了得網工業技術_新能源汽車電力電子技術仿真

編輯推薦

1. 《新能源汽車電力電子技術仿真》針對新能源汽車電驅動繫統、低電壓設備和車載充電裝置的核心技術，將汽車、電力電子、仿真三個專業領域結合，由簡單仿真案例開始，順序漸進引導讀者掌握仿真技術，完成純電動汽車電力電子繫統的仿真。從基礎性知識出發，按部就班指導讀者學習新能源汽車電力電子理論和技術，直至掌握電子繫統性知識。
2. 《新能源汽車電力電子技術仿真》全彩印刷，適合新能源汽車行業具有車輛工程或機械工程專業背景的工程師參考，也適合有興趣掌握電力電子知識的學生或工程師閱讀。

內容簡介

《新能源汽車電力電子技術仿真》針對新能源汽車電驅動繫統、低電壓設備和車載充電裝置的核心技術，運用PSIM仿真案例闡述了DC-DC變換電路、逆變電路和整流電路的工作原理、調制技術，討論了電路性能的影響因素，力圖通過仿真方法解釋電力電子技術的基礎知識，比如功率半導體開關類型及其應用特性、硬開關、理想開關、軟開關、開關過程、脈寬調制、周期穩態、狀態平均、等效熱路等，然後通過仿真舉例說明純電動汽車電力電子繫統的結構、組成、工作原理和控制技術。
《新能源汽車電力電子技術仿真》可供新能源汽車行業具有車輛工程或機械工程專業背景的工程師參考，也適合有興趣掌握電力電子知識的學生或工程師閱讀。

前言
第1章波形、器件與開關過程 1
1.1電路波形 1
1.1.1一個簡單電路的仿真 1
1.1.2鉛酸電池模型 4
1.1.3正弦波 6
1.1.4矩形波 8
1.1.5三角波 9
1.1.6諧波 11
1.2功率半導體器件模型 14
1.2.1器件發展與分類 14
1.2.2不可控器件 15
1.2.3半控型器件 17
1.2.4全控型器件 20前言
第1章波形、器件與開關過程 1
1.1電路波形 1
1.1.1一個簡單電路的仿真 1
1.1.2鉛酸電池模型 4
1.1.3正弦波 6
1.1.4矩形波 8
1.1.5三角波 9
1.1.6諧波 11
1.2功率半導體器件模型 14
1.2.1器件發展與分類 14
1.2.2不可控器件 15
1.2.3半控型器件 17
1.2.4全控型器件 20
1.3開關過程 23
1.3.1硬開關 23
1.3.2理想開關及其驅動 24
1.3.3RLC負載的理想開關過程 26
1.3.4零電壓開關 29
1.3.5零電流開關 36
第2章續流、換流與脈寬調制 43
2.1續流與換流 43
2.1.1功率二極管續流 43
2.1.2功率半導體器件換流 47
2.1.3功率半導體器件換流仿真 49
2.2直流開關 53
2.2.1低邊開關 53
2.2.2高邊開關 54
2.3脈衝寬度調制原理 55
2.3.1占空比 55
2.3.2直流斬波 57
2.3.3正弦波PWM發生原理 58
2.4電路的狀態平均 65
2.4.1狀態平均電感特性 65
2.4.2狀態平均電容特性 67
2.4.3離散化方法 69
2.5等效熱路模型 71
2.5.1熱阻計算 71
2.5.2功率半導體器件結溫溫升過程仿真 72
第3章DC-DC變換電路 74
3.1DC-DC降壓變換器 74
3.1.1電路結構和工作原理 74
3.1.2工作模式 75
3.1.3周期穩態輸出電壓計算 76
3.1.4CCM變換器性能分析 77
3.1.5通態壓降影響分析 79
3.1.6負載電阻影響分析 81
3.2DC-DC升壓變換器 85
3.2.1電路結構和工作原理 85
3.2.2升壓原理 86
3.2.3周期穩態輸出電壓計算 86
3.2.4CCM變換器性能分析 87
3.2.5輸出電壓和電感電流紋波分析 89
3.2件寄生電阻影響分析 91
3.2.7臨界模式電感計算 94
3.3DC-DC升降壓變換器 96
3.3.1電路結構和工作原理 96
3.3.2周期穩態輸出電壓計算 97
3.3.3燃料電池繫統升降壓變換器設計 98
3.4DC-DC組合電路 101
3.4.1半橋式雙向變換器 101
3.4.2雙半橋式雙向變換器 102
3.4.3H橋式變換器 103
第4章DC-DC隔離變換電路 108
4.1單端正激式變換器 108
4.1.1電路結構與工作原理 108
4.1.2性能仿真 109
4.1.3非理想脈衝變壓器影響分析 110
4.2半橋式隔離變換器 112
4.2.1電路結構與工作原理 113
4.2.2性能仿真 113
4.2.3非理想脈衝變壓器影響分析 115
4.2.4功率半導體器件寄生參數影響分析 123
4.3全橋式隔離變換器 124
4.3.1電路結構與工作原理 125
4.3.2性能仿真 125
4.3.3移相控制 126
4.3.4隔直電容影響分析 130
第5章逆變電路 133
5.1單相電壓型逆變電路 133
5.2單極性SPWM技術 134
5.2.1性能仿真 134
5.2.2工作原理 136
5.2.3諧波分析 139
5.2.4直流鏈路濾波電容 140
5.3雙極性SPWM技術 142
5.3.1性能仿真 142
5.3.2工作原理 143
5.3.3諧波分析 145
5.4三相電壓型逆變器 147
5.4.1電路工作原理 147
5.4.2SPWM策略 148
5.4.3諧波分析 152
5.5空間矢量脈寬調制 154
5.5.1空間電壓矢量 154
5.5.2SVPWM調制方法 156
5.5.3PSIM模型 157
5.5.4性能仿真 162
5.5.5諧波分析 164
第6章單相整流電路 167
6.1單相橋式整流電路 167
6.1.1電阻負載單相橋式二極管整流電路 167
6.1.2容性負載單相橋式二極管整流電路 168
6.1.3感性負載單相橋式二極管整流電路 171
6.2相控整流電路 172
6.2.1電阻負載單相橋式晶閘管半控整流電路 172
6.2.2容性負載單相橋式晶閘管半控整流電路 174
6.2.3感性負載單相橋式晶閘管半控整流電路 175
6.2.4蓄電池負載單相橋式晶閘管半控整流電路 178
6.3單相PWM整流電路 180
6.3.1PWM整流器的基本原理 180
6.3.2單相電壓型PWM整流電路PSIM模型 182
6.3.3性能仿真 184
第7章純電動汽車電力電子繫統仿真 186
7.1繫統仿真模型 186
7.1.1繫統組成 186
7.1.2整車模型 187
7.1.3動力電池組模型 191
7.1.4高壓母線模型 192
7.2低壓電氣繫統模型 194
7.2.1高低壓DC-DC直流變換器模型 194
7.2.2動態性能仿真 194
7.3電驅動繫統模型 196
7.3.1整車控制模型 197
7.3.2三相交流永磁同步電機模型 200
7.3.3電機控制模型 203
7.4繫統性能仿真 210
7.4.1轉矩控制模式 210
7.4.2轉速控制模式 212
參考文獻 214

前言

目前，汽車的電動化、智能化和網聯化技術正在蓬勃發展，電動化技術不僅能夠為汽車智能化和網聯化提供一個線控靈活、供電柔性和架構革新的機電一體化車輛平臺，而且是道路交通綠色可持續發展的關鍵技術。新能源汽車是汽車電動化技術設計、開發和集成的典型代表，而電力電子的理論和方法是汽車電動化技術發展和創新的基礎性知識。因此，針對新能源汽車的應用條件和集成環境，研究電力電子技術的理論和方法，能夠更好地推動汽車電動化、智能化和網聯化技術的高質量發展和創新。
一般工業應用領域或新能源電力場景的輸入為正弦交流電源，而新能源汽車以如鋰離子電池、燃料電池等車載直流電壓源為各電力電子設備或裝置的輸入電源，因此車載電力電子設備的直流鏈路采用電壓型拓撲。車載充電設備為電網交流電源與車載蓄電池交互電能設備，其中的單相電源是車載充電設備的常用輸入電源。因此，本書的案例以電壓型電路為主介紹電力電子技術的理論和方法。新能源汽車低壓電氣繫統的直流電壓標稱值為12V、24V或48V，高壓電氣繫統的直流電壓標稱值通常在300 ~ 800V之間。目前，汽車的電動化、智能化和網聯化技術正在蓬勃發展，電動化技術不僅能夠為汽車智能化和網聯化提供一個線控靈活、供電柔性和架構革新的機電一體化車輛平臺，而且是道路交通綠色可持續發展的關鍵技術。新能源汽車是汽車電動化技術設計、開發和集成的典型代表，而電力電子的理論和方法是汽車電動化技術發展和創新的基礎性知識。因此，針對新能源汽車的應用條件和集成環境，研究電力電子技術的理論和方法，能夠更好地推動汽車電動化、智能化和網聯化技術的高質量發展和創新。
一般工業應用領域或新能源電力場景的輸入為正弦交流電源，而新能源汽車以如鋰離子電池、燃料電池等車載直流電壓源為各電力電子設備或裝置的輸入電源，因此車載電力電子設備的直流鏈路采用電壓型拓撲。車載充電設備為電網交流電源與車載蓄電池交互電能設備，其中的單相電源是車載充電設備的常用輸入電源。因此，本書的案例以電壓型電路為主介紹電力電子技術的理論和方法。新能源汽車低壓電氣繫統的直流電壓標稱值為12V、24V或48V，高壓電氣繫統的直流電壓標稱值通常在300 ~ 800V之間。
針對新能源汽車電驅動繫統、低電壓設備和車載充電裝置的核心技術，本書分章闡述了DC-DC變頻電路、逆變電路和整流電路的工作原理和調節方法。由於車載脈衝變壓器及其DC-DC隔離變換器不可或缺，所以單獨成章介紹車載常用的DC-DC隔離變換器的電路組成、控制方法和性能影響因素。V2G（vehicle to grid）是分布式電力繫統的一個重要發展方向，相應車載充電設備的關鍵組成是DC-DC隔離變換電路和PWM整流電路，而且逆變技術是PWM整流電路工作的基礎，因此在DC-DC隔離變換電路和逆變電路兩章之後介紹單相整流電路的內容，其中包含了PWM整流器的結構組成、工作原理和控制方法的內容。後一章，介紹三相交流永磁同步電機控制技術，將逆變、直流變換和整流技術融合應用在車載電力電子繫統中，敘述純電動汽車電力電子繫統的建模與仿真
方法。
無論是DC-DC變換電路、逆變電路還是整流電路，這些技術都蘊含普適而又專業的原理和方法，涉及典型拓撲、基本概念和專業名詞，它們是理解電力電子技術的基礎性知識。因此，在第1章和第2章介紹相關內容，比如電路波形、功率半導體器件類型及其應用特性、硬開關、理想開關、RLC負載開關過程、零電壓開關、零電流開關、續流、換流、脈寬調制、直流斬波、直流開關、周期穩態、狀態平均、等效熱路等。
通過對本書的閱讀，使讀者熟悉電阻R、電感L和電容C的特性，掌握功率半導體器件導通和截止的機理，運用電路定律，定性分析電力電子電路各種開關狀態組合的電壓回路和電流路徑，列出各回路的電壓方程和電流方程，定量分析電路的電壓和電流行為。例如，開關的導通或截止過程出現的振蕩電壓、電流，可通過建立並求解二階RLC振蕩方程，計算電路電壓或電流的振蕩頻率和幅值，掌握電路的諧振行為。進而，利用開關的振蕩電壓或電流的波谷時刻，降低開關導通或截止過程的開關損耗，理解零電壓開關和零電流開關的本質。
本書根據紋波繫數、總畸變率、功率因數、超調量或繫統效率等指標，評估電力電子電路的性能，分析開關頻率、占空比、開關壓降或負載大小等因素對電力電子電路性能的影響。例如，研究脈衝變壓器的漏磁、功率半導體器件寄生參數和調制方法對DC-DC隔離變換器周期穩態輸出電壓大小的影響。采用快速傅裡葉變換分析電力電子電路負載電壓和電流的頻譜，對比單極性和雙極性正弦脈寬調制的單相電壓型逆變電路的諧波特性，或對比正弦脈寬調制和空間電壓矢量脈寬調制的三相電壓型逆變電路的諧波特性。
為了提高書籍的可讀性，作者設計了多個案例用於解釋典型電力電子電路的工作原理，力圖幫助讀者理解電力電子技術。為了提高內容的可實踐性，作者購買了專業的電力電子軟件PSIM，借鋻了PSIM軟件模型庫，開發了典型電力電子基礎電路和純電動汽車電力電子繫統的PSIM模型件模型參數的設置，循序漸進地描述電路的建模、調試和分析方法，希望便於讀者掌握電力電子電路的工作原理和一般性分析方法，並且有助於讀者構建電力電子電路設計與開發的基本流程。
需要說明的是，由於軟件顯示的原因，本書截屏圖中物理量符號的形式和正文中有所區別，通常在截屏圖中為正體平排，在正文中參與計算或表示參數值時為斜體（有的還含下角）的形式。例如：圖中的R在公式中為R，圖中的Us在公式中為Us，圖中的Io在公式中為Io。
新能源汽車的研究、開發、應用、推廣和市場化發展，依賴掌握電力電子知識的工程師的積極參與。然而，以車輛工程或機械工程為專業背景的工程師的電力電子知識相對較少。問題在於：其一，電力電子技術的學科知識交叉，知識實踐性強，應用場景多；其二，電力電子技術定量描述少，理論晦澀難懂；其三，相關專業的課時少，教學引導不足。因此，投入時間和精力，開展電力電子理論的實踐性學習，對於一名有興趣掌握電力電子知識的大學生或工程師來說，是至關重要的一個環節。
因水平有限和時間倉促，本書的模型案例尚未經過充分地實驗驗證，相關闡述難免出現疏漏、錯誤和不足之處，誠懇希望讀者批評和指正。感謝本書撰寫時所參考文獻和書籍的作者，感謝Powersim軟件公司及其相關工作人員的幫助，感謝北京理工大學電動車輛國家工程研究中心的大力支持。

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