新能源汽车能量管理系统

第七章 新能源汽车能量管理系统 12
三、直流变换器DC/DC的功用
3.升压型转换器
升压（型4转）换召器开与选降型压讨型论转会换器所使用的组件类型相
同，升压型DC/DC的原理如图7.11所示，升压型转换器 在开关K导通时，就会有电流流过电感L，使能量储存在 电感上，当开关K断开时，由于楞次效应，电感电压反 向，而且加上输入电压Ud通过二极管VD构成回路，使 电输出压U0会大于输入电压Ud。升压型DC/DC输出电 压的高低与开关K的工作周期大小、以及每个周期中开 关导通时间ton和断开时间t3模o.增型f程f的式电长动汽短车有特点关。
三、新能源汽车核心功率电子单元MCU 第七章 新能源汽车能量管理系统 5
MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组 成，具体结构如图7.3所示。
MCU是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接收VCU的车辆行驶控制指令， 控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电能转换 为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时，MCU具有电机系统故障诊 断保护和存储功能。
全控型器件，很高的正反向阻断电压的 额能力和电流导通能力，较短的导通和 关断时间，较小的控制功率。
全控型器件，与普通双极结型晶体管基 本原理相同，主要特性是耐压高、电流 大、开关特性好。
开关时间短，导通电阻大。目前的容量 水平50A/500V，频率100kHz。
绝缘双极晶体 管(IBGT)
全控型器件，通过控制信号即可控制其 导 通 与 关 断 。 GTR 和 MOSFET 复 合 ， 结 合二者的优点，具有良好的特性。目前 的 容 量 水 平 （ 1200~1600 ） /A~
目录导航
第一节 新能源汽车能量管理系统概述 第二节 电力电子元件与功率变换装置 第三节 新能源汽车电动机驱动控制装置 第四节 新能源汽车电源管理系统 第五节 混合动力汽车机电能源管理系统应用
一、电动汽车的电力驱动系统
第七章 新能源汽车能量管理系统 8
混合动力汽车的电力驱动系统构成如图7.5所示，其主要组成为 发电机/电动机、逆变器、升压器型电源变换装置DC/DC、动力电源、 辅助电源、动力电源管理装置、HEV管理装置等。
第七章 新能源汽车能量管理系统
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一、新能源汽车管理系统构成
第七章 新能源汽车能量管理系统 3
不同种类的电动汽车其能源转换系统构成不同，因而其能源管理的软、硬件系统 装置构成就不同。以混合动力汽车为例，新能源汽车管理系统可分为三级模块体系， 如图7.1所示。
第七章 新能源汽车能量管理系统 19
五、 AC/DC电源变换装置
ห้องสมุดไป่ตู้第七章 新能源汽车能量管理系统 20
1.AC/DC功率变换器的功用与种类
AC/DC功率变换器的功用是将交流电转换为直流电能，电动汽车中AC/DC的功 用主要是讲交流发电机的交流电转换为直流电供给用电器或电能储能设备储存。
按照电路中变流器件开关频率的高低，所有半导体变流电路可分为低频（相控式） 和高频（PWM斩控式）两大类。按照组成的部件可分为不可控、半可控、全控三种 AC/DC变换器。按照控制方式又有相控式和斩控式整流电路之分。
容性滤波元件。该变换器也被称为两象限双向断路
器，两端分别与动力电池和其它设备连接。升降压
型双向DC/DC变换器的原理通过控制周期性地流过
感应器电流的时间来实现想要得到的输出和输入电
3.增程式电动汽车特点
流之间的关系。
模型
第七章 新能源汽车能量管理系统 14
三、直流变换器DC/DC的功用
5.DC/DC变换器的实际电路组成举例
第七章 新能源汽车能量管理系统 13
三、直流变换器DC/DC的功用
4.升降压型双向DC/DC变换器
图7.14所示为丰田汽车公司开发的THSⅡ混合
动力系统使（用4）的召升开降选压变型换讨器论原会理示意图，其主要
组成为用于降压的IBGT1开关型，用于升压的开关型
IGBT2，续流二极管VD1和VD2、感性滤波元件和
DC/DC变换器由功率回路和控制回路组成，
实际DC/D（C4电）路召构开成选的型示讨意论如会图7.17所示，功
率变换电路以控制电路的驱动信号为基础，打开、 关闭晶闸管的输入直流电，并将其变换为交流电 压供给变压器。在变压器中变压后的交流电压经 整流二极管整流，整流后的断续直流电压经平滑 电流平滑后对辅助电池充电。控制回路除了完成 以上功能外，还具有输出限流、输入过压保护、 过热保护和报警等功能。 3.增程式电动汽车特点
五、 AC/DC电源变换装置
2.三相桥式全控整流器的组成与工作原理
三相桥式是应用最广泛的整流电路，全控式整 流电路原理图如图7.23所示。三相交流电u、v、 w分别连接到晶闸管连线的a、b、c中，三相电 压经晶闸管后进入负载，由于晶闸管的导通时 间与顺序得到控制，因而可以得到接近不变的 直流电压。 晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按 图2.23所示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、 c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、 VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3 个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。编号如表2.1 所示，晶闸管的导通顺序为 VT1－VT2－VT3－ VT4－VT5－VT6。
二、整车控制决策的核心电子控制单元（VCU） 第七章 新能源汽车能量管理系统 4
图7.2所示为整车控制单元的结构组成，共包括外壳、硬件电路、底层软件和应用 层软件，硬件电路、底层软件和应用层软件是VCU的关键核心技术。
一般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置。VCU通过采集油门踏板、挡位、 刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图；通过监测车辆状态(车速、温度等)信息，由 VCU判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制 车载附件电力系统的工作模式；VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。
所控制的度分为不控制件（电力二级管）、 晶体管（GTR）
半控制器件（晶闸管）全控制器件（门极可
关断晶体管、绝缘栅双极晶体管、电力场效 电力场效应管 （MOSFET）
应晶体管）三类。
电气图形及等效电路
主要特点 不能用控制信号控制其通断，不需要 驱动电路，只有两个端子。 半可控想器件，通过控制信号可控制其 导通而不能控制其关断。
三、直流变换器DC/DC的功用
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2. 电动机-驱动桥组合驱动式 电动汽车的DC/DC变换器的主要功能是给车灯、ECU、小型电器等汽车附属设备提 供电力和向辅助电源充电，其作用与传统汽车交流发电机相似。传统汽车依靠发动机带 动交流发电机提供给附属电器设备和辅助电源。由于纯电动汽车或燃料电池汽车无发动 机，混合动力汽车的发动机并不是不间断地工作，并且带有“自动怠速停止与启动”装 备，因此电动车无法使用交流发电机提供电源，必须依靠动力电池箱附属用电设备及其 电源供电，DC/DC设备成为必备设备。 DC/DC变换器有升压变换器与降压变换器之分,根据电压调制方式又有脉宽调制和频率 调制的区别。
四、DC/AC变换器
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2. DC/AC的基本原理
（1）半桥逆变电路
半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。如 图7.18所示。
四、DC/AC变换器
2. DC/AC的基本原理
(2) 全桥逆变电路
全桥逆变电路如图7.19所示，是单向逆 变电路中应用最多的。电压型全桥逆变 电路可看成由两个半桥电路组合而成， 共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和 3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交 替各导通180°；VD1、V1、VD2、V2相 互导通的区间，分别对应VD1和DV4、 V1和V4、VD2和VD3、V2和V3相继导 通的区间。
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第七章 新能源汽车能量管理系统 11
三、直流变换器DC/DC的功用
2. 降压型转换器
降压（型4转）换召器开（选DC型/D讨C论）会的原理如图7.8所示，降
压型转换器在开关K导通时就会有电流流过电感L，使能 量储存在电感上，并为负载供电。而当开关K断开时电感 上的能量要释放,电感的左端被强制降到0V以下，使二极 管正偏导通，电感能量经负载、二极管构成的回路释放 并减小，输出电压随之下降。降压型DC/DC输出电压的 高低与开关K的工作周期大小、以及每个周期中开关导通 时间ton和断开时间toff的长短有关。
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四、DC/AC变换器
2. DC/AC的基本原理
（3） 三相电压型逆变器
三个单个逆变电路可组成一个三相逆变电路。 如图7.20为采用IGBT作为开关器件的电压三 相桥式逆变电路，它可以看成有三个半桥逆 变电路组合而成。 电压型三相桥式逆变电路也是180°导电方式， 每桥臂导电角度180°，同一相上下两臂交替 导电，各相开始导电的角度依次相差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臂之间进行，也称为纵 向换流。
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四、DC/AC变换器
1.DC/AC变换器的功用
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通常使用的普通电源是由220v交流电整流而成的直流电，而 DC/AC功率变换器的作用与此相反，因此又被称为逆变器。它是 一种将直流电转变为交流电的电力电子元件,其英文名称为power inverter 或inverter。电动汽车上使用的主要是将HV的直流电转变 为电动机/发电机用交流电的DC/AC。近年来出现车载的AC电源也 是一种逆变器，其特点能够将直流电（12或24V）转换为交流电 （220V）供一般电器使用，是一种方便的电源转换器。 电动车的DC/AC功用是将蓄电池的直流电变换为交流电，提供给 驱动电机和单相交流用电器使用。
三、直流变换器DC/DC的功用
1. PWM和PFM
电子器DC件/（D的C4通变）断换召控器开制也选，称型将为讨直斩论流波会电器压，断通续过地对加电到力 负载上，通过改变占空比以改变输出电压的平 均值。其基本原理如图7.7(a)所示，U0为直流 电源的电压，R为电路电阻；开关管K断开时， 输出电压等于0，开关管K导通时，输出电压等 于UD，K导通和断开时输出端电压随时间的变 化如图7.7（b）所示，输出3.增电程式压电动的汽车平特均点 值为U0。
图7.6 所示为丰田公司PRIUS混合动力汽车的电机驱动与电源变 换的电路示意图。该混合动力汽车采用两种直流电源，一是高压动力 200V直流电源，为车辆电驱动装置提供能量。另一个是低压电源，为 随车负载提供电能。PRIUS混合动力汽车电驱动和发电系统均采用 500V交流电，在对电机供电时要将200V直流电升压到500V交流电， 这个任务由逆变器（DC/AC）完成。发电机对蓄电池充电时，要将发 电机产生的500V交流电转换为200V直流电，这个任务由整流降压转 换器（AC/DC）完成。而直流电压200V降为车用12V或42V直流电源 的功能，则由直流转换器（DC/DC）完成。
二、电力电子器件的基本概念
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名称
电能变换和控制过程中使用的电子元件 电力二级管
被称为电力电子器件，其主要特点是处理电
晶闸管
功率的能力远大于处理信息的电子器件。
由于电力电子器件处理的电功率大，为
了减小本身的损耗、提高效率，一般都工作 门极可关断晶
在开关状态。
闸管
按照电力电子器件能够被控制电路信号 电力（大功率）
四、电池包
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电池包组成如图7.4所示，包括电芯、模块、热管理系统、箱体和BMS。其中BMS能够 提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。
电池包是新能源汽车核心能量源，为整车提供驱动电能，它主要通过金属材质的壳体包 络构成电池包主体。模块化的结构设计实现了电芯的集成，通过热管理设计与仿真优化电池 包热管理性能，电器部件及线束实现了控制系统对电池的安全保护及连接路径；通过BMS实 现对电芯的管理，以及与整车的通讯及信息交换。