的工作原理及输出波形如图2-10所示。资讯四转子位置传感器图2-10霍尔传感器的工作原理及输出波形2.光电编码器光电编码器是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的编码器。光电编码器由光栅盘和光电检测转子组成。光电编码器的结构组成及输入、输出波形如图2-11所示。资讯四转子位置传感器图2-11光电编码器的结构组成及输入、输出波形3.旋转变压器旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角变化的器件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角呈余弦函数关系，或保持一定比例关系，或在一定转角范围内与转角呈线性关系。旋转变压器的结构组成及输出波形如图2-12所示。资讯四转子位置传感器图2-12旋转变压器的结构组成及输出波形旋转变压器的功用主要是检测电机转子位置，控制器编码后可以获知电机转速。旋转变压器的构造如图2-13所示，传感器线圈固定在壳体上，信号齿圈固定在转子上。其传感器线圈由励磁线圈、正弦线圈、余弦线圈三组线圈组成一个传感器。资讯四转子位置传感器图2-13旋转变压器的构造三、决策与计划结合以上内容，分析对新能源汽车电机驱动系统与传动系统的认知，组织学生分组，每个小组各自查资料、讨论，制订实训计划，见表2-4。四、实施小组分工合作，按照所制订的新能源汽车电机驱动系统与传动系统的认知计划，对新能源汽车电机驱动系统与传动系统进行认知。五、检测与评估综合整个学习过程，对学生的表现进行成绩评定。可采用学生互评、教师评价相结合的方式。情景小结本情境主要介绍了电机驱动系统的特点和组成，介绍了新能源汽车传动系统，介绍了电机驱动系统控制策略，介绍了转子位置传感器的工作原理等内容。一、判断题1.传统驱动布置形式结构复杂、效率低，可以充分发挥驱动电机的性能。（）2.电机与驱动桥组合驱动布置形式的传动系统结构紧凑，传动效率较高，便于安装。（）3.位置传感器安装在驱动电机内部，起着检测转子磁极位置、为逆变器提供正确换向信息的重要作用。（）思考与练习二、选择题1.下列部件中，不属于位置传感器的是()。A.旋转变压器B.光电编码器C.功率变换器2.()以霍尔效应为工作基础，一般是由霍尔元件和其附属电路组成的集成传感器，用它可以检测磁场变化。A.光电编码器B.霍尔传感器C.旋转变压器3.(）是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。A.光电编码器B.霍尔传感器C.旋转变压器思考与练习三、问答题1.新能源汽车电机驱动系统的特点有哪些？2.什么是霍尔效应？3.旋转变压器的工作原理是什么？思考与练习展示完毕感谢您的聆听学习情境三新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势新能源汽车大部分都使用驱动电机作为驱动来源，那么新能源汽车和驱动电机的发展历史是怎样的？各有何发展趋势？学习情景描述学习目标1.了解汽车电气化的历史；2.了解汽车驱动电机的发展历史；3.了解新能源汽车及驱动电机的发展趋势；4.掌握新能源汽车驱动电机的型号规则。工作任务1.在教师的指导下，制订新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势的认知计划；2.根据认知计划对新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势进行认知。目标和任务一、课前任务单根据查找的资料，完成下列课前任务单（见表3-1）。表3-1新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势课前任务单学习内容1.新能源汽车的“三电”指的是（）、（）和（）。2.现在常用的新能源汽车驱动电机有哪些种类？3.新能源汽车驱动电机有哪些方面的发展趋势？资讯一汽车电气化的历史汽车电气化主要分为四个阶段：蒸汽机汽车-电动汽车阶段（1881—1885）、蒸汽机汽车-电动汽车-燃油汽车并行阶段（1885—1925）、燃油汽车独霸阶段（1925—1960）、电动汽车再次复兴-其他新能源技术涌现-影响燃油汽车阶段（1960年至今）。首先全面回顾一下汽车电气化的四段发展历程。学习内容二、相关资讯

1.蒸汽机汽车-电动汽车阶段在这一阶段，烧汽油、柴油的内燃机汽车还未诞生。汽车里的“元老”应该是蒸汽机汽车（见图3-1），第一辆具有一定的实用性的原型车是理查德·特里维希克（RichardTrevithick，1771—1833）在1800年左右发明的。该类汽车在后来曾经与电动汽车一起繁荣过。汉语“汽车”中的“汽”字，就是从蒸汽机来的。二、相关资讯资讯一汽车电气化的历史图3-11870年的蒸汽机汽车19世纪，电池-电学领域出现重要发展的几大标志性事件为：伏打（AlessandroVolta,1745—1827）在1800发明了铜锌电池；法拉第在1831年发现了电磁感应现象。第一辆能在路上跑的电动汽车是爱丁堡人R.Davidson的杰作，发明于1873年，其使用的是一次性的铁锌电池。加斯顿·普朗特在1859年发明了铅酸电池，就是现在电动自行车、汽车里最常用的蓄电池。铅酸电池的出现对人类文明的进步起到了至关重要的推动作用——它是二次电池，即可充可放电，因此人类使用能源尤其是电能的方式有了质的突破。资讯一汽车电气化的历史后来人们使用的各种充电电池技术，都或多或少地参考了铅酸电池。不仅如此，铅酸电池从诞生到现在，其结构与原理一直没有发生太大变化，当然这是由电化学学科的特殊性决定的。伴随着铅酸电池的使用，使用铅酸电池的可以充电的电动汽车就诞生了。1881年，法国人G.Trouve就用普朗特发明的铅酸电池发明了第一辆可充电的电动汽车，这个车型是三轮车，用了两个西门子的电机，车重是160kg，车速可以达到12km/h。在接下来的几年里，比利时、美国等国都开始开发电动汽车，车速20km/h左右，续航里程也不远（几十千米），比现在的电动汽车性能要差得多。资讯一汽车电气化的历史

2.蒸汽机汽车-电动汽车-燃油汽车并行阶段蒸汽机汽车在1885—1925年间改进很大，这与电动汽车的进步、燃油汽车的进步基本是同时的。因此，这个阶段是三种汽车并行阶段。燃油汽车是卡尔·本茨（KarlBenz,1844—1929）于1885年发明的，第一辆是以汽油内燃机为引擎的三轮汽车，如图3-2所示。资讯一汽车电气化的历史图3-2卡尔·本茨发明的早期的燃油汽车

一开始内燃机相关技术还很不成熟，燃油汽车的平顺性很差，噪声、排放、颠簸都是大问题，而电池驱动的电动汽车则要好得多——电动汽车先天平顺性好，噪声小。电动汽车技术也在不断发展，随着技术的提升，在1900年美国汽车市场上，电动汽车的车型比燃油汽车、蒸汽机汽车都多。在接下来的时间里，虽然燃油汽车也在不断发展，但是电动汽车的基础好、技术舒适性好，因此一直是市场的主流。1912年，美国电动汽车达到峰值的30000辆。资讯一汽车电气化的历史知识拓展1但是在这个过程中，燃油汽车技术也在不断进步，竞争也在继续。燃油汽车在这几年中发展出了自动起动器、消音器等设备，这些发明极大地提高了燃油汽车的舒适度。在接下来的几年中，燃油汽车技术进步很快，成本下降也快——1912年时，燃油汽车MODELT的售价为550美元，而电动汽车CENTURYELECTRICROADSTER要卖1750美元。而且就在这个阶段，已经有了油-电混合车型（WOODSGASOLINEELECTRIC，1916）。在第一次世界大战中，燃油汽车开始大规模应用，而且在战场中表现了其性能的稳定性。

3.燃油汽车独霸阶段在这个阶段，燃油汽车大发展，在全世界得到广泛应用，而电动汽车、蒸汽机汽车逐渐淡出历史舞台。图3-3所示为第二次世界大战中美国使用的吉普车。资讯一汽车电气化的历史图3-3第二次世界大战中美国使用的吉普车知识拓展2但是也有两个有趣的例外。（1）日本因为战时油料管制，所以第二次世界大战期间电动汽车用得比较多。（2）在局部地区，电动汽车仍然用于一些近距离运输。

在这个阶段，燃油汽车技术不断发展完善，世界石油供应充足，大家还不关心环保，电池等新能源技术也没有明显进步；而蒸汽机汽车因为使用的是外燃机技术，效率先天不足，很快被淘汰。

1973年的第一次石油危机让人们深切感受到了化石燃料的有限性，因此低排量化、轻量化、电气化等方向开始影响汽车领域，而相关的材料、电力电子（各种半导体技术）、二次电池、燃料电池的发展也得到了更多的支持和重视。中国新能源电动汽车产业始于21世纪初。2001年，新能源汽车研究项目被列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以汽油车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。2008年，新能源汽车在国内已呈全面出击之势。2008年成为我国新能源汽车元年，当年共销售新能源汽车2400余辆。2009年，在密集的扶持政策出台的背景下，我国新能源汽车进入快速发展轨道。资讯一汽车电气化的历史

2010年，我国加大对新能源汽车的扶持力度。2010年6月1日起，国家在上海、长春、深圳、杭州、合肥5个城市启动私人购买新能源汽车补贴试点工作。2011—2015年,新能源汽车开始进入产业化阶段，我国在全社会推广新能源城市客车、混合动力轿车、小型电动车。2016—2020年，我国进一步普及新能源汽车、多能源混合动力车，插电式电动轿车、氢燃料电池轿车将逐步进入普通家庭。从2018年开始，双积分政策和补贴新政已在逐步发挥作用。2018年，中国新能源汽车产销量均超125万辆，同比增长60%。资讯一汽车电气化的历史1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，用绝缘导线代替裸铜导线。1822年，法国人阿拉戈和盖·吕萨克发明电磁铁，即用电流通过绕线的方法使其中的铁块磁化。1821年9月，法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转及磁体绕载流导体的运动。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流磁效应，随后安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况提出了安培定律。1826年，德国物理学家欧姆提出电路实验定律——欧姆定律。资讯二汽车驱动电机的发展历史

1.直流电机的发展历史1831年，法拉第发现电磁感应现象之后不久，又利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机——法拉第圆盘发电机，如图3-4所示。同年夏天，亨利对法拉第的电机模型进行了改进，制作了一个简单的装置（振荡电机）。资讯二汽车驱动电机的发展历史图3-4法拉第圆盘发电机1832年，斯特金发明了换向器,并制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电机。

1832年，法国人皮克西在巴黎公开了一台永久磁铁型旋转式交流发电机。1854年，丹麦人赫尔特发明了自激式电机。1857年，惠斯通发明了自激电磁铁型发电机。1845年，英国物理学家惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，这是增强发电机输出功率的一个重要措施。1865年，意大利物理学家帕其努悌发明了环状发电机电枢。资讯二汽车驱动电机的发展历史资讯二汽车驱动电机的发展历史1866年，西门子的创始人维尔纳·冯·西门子（W.vonSiemens，1816—1892）制成直流自激、并激式发电机。1870年，格拉姆（Z.T.Gramme，1826—1901）将T形电枢绕组改为环形电枢绕组，发明了直流发电机，被人们誉为“发电机之父”。1873年，德国西门子公司研究发电机的工程师阿特涅用“鼓卷”的方式制成了性能更好的发电机。1873年，英国物理学家麦克斯韦完成了经典电磁理论基础著作《电和磁》，电机绕组发展为鼓型绕组，直流电机具备了现代直流电机的基本形式。1880年，霍普金森确立了磁路欧姆定律。1880年，爱迪生观察到用叠片铁心可以减少温升和能耗。1882年，人们把目光转向交流电机。美国人戈登制造出了输出功率为447kW、高3米、重22吨的两相式巨型发电机。1891年，阿诺尔德建立了直流电枢绕组理论。资讯二汽车驱动电机的发展历史资讯二汽车驱动电机的发展历史2.交流电机的发展历史1824年，尼古拉·特斯拉（1856—1943）发明了单相交流发电机。1876年，出现了原始形式的同步发电机和变压器。1882—1885年，匈牙利工程师代里等3人首创变压器。1884年，闭合磁路的变压器制成，并推广使用。1886年，尼古拉·特斯拉也制成两相绕线式交流异步电机模型，1888年又发明了交流电机。它是根据电磁感应原理制成的，又称感应电机，这种电机结构简单，使用交流电，无须整流，无火花，如图3-5所示。1889年，多利沃-多布罗沃利斯基提出了三相制并制成鼠笼式交流异步电机。1902年，瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电机构想。资讯二汽车驱动电机的发展历史图3-5交流电机

3.电动汽车驱动电机的发展历史面对金融危机、油价高涨和日益严峻的节能减排压力，大力发展新能源汽车成为世界汽车工业竞争的一个新焦点。近几年，我国政府也接连出台新能源汽车相关政策，尤其是“十二五”规划将新能源汽车确立为七大战略性新兴产业之一，中国电动汽车产业进入蓬勃发展的春天。资讯二汽车驱动电机的发展历史

3.电动汽车驱动电机的发展历史面对金融危机、油价高涨和日益严峻的节能减排压力，大力发展新能源汽车成为世界汽车工业竞争的一个新焦点。近几年，我国政府也接连出台新能源汽车相关政策，尤其是“十二五”规划将新能源汽车确立为七大战略性新兴产业之一，中国电动汽车产业进入蓬勃发展的春天。资讯二汽车驱动电机的发展历史

3.电动汽车驱动电机的发展历史电动汽车最早采用了直流电机系统，特点是成本低、控制简单，但质量大，需要定期维护。随着电力电子技术、自动控制技术、计算机控制技术的发展，包括异步电机及永磁电机在内的交流电机系统体现出比直流电机系统更加优越的性能，目前已逐步取代了直流电机控制系统。特别是借助于设计方法、开发工具及永磁材料的不断进步，用于驱动的永磁同步电机得到了飞速发展。资讯二汽车驱动电机的发展历史

3.电动汽车驱动电机的发展历史电动汽车中常用的交流电机主要有异步式、永磁式、开关磁阻式三大类型。日本丰田公司的Prius采用的永磁同步电机的功率已达到50kW，新配置的SUV车型所用电机功率甚至达到了123kW。与普通工业用驱动电机系统及通用变频器不同，电动汽车用驱动电机系统的特点是高性能、高速宽恒功率、高功率密度、高可靠性、系统高效、低速大转矩，低成本、低污染和良好的环境适应性。资讯二汽车驱动电机的发展历史1.发展趋势纯电动汽车中，三合一驱动系统车型将得到应用，但市场份额比较有限。最大的挑战在于电动车型对传统车型的替代速度不够快。在电池技术突破不及预期的情况下，经济适用型的纯电动汽车仍然是电动车型的主角。值得一提的是，从新能源汽车推广力度来看，纯电动汽车推广力度大于插电混合车型。随着城市交通管理的日趋严格和限行限购区域扩大，政策导向对新能源汽车尤其是纯电动车的市场的影响力仍然较大。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势1）集成化随着技术的进步，新能源驱动系统表现出集成化趋势，主要体现在通过驱动电机和传统部件深度集成在满足效果的同时控制驱动系统体积。为了最大可能节约布置空间，同时尽可能降低油耗，三缸发动机在前置前驱方案中得到了大量的应用，现有的发动机和变速箱组合也需要重新开发。2）高效化驱动系统还表现出高效率趋势。高效率的实现不仅体现在单个部件的高效率，而且体现在多个部件输出特性低效率区间互补使得系统效率提升，同时辅以能量回收功能。由于电机拥有低速大转矩的良好表现，多挡位变速箱在纯电驱动系统中就变得不再重要，进而转向单级或双级减速器。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势3）高压化驱动系统表现出高压化趋势。随着整车电压的提升，驱动电压也随之提升，高电压使得驱动系统表现出高速化和小型化，符合未来驱动系统发展方向，如图3-6所示。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势图3-6电驱动发展趋势预测分布式驱动是未来驱动的发展趋势，但现在受制于已有底盘形式，尤其是在制动、转向和悬架部分存在较大的适配性挑战，因此目前仅在商用车和军工车辆上有少量的应用（见图3-7），乘用车领域应用较少。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势图3-7分布式驱动应用案例目前就单个电机电控而言，未来技术趋势主要体现在功率密度和频率的提升。如电机由现在的圆线电机逐步向扁线电机过渡，冷却方式逐渐由水冷向油冷过渡。电控主要逐步向高压、高频发展，由IGBT向MOSFET（场效应晶体管）过渡。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势驱动电机型号由驱动电机类型代号、尺寸规格代号、信号反馈元件代号、冷却方式代号和预留代号五部分组成，如图3-8所示。资讯四新能源汽车驱动电机的型号规则图3-8驱动电机型号1.驱动电机类型代号驱动电机类型代号使用两个字母来代表驱动电机的类型。其代号含义如下。KC——开关磁阻电机；TF——方波控制型永磁同步电机；TX——正弦控制型永磁同步电机；YR——异步电机（绕线式）；YS——异步电机（鼠笼式）；ZL——直流电机。资讯四新能源汽车驱动电机的型号规则2.尺寸规格代号尺寸规格代号一般采用定子铁心的外径来表示，对于外转子电机，采用外转子铁心外径来表示。如图3-8所示电机的定子铁心外径为115mm。3.信息反馈元件代号信息反馈元件即转子位置传感器，其代号含义如下。M——光电编码器；X——旋转变压器；H——霍尔元件。无传感器不必标注。图38所示电机使用的转子位置传感器为光电编码器。资讯四新能源汽车驱动电机的型号规则4.冷却方式代号根据不同的冷却方式进行标注，其代号含义如下。S——水冷方式；Y——油冷方式；F——强迫风冷方式。非强迫冷却方式（自然冷却）不必标注。图3-8所示电机使用的为水冷方式。5.预留代号三位预留代号用英文大写字母或阿拉伯数字组合，其含义由制造商自行确定。资讯四新能源汽车驱动电机的型号规则

结合以上内容，分析对新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势的认知，学生分组，每个小组各自查资料、讨论，制订实训计划，见表3-2。三、决策与计划四、实施小组分工合作，按照所制订的新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势的认知计划，对新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势进行认知。五、检测与评估综合整个学习过程，对学生的表现进行成绩评定。可采用学生互评、教师评价相结合的方式。情景小结本情境主要介绍了汽车电气化的历史，介绍了汽车驱动电机的发展历史，介绍了新能源汽车及驱动电机的发展趋势，介绍了新能源汽车驱动电机的型号规则等内容。

知识拓展3电机技术发展现状目前驱动电机主要分为直流电机、交流电机及轮毂电机等；其中，直流和交流电机又可进一步划分。目前行业对交流异步电机、永磁同步电机及开关磁阻电机关注度较高。永磁同步电机具有效率高、转速范围宽、体积小、重量轻、功率密度大、成本低等优点，成为纯电动乘用车市场的主要驱动电机。从行业配套来看，新能源乘用车主要使用的是交流感应电机和永磁同步电机。其中，永磁同步电机使用较多，因其转速区间和效率都相对较高，但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼；部分欧美车系采用交流感应电机，主要因为稀土资源匮乏，同时出于降低电机成本考虑，其劣势主要是转速区间小，效率低，需要性能更高的调速器以匹配性能。

知识拓展3在技术指标方面，国内电机与国外电机相比尚存在以下几方面的差距：①峰值转速峰值转速是驱动电机的重要指标，也是目前国内驱动电机较之国外电机差距最为明显的指标。国内绝大部分永磁同步电机的峰值转速在10000rpm以下，而国外基本在10000rpm以上。②功率密度虽然国内电机在功率方面基本能够达到国际水平，但是在同功率条件下存在重量劣势，因此功率密度较之国际水平存在较大差距。目前，国内的永磁同步电机功率密度多处于1～2kw/kg区间内，与2020年3.5kw/kg的目标值存在较大差距。③效率在电机效率方面，国内电机的最高效率均达到94%～96%，已达到西门子、Remy等企业的水平。但是在高效区面积方面，如系统效率大于80%的区域占比方面尚存在一定差距。我国电机的高效区面积占比集中在70%～75%，而国外电机基本达到80%。④冷却方式电机的冷却方式已经从自然冷却逐步发展为水冷，目前国内电机企业采用水冷为主，国外先进的电机企业已经发展到油冷电机。国内部分电机企业也研发出油冷电机，如精进等，使电机的冷却效率得到进一步提升。

知识拓展4永磁同步电机的发展瓶颈当前因纯电动乘用车以永磁同步电机为主要技术路线，故如何进一步提升其性能成为行业重点问题。目前，永磁同步电机面临以下几方面的技术难点：①功率密度功率的提升有两种途径，一种是提高扭矩，另一种是提高转速。前者主要问题是过载电流加大，造成发热量高，给散热造成较大压力；后者是高速时铁磁损耗大，需采用高性能低饱和硅钢片，从而使成本提高；或采用复杂的转子结构，但影响功率密度。②材料方面永磁材料也是制约永磁同步电机性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料钕铁硼主要存在温度稳定性差、不可逆损失和温度系数较高以及高温下磁性能损失严重等缺点，从而影响电机性能。③生产工艺永磁同步电机在生产工艺方面的难点是制约大规模配套乘用车的重要因素。因为永磁同步电机生产企业缺乏产业化的积累，国内企业生产不良率较高，无法达到乘用车企业的不良率要求，尤其是随着纯电动乘用车市场规模的扩大，十万级的年产量给永磁同步电机带来了巨大的挑战。

知识拓展5轮毂电机的发展①技术现状轮毂电机最早于1900年由保时捷搭载到纯电动汽车上，经过100多年的发展，不仅众多美系、日系主机厂增加对轮毂电机的开发，电机公司（如英国Protean公司、法国TM4公司等）和轮胎企业（米其林公司、普利司通公司）也开发出轮毂电机产品。国内方面，万安科技与英国Protean合资、亚太股份与斯洛文尼亚轮毂电机公司合资开发轮毂电机产品。②优缺点分析从整体来看，永磁同步电机在轮毂电机上应用较为广泛。近年来，国内外的整车及零部件企业进行了很多轮毂电机驱动纯电动和混合动力乘用车的尝试。③性能提升对策轮毂电机在性能上面临的主要问题是簧下质量的提升对舒适性和操控性的影响；与轮毂集成后的散热问题和制动能量回收问题，以及随之而来的防震、防水和防尘等。④发展前景不同的行业主体对轮毂电机的态度不同造成轮毂电机的发展前景并不理想。新能源主机厂对轮毂电机以观望为主，传统的电机企业尚未对轮毂电机进行开发和规划，仅靠部分合资的电机企业对轮毂电机的推进，从而缺乏成熟量产车的支撑，同时轮毂电机的高成本和系统复杂度尚未解决，显著制约着轮毂电机在新能源乘用车领域的发展。

知识拓展6未来驱动电机发展趋势分析通过以上分析并结合市场调研可以看出，在未来几年的纯电动乘用车市场上，永磁同步电机仍将占据主流，交流异步电机的配套将逐年萎缩。随着轮毂电机技术的逐步成熟和成本的下探，其在纯电动乘用车市场的配套量会有一定的增长；而开关磁阻电机受限于体积和噪声问题，短时间内应用到乘用车的可能性较小。

思考与练习一、判断题1.经典电磁理论基础著作《电和磁》是由英国人麦克斯韦完成的。（）2.法拉第发明了永久磁铁型旋转式交流发电机。（）3.法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电机的实验室模型。（）二、选择题1.驱动电机铭牌上的YS指的是()。A.异步电机（绕线式）

B.异步电机（鼠笼式）

C.开关磁阻电机2.驱动电机铭牌上的X指的是()。A.霍尔元件

B.光电编码器

C.旋转变压器3.驱动电机铭牌上的S指的是()。A.水冷方式

B.油冷方式

C.强迫风冷方式

思考与练习三、问答题1.驱动电机型号由哪些部分组成？2.驱动电机尺寸规格代号有哪些？3.驱动电机型号中的预留代号是什么？

展示完毕感谢您的聆听学习情境四功率半导体器件对新能源汽车驱动电机进行控制离不开功率半导体器件。那么什么是功率半导体器件？它与普通的电子元器件有何区别？学习情景描述学习目标1.了解二极管；2.了解场效应晶体管；3.了解绝缘栅双极型晶体管；4.了解交流电力电子开关。工作任务1.在教师的指导下，制订功率半导体器件的认知计划；2.根据认知计划对功率半导体器件进行认知。目标和任务一、课前任务单根据查找的资料，完成下列课前任务单（见表4-1）。表4-1功率半导体器件课前任务单学习内容1.新能源汽车常用的功率半导体器件有（）、（）和（）。2.场效应晶体管的电气图形符号是怎样的？3.绝缘栅双极型晶体管的电气图形符号是怎样的？功率变换技术是新能源汽车调速和转向等动力控制系统的关键技术，其基本作用就是通过合理有效地控制电源系统电压、电流的输出和驱动电机电压、电流的输入，完成对驱动电机的转矩、转速和旋转方向的控制。电力电子器件是电力电子变换技术的物质基础。电力电子器件的发展水平直接决定着电力电子装置的水平，电力电子器件在电力电子变换技术中具有十分重要的地位和作用。电力电子器件正向着大容量、高可靠性、装置体积小、节约电能和智能化方向发展。除了早期使用的二极管、晶闸管外，目前常用的器件主要有门极可关断晶闸管、大功率晶体管、场效应晶体管、MOS控制晶闸管等。学习内容二、相关资讯资讯一二极管二极管属于不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件，它在整流逆变等领域都发挥了重要作用。由于导电机理和结构不同，二极管可分为结型二极管和肖特基二极管。

1.二极管的主要类型二极管的类型主要有三种。（1）普通二极管。普通二极管又称整流二极管，如图4-1所示，多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5μs以上，这在开关频率不高时并不重要；正向电流定额和反向电压定额可以达到很高的数千安和数千伏。二、相关资讯资讯一二极管图4-1普通二极管（2）快速恢复二极管。快速恢复二极管如图4-2所示，可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。其中前者反向恢复时间为数百纳秒或更长；后者反向恢复时间则在100ns以下，甚至低至20ns。快速恢复二极管工艺上通常分为PN结构和PIN结构。采用外延型PN结构的快速恢复外延二极管（FRED），其反向恢复时间比较短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。资讯一二极管图4-2快速恢复二极管（3）肖特基二极管。以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SBD，简称肖特基二极管），如图4-3所示。自20世纪80年代以来，随着工艺的发展，肖特基二极管在电力电子电路中得到广泛应用。肖特基二极管的优点是：反向恢复时间很短（10～40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下，其正向压降也很小（通常在0.5V左右），明显低于快速恢复二极管（通常在1V左右或更大），其开关损耗和正向导通损耗都比快速恢复二极管要小。资讯一二极管图4-3肖特基二极管2.PN结型二极管的基本结构PN结型二极管的基本结构是半导体PN结，具有单向导电性，正向偏置时表现为低阻态，形成正向电流，称为正向导通；而反向偏置时表现为高阻态，几乎没有电流流过，称为反向截止。根据容量和型号，PN结型二极管有各种不同的封装。其电气符号如图4-4所示，它有两个电极，分别是阳极A和阴极K。资讯一二极管图4-4PN结型二极管的电气符号3.肖特基二极管的工作原理与应用肖特基二极管是利用金属与N型半导体表面接触形成势垒的非线性特性制成的二极管。由于N型半导体中存在大量的电子，而金属中仅有极少量的自由电子，当金属与N型半导体接触后，电子便从浓度高的N型半导体中向浓度低的金属中扩散。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒，如图4-5所示。资讯一二极管图4-5N型基片和阳极金属之间形成肖特基势垒当SBD处于正向偏置时（外加电压金属为正、半导体为负），合成势垒高度下降，这将有利于硅中电子向金属转移，从而形成正向电流；相反，当SBD处于反向偏置时，合成势垒高度升高，硅中电子转移比零偏置（无外部电压）时更困难。尽管肖特基二极管具有和结型二极管相仿的单向导电性，但其内部物理过程却大不相同。肖特基二极管导通压降比普通二极管和快速恢复二极管低，这有助于降低二极管的导通损耗，提高电路的效率。但其反向耐压在200V以下，因此适用于低电压输出的场合。资讯一二极管大功率晶体管（gianttransistor，GTR）又称电力晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管。在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏(基极电流IB>0)时大电流导通，反偏(基极电流IB<0)时处于截止状态。GTR既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大，耐浪涌电流能力差，易受二次击穿而损坏。资讯二大功率晶体管

资讯三场效应晶体管场效应晶体管即MOSFET，是一种单极型电压全控器件，具有输入阻抗高、工作速度快（开关频率可达500kHz以上）、驱动功率小且电路简单、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区宽等优点，在各类开关电路中应用极为广泛。

1.MOSFET的结构与工作原理MOSFET是三端器件，具有栅极（G）、源极（S）和漏极（D），其种类和结构繁多，按导电沟道可分为P沟道型和N沟道型，如图4-6所示。当栅极电压为零时，漏源极间存在导电沟道的称为耗尽型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。在MOSFET中，应用较多的是N沟道增强型。资讯三场效应晶体管图4-6MOSFET的外形、结构和电气图形符号2.功率MOSFET的开关特性图4-7（a）是用来测试P-MOSFET开关特性的电路，图中Up为矩形波信号源，RS为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。图4-7（b）所示为P-MOSFET的开关特性曲线，图中UGS是栅极电压波形，ID是漏极电流波形，td(on)是开通延迟时间，tr是上升时间，td（off）是关断延迟时间，tf是下降时间。资讯三场效应晶体管

如图4-7（b）所示，功率MOSFET的开通时间定义为：开通时间ton为开通延迟时间td（on）与上升时间之和，即ton=td（on）+tr功率MOSFET的关断时间定义为：关断时间toff为关断延迟时间td（off）与下降时间tf之和，即toff=td（off）+tf资讯三场效应晶体管图4-7P-MOSFET的开关特性测试大功率晶体管（GTR）属于双极型电流驱动器件，其优点是通流能力很强，不足之处是开关速度相对低，驱动功率大，驱动电路复杂。而MOSFET是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快，输入阻抗高，所需驱动功率小，而且驱动电路简单；缺点是导通压降大。于是有人提出将这两类器件的优点，即GTR的低导通压降与MOSFET的高输入阻抗结合起来，制成复合型器件，通常称为BiMOS器件，即IGBT。它综合了GTR和MOSFET的优点，具有低导通压降和高输入阻抗的综合优点。自投入市场以来，IGBT应用领域广泛，现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。资讯四绝缘栅双极型晶体管1.IGBT的结构和工作原理IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。图4-8（a）所示为一种由N沟道型MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构，与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J3。这样使得IGBT导通时由P+注入区向基区发射少量载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力，其简化等效电路如图4-8（b）所示。IGBT的电气图形符号如图4-8（c）所示。资讯四绝缘栅双极型晶体管图4-8IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号2.IGBT的基本特性1）静态特性图4-9（a）所示为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系，与MOSFET的转移特性类似。开启电压UGE（th）是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE（th）随温度升高而略有下降，温度每升高1℃，其值下降5mV左右。在25℃时，UGE（th）的值一般为2～6V。图4-9（b）所示为IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。此特性与GTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBT为栅射电压UGE，而GTR为基极电流IB。IGBT的输出特性也分为3个区域：正向阻断区、有源区和饱和区，这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。资讯四绝缘栅双极型晶体管资讯四绝缘栅双极型晶体管图4-9IGBT的转移特性和输出特性2）动态特性图4-10所示为IGBT开关过程的波形图。IGBT的开通过程与MOSFET的开通过程很相似，这是因为IGBT在开通过程中大部分时间是作为MOSFET来工作的。如图4-10所示，从驱动电压UGE的前沿上升至其幅值的10％的时刻起，到集电极电流IC上升至其幅值的10％的时刻止，这段时间为开通延迟时间td（on）。而IC从10％ICM上升至90％ICM所需时间为电流上升时间tr。同样，开通时间为开通延迟时间与电流上升时间之和。开通时，集射电压UCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。资讯四绝缘栅双极型晶体管IGBT关断时，从驱动电压UGE的脉冲后沿下降到其幅值的90％的时刻起，到集电极电流下降至90％ICM止，这段时间为关断延迟时间td（off）。集电极电流从90％ICM下降至10％ICM的这段时间为电流下降时间tf。二者之和为关断时间toff。电流下降时间可以分为tfi1和tfi2两段。其中，tfi1对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流IC下降较快；tfi2对应IGBT内部的PNP型晶体管的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少数载流子复合缓慢，造成IC下降较慢。资讯四绝缘栅双极型晶体管资讯四绝缘栅双极型晶体管图4-10IGBT开关过程的波形图可以看出，IGBT中双极型PNP型晶体管的存在，虽然带来电导调制效应的好处，但也引入少数载流子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于MOSFET。此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折中的参数。高压器件的N基区必须有足够的宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。资讯四绝缘栅双极型晶体管（1）最大集射极间电压UCES，这是由器件内部的PNP型晶体管所能承受的击穿电压所确定的。（2）最大集电极电流，包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。（3）最大集电极功率PCM，在正常工作温度下允许的最大耗散功率。3.IGBT的主要参数除了前面提到的各参数之外，IGBT的主要参数还包括以下几个。（1）IGBT开关频率高，开关损耗小。有关资料表明，在电压为1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与MOSFET相当。（2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。（3）IGBT的通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。（4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与MOSFET类似。（5）与MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。资讯四绝缘栅双极型晶体管1832年，斯特金发明了4.IGBT的性能特点IGBT的性能特点如下。1.交流调压电路恒频恒压交流-恒频变压交流变换电路，通常称为交流调压电路，是指由晶闸管等电力半导体器件构成的、把一种交流电变成另一种同频率、不同电压的交流电的变换装置。按所变换的相数不同，交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。资讯五交流电力电子开关（1）整周波通断控制。在整周波通断控制方式中，晶闸管是作为交流开关使用的，它把负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变通断比来改变负载上的电压有效值。资讯五交流电力电子开关交流调压的控制方式有以下三种。（2）相位控制。在相位控制方式中，在电源电压上、下半波的某一相位分别触发相应的晶闸管使其导通，改变触发延迟角即可改变负载接通电压的时间，从而达到调压的目的。（3）斩波控制。在斩波控制方式中，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT等可自关断器件。在每个电压周波中，开关器件多次通断，使电压斩波成多个脉冲，改变通断比即可实现调压。三种控制方式的输出电压波形如图4-11所示。相位控制交流调压简称相控调压，是交流调压中的基本控制方式，应用最广泛。资讯五交流电力电子开关图4-11交流调压三种控制方式的输出电压波形2.晶闸管单相交流调压电路图4-12所示为晶闸管单相交流调压电路图及波形图。其中图4-12（a）所示为主电路，采用晶闸管VT1和VT2反并联连接，也可以用一个双向晶闸管VT代替，与负载电阻RL串联接到交流电源u上。在交流电源u的正半周开始时刻触发VT1，在负半周开始时刻触发VT2，如同一个无触点开关。若正、负半周以同样的移相角分别触发VT1和VT2，则负载电压有效值随之改变，实现了交流调压。资讯五交流电力电子开关图4-12晶闸管单相交流调压电路图及波形图

3.交流电力电子开关的结构与特性像晶闸管单相交流调压电路这样把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用，这就是交流电力电子开关（见图4-12）。交流调功电路也是控制电路的接通和断开，但它以控制电路的平均输出功率为目的，其控制手段是改变控制周期内电路导通周波数和断开周波数的比值。而交流电力电子开关并不去控制电路的平均输出功率，通常也没有明确的控制周期，而只是根据需要控制电路的接通和断开。一般情况下，交流电力电子开关的控制频率比交流调功电路的控制频率低得多。资讯五交流电力电子开关

结合以上内容，分析对功率半导体器件的认知，学生分组，每个小组各自查资料、讨论，制订实训计划，见表4-2。三、决策与计划四、实施小组分工合作，按照所制订的功率半导体器件的认知计划，对功率半导体器件进行认知。五、检测与评估综合整个学习过程，对学生的表现进行成绩评定。可采用学生互评、教师评价相结合的方式。情景小结本情境主要介绍了二极管、场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管以及交流电力电子开关等内容。

思考与练习一、判断题1.从新能源汽车的应用上看，MOSFET、IGBT具有较好的应用前景。（）2.IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有低导通压降和高输入阻抗的综合优点。（）3.和一机械开关相比，电力电子开关响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。（）二、选择题1.（）是新能源汽车的调速和转向等动力控制系统的关键技术。A.功率变换技术

B.新型材料技术

C.汽车智能技术2.把晶闸管反向并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用，这就是()。A.机械开关

B.交流电力电子开关

C.电磁开关3.()是指由晶闸管等电力半导体器件构成的、把一种交流电变换成另一种同频率、不同电压的交流电的变换装置。A.交流调压电路

B.直流调压电路

C.交流电力电子开关

思考与练习三、问答题1.功率变换技术的基本作用是什么？2.二极管的主要参数有哪些？3.什么是交流电力电子开关？其有何用途？

展示完毕感谢您的聆听学习情境五功率变换电路对新能源汽车驱动电机进行控制离不开功率变换电路。那么有哪些功率变换电路呢？它们都有哪些方面的应用呢？学习情景描述学习目标1.了解AC-AC变换电路；2.了解AC-DC变换电路；3.了解DC-DC变换电路；4.了解DC-AC变换电路。工作任务1.在教师的指导下，制订功率变换电路的认知计划；2.根据认知计划对功率变换电路进行认知。目标和任务一、课前任务单根据查找的资料，完成下列课前任务单（见表5-1）。表5-1功率变换电路课前任务单学习内容1.交流变频电路的工作原理是怎样的？

2.直流升压斩波电路的工作原理是怎样的？

3.逆变电路的工作原理是怎样的？

交流-交流变换电路（AC—AC变换电路）典型类型如下。1.三相交流调压电路若把三个单相交流调压电路接在对称的三相电源上，让其互差2π/3相位工作，则构成一个三相交流调压电路。三相交流调压器主电路的连接形式繁多，常见的有图5-1所示的几种。二、相关资讯资讯一交流—交流变换电路图5-1三相交流调压器主电路的连接图5-1（a）所示为带有中性线的星形连接，每个单相交流调压电路分别接在自己的相电源上，每相的工作过程与单相交流调压电路完全一样。图5-1（b）所示为无中性线的星形连接，它的波形正负对称，负载中及线路中都无三次谐波电流，因此得到广泛的应用。图5-1（c）所示为三角形连接，实际上也是三个单相交流调压电路的组合，其优点是由于晶闸管串接在三角形内部，流过晶闸管的电流是相电流，故在同样线电流情况下，晶闸管电流容量可以降低。图5-1（d）、图5-1（e）所示两种电路的优点是所用的晶闸管只要3只，其缺点是电压、电流的正负半周不对称，谐波分量大。资讯一交流—交流变换电路图5-1（a）所示为带有中性线的星形连