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1、1,第5章 电力电子技术在交通领域的应用,5.1 电力电子技术在火车中的应用 5.2 电力电子技术在磁悬浮列车中的应用 5.3 电力电子技术在汽车中的应用 5.4 电力电子技术在电动自行车中的应用 5.5 电力电子技术在电梯中的应用,2,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,5.3.3 电动汽车的发展简史 1电动汽车早于内燃机汽车产生并进入应用电动汽车最早出现在英国。1834年，英国的布兰顿演示了托马斯戴文波特发明的蓄电池车。该车采用的是玻璃封装的不可充电的蓄电池，它比世界上第一部内燃机汽车早了半个世纪。,1881年，法国巴黎街上出现了世界上第一辆以可充电电池为动力的电动汽车。它是法国工程师古斯
2、塔夫图沃装配的以铅酸电池为动力的三轮车。如图。,3,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,1895年到1910年是早期电动汽车发展的黄金时期。在英国伦敦，电动出租汽车公司在1897年生产了15辆电动出租车。,4,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,1899年，法国人设计制造的子弹头形电动汽车续驶里程约达290km，并创下了98km/h的速度纪录,5,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,到1912年，美国有34000辆注册电动汽车。贝克电气公司(Baker)是美国最重要的电动汽车制造商。后来随着技术的发展，内燃机汽车迅速发展，以及对长途客货运输的需求，使电动汽车续驶里程短、充电时间长等缺陷更加明显
3、。1913年，福特公司开发了T型内燃机汽车，并在汽车发展史上首次实现了标准化大批量生产，使其价格从1909年的850美元降到了1925年的260美元。批量化生产的内燃机汽车冲击了电动汽车的发展，到19世纪30年代，电动汽车几乎消失了。,6,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,2石油危机促使电动汽车开始了第二轮研发20世纪60年代，内燃机汽车大量应用带来严重的污染。20世纪70年代初，世界石油危机对世界经济产生重大影响，电动汽车重新得到社会各界的重视。从此，电动汽车在国际上开始第二轮的研发高潮。代表性产品：,1996年，美国通用汽车公司开发的纯电动轿车“EV 1，正式生产并销售了上千辆。,7,5
4、.3 电力电子技术在汽车中的应用,1997年，日本丰田公司开始销售其5座混合动力电动汽车“Prius”。,8,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,3节能减排战略给电动汽车发展带来新生机21世纪初，纯电动轿车产业化受挫；随后，以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车为目标的电动汽车进入了第三轮更大规模的研发探索阶段。技术研发的重点：是延长续驶里程、缩短充电时间，解决充电基础设施问题。2006年以后，随着全球节能环保呼声的日益高涨以及各国各大汽车公司对电动汽车技术的统一认识和信心，纯电动汽车的开发在中国、日本、美国、欧洲得到了进一步的重视，并向产业化、实用化发展。,9,5.3 电力电子技术在汽车中
5、的应用,5.3.4 电动汽车的种类 按照目前技术状态和车辆驱动原理的不同，一般将电动汽车划分为三种类型：纯电动汽车(Electric Vehicle，EV)混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV),10,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,1纯电动汽车纯电动汽车的动力系统主要由动力蓄电池、驱动电机及其控制系统组成，动力系统可从电网取电(或更换蓄电池)获得电力。典型的纯电动汽车结构如图1-2所示。,11,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,电动汽车的驱动电动机有多种：如美国倾向于采
6、用交流感应电动机，而日本多采用永磁无刷直流电动机，我国采用稀土永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机等。电动汽车电池：铅酸蓄电池、镍-氢蓄电池、镍-镉蓄电池等。纯电动汽车是其他类型电动汽车的基础，具有零排放、噪声小、结构简单、维护较少的优点。相对于燃油汽车和其它类型的电动汽车，纯电动汽车能量利用效率最高，而且电力价格便宜，使用成本低。2011.4.6，上海第一批私人购买的8辆电动汽车挂牌上路，初步统计发现，这8辆电动汽车的运行成本为每公里约8分钱，大概是普通汽油车的1/10，每年的运行费用在1200-1500元。,12,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,2混合动力电动汽车混合动力电动汽车主要是指
7、在传统内燃机汽车基础上，增加一套由驱动电机和动力蓄电池组成的辅助动力系统；由辅助动力系统进行功率的平衡、耦合以及能量的再生与存储等，从而降低油耗与污染物排放。按照动力耦合方式的不同，混合动力电动汽车又可以分为串联式、并联式、混联式和插电式等类型。,13,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,A.串联式混合动力系统：发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。串联式混合动力的结构简单，但它需要三个驱动装置：发动机、发电机和电动机。车辆的效率通常较低。,14,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,B.并联式混合动力系统：采用发动
8、机和电机两套独立的驱动系统驱动车轮。可以采用发动机单独驱动、电机单独驱动或者发动机和电机混合驱动三种工作模式。当发动机提供的功率大于车辆所需驱动功率时或者当车辆制动时，电机工作于发电机状态，给蓄电池充电。,发动机,15,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,C.混联式混合动力系统：在结构上综合了串联式和并联式的特点。与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传输路线。尽管综合了串、并联的优点，但其结构复杂，成本高。然而，一些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。,16,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,以上三种类型的混合动力电动汽车，蓄电池不设外接充电插口，所有
9、的动力均来自于液体燃料。与纯电动汽车相比，混合动力可利用现有加油设施，因此具有传统燃油汽车相同的续驶里程。90年代以来，各大汽车公司都着手开发混合动力汽车，丰田公司在1997年率先向市场推出“普锐斯”（Prius）混合动力汽车，累计产销量已超过60万辆。普锐斯装备1.5l发动机，动力和2.0排量的差不多。百公里油耗3-5升，节省约50%。随后日本本田、美国福特、通用和欧洲一些大公司，也纷纷向市场推出各种类型的混合动力汽车。,17,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,D.插电式混合动力系统：插电式混合动力电动汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle-PHEV)是可以使
10、用电力网对电池充电的混合动力汽车，具有较长的纯电动行驶里程，同时还能以混合动力模式工作，具有良好的燃油经济性。PHEV的电池容量约是纯电动汽车电池容量的3050，是一般混合动力汽车电池容量的35倍，可以说它是介于混合动力汽车与纯电动汽车之间的一种过渡性产品。与内燃机汽车和一般混合动力汽车（HEV）相比，PHEV由于更多的依赖动力电池驱动汽车，因此它的燃油经济性进一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。,18,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,3.燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车，其动力系统主要由燃料电池、燃料箱、功率变换器、驱动电机、动力蓄电池、控制器等组成。燃料电池发电作为主要能量源，通过电
11、机驱动车辆前进。燃料电池是利用燃料和氧气(或空气)在催化剂的作用下直接经电化学反应产生电能的发电装置。目前，大多数燃料电池是以氢气作为燃料，又称氢-氧燃料电池。,19,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,燃料电池电动汽车动力系统如图：,20,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,燃料电池汽车优点：具有效率高、节能环保(以氢气为能源、排放物为水)、运行平稳、噪声小等。燃料电池作为电动汽车的动力来源，其特点主要表现在：1)能量转化效率高。燃料电池的能量转换效率可高达6080，为内燃机的23倍。2)不污染环境。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是水。但现在，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段。,21
12、,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,5.3.5 电动汽车的驱动与控制1电动汽车的驱动系统组成电动汽车驱动系统，主要由电力驱动子系统、电源子系统和辅助子系统组成。如图所示。图中双线表示机械连接，粗线表示电气连接；细线表示控制信号连接；线上的箭头表示传输方向。驱动系统是电动汽车的核心，也是与内燃机汽车的最大不同点。一般地，驱动系统由电子控制器、功率变换器、驱动电动机、机械传动装置及车轮等部分构成。驱动系统的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能进而推进汽车行驶，并能够在汽车减速制动或者下坡时，实现再生制动。,22,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,一种典型的电动汽车系统组成：,23
13、,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,2.电动汽车驱动系统类型电动汽车驱动系统类型是以驱动电机进行分类的：,24,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,A.直流电动机驱动系统早期的电动汽车，广泛采用直流电动机。为了调速，在蓄电池组与电机之间须加入DC/DC变换器。DC/DC变换器有多种类型。一般要求电压调节范围较宽，驱动电流较大，并同时要求能满足电动机正、反转及发电回馈的控制，即电路具有相应的四象限控制功能。DC/DC变换器常用器件有晶闸管、功率晶体管和IGBT。调速方式：脉宽调制（PWM）调速驱动方式。缺点：由于直流电动机存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大等缺点，随着电动机控
14、制技术的发展，正在逐渐被替代。,25,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,直流电动机驱动DC/DC变换器的实例：大功率晶体管脉宽调制（PWM）调速系统H型功率变换器：,图 H桥在双极性工作方式下的电压波形,工作方式：a）1、4工作，2、3关断，电机正转；b）2、3工作，1、4关断，电机反转；c）双极性工作，1、4与2、3交替导通，可正可反。,26,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,所谓脉宽调速，即是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，从而达到调节电动机转速
15、的目的。图4-13所示为大功率晶体管脉宽调制（PWM）调速系统的脉冲功率放大器部分。图中，功率晶体管VT1VT4 构成H型(也称桥式)脉冲功率放大器。VD1VD4为续流二极管，用于保护功率晶体管。M表示直流电动机。图4-14为H桥在双极性工作方式下的电压波形。,27,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,B.交流感应电动机驱动系统 交流电动机优点：与直流电动机相比，具有效率高、体积小、质量轻，免维护、坚实可靠、易冷却、寿命长、能更有效地实现再生制动等优点。,用交流电动机，直流电源必须经DC/AC变换为三相交流电源，但逆变器的控制较复杂。右图所示为采用交流感应电动机的控制系统。,28,5.3 电力
16、电子技术在汽车中的应用,29,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,C.无刷直流电动机驱动系统 无刷直流电动机，是目前应用最广泛的电动机，许多世界知名公司的电动汽车都采用了无刷直流电动机驱动系统。无刷直流电动机与其他电动机相比具有几个明显优点：没有电刷，利用电子换相，克服了由电刷引起的问题，弥补了传统直流电机的不足，而性能可以与直流电机相媲美；永磁体安装在转子上，电枢绕组装在定子上，导热性能好；结构简单，节省了空间，使其磁场损失也得到了减少；它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、振荡等现象。,30,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化电机。它不仅包
17、括电机本体部分，而且还涉及位置传感器、电力电子变流器以及控制器等。下图给出了典型三相桥式结构永磁无刷直流电动机的组成：,31,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,D.开关磁阻电动机驱动系统开关磁阻电动机是一种新型的机电一体化调速电机,兼有直流和交流调速的优点，其电机结构比感应电动机更简单可靠。开关磁阻电机的显著优点：运行十分可靠；在较宽的转速和转矩范围内效率很高，并且调速灵活；具有很高的起动转矩和较低的起动功率；结构简单、体积小、坚固、容易维护、成本低；其转子无绕组，适合于频繁正反转及冲击负载等工况条件；可以在散热条件差、存在化学污染的环境下运行。开关磁阻电动机的主要缺点：低速输出转矩波动大,
18、工作噪声高。因此，开关磁阻电机在工业传动领域、家电领域、数控机床、汽车电气传动系统等领域都有较好的发展前景。,32,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,开关磁阻电机主要包括四大部分：磁阻电机本体、电力电子变流器、转子位置传感器以及控制器。其系统组成如图所示。,图 开关磁阻电机系统的组成,33,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,开关磁阻电机的结构及功率变换电路,34,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,5.3.6 电力电子在混合动力汽车中的应用实例 这里以2003 年丰田推出的新一代普锐斯Prius为例简介。该车也被称为新一代丰田混合动力系统-THS-，节能效果可达到100km 油耗不足3L。
19、,变频器,35,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,Prius THS-中整车电气系统结构如图。整车电气驱动系统主要包括高效发动机、永磁交流同步电动机、发电机、动力分配装置、高性能镍金属氢化物(Ni-MH)电池、功率控制单元以及其他相关管理控制单元等部件组成。,Prius THS-整车电气系统结构,36,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,丰田混合动力系统的功率控制单元(PCU)由逆变器、升压转换器、电控单元与DC-DC转换器组成，电路如图。,图 Pr ius THS-的功率控制单元的结构,Prius THS-功率控制单元外形,37,5.3 电力电子技术在汽车中的应用,纵观火车、汽车的发展历史，电力电子的应用从无到有，从有到多，所起的作用越来越大。如果没有电力电子，最先进的高速动车，就只能优雅的趴着不动。如果没有电力电子，汽车带来的环境污染就不可能缓解，随着石油燃料的消耗殆尽，汽车就没有未来。,
