混合动力汽车电子器件和功率转换器课件

混合动力汽车电子器件和功率转换器混合动力汽车电子器件和功率转换器第1页DC/DC电源变换器课题一混合动力汽车电子器件和功率转换器第2页概述一混合动力汽车电力驱动系统主要有电机、逆变器、电源变换装置DC/DC、动力电源(有降压型、升压型和双向型三种)、辅助电池(12V蓄电池)、动力电源ECU和HVECU等,如图2-1所表示。图2-1混合动力汽车电力驱动系统示意图混合动力汽车电子器件和功率转换器第3页电力电子器件基础概念二电力电子器件按照能够被控制电路信号控制程度分为不控器件(电力二极管)、半控器件(晶闸管等)、全控器件(门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、电力场效应晶体管等)三类。常见电力电子器件等效电路及特点等见表2-1,这些电力电子器件是HEV电力驱动系统常见器件一个别。混合动力汽车电子器件和功率转换器第4页电力电子器件基础概念二表2-1电力电子器件等效电路及特点混合动力汽车电子器件和功率转换器第5页电力电子器件基础概念二混合动力汽车电子器件和功率转换器第6页DC/DC变换器功用三在电动汽车电子系统或设备中,系统中直流总线不可能满足性能各异、种类繁多元器件(包含集成组件)对直流电源电压等级、稳定性等要求,因而必须采取各种DC/DC变换器来满足电子系统对直流电源各种需求。DC/DC变换器(有简称DC/DC)直流输入电源,可来自系统中电池,也可来自直流总线。车载动力电池和辅助电源工作时,其电压稳定性能差而且会有较高噪声。混合动力汽车电子器件和功率转换器第7页DC/DC变换器功用三HEV对DC/DC变换器要求主要有以下几点:1)尽可能高转换效率,最少50%以上。2)含有输出、输入端隔离效果。3)含有短路保护功效和过电压保护功效。混合动力汽车电子器件和功率转换器第8页DC/DC变换器分类四1)依据DC/DC变换器拓扑结构分为正激型、反激型、升压型、降压型、升/降压型、反相型、推挽式正激型、半桥式正激型和全桥式正激型。2)依据开关控制方式分为脉宽调制式PWM(PulseWidthModulation),脉冲频率调制式PFM(PulseFrequencyModulation),脉宽、频率混合调制式“硬开关电路”,电压或零电流“软开关”PWM电路和各种谐振式、准谐振式变换器等。3)依据负极与车身绝缘是否,DC/DC变换器分为非绝缘型和绝缘型两类。混合动力汽车电子器件和功率转换器第9页DC/DC变换器分类四4)依据功率变换器特点可分为电压源变换器、电流源变换器和Z源变换器三类。电压源变换器和电流源变换器是传统DC/DC变换器,Z源变换器是一个新型变换器,它引进了一个阻抗变换,将主变换器电路与电源或负载耦合,其电源既能够为电压源也能够为电流源。Z源变换器直流电源能够是任意,如电池、二极管整流器、晶闸管变流器、燃料电池堆、电感、电容器或它们组合等。混合动力汽车电子器件和功率转换器第10页DC/DC变换器工作原理五1.PWM法和PFM法DC/DC变换器也称为斩波器,经过对电力电子器件通断控制,将直流电压断续地加到负载上,经过改变占空比改变输出电压平均值,其基础原理如图2-2所表示。图2-2基础DC/DC变换器和它输出波形混合动力汽车电子器件和功率转换器第11页DC/DC变换器工作原理五2.降压型变换器降压型变换器原理如图2-3所表示降压型变换器在开关K导通时,就会有电流流过电感器件L,使能量储存在电感上,而当开关断开时电感上能量会释放到负载上以维持电压输出。图2-3降压型DC/DC变换器电路原理图混合动力汽车电子器件和功率转换器第12页DC/DC变换器工作原理五降压型变换器输出电压高低与开关K工作周期大小以及每个周期中开关导通时间ton和断开时间toff长短相关(见图2-4)。开关导通和断开时电感器件上电压UL和电流iL变换如图2-4所表示,负载RL平均电流为Io,电压为IoRL,低于输入电压Ud。图2-4降压型变换器开关导通和关闭时等效电路a)开关管导通时等效电路b)开关管断开时等效电路混合动力汽车电子器件和功率转换器第13页DC/DC变换器工作原理五实际降压型变换器中通常见MOSFET替换图2-3中开关K,而且用控制电路控制MOSFET导通与断开,其电路组成如图2-5所表示。为了到达所需电压值,通常采取回馈电路把输出电压反馈到控制电路,并和参考电压做比较,以决定MOSFET(图2-5中S1)工作周期或开关导通时间ton和断开时间toff长短,以得到稳定输出直流电。图2-5降压型变换器电路简图混合动力汽车电子器件和功率转换器第14页DC/DC变换器工作原理五3.升压型变换器升压型变换器和降压型变换器所使用组件种类相同,升压型变换器原理如图2-6所表示。图2-6升压型变换器电路原理混合动力汽车电子器件和功率转换器第15页DC/DC变换器工作原理五开关导通和断开时电感器件上电压UL和电流IL变换如图2-7所表示,负载RL上平均电流为Io,电压为IoRL,高于输入电压Ud。图2-7升压型变换器开关导通和关闭时等效电路a)开关管导通时等效电路b)开关管断开时等效电路混合动力汽车电子器件和功率转换器第16页DC/DC变换器工作原理五实际中升压型变换器也是借助MOSFET导通周期或导通时间ton和断开时间toff来控制输出电压高低。升压型变换器中通常MOSFET替换图2-6中开关K而且用控制电路控制MOSFET导通与断开,其电路组成如图2-8所表示。图2-8升压型变换器电路简图混合动力汽车电子器件和功率转换器第17页DC/DC变换器工作原理五4.非绝缘型和绝缘型变换器非绝缘型和绝缘型变换器特点分别是系统零线与车身相接和断开(绝缘),图2-9和图2-10分别是主电源给辅助电源供电用非绝缘型和绝缘型变换器电路原理示意图,其区分是辅助电源负极是否绝缘。图2-9非绝缘变换器工作原理图2-10绝缘型变换器工作原理混合动力汽车电子器件和功率转换器第18页DC/DC变换器工作原理五5.升(降压)型双向变换器图2-11是丰田汽车企业THSⅡ混合动力系统使用升(降压)型双向变换器原理示意图,主要由用于降压IGBT开关型Sbuck、用于升压开关型Sboost、感性滤波器件和容性滤波器件组成。图2-11THSⅡ升(降压)型双向变换器原理示意图

混合动力汽车电子器件和功率转换器第19页DC/DC变换器工作原理五升压回路工作时原理如图2-12所表示,SbuckIGBT一直打开,相当于一个二极管。当SboostIGBT导通时,电流回路如图2-12a所表示,电池电流流向电感器件,电感器件电压VL与电源电压Vb相等但相位相反;当Sbuck断开时,电流回路如图2-12b所表示,电感器件电流流向系统回路,电感器件电压VL为系统电压Vs与电源电压之差。图2-12升压时原理示意图a)电池对感应器充电b)感应器升压混合动力汽车电子器件和功率转换器第20页DC/DC变换器工作原理五降压回路工作时原理如图2-13所表示,因为Sboost一直打开,SboostIGBT能够被忽略,看作一个功率二极管即可。当Sbuck导通时,电流回路如图2-13a所表示,系统电流流向电感器件回路,电感器件电压VL为系统电压Vs与电源电压之差;当Sbuck被断开时,电流回路如图2-13b所表示,电感器件电压VL与电源电压相等但相位相反。图2-13降压时原理示意图a)系统对感应器充电b)感应器降压混合动力汽车电子器件和功率转换器第21页DC/DC变换器工作原理五6.Z源变换器Z源变换器主要优点是输出电压能够依据需要升高或降低,变换效率高,而且其电源既能够为电压源又能够为电流源。图2-14a为Z源变换器在HEV上应用方案,其作用是将动力电源电压从200V升压到500V后输送到电机逆变器。混合动力汽车电子器件和功率转换器第22页DC/DC变换器工作原理五6.Z源变换器图2-14b为Z源变换器普通拓扑结构,它由电感器件L1、L2和电容C1、C2接成×形。图2-14HEV用Z源变换器混合动力汽车电子器件和功率转换器第23页DC/DC变换器工作原理五7.DC/DC变换器实际电路组成举例DC/DC变换器由功率回路和控制回路组成,实际DC/DC变换器电路组成示意图如图2-15所表示。图2-15DC/DC变换器电路组成示意图混合动力汽车电子器件和功率转换器第24页DC/DC变换器性能检测六1.DC/DC功率变换模块稳压精度检测方法因为混合动力电动汽车用DC/DC变换器输入电压在工作过程中会不停改变,所以,其输出电压和电流波动大小就成为衡量其工作稳定性一个主要指标。DC/DC变换器稳压精度δu就是衡量其输出电压稳定性一个主要指标。δu通常可由图2-16所表示电路测量得到,测量δu时使用仪表主要有直流可变电源、直流电压表、直流电流表、可变直流负载(仪表应不低于1.5级)等。图2-16DC/DC变换器性能测试图混合动力汽车电子器件和功率转换器第25页DC/DC变换器性能检测六2.δu测量步骤1)用直流可变电源向DC/DC变换设备先后输入额定直流电压、允许最小电压和允许改变最大电压。2)调整可变直流负载使前述三个不一样输入电压下可变直流负载电流依次为额定值0%、50%和100%,把各个条件下输出电压值分别记入表2-2中。3)最终依据表2-2中统计所测电压改变极限值(最大值和最小值)U和额定输出电压Uo值。表2-2DC/DC变换器稳压精度测试统计表混合动力汽车电子器件和功率转换器第26页DC/DC变换器性能检测六3.DC/DC变换效率测量DC/DC变换效率公式为η=IoUo/IiUi×100%式中Uo———输出电压(V);Io———输出电流(A);Ui———输入电压(V);Ii———输入电流(A)。混合动力汽车电子器件和功率转换器第27页DC/AC电压变换器课题二混合动力汽车电子器件和功率转换器第28页DC/AC电压变换器作用一DC/AC电压变换器又叫逆变器,它是一个将直流电转变为交流电电力电子器件,混合动力汽车DC/AC功用是将直流电变换为交流电,从而给交流驱动电机和单相交流用电器设备供电。混合动力汽车电子器件和功率转换器第29页DC/AC电压变换器分类二常见DC/AC电压变换器电路可按输出波形、直流电源性质、用途、换流方式和输出相数等分类。1.按输出波形分一类是正弦波逆变器,另一类是方波逆变器。混合动力汽车电子器件和功率转换器第30页DC/AC电压变换器分类二2.按直流电源性质分按直流电源性质可分为电压型和电流型。3.按换流方式分按换流方式可分为外部换流和自换流两大类。4.按逆变分按逆变可分为有源逆变与无源逆变两种。有源逆变与无源逆变概念如图2-17所表示。图2-17有源逆变与无无源逆变概念混合动力汽车电子器件和功率转换器第31页DC/AC电压变换器基础原理三1.半桥逆变电路半桥逆变电路有两个桥臂,每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成,如图2-18所表示。在直流侧接有两个相互串联足够大电容,两个电容连接点是直流电源中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。开关器件Vl和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏,二者互补。当负载为感性时,工作波形如图1-18b所表示。图2-18单相半桥电压型DC/AC电压变换器工作原理示意图a)单相半桥电压型逆变电路b)单相半桥电压型逆变电路工作波形混合动力汽车电子器件和功率转换器第32页DC/AC电压变换器基础原理三2.全桥逆变电路全桥逆变电路(见图2-19)是单相逆变电路中应用最多,电压型全桥逆变电路输出电压uo波形是矩形波,幅值Um与直流电源电压Ud相等,即Um=Ud;输出电流io波形如图2-19b所表示,与半桥逆变电路波形相同,但幅值增加一倍。图2-19电压型全桥逆变电路工作原理a)全桥逆变电路b)逆变电路工作波形混合动力汽车电子器件和功率转换器第33页DC/AC电压变换器基础原理三3.三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。图2-20为采取IGBT作为开关器件电压型三相桥式逆变电路,它可看成由三个半桥逆变电路组合而成。图2-20三相电压型桥式逆变电路混合动力汽车电子器件和功率转换器第34页DC/AC电压变换器基础原理三三相电压型桥式逆变电路也是180°导电方式,每桥臂导电角度为180°,同一相上下两臂交替导电,各相开始导电角度依次相差120°。在任一瞬间将有三个桥臂同时导通,每次换流都是在同一相上下两臂之间进行,也称为纵向换流。负载各相到电源中点N′电压如图2-21所表示。图2-21电压型三相桥式逆变电路工作波形混合动力汽车电子器件和功率转换器第35页DC/AC电压变换器基础原理三4.组合式DC/AC电压变换器图2-22为组合式DC/AC电压变换器驱动电路。图2-22组合式DC/AC电压变换器驱动电路混合动力汽车电子器件和功率转换器第36页DC/AC功率变换器性能参数测量方法四1.DC/AC功率变换器交流输出电压稳定度测量(1)DC/AC功率变换器交流输出电压稳定度测量电路DC/AC功率变换器交流输出电压稳定度δu是衡量DC/AC功率变换器一个主要指标。测量δu时使用仪表主要有直流电压表、直流电流表、交流电压表、交流电流表、直流电源、交流可变负载(仪表不低于1.5级)等。试验电路如图2-23所表示。图2-23逆变设备性能试验电路图a)单相试验电路b)三相试验电路混合动力汽车电子器件和功率转换器第37页DC/AC功率变换器性能参数测量方法四(2)δu测量步骤1)将逆变器直流输入电压、交流输出电压调整在额定值,将输出电流调整在额定值50%,并依次调整输出负载电流到额定值5%和100%,分别把各个条件下输出电压值统计在表2-3中。2)调整直流输入电压到上限值和下限值,先将输出电流调整在额定值50%,再调整输出负载电流到额定值5%和100%,分别把输出电压值统计在表2-3中。表2-3逆变器稳压精度测试统计表混合动力汽车电子器件和功率转换器第38页DC/AC功率变换器性能参数测量方法四3)依据表2-3统计测量值用下式计算出稳压精度δu：δu=-（U-Uo）/Uo×100%式中U———测得输出交流电压最大值或最小值;Uo———输出交流电压额定值。混合动力汽车电子器件和功率转换器第39页DC/AC功率变换器性能参数测量方法四2.DC/AC功率变换器变换效率测量(1)DC/AC功率变换器变换效率测量电路测量额定输出效率需使用仪表主要有直流电压表、直流电流表或电力谐波分析仪、直流电源、交流负载(仪表不低于1.5级)等。试验电路如图2-24所表示。图2-24逆变器效率测试图a)单相试验电路b)三相试验电路混合动力汽车电子器件和功率转换器第40页DC/AC功率变换器性能参数测量方法四(2)测量步骤1)将逆变器输入直流电压、输出交流电压和电流均调整为额定值。2)从测试仪表上读出输入直流电压和电流,输出有功功率值,用下式计算出效率ηη=P/IU×100%式中P———输出有功功率;U———输入直流电压;I———输入直流电流。混合动力汽车电子器件