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1、主讲人：董玉刚主讲人：董玉刚电动车辆国家工程实验室电动车辆国家工程实验室电动汽车电力电子技术和电机驱动技术电动汽车电力电子技术和电机驱动技术电动汽车国外趋势oo发展新能源汽车已经成为全球共识，各国相继发布实施发展新能源汽车已经成为全球共识，各国相继发布实施了新的新能源汽车发展战略，进一步明确了产业发展方了新的新能源汽车发展战略，进一步明确了产业发展方向，明显加大了研发投入与政策扶持力度，未来向，明显加大了研发投入与政策扶持力度，未来1010年年将迎来全球汽车产业转型升级的重要战略机遇期。将迎来全球汽车产业转型升级的重要战略机遇期。美国奥巴马：2015年100万辆电动车上路2011研究生汽车技术
2、教育计划(GATE)助力电动车德国2011年“国家电动汽车计划”50亿欧元投资2020年目标：1:45日本2010启动“新一代汽车计划”2030年实现电驱动“AllJapan”体制欧盟“欧洲统一交通区域路线图”2050年实现汽车减排40%电动汽车国内政策oo发展新能源汽车成为我国的国家战略。发展新能源汽车成为我国的国家战略。 20102010年，我国年，我国将新能源汽车列入重点发展的战略性新兴产业，将新能源汽车列入重点发展的战略性新兴产业，20122012年发布年发布节能与新能源汽车产业规划（节能与新能源汽车产业规划（2012-2012-20202020），明确了以纯电驱动为汽车工业转型的主要
3、，明确了以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向。新能源汽车为实现我国汽车工业技术转型升战略取向。新能源汽车为实现我国汽车工业技术转型升级和跨越发展提供了重大历史机遇。级和跨越发展提供了重大历史机遇。新能源汽车生产企业及产品准入管理规则关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知私人购买新能源汽车试点财政补助资金管理暂行办法2015年实现纯电驱动汽车保有辆达到50万辆2020年达到200万辆政策规划地区发展oo新能源车辆成为北京汽车工业发展的战略方向。新能源车辆成为北京汽车工业发展的战略方向。北京是我国新能源汽车首批“十城千辆”示范城市以及“私人购买新能源汽车”试点城市之一2009年以来，北京
4、市已投入科研经费5亿元，累计34款纯电动汽车列入国家汽车产品公告计划2015年底拥有5000辆纯电动公共领域用车和30000辆私人购买新能源汽车已经开发了多种纯电动客车、特种车、乘用车车型，创建了整车销售、整车租赁以及裸车销售、电池租赁等不同的商业模式共建设大型充/换电站十余处，安装充电桩数千个现有的专用车大多采用燃油发动机系统（部分车型采用双发动机系统），具有能耗高、噪声大、排放差等特点，成为城市空气污染的主要来源之一。柴油发动机的车型产生的细微颗粒物排放，更是城市雾霾（PM2.5）的重要因素之一。环境改善p纯电动专用车具有零排放和低噪声的特点，能够有效缓解能源和环境压力。成果推广应用成果推
5、广应用截至2012年12月，项目累计生产相关类型电动车辆超过2200辆。建立了国际上技术水平最高、运行规模最大的纯电动专用车队，在北京和成都市城区得到批量应用，其中仅在北京市已交付纯电动环卫车辆1103辆、物流车40辆。1.纯电动专用车电动化底盘（北汽福田）纯电动专用车电动化底盘（北汽福田）序号序号底盘型号底盘型号生产数量生产数量生产年份生产年份产能产能1 1BJ1071VDE0A-1BJ1071VDE0A24200910000辆/年245201012920114020122 2BJ1020EV6 /BJ1020EV7BJ1020EV8 /BJ1020EV9BJ1020EV1075520102
6、0000辆/年32620113 3BJ1031EVJA1/BJ1031EVJA2525201120000辆/年4020124 4BJ5163EKF0D6020105000辆/年5 5BJ5036XXYEV-1402012合计合计218455000辆/年2.纯电动环卫车整纯电动环卫车整车（北京华林）车（北京华林）序号序号车辆型号车辆型号车辆类型车辆类型生产年份生产年份数量数量1HLT5074ZYSEV纯电动压缩式垃圾车2009102HLT5162GSSEV纯电动洒水车200963HLT5074ZYSEVHLT5076ZYSEV纯电动压缩式垃圾车2010554HLT5071ZZZEVHLT5072
7、ZZZEV纯电动自装卸式垃圾车20101305HLT5165GSSEV纯电动洒水车2010606HLT5022ZLJEV纯电动自卸式垃圾车20102207HLT5024CTYEV纯电动桶装垃圾运输车20101758HLT5026CTYEV纯电动桶装垃圾运输车20103609HLT5074ZYSEVHLT5076ZYSEV纯电动压缩式垃圾车20112510HLT5071ZZZEVHLT5072ZZZEV纯电动自装卸式垃圾车20113211HLT5023ZLJEV纯电动自卸式垃圾车201134612HLT5031 CTYEV纯电动桶装垃圾运输车201125013HLT5032 CTYEV纯电动桶装
8、垃圾运输车2011275合计19443.纯电动环卫车整纯电动环卫车整车车序号序号车辆型号车辆型号车辆名称车辆名称生产年份生产年份数量数量1BTL5071TSLEV纯电动吸尘车200812BTL5072TSLEV纯电动吸尘车201023BTL5072TSLEV纯电动吸尘车2011404BTL5071TSLEVBTL5072TSLEV纯电动吸尘车201237合计80序号序号车辆型号车辆型号车辆名称车辆名称生产年份生产年份数量数量1SCZ5160GSSBEV纯电动洒水车201290合计90北京天路通科技有限公司北京天路通科技有限公司北京天路通科技有限公司北京天路通科技有限公司一汽（四川）专用汽车公司
9、一汽（四川）专用汽车公司一汽（四川）专用汽车公司一汽（四川）专用汽车公司电动汽车应用到电力电子技术和电机驱动技术的部件电动汽车应用到电力电子技术和电机驱动技术的部件电动汽车应用到电力电子技术和电机驱动技术的部件电动汽车应用到电力电子技术和电机驱动技术的部件电动汽车专用：电动汽车专用： n主电机驱动系统主电机驱动系统n 使用高压供电的辅助电机驱动系统，如：水泵、使用高压供电的辅助电机驱动系统，如：水泵、气泵、转向油泵、操控电机、空调电机、上装电机气泵、转向油泵、操控电机、空调电机、上装电机驱动驱动n 车载充电机、地面充电机车载充电机、地面充电机n 高压高压DC/DCDC/DCn 电池均衡器电池均
10、衡器汽车电子：汽车电子：车载低压电池供电的各类功率变换装置车载低压电池供电的各类功率变换装置技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分n 电力电子技术的广义概念电力电子技术的广义概念n 电力电子技术的工程概念电力电子技术的工程概念n 电机控制理论的概念电机控制理论的概念n 电机驱动技术的概念电机驱动技术的概念技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分n 电力电子技术的广义概念电力电子技术的广义概念 通过电子技术对半导体装置进行控制，实现功率变通过电子技术对半导体装置进行控制，实现功率变换的技术。换的技术。电力电子技术是
11、一门跨学科垮领域的技术，它是相电力电子技术是一门跨学科垮领域的技术，它是相关电力技术电子技术的有机结合，并在此基础上逐关电力技术电子技术的有机结合，并在此基础上逐渐发展完善的成学科成体系的学术领域。渐发展完善的成学科成体系的学术领域。技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术涵盖：技术涵盖：半导体的理论研究、和生产制造。（未来的发展：半导体的理论研究、和生产制造。（未来的发展：碳化硅技术）碳化硅技术）功率半导体器件的分类和工作特性：功率半导体器件的分类和工作特性： 主要：二极管主要：二极管 MOSFET MOSFET 晶闸管晶闸管 GTO IGBT I
12、GCT GTO IGBT IGCT 功率半导体驱动技术功率半导体驱动技术变流器主回路设计技术变流器主回路设计技术变流器控制技术变流器控制技术 技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分二极管特性（基础）：二极管特性（基础）：通态管压降和损耗通态管压降和损耗结电容和高频特性结电容和高频特性换向损耗（很重要，但是容易被忽视）换向损耗（很重要，但是容易被忽视）二极管的基本应用：二极管的基本应用：整流、续流、限幅整流、续流、限幅/ /钳位、稳压钳位、稳压电力二极管：电力二极管：整流、快恢、肖特基整流、快恢、肖特基技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概
13、念的划分技术领域及概念的划分晶闸管（又称可控硅，晶闸管（又称可控硅，SCR)SCR)：在电力电子器件中，它能承受的电压和电流仍然是在电力电子器件中，它能承受的电压和电流仍然是目前最高的，且工作可靠，因此在大容量的应用场目前最高的，且工作可靠，因此在大容量的应用场合占有重要的地位。因此，在电动汽车预充电环节合占有重要的地位。因此，在电动汽车预充电环节大量使用。大量使用。正反馈深度饱和导通正反馈深度饱和导通: :（使用强触发脉冲列的原因）（使用强触发脉冲列的原因）相控调压控制：地面大功率充电机部分产品使用该相控调压控制：地面大功率充电机部分产品使用该技术技术( (该模式下强触发脉冲列非常重要）该模
14、式下强触发脉冲列非常重要）换向损耗（很重要，但是容易被忽视）换向损耗（很重要，但是容易被忽视）技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分GTOGTO（门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管) )：门极正脉冲使其导通，负脉冲使其关断。门极正脉冲使其导通，负脉冲使其关断。在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用但驱动功率需求非常大，其电流开关增益只有但驱动功率需求非常大，其电流开关增益只有5 5左右。左右。虽然开关时间较虽然开关时间较SRCSRC快的多，但任然较长，导致开关快的多，但任然较长，导致开关损耗大，开关频率低。损耗大，
15、开关频率低。技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分电力电力MOSFETMOSFET（特点和（特点和GTOGTO相反相反) )：用栅极电压来控制漏电流，驱动电路简单，所需驱用栅极电压来控制漏电流，驱动电路简单，所需驱动功率小，开关速度快，工作频率高。动功率小，开关速度快，工作频率高。但电流容量小，耐压低，一般只适合但电流容量小，耐压低，一般只适合10kW10kW以下的电以下的电力电子装置。力电子装置。因此在电动汽车应用领域，特别是小功率电动汽车因此在电动汽车应用领域，特别是小功率电动汽车功率变换装置中大量使用功率变换装置中大量使用MOSFETMOSFET
16、，其中各类低压，其中各类低压DC/DCDC/DC变换装置几乎都用的是变换装置几乎都用的是MOSFETMOSFET。传统的汽车电。传统的汽车电子领域同样也大量使用子领域同样也大量使用MOSFETMOSFET。技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分MOSFETMOSFET的实际使用特点：的实际使用特点：以以MOSFETMOSFET为核心功率器件的电动汽车电力电子装置，为核心功率器件的电动汽车电力电子装置，如果有故障和损毁，一般问题都出在如果有故障和损毁，一般问题都出在MOSFETMOSFET（俗称（俗称MOSMOS管）。其中管）。其中90%90%以上的原因
17、是瞬间过流，其次是以上的原因是瞬间过流，其次是吸收电路失效，瞬间过压损毁，再次触发信号不到吸收电路失效，瞬间过压损毁，再次触发信号不到位，使其工作在线性区，最后可能就是散热条件不位，使其工作在线性区，最后可能就是散热条件不足。足。目前大部分的开关电源使用的是目前大部分的开关电源使用的是MOSFETMOSFET，电动汽车，电动汽车中许多控制装置的开关也在使用中许多控制装置的开关也在使用MOSFETMOSFET技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分IGBTIGBT（绝缘栅极晶体管（绝缘栅极晶体管) )：是电动汽车电力电子技术的核心部件，其开关速度是电动汽车
18、电力电子技术的核心部件，其开关速度高，开关损耗小。其开关频率比高，开关损耗小。其开关频率比GTOGTO要高的多，但比要高的多，但比MOSFETMOSFET低，开关损耗与电力低，开关损耗与电力MOSFETMOSFET相当。相当。通态压降比电力通态压降比电力MOSFETMOSFET低，特别是在电流较大的区低，特别是在电流较大的区域域输入阻抗高，驱动电流小，驱动电路简单输入阻抗高，驱动电流小，驱动电路简单电压、电流容量比电力电压、电流容量比电力MOSFETMOSFET高的多高的多目前的发展已有取代目前的发展已有取代GTOGTO的趋势的趋势技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技
19、术领域及概念的划分应用及技术发展：应用及技术发展：不控器件：不控整流技术（基础）不控器件：不控整流技术（基础）半控技术：可控整流技术、固态继电器、中频自激半控技术：可控整流技术、固态继电器、中频自激技术技术全控技术：全控技术：PWMPWM逆变，逆变，DC/DC,AC/DC,DC/AC,AC/ACDC/DC,AC/DC,DC/AC,AC/AC技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分不控整流技术：不控整流技术：主要在车载，或地面充电机的前端，或隔离高频开主要在车载，或地面充电机的前端，或隔离高频开关电源的次级使用。关电源的次级使用。技术领域及概念的划分技术领
20、域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分可控整流技术：可控整流技术：主要在地面充电机。主要在地面充电机。全控桥整流全控桥整流半控桥整流半控桥整流技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分预充电：预充电：优点：工作可靠，使用寿命长，成本低优点：工作可靠，使用寿命长，成本低缺点：有损耗，影响效率，需要散热缺点：有损耗，影响效率，需要散热技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分技术领域及概念的划分全控技术：全控技术：电机驱动技术电机驱动技术开关电源技术开关电源技术电力电子技术在电动车方面主要的应用是电机驱动电力电子技术在电动车方
21、面主要的应用是电机驱动和开关电源技术，其中如车载充电机，车载高压和开关电源技术，其中如车载充电机，车载高压DC/DCDC/DC使用的就是开关电源技术。使用的就是开关电源技术。开关电源技术开关电源技术开关电源技术开关电源技术开关电源是采用功率半导体器件作为开关元件，通开关电源是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性地控制开关元件的通断时间或通断的频率过周期性地控制开关元件的通断时间或通断的频率来调整或维持输出电压恒定的装置。来调整或维持输出电压恒定的装置。特点：特点：高频化高频化模块化模块化数字化数字化绿色化绿色化未来的技术突破：谐振技术未来的技术突破：谐振技术开关电源技术开关电源技术开关电
22、源技术开关电源技术开关电源技术开关电源技术开关电源技术开关电源技术软开关基本技术软开关基本技术软开关基本技术软开关基本技术软开关包括零压开关（软开关包括零压开关（ZVS）和零流开关（）和零流开关（ZCS）。）。它们都是应用电路谐振原理实现开关动作时电压或它们都是应用电路谐振原理实现开关动作时电压或电流为零，实现开关损耗为零。电流为零，实现开关损耗为零。BUCK型型ZCS-PWM变换电路变换电路软开关基本技术软开关基本技术软开关基本技术软开关基本技术BUCK型型ZVS-PWM变换电路变换电路目前，已有数百种在上述基础上经过变形的谐目前，已有数百种在上述基础上经过变形的谐振型电路，目前有些车载振型
23、电路，目前有些车载DC/DC装置采用了装置采用了该技术该技术同步整流技术同步整流技术同步整流技术同步整流技术从从20世纪世纪80年代初开始，国际电源界研究开发同步年代初开始，国际电源界研究开发同步整流技术。当电路的输出电压非常低时，若仍然采整流技术。当电路的输出电压非常低时，若仍然采用二极管就使得效率难于提高，可采用同步整流技用二极管就使得效率难于提高，可采用同步整流技术，也就是采用通态电阻非常小（几毫欧）的术，也就是采用通态电阻非常小（几毫欧）的MOS管，代替肖特基管，用于低压、大电流输出的管，代替肖特基管，用于低压、大电流输出的DC/DC变换器中。（简称变换器中。（简称SR）同步整流技术同
24、步整流技术同步整流技术同步整流技术电压自驱动电压自驱动SR-正激变换器及理想驱动电压波形正激变换器及理想驱动电压波形主要应用在低压主要应用在低压DC/DC变换模块，如变换模块，如5V/3.3V,5V/1.8V,3.3V/1.8V,12V/5V(大电流大电流)等控制等控制电路的电压变换上。电路的电压变换上。电池模拟器电池模拟器电池模拟器电池模拟器电池模拟器是开发电动汽车电机驱动系统的重要装电池模拟器是开发电动汽车电机驱动系统的重要装置，是电力电子技术的一种典型应用：置，是电力电子技术的一种典型应用：关键是实现功率的双向流动关键是实现功率的双向流动n电动车辆实验台用电池模拟电源的重要作用表现在如下
25、两个方面：电动车辆实验台用电池模拟电源的重要作用表现在如下两个方面： 1 1）能能输输出出可可调调的的直直流流电电压压，模模拟拟电电池池输输出特性出特性 2 2）电机制动的能量回馈）电机制动的能量回馈 采用回馈并网，较能耗制动更节约能源，对节约能源有重要意义。采用回馈并网，较能耗制动更节约能源，对节约能源有重要意义。 电池模拟器的两大功能电池模拟器的两大功能 追求目标追求目标pp实现电实现电源的高功率因数整流与逆源的高功率因数整流与逆源的高功率因数整流与逆源的高功率因数整流与逆变变 pp提高系提高系提高系提高系统统的的的的动态动态响响响响应应能力能力能力能力2.4 电池模拟器方案电池模拟器方案
26、oo为为了达到了达到了达到了达到电电池模池模池模池模拟拟器的两个功能，器的两个功能，器的两个功能，器的两个功能，选选用用用用PWMPWM整流加双整流加双整流加双整流加双向向向向DC-DCDC-DC两两两两级级串串串串联联的方案的方案的方案的方案3.1 PWM整流拓扑结构整流拓扑结构oo电电流型流型流型流型 直流直流直流直流侧侧采用采用采用采用电电感感感感进进行直流行直流行直流行直流储储能，从而使整流器直流能，从而使整流器直流能，从而使整流器直流能，从而使整流器直流侧侧呈高阻抗的呈高阻抗的呈高阻抗的呈高阻抗的电电流源特性流源特性流源特性流源特性，体体体体积积大、大、大、大、动态动态响响响响应应慢
27、慢慢慢 oo电压电压型型型型 直流直流直流直流侧侧采用采用采用采用电电容容容容进进行直流行直流行直流行直流储储能，从而使整流器直流能，从而使整流器直流能，从而使整流器直流能，从而使整流器直流侧侧呈低阻抗的呈低阻抗的呈低阻抗的呈低阻抗的电压电压源特性源特性源特性源特性，较较快的响快的响快的响快的响应应速度且易于速度且易于速度且易于速度且易于实现实现PWM波形调制方法波形调制方法ooSPWMSPWM调调制方法制方法制方法制方法PWM波形调制方法波形调制方法ooSVPWMSVPWM（空（空（空（空间电压间电压矢量）矢量）矢量）矢量）调调制方法制方法制方法制方法对于于电压型逆型逆变桥而言而言, ,输出
28、出电压依依赖于于它所它所对应的逆的逆变桥臂上下功率管开关的状臂上下功率管开关的状态。电压型逆型逆变桥有有8 8 种空种空间状状态, ,这8 8 种空种空间状状态用空用空间电压矢量的概念来表示矢量的概念来表示, ,如右下如右下图所示。所示。从从图中可以看出中可以看出, ,状状态V Vs1s1到状到状态VsVs6 6为工工作有效状作有效状态, , 可以看出可以看出6 6 个空个空间矢量在直矢量在直流流电压不不变，忽略管，忽略管压降的前提下幅降的前提下幅值相相等相位差等相位差/3 /3 电角度角度,V,Vs7s7和和V Vs8s8状状态为自由自由轮换状状态，实际上是一种特殊的通上是一种特殊的通过逆逆
29、变桥的短路状的短路状态。PWM波形调制方法波形调制方法ooSVPWMSVPWM（空（空（空（空间电压间电压矢量）矢量）矢量）矢量）调调制方法制方法制方法制方法 ooSVPWMSVPWM（空（空（空（空间电压间电压矢量）矢量）矢量）矢量）调调制方法制方法制方法制方法实现SVPWM的方法很多，例如，一种最的方法很多，例如，一种最简单的方法是将两个非零矢量和一个零矢量的方法是将两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的合成一个等效的电压矢量矢量Uout在右在右图中，可以看到在某个中，可以看到在某个时刻刻Uout旋旋转到某个区域中，就到某个区域中，就由由组成成这个区域的两个非零矢量个区域的两个非零矢量Ux和和Ux60分分别作用作用T1，T2时间，先作用的，先作用的Ux称称为主矢主矢量，后作用的量，后作用的Ux60称称为辅矢量，矢量，时间分解如分解如图2.23所示。所示。为补偿Uout的旋的旋转频率，插入率，插入零矢量，作用零矢量，作用时间T0。通。通过控制控制T1，T2 和和T0的比例关系的比例关系获得需求的得需求的Uout输出。出。4、电池模拟器系统框图、电池模拟器系统框图
