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1、工程硕士学位论文基于PWM整流器的增程式电动客车APU控制系统研究李天舒哈尔滨理工大学2014年3月国内图书分类号：TM92145工程硕士学位论文lIIIII I III U lIIJUlJ III I IIIY2509678基于PWM整流器的增程式电动客车APU控制系统研究硕士研究生：李天舒导 师：王旭东申请学位级别：工程硕士学科、专业：电气工程所在单位：电气与电子工程学院答辩日期：2014年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classifled Index：耶92 145Dissertation for the Master Degree in EngineeringResearch on
2、Extended Range Electric Bus，SAPU Control System Based on PWMRectifierCandidate：Supervisor：Li TianshuAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Electrical EngineeringDate of Oral Examination： March，20 1 4University： Harbin University of Science andTechnology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明
3、：此处所提交的硕士学位论文基于PWM整流器的增程式电动客车APU控制系统研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 秀瓦笥 日期：d口争年弓月弓7 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书基于PWM整流器的增程式电动客车APU控制系统研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义
4、发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口，在 年解密后适用授权书。不保密囹。(请在以上相应方框内打)作者签名：导师签名：李前 日期： C)0f令年乡月弓 日日期：t4-年多月毒日哈尔滨理工大学工程硕士学位论文基于PWM整流器的增程式电动客车APU控制系统研究摘 要目前日益严重的能源紧缺及环保问题促进了电动汽车的发展，但由于电池技术受到能量密度和耐久性方面的限制：纯电动汽车在短期内难有较大突破。相
5、对于纯电动汽车，增程式电动汽车在整体结构中增加了可为动力电池充电的辅助动力单元(APU)，这使得增程式电动汽车既保证了续驶里程和电池耐久性，又有效增加了电能对石化燃料的替代。因此，对增程式电动汽车核心部件APU的研究具有很大的现实意义。本文采用三相电压型PWM整流器拓扑结构作为APU控制系统的主电路，该方案不仅能获得可控的ACDC变换性能，而且可实现同步发电机电流正弦化，减少了谐波干扰，从而真正实现绿色电能变换。本文首先对PWM整流器的工作原理及其控制方法进行了论述，详细介绍了三相电压型PWM整流器的数学模型及控制策略。其次，根据整车动力系统参数对APU部件进行选型，确定了发动机和发电机的参数
6、。在此基础上，完成了以英飞凌16位单片机XCl64CS为核心的APU控制系统硬件设计及软件开发。 最后，搭建了试验台架，对APU控制系统进行调试，采集了实验数据。结果表明，本文设计的APU控制系统能达到最初的设计要求，基本实现了各个控制功能。本文所采用的PWM整流方案使得主电路交流侧电流波形趋于正弦波，这说明主电路交流侧谐波含量较小，能够降低发电机损耗且提高APU的发电效率。关键词增程式电动客车；辅助动力单元；电压型PWM整流器哈尔滨理工大学工程硕士学位论文Research on Extended Range Electric BusS APUC ontrol System Based on
7、PWM RectifierAbstractCurrently,the serious shortage of energy and environmental issues promotedthe development of electric vehicles，but battery technique iS limited because ofthe problem of energy density and durability,SO pure electric vehicles is difficultto have a major breakthrough in the short
8、termCompared with pure electricvehiclesextended range electric vehicles increase by auxiliary power unit(APU)for power battery charging in massive structure，auxiliary power unit whichmakes extended range electric vehicles not only ensures the driving range andbattery durability，but also prominent ad
9、vantages of electric power withcomparison of fossil fuelsTherefore，the study of auxiliary power unit of coreelectric vehicles components has great practical significanceThe dissertation makes threephase voltage source PWM rectifier circuit asthe primary circuit of APU control system，the program cans
10、 not only controlledACDC conversion performance，but also sinusoidal current，and running atunity power factorEnergy can transport on twoway，thus realization of greenenergy transformation is doneFirstly,discussing work principle and controlstrategy of PWM rectifier,and detailing the mathematical model
11、 and controlstrategy of threephase voltage source PWM rectifierSecondly,according to extended range electric bus power system parameters，make selection of APU components，determine the parameters of the engine andgeneratorOn this basisfinished with a 1 6bit microcontroller InfineonXC 1 64CS as the co
12、re controller hardware design and software developmentFinally,build a test bench for the APU control system for debugging，collecting the experimental dataThe results show that the APU control systemdesigned to achieve the initial design requirementsand achieve the variouscontrol functionsThe PWM rec
13、tifier scheme in the Paper makeS the AC side ofmain circuit tends to be sinusoidal waveformThis shows that the AC side of the哈尔滨理工大学工程硕士学位论文harmonic content of the main circuit is smaller,the loss of the generator isreduced，and the power generation efficiency is increasedKeywords extended range elec
14、tric bus，auxiliary power unit，voltage sourcePWM rectifier哈尔滨理工大学工程硕士学位论文目 录摘要IAbstractII第1章绪论111课题研究的目的与意义112新能源汽车的发展现状313 APU控制的研究现状4131 APU基本控制模式：4132 APU控制的研究现状614本文主要研究内容7第2章PWM整流器原理与控制策略研究821 PWM整流器的原理及分类8211 PWM整流器工作状态分析8212 PWM整流器的分类1022三相VSR模型的建立10221坐标变换1 0222三相VSR的一般模型12223三相VSR的dq模型1423三相
15、VSR控制系统研究1424本章小结16第3章增程式电动客车APU的基本参数l 731整车动力系统参数17311工况及整车参数17312动力电池参数1832 APU系统部件选型20321发动机选型20322发电机选型2l33本章小结22第4章增程式电动客车APU控制系统硬件设计2341 APU控制系统整体硬件结构j2342硬件电路设计24哈尔滨理工大学工程硕士学位论文421驱动电路设计24422主控芯片选择-254。23电源电路25424采样电路。26425 CAN接口电路2943本章小结30第5章增程式电动客车APU控制系统软件设计与实验研究3 151 APU控制系统软件设计3l511 APU
16、控制系统主程序流程图3l512 APU起停控制流程图一32513 PWM整流器控制流程图3352 APU控制系统调试及实验结果分析34521 APU控制器局部电路测试34522发动机转速测试36523主电路性能测试3653本章小结38结仑39参考文献40致i射：44哈尔滨理工大学工程硕十学位论文第1章绪论11课题研究的目的与意义随着“低碳经济”的兴起以及环境保护的日益严峻，节能减排成为举世瞩目的焦点。在能源和环保的双重压力之下，为了更合理有效的利用能源，转变原有的能源消费结构势在必行。新能源汽车的发展能够达到节约能源、减少石油使用的目的，从而在很大程度上减少日常生活中由于汽车尾气的大量排放而引
17、起的空气污染问题。因此，大力推动新能源汽车的发展是解决能源需求问题和环境污染问题的重要而有效的方法，这一点完全符合我国能源安全的战略方针，是保证我国汽车工业能够长远发展下去的必然选择【11。目前，电能成为了不可或缺的潜在车用能源，已经受到了许多汽车领域专家们的重视，在不远的将来，电网能量的使用将是现在的两倍以上，随着新型发电站发电效率的不断提高，全球约40的能源都将由发电站提供。在同样的能量需求情况下，纯电动汽车所产生的费用与传统汽车产生的费用比例约为1：421。由于纯电动汽车能够最直接的应用电能，所以近年来引发了国内外的研究热潮，宝马、日产、比亚迪等汽车公司相继推出了纯电动汽车。表11给出了
18、几种纯电动汽车及混合动力汽车的车载动力电池容量以及能量密度【3】，从表中可以看出，在电动汽车领域所应用的动力电池能量密度基本在140W-hkg以下141，远远低于汽油的能量密度42104kJkg(80 117x104Whkg)I卯，这导致纯电动汽车在续驶里程方面存在较大不足，特别是大型的纯电动客车在较短时间内很难得到普及【61。然而，混合动力技术却能够通过动力电池和电机来补偿发动机的功率输出，从而增加发动机工作的自由度，并以此来改善发动机的工况点，这使得整车的燃油效率得到有效提高【7】。自从1899年第一辆混合动力车被发明以来，这项技术已经逐渐发展成熟【8】。表11典型电动汽车的电池能量密度T
19、able l1 The energy density of battery with typical electric vehicles车辆名车 电池容量(kWh) 电池质量(kg) 电蝣龋籀渡雪弗莱Volt 160 185 865日产Leaf 240 300 80比亚迪E6 633 600 1055宝马MiniE 30O 260 1154哈尔滨理工大学工程硕士学位论文混合动力汽车从结构形式上可以分为串联式、并联式、混联式和复杂式四种【91。其中，串联式混合动力汽车的车轮由驱动电机直接驱动，其驱动电能依靠动力电池联合辅助动力单元(Auxiliary Power Unit，APU)提供，这里所说
20、的辅助动力单元由发动机和发电机组成。在该构型中，整车及发动机可以完全解耦运行，从而可以使发动机工况在很大程度上得到优化，因此该构型特别适合于在城市拥堵路况下行驶的大型客车。在美国、欧洲及日本生产的混合动力大客车中，有75左右均为串联式混合动力汽车【101。串联式混合动力汽车虽然具备发动机持续工作时间长、动力性能好、发动机总是工作在最佳工况下等优点，但是，发动机产生的能量经过两次能量转换才到达驱动轮，能量损失较多，效率较低【11】。于是，为了提高在行驶过程中对电能的利用率，增程式电动汽车逐渐的发展了起来。增程式电动汽车(Extended Range Electric Vehicle，EREV)是
21、指配有地面充电和车载供电功能的纯电驱动的电动汽车，整车在纯电动模式下可达到其所有的动力性能，而当动力电池无法满足续驶里程要求时，起动APU为动力电池充电，以达到延长续驶里程的目的，此时，整车进入混合动力模式【12】。增程式电动车的发动机不参与车轮的驱动，没有机械动力的混合结构，所以整车结构较为简单，且动力电池组容量较大，能最大程度的使汽车运行在纯电动模式下，又因其具有外接的充电方式，所以可在夜间用电低谷时给汽车充电。此外，由于增程式电动汽车低速扭矩大，高速运行平稳，刹车能量回收效率高，结构简单易维修，发动机一直工作在高效经济区域，所以其工作效率更高，是一种更加适用于过渡时期的平稳过渡车型【13
22、】。APU是增程式电动汽车系统的核心部件之一，整车的各种性能指标都受APU的工作性能影响。因此，对APU控制系统进行研究具有一定的现实意义。在以往的实验中，我们将二极管整流与Buck型变换组合在一起构成APU控制系统的主电路，以实现将发电机输出的三相交流电转化成动力电池可用的直流电的目的，同时还能调节充电电流，增加控制方式的灵活性。但是二极管不可控整流会对交流侧注入一定的谐波分量，增加系统损耗【14】。于是，针对以上问题本文的主电路采用PWM整流器拓扑结构作。与传统的整流电路相比，PWM整流不仅获得了可控的ACDC变换性能，而且还具有网侧电流正弦化，单位功率因数整流等特性。PWM整流器网侧具有
23、受控电流源特性，这使得PWM整流器作为核心被广泛应用于各类电力电子应用系统中，如静止无功补偿、功率因数校正、新型不间断电源以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等【15】。哈尔滨理工大学工程硕士学位论文12新能源汽车的发展现状20世纪90年代初，国外许多国家纷纷开始致力于新能源汽车的研究。一些国家在新能源汽车的研究方面已经取得了一定的进展和成果，更值得一提的是新能源汽车已经在部分国家的发展已经达到了产业化的程度，不同国家针对本国的发展特点都制定了相关的产业化计划【161。我国虽然在传统内燃机汽车领域比发达国家落后，但在新能源汽车方面，我国与国外相比差距不是很大。在90年代初，美国就开始了与各大
24、汽车品牌的项目合作，把实现汽车的高效、节能作为目标，开始新能源汽车的开发。1998年，通用公司开发出EVl型号的混合动力电动汽车；2000年，福特P2000并联式混合动力汽车上市；2003年，克莱斯勒公司的ESX2型号串联式混合动力汽车上市【171。2009年8月，美国提出新一代电动汽车和电池计划，将插电式混合电动汽车和增程式电动汽车作为主要开发目标【18】。2010年，雪佛兰推出全球第一辆增程式电动汽车，在纯电模式下，其16千瓦的动力电池可使整车最远行驶80公里，续驶里程最高可达490公里f19l。此外，在制定新能源汽车标准的工作方面，美国也做了较大贡献，进一步推动新能源汽车行业的发展。在欧
25、洲，由于受电池技术的制约，混合动力汽车在各国得到了很大发展。在1998年，雷诺公司研发出NEXT型油电两用车，最高时速可达167kmht201；沃尔沃公司在FL6卡车基础上研发出混合动力卡车，最高时速可达90km屠l2l；2008年，德国奔驰推出全球首款量产锂电池混合动力豪华轿车$400 HYBRID，从安全、舒适、动力和环保节能方面，为全球汽车工业树立了环保豪华汽车的新标杆【221。日本丰田公司在1997年研发出世界上第一辆混联式混合动力汽车，命名为Prius231；2007年，丰田又推出采用第二代动力系统的Prius轿车，与第一代相比整车动力性能大大提高。除此之外，本田和日产在新能源汽车领
26、域也有成绩，分别以本田Civid24筇】和日产Tinot261为代表。我国新能源汽车的发展是从上个世纪90年代开始的，在汽车工业高速发展的情况之下，由汽车尾气的大量排放而引起的空气污染问题变得越来越严重，这使得国内不少汽车生产厂家投身到新能源汽车研究领域，同时积极的参与到新能源汽车的示范运行及产业化进程中来【71。1996年，东风集团率先开发出电动汽车样车，同年，北京理工大学开发出型号为YW6120D的51座电动客车；1998年，清华大学联合厦门金龙开发出混合动力电动客车；2001年，清华大学北京新能源汽车中心推出燃料电池中巴客车；2005年，东风集团哈尔滨理工大学工程硕士学位论文研发的EQ6
27、100HEV型城市混合动力公交车在武汉投入使用【2引。在“十二五”期间，我国将大力发展新能源汽车，增程式电动汽车将成为由传统汽车向纯电动汽车过渡阶段的主要车型，我国在新能源汽车领域的发展将迈向一个新的台阶。目前，国内许多汽车企业已经研发了多款新能源汽车，其中包括比亚迪F3DM，奇瑞S18D，荣威750、350等。13 APU控制的研究现状131 APU基本控制模式在保证汽车动力性、燃油经济性及排放性的前提下，合理的调整APU、动力电池和驱动电机之间的能量流动是APU控制的关键。在设计APU系统的控制策略时，应重点考虑一下几个方面【29】：11根据发动机万有特性曲线确定发动机运行的高效区，同时避
28、免发动机转速有太大的波动，以提高乘车舒适度。2)避免频繁起停发动机，从而减少油耗和尾气排量。3)使蓄电池荷电状态(State of Charge，SOC)维持在一个适合的状态，以此来延长蓄电池的使用寿命。由于增程式电动汽车的发动机与车轮的驱动电机之间不存在直接耦合，所以在车辆运行的过程中APU能独立于车况工作。典型的APU控制模式主要为ONOFF模式、功率跟随模式和联合控制模式。11 ONOFF控制模式ONOFF模式控制与恒温器控制相类似，因此又称为“恒温器”模式【301。发动机启动后进入怠速状态，当SOC低于设定的低门限值SOCmi。时，发动机直接达到最大功率输出状态，并且输出恒定功率；当动
29、力电池SOC高于设定的高门限值SOCm积时，关闭发动机，汽车以纯电动模式运行，实现零排放；当动力电池电量持续消耗使得SOC350经济性纯电动状态续驶里程(km、 80节油率() 60噪声 加速行驶车外噪声dB(A) 78距离(m) 10冷态制动 MFDD(ms2) 50(30kmh) 踏板力(N) 700制动制动稳定性(m) 30驻车制动 20坡道 保持静止5min(坡道试验) 手制动力(N) 600312动力电池参数由于电动汽车的直接动力来源为动力电池的电能，因此对车载动力电池有较高的要求【471：1)为了尽可能降低整车重量，动力电池需具有较高的能量密度。2)为了满足车辆在起步、爬坡和加速时
30、的功率需求，动力电池需具有较高的功率密度。3)为了能够延长整车的使用年限，动力电池需要具备一定的耐久性。4)为了避免环境污染和对人体产生伤害，动力电池材料需满足环保要求。随着人们的节能环保意识的电动汽车的不断发展，主要包括五种，分别为铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池和锂聚合物电池【4849】。其中，铅酸电池具有较高的性价比，因此在车载电瓶方面有较多应用，但其能量密度较低，并且铅为有害物质，不适合大量的使用在电动车上。镉镍电池具有价格相对低廉，耐过充过放，循环和贮存寿命长等优点，不足之处在于其能量比不高，且负极镉在生产过程中对人体和环境造成较大危害，从而导致其难以推哈尔滨理工大学工程硕士
31、学位论文广。氢镍电池虽然能量密度较高，但其最优SOC区间狭窄。锂聚合物电池相对于传统的电池来讲，其在性能方面具有较大的优势，而且不含有害重金属元素，但由于锂聚合物电池的造价较高，因此难以大范围普及。锂离子电池的造价虽然相对于氢镍电池高，但在功率密度和能量密度方面的优势明显大于镍氢电池，具有较高的性价比，并且单体电池电压较大，在同等电压值要求的情况，使用锂离子电池作为动力电池能够降低所需成组电池的数量，这样不仅可以降低在动力电池上的投资成本，还能够提高动力电池组在充放电过程中的可靠性，因此锂离子电池被广泛的应用于电动汽车领域。本文中的增程式电动客车所用动力电池为高容量型磷酸铁锂电池模块，该电池模
32、块的标称电压为256V，充电截止电压为29V，将20个电池模块串联构成动力电池组，在充满电的情况下最高电压可达580V。增程式电动汽车运行时，动力电池一直处于充、放电状态，其自身直流内阻所消耗的能量是转化过程中能量损耗的主要部分150】。蓄电池内阻通常随SOC值得变化而变化与，图31给出了磷酸铁锂电池内阻与SOC之间的关系。从图中可以看出，当电池SOC低于20时，其内阻较大，并且随着SOC值的升高内阻阻值大幅度减小；当电池SOC处于20和80之间时，电池的内阻最小且阻值呈现平稳变化趋势，在此区间内电池处于最佳工作状态阶段：当电池SOC大于80且接近饱和时，电池的内阻又会有所增大。由此可知，电池
33、电量20和80是电池工作状态发生变化的两个临界点。此外，电池电量过低或过高都会影响电池的使用寿命。因此，本文设计规定电池SOC的临界区间为O2， 08。图31磷酸铁锂电池的内阻特性Fig3-1 Resistance properties of lithium iron phosphate battery哈尔滨理工大学工程硕士学位论文32 APU系统部件选型APU是整车尾气排放的主要来源，它的主要功能是为动力电池充电。因此，对APU的排放特性和发电效率进行研究是整车节能减排的关键，本节将对发动机和发电机进行选型和匹配。321发动机选型将柴油机的性能指标与汽油机相比，可以看出柴油机具有更高的热效率
34、及经济性，出于节约燃油消耗的目的，本文选择柴油发动机机作为APU的动力来源。 。目前，国内生产柴油机的厂家主要有云内动力、康明斯、奇瑞、潍柴以及玉柴等，但这些企业所生产的产品多数为大型柴油发动机，生产小型柴油发动机的厂家比较少。其中，云内生产的小型柴油机产品较为成熟，在柴油机混合动力方面经验丰富。因此，本文选用云内生产的雷默D19TCI型柴油发动机，其性能指标如表33所示。表3-3 D19TCI发动机参数Table3-3 The D 1 9TCI type engine parameters项目 性能指标发动机形式 直列四缸排量(L) 185气门数 双项置凸轮轴，16气门供油系统 高压共轨电喷
35、额定功率(kWrpm) 824000最大转矩(Nmrpm) 2402200最佳燃油消耗率(g(kWh) 210总重量(1(曲 185排放标准 国IVECU通讯接口 K线D19TCI型发动机的万有特性曲线如图3-2所示。从图中可以看出，其高效经济区为1800rpm-2600rpm，最低比油耗为2109(kWh)。该型号发动机在高效区内输出功率约为42kW,-62kW。若估算发电机平均效率为O95，再根据APU额定功率45kW，可以计算出发动机输出的额定功率为53kW，正好是42kW-62kW的中间值。哈尔滨理工大学工程硕士学位论文转运，币m图3-2 D19TCI型发动机万有特性曲线图Fig32
36、The universal characteristic curve of DI 9TCI综合以上分析，当发电机平均效率为O95时，APU输出功率45kW对应发动机输出功率53kW，该功率下发动机最佳工作点为2200rpm，235Nm。322发电机选型在APU系统中，发动机与发电机的连接方式为同轴连接，因此，发电机在运行时与发动机具有相同的转速。因此，在设计时发电机的高效区应尽量与发动机吻合，这样才能使两者同时在高效区内工作。本文采用永磁同步发电机加配控制器的方案，此方案不仅能增加发电机效率，同时还能增加系统的控制自由度，从而增加APU系统的整体效率，永磁同步电机的基本参数如表3-4所示。表3
37、-4永磁同步电机特性参数Table3-4 The parameters of permanent magnet synchronous generator项目 性能指标额定功率(k 45额定转矩(Nm) 286额定转速(rpm) 1500最高转速(rpm) 3000效率() 95发电机本体重量(kg) 80冷却方式 水冷永磁同步电机自身具备很多优点，如效率高、转矩惯量比大、功率质量哈尔滨理工大学工程硕士学位论文比高、噪声低、体积小，且随着稀土永磁材料性能的不断提高其成本不断降低。同时，永磁同步电机既可作为发电机，又可作为电动机，因此在电动汽车上不仅能作为动力源，而且可以作为能量回馈发电机，非常
38、适合应用在电动汽车领域。33本章小结本章详细介绍了增程式电动客车APU系统的部件选型及匹配过程。首先介绍了增程式电动客车的整车参数及电池参数，并对APU系统进行设计，确定了作为APU系统主要部件的发动机和发电机的主要参数。通过对D19TCI万有特性曲线的分析，确定了其最佳工作区域。哈尔滨理工大学工程硕士学位论文第4章增程式电动客车APU控制系统硬件设计为了验证前面章节所确定的系统控制策略，本章设计基于PWM整流器拓扑结构的APU控制系统的主电路，整个系统的部分硬件结构将在下文详细介绍。41 APU控制系统整体硬件结构系统主要包含主电路部分和控制电路部分。主电路采用三相桥式电压型PWM整流器拓扑
39、结构，功率器件采用型号为MMG450WBl2086TN的IGBT模块，该IGBT模块额定电流为450A，耐压为1200V；直流侧电容参数为1000肛F，耐压900V。控制部分以英飞凌16为单片机XCl64CS为核心，主要包括功率管驱动电路、采样电路等。如图41所示。厂、 ，、 、 开关管桥路 上 I动永磁 L力：(发动机)。 同步 J隐T电电机l池； 、J J I IJ I I三发 相 直转 转 电 交 流 充速 子 机 流 侧 电控 位 温 电 电 电制 置 度 流 压 流1 r 1 r 1 1 1 r采样电路 驱动电路上 t信号DA转换单元 AD转换单元 CC6模块通用 XCl64CS C
40、ANIO 定时器 l看门狗 通讯图41 APU控制系统结构Fig41 The system structure ofAPU controller哈尔滨理工大学工程硕士学位论文42硬件电路设计421驱动电路设计性能良好的驱动电路和保护电路是IGBT可靠、高校运行的重要保证，本设计中采用Agilen公司生产的光电耦合驱动器件HCPL-316J为功率器件IGBT的驱动器件，目的是提高驱动电路的整体性能。该器件可以驱动的最高级别的IGBT为150A1200V，也就是说大多数IGBT均可使用此器件驱动。IGBT驱动电路如图42所示。图42 IGBT驱动电路Fig42 The IGBT gate driv
41、e circuitHCPL316J是一款简单易用的智能型IGBT驱动光耦，其本身带有过流检测的功能，它是通过DESAT管脚来实现的。基本的原理是，DESAT管脚的输入电压是UGE与快恢复二极管导通时压降的总和，这样可以实现利用DESAT管脚来监控UGE的值。根据芯片手册可知，IGBT工作在额定电流情况下UGE的值，如此可以根据实际的情况调节快恢复二极管的个数。工作的原理为当HCPL316J所驱动的IGBT导通时，电流从驱动芯片的内部流经R3、D1并产生压降。当电阻、二极管上的压降与IGBT导通压降之和大于7v时，Votrr输出为低。软关断IGBT，防止其流过的电流过大，进而实现了保护。同时，F
42、AULT信号也为低并送至单片机，控制或停止发送PWM信号。图43为驱动电路输出级电路，电路中以两只三极管互补的形式做为电路结构，这样可以加速IGBT的关断过程。电路正常工作时，VIN+与VoUT保持同步同相。VoI JT经两只快速三极管推挽输出【5l】，目的是扩大驱动输出电流。为防止过高电压将栅极击穿造成器件损坏，在发射极与栅极间并稳压管D3和D4。哈尔滨理工大学工程硕+学位论文422主控芯片选择图4-3推挽输出电路Fig43 Pushpull output circuit本文中APU控制器的核心控制芯片为Infineon公司的16位单片机XCl64CS，该芯片具有功能强大的智能片上外设子系统
43、，主要包括14通道模数转换器(ADC)、捕获EL较单元(CAPCOMlCAPCOM2CAPCOM6)、多功能通用定时单元(GPTlGPT2)、异步同步串行通道(USART)、高速同步串行通道(SPI)以及控制器局域网络(TwinCAN)模块等，并配有程序设计辅助软件DAVE，极大的方便了控制程序的编写1521。423电源电路APU控制器的供电电源为车载+24V电瓶，控制器主芯片及各个模块的工作电压需要根据各自的供电要求，采用专门的电压转换芯片和DCDC变换模块进行转换。首先采用241212DCDC模块将车载电瓶的24V电压转为+12V、12V电压，如图44所示。+12V 1l 7 I手场+Vo
44、ut =IC16 删 6 (、lore50v= =C17 01心25 lI 0孤INT 00M 一 -(一1 3 4 (十晒 -Vout图44电源转换电路Fig4-4 Power conversion circuit哈尔滨理工大学工程硕士学位论文根据XCl64CS芯片的双电压供电需求，本文采用英飞凌TLE7469稳压器将+1 2V转换为稳定的+25V和+5V供单片机使用，该稳压芯片还能向单片机提供短路、过压和过温等保护，如图45所示。!v 1 一12厂 1 12 12 【R1，； a J I、47uF土R14= -C22 lNH 2 11-1I-100K -3K o1烀sv。 INH GND。 甲Ll一 7- 3QI Q2【NH一 鼍，JQ8 l 2幽半怒丰。产sO Ro 上幽廿需D9吲享10K WDI q 8 St I7v ；GND DT 刁lL匕40t)图45 TLE7469电路Fig4-5 TLE7469 circuit424采样电路为了保证APU系统能够正常运行，需要采样电路对电流、电压、转子位置等信号进行采集，下面具体介绍以上几种信号的采样电路。1)相电流采样电路。=图4-6A相电流采样电路图Fig46 The A phase current sampling circu