1]电力电子技术[M]4版北京：机械工业出版社，2000
1]电力电子技术[M]4版北京：机械工业出版社，2000
现代电力电子技术浅探电力电子技术是研究采用电力电子器件实现对电能的控制和变换的科学，是介于电气工程三大主要领域--电力、电子和控制之间的交叉学科，在电力、工业、交通、航空航天等领域具有广泛的应用。电力电子技术的应用已经深入到工业生产和社会生活的各个方面，成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术，可以有效地节约能源。一、电力电子技术的发展现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。1、整流器时代大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。2、逆变器时代七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。3、变频器时代进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。二、电力电子技术的应用1、一般工业工业中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。大至数千kW的各种轧钢机，小到几百W的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都广泛采用电力电子交直流调速技术。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。还有些不调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频、中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。2、交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术。如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流。3、电力系统电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电(FACTS)也是依靠电力电子装置才得以实现的。无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器(APF)等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量。在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。4、电子装置用电源各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。5、家用电器照明在家用电器中占有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，它正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。6、其他不间断电源(UPS)在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大，在电力电子产品中已占有相当大的份额。航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1kW以下，甚至几十W以下的功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个重要的发展趋势，值得引起人们的注意。总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。
<
康华光．电子技术基础数字部分[M] ．5版．北京：高等教育出版社，2006．
?作者：吴庆国? 文章首发于《电动新视界》微信公众号一、说明 大众致力于电动交通系统的发展。全新一代的ID family电动汽车将于2020年上市。将会有不同级别的零排放车辆，它们的行驶里程与今天的汽油车相当。ID CROZZ, ID VIZZION和 ID BUZZ已经公开。第一款将于2020年投放市场的ID车型将是ID一款价格适中、四门、全连接的紧凑型汽车(图1)。大众集团计划到2022年在全球推出27款MEB汽车。其中包括奥迪、西雅特、斯柯达、大众和大众商用车品牌的电动车型。图1?The ID 家族: (左起) the ID, ID CROZZ, ID VIZZION and ID BUZZ该ID将标志着世界上第一个基于模块化电气化工具包(MEB)的模型的首次亮相，这是一个专门为全电动汽车开发的技术平台(图2)。电动驱动系统的组件和电池包是精确地系统互连。高压电池位于车轴之间的中心。它是可扩展的，适应不同的电池类型，并配备了集成的液体冷却。因此，比较容易集成到ID模型的各种功率输出中。根据电池大小和ID型号，范围约为可达到330公里至550公里以上。一个充电功率高达11kW交流充电器集成在车辆。采用CCS(联合充电系统)装置可实现高达125kW的直流充电。基本上可以在平台上安装两个电动驱动系统，通过MEB的可伸缩部件实现驱动一个轴或两个轴。图2 MEB车型平台ID的零排放驱动系统主要由与后轴相结合的电机组成，包括功率逆变器和单速变速器、安装在车底的高压电池和位于车前端的辅助部件，以节约空间。紧凑的驱动系统由电机、电源逆变器和单速变速器组成。它的行驶里程和现在的汽油车差不多，价格和柴油车一样，ID也有潜力促进环保电动交通的发展，并开始一个电力驱动系统新时代。二、高压电池系统介绍 确定电压范围的关键因素是高压电池。它集成到前后车轴之间的车身底部底，这节省了空间，并提供了较为宽敞的车内空间，同时确保一个最佳的前后50%:50%的重量分布，并且具备低重心的整车优势。高压电池是电动车最重要的成本因素。在其开发和设计过程中，除了要考虑满足长里程的电池容量和功率密度、优异的驾驶性能和快速充电能力等技术标准外，还要考虑成本和使用寿命等经济方面的因素。对于MEB，大众汽车开发了高性能锂离子高压电池，在一定操作习惯和工作温度条件下，保证了高实用性和长使用寿命。它提供了一个在宽的温度波段和充电范围的状态可重复的高功率输出的电子驱动器。在短充电时间，高水平的连续电流容量，充电功率高达125kW。可伸缩的电池容量确保了可提供不同的ID车型家族，从330公里到超过550公里(根据WLTP)范围的续驶里程。高压电池由并联和串接的模块组成，这些模块又由单独的电池单元组成。由于采用模块化设计，高压电池中的电池单元数量可以变化。这使得不同的能量含量和缩放的高压电池能适应不同的汽车概念和客户的要求。强大的热管理具有直接冷却系统能确保即使在高负荷或低温情况下高压电池依然能运行在其25至35℃的最佳温度范围。电流、电压和温度通过单元模块控制器和主控制单元进行监控。三、充电技术 图3?MEB车辆的充电选项除了里程，充电问题对电动车的日常实用性也至关重要。客户对充电技术有明确的要求：充电时间尽可能短，充电选择充足。大众公司假设大多数ID驾车者每周只给他们的电动车充电一次，这意味着50%的充电活动可能在家里进行。因此,车辆基于MEB将作为标准配备一个type 2充电连接，其中可通过交流连接充电，可通过一个标准家用插座充电3 kW或在11kW的壁柜。晚上墙盒的交流充电为电池充电提供了充分的电力。由于电池只能用直流电充电，所以车上集成了一个11kW的充电器，将插座、壁柜或交流充电站的交流电转换成直流电，为高压电池充电。可选的CCS充电端口可以显著缩短充电时间。它结合了一个2型插头和两个额外的电源接点进行直流充电(图3)。通过CCS充电端口，高压电池可以使用高达125kW的电源进行充电。30分钟内可以充满其80%的电量。从长远来看，MEB也为感应充电做好了准备，这既不需要电缆也不需要插头。车辆简单地停在一个所谓的充电板上，通过这个充电板充电。四、MEB的电驱动系统 图4 MEB的后驱系统为MEB研发了两个新的电驱动系统。主驱是后轴上的永磁同步电机(PSM，图4)。它结合了一个功率逆变器(PI)和一个平行轴的减速器。输出功率为150 kw，扭矩为310 Nm，最大转速为16000 rpm。PSM是一个具有高功率密度和高效率的系统组件，在宽调速范围内可持续提供输出。根据车辆规划，MEB前驱可以提供动力。前驱是一个带有感应异步电机的电驱系统，可实现整车四驱。它的功率输出为75 kW，扭矩为151 Nm，最大转速为14000 rpm。异步机（ASM）以其短时间超载运行和低阻损失的能力而著称。因此，它非常适合做辅驱。下面将重点介绍MEB永磁同步电机（PSM）电驱的组成、技术特征和性能数据。1 PSM/ASM工作原理永磁同步电机的工作原理定子三相铜绕组中的电流产生旋转磁通(旋转磁场)。转子内的励磁磁场由永磁体无损耗地产生，并穿透定子。这会产生了一个切向力，其中转子和定子的旋转场以相同的转速(同步)旋转(图5，左)。异步机(ASM)工作原理定子三相铜绕组中的电流产生旋转磁通(旋转磁场)，通过短路绕组穿透转子。异步电机中的转子，其转速略低于定子的旋转磁场(异步)。这在短路绕组中产生磁场变化，从而产生电流。由此产生的磁场在转子中产生一个切向力，作为转矩作用在转子轴上(图5，右)。图5 PSM(左)和ASM(右)的基本结构2?逆变器（PI）电机的三相电流由直接安装在电机上的液冷功率逆变器(PI)提供。图6显示了电源逆变器的爆炸视图。在电源逆变器内部，将最新一代的三个IGBT电源模块连接起来，形成了一个经典的B6电源逆变器。在模块载体内部，电源模块被冷却结构框起来，这样驱动板就可以直接插到电源模块的触脚上。驱动板在和控制板之间加装有屏蔽罩。图6?功率逆变器(PI)结构PI内部其他重要组件包括：直流输入的滤波组件，直流母线电容器，三相母线铜排和液冷冷却单元。PI的模块化设计适用于大批量工业化生产。从通过模块载体的电源模块到电源和控制器模块，创建了一个模块化系统，该系统提供了一个基础，在此基础上，下一代电子驱动项目可以实现较小的修改就可以完成。此外，电力电子产品的全自动生产确保了即使在大规模生产中结构和功能的质量稳定。为调节电机电流值而导入和处理传感器数据是一个高度动态的过程。其结果是最佳的功率利用，特别是在动态工作点。一些车辆功能，如减振和滑动控制功能，被直接集成到电力电子系统中。因此，可以实现没有延迟的总线通信。这种设计的优点是在开发过程中有更多直接的适应选项，以满足特定车辆驾驶行为的需求。在MEB平台中，DC/DC转换器没有集成到PI中，而是作为一个单独的液冷组件设计的。DC/DC可以灵活安装到车辆其他地方，并有两个功率等级可供选择，它们分别为8 kW和0 kW。3 PSM后桥驱动MEB后驱电机为三相永磁同步电机(PSM)，转子四对极，最大转速为16000 rpm。它由电源逆变器、四部分壳体(电机壳体、电机后端盖、减速器前壳、减速器后壳，见图4)、定子、转子、带温度传感器的旋转变压器、单挡减速器等主要模块组成。电驱总成是在卡塞尔的大众工厂生产的。转子和定子由大众萨尔茨基特（Salzgitter）厂提供。定子包含用于三相连接的母线绕组。转子内的永磁体为钕合金组成的永磁体，嵌入到叠片中。定子和转子安装在一个铸造外壳内，定子液体冷却。两个深沟球轴承安装在转子轴两端。在电机轴后端安装有旋变转子，低压接线端子包括绕组温度的传感器和旋变信号，最好通过电机盖板封闭。旋变和温度低压信号最后连接到控制器端。减速器减速增扭，减速器的前壳体与电机前端盖集成化设计，降低重量和尺寸(见图4)。1定子结构图7?PSM定子定子主要由叠片和三相发卡线绕组组成(图7)。叠片组由单个的、焊接的、分层的、外径为220mm的独立镀层金属板叠片组成。叠片具有较高的导磁率，厚度为27 mm，并在两面涂有一层电绝缘层。定子分为四段，每段在组装期间偏移90度。这减少了金属晶粒方向对旋转磁场均匀性的影响。绕组插入到定子槽，焊接三相端部(图8)，并自动连接三相铜排。该定子结构的末端绕组包含一个用于温度传感器的接触装置。定子还浸渍树脂，以增加绝缘，改善热传导和加强绕组。定子经过自动测试程序，自动压装到电机外壳。图8 定子线圈组件2 转子结构图9 转子的爆炸图转子由转子轴、嵌入v形永磁体的叠片、压板和旋变转子组成。转子分为四段。转子端面用压板压紧，并通过四个张紧螺钉连接在一起，这些螺钉穿过叠片(图9)。全自动化压紧叠片，自动压装转子轴完成装配。转子永磁体采用"V+1"斜级布置。它们被一层膨胀的磁性涂层保护着。目的是提升电机NVH性能。叠片是由相同材料的金属片冲切而成。转子轴设计为空心轴，由两部分焊接而成。它通过纵向内花键连接到变速器的输入轴上。整个电机轴和减速器输入轴三轴承支撑，轴承为低摩擦深沟球轴承。降低机械损失。转子轴与叠片安装时，需对叠片总成加热。这也导致永磁体热激活和磁涂层膨胀，需固定好永磁铁。3?带温度传感器的旋转变压器图10?PSM b侧轴承屏蔽上的组件为了给定子绕组通入正确的三相交流电，需要检测转子的正确位置。此任务由旋变完成。它由转子轴上的转子和固定在电机后轴承轴承屏蔽上的定子组成(图10)。在定子绕组上的一个发夹中设计一个专用固定点，其中安装有用于测定绕组温度的温度传感器。从解析器和温度传感器发出的信号通过信号插头传输到PI，然后进行评估。电源逆变器是通过螺栓连到电机外壳。用于定子相位绕组的三条母线是PI的组成部分，在定子固定在电机外壳后被固定在定子的接触桥上。A端和B端盖板内部都包含特殊的碰撞元件，在发生追尾碰撞时，该元件可以将驱动装置与车身框架隔离，从而防止高压电池短路。4?冷却和加热电子驱动器电驱动系统是液体冷却的。冷却液流入电子驱动器首先通过电源逆变器运行，因为半导体规定了允许的最大冷却液温度。流过PI后，冷却剂通过密封管塞元件进入电机外壳的冷却水套。热量主要是由定子铜绕组的电阻损耗产生的，通过绕组绝缘层和叠片到达机壳中的冷却水套。冷却介质通过经过优化的周向冷却通道进入定子，并在冷却水道的末端通过冷却连接软管进入车辆的外部冷却回路(图11)。图11?冷却液流经PI和定子5 电子驱动器技术参数 *重量为PI、电机、减速器三者的总重紧凑的MEB电子驱动器为大众的ID汽车家族提供了一个卓越的驱动性能。平行轴MEB后驱动桥，永磁同步电机集成PI和单速减速器，提供了150 kW的峰值功率和310 Nm的最大扭矩。电机的最大转速为16000 rpm(图12)。同轴MEB前轴驱动桥作为四轮驱动辅驱，是一种集成PI和单挡减速器的异步电机。它提供了一个峰值功率75 kW和最大扭矩151 Nm。这台电机的最大转速为14000 rpm。图12 PSM效率图电子驱动器的设计是基于对不同驾驶周期的电机特性map图中能量转化的详细评估。在设计磁路时，我们特别注意城市驾驶循环的工作点，以确保电子驱动器在这些情况下高效运行。在大量的现实工况中，效率远高于90%(见图12、图13)。图13 PSM满载图6 MEB后驱动桥与e-Golf 驱动桥的比较 *重量为PI、电机、减速器三者的总重将新型MEB后桥驱动与目前e-Golf中的电驱动桥技术数据进行比较[3,4,5]，说明了其开发进展。峰值功率可提高50%至150 kW，扭矩可提高7%至310 Nm。尽管增加了功率和扭矩，MEB后桥驱动器的重量减少了18%，至90kg。这使得MEB后轴驱动的功率重量比为1667 W/kg，与e-Golf的电驱动桥相比显著提高了82%。4 单速变速箱图14?MEB后驱动桥单速变速箱单挡减速器为二级齿轮减速机构，用于降低电机转速，提升扭矩输出(图14)。MEB专门对减速器齿轮进行了NVH声学优化。电机轴和减速器输入轴采用3轴承支撑，减少了摩擦。润滑油终身免维护。进行了针对性的润滑设计，采用干式油底壳概念降低搅油损失，提升效率。此外，将带预紧力锥轴承改成了浮动柱轴承。减速器设计了不同速比以满足不同动力需求。ID首次使用时的总速比为5:1，最高时速为160 km/h。同时，MEB将取消传动系驻车锁止机构，在坡路工况，将采用轮端EPB实现驻车功能。五总结 大众MEB的动力系统是一个模块化构建工具包的一部分，其组件可形成各种不同的电子动力系统配置，以配置各种规格的电动汽车。MEB的平行轴后轴驱动系统包括一台高效的永磁同步电机、一个摩擦优化的单速变速器和一个紧固在电机上的高度紧凑的功率逆变器。与高压锂离子电池相结合，大众ID型车的电子驱动最大扭矩为310 Nm，最大功率为150 kW。对于四轮驱动的应用，有一个额外的同轴电驱动桥可用于前轴。它是由一个创新的异步电机，搭配低摩擦单挡减速器，同时集成了控制器组成的。电气化动力系统的MEB代表了大众汽车新车模块化方法的系统延续。由于系统开发的高容量，开发和组件成本可以大大降低。这是降低汽车成本，从而增加电动汽车的市场渗透的必要先决条件。 它的续驶里程和现在的汽油车差不多，价格和柴油车一样，ID也有潜力促进环保电动交通的发展，并开始一个电力驱动系统新时代。参考文献[1] Volkswagen Newsroom, E-mobility, 2018?MEB architecture-/en/id-workshop-electric-for-all-4193/mebarchitecture-4196[2] Volkswagen Newsroom, Volkswagen Group News, 2017?The Volkswagen Group launches the most comprehensive electrification initiative in the automotive industry with "Roadmap E"-/en/press-releases/the-volkswagen-grouplaunches-the-most-comprehensive-electrification-initiative-in-the-automotiveindustry-with-roadmap-e-1242 [3] F Eichler, K Bennewitz, C Helbing, P Lück, ?Volkswagen Electrifies the New Golf?38th?Vienna Motor Symposium, Vienna, 2017 [4] P Lück, G Kruse, J Tousen, ?The electric powertrain matrix from VolkswagenMTZ - Motortechnische Zeitschrift, Issue 2/2014, 2014 [5] P Lück, J Tousen, ?Elektrische Antriebe für die Hybrid- und Elektrofahrzeuge von Volkswagen?9th?MTZ Conference “The Powertrain of Tomorrow”, Wolfsburg, 2014本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。