新能源汽車DC/AC變換電路教學模型設計

何濤　曾孟軍　王信銳　朱萬炫　劉紅江

摘 要：DC/AC變換電路作為新能源汽車上的核心電路之一，在實車上，由于集成度高、高電壓等特性，非常不利于初學者進行學習。本文中設計的DC/AC變換電路教學模型，學生不僅能直觀認識其主電路和控制電路的結構，而且還能通過預留的接線端子進行電路再次搭建和測量其關鍵信號線上的電路參數，進而快速掌握DC/AC變換電路的基本結構和工作原理，為后續實車故障診斷打下較好的基礎。

關鍵詞：單片機 DC/AC電路 驅動電路 新能源汽車

1 引言

隨著化石燃料的不斷枯竭，新能源汽車的應用越來越廣泛[1]，截止2022年底，我國新能源汽車保有量達到1310萬輛，這么龐大數量新能源汽車的應用，需要大量技術服務人員，特別是售后服務技術人員，大都來自于職業教育，所以，職業教育的水平狀況，在一定層度上決定著新能源汽車后市場的服務能力。電機、電池、電控作為新能源汽車的三大核心[2]，不同品牌、不同年份的新能源汽車在裝配結構上有一定的差異，但基本的功能模塊大致相當，新能源汽車電控系統由于集成度高，學生在學習過程中幾乎只能看到其外觀，不能直觀看清內部結構，更不能快速理解其工作原理。

2 DC/AC變換電路教學介紹

新能源汽車電控系統，無論什么樣的裝配形式，其主要的模塊包括車載充電機（OBC）、高壓配電盒、DC/DC和電機控制器[3][4]，電機控制器內部重要的電路模塊就是DC/AC逆變電路，因為目前新能源汽車主要的能量存儲裝置是動力電池，動力電池能量的存儲和釋放都是以直流電的方式體現的，但進行能量轉換裝置的驅動電機幾乎都是交流電機，這就需要DC/AC變換電路把直流電轉換成交流電給驅動電機供電。DC/AC變換電路內容的教學如果全在實車上進行，有以下幾方面的缺點：一是沒有生產企業提供的核心零部件設計資料，即使拆卸掉電控系統的外殼，也很難分清楚內部電路板上的每一個電路元器件，導致對整個工作電路結構不能直觀認識；二是新能源汽車的實車電路具有高壓特性，學生和教師的安全得不到絕對保證；三是實車上幾乎都沒有預留測量點，導致不能用萬用表、示波器等工具對其電路參數進行測量，進而就不更好的對其原理進行理解。

如圖1所示，現階段DC/AC變換電路教學幾乎都是以該圖為中心，首先介紹三相橋式逆變電路的電路元器件主要包括V1、V2、V3、V4、V5、V66個三端器件IGBT和VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD66個功率二極管，然后以180°導電方式或120°導電方式給6個IGBT的柵極提供控制信號，一定規律的控制信號就會讓6個IGBT按照一定的規律導通，最后在三相負載端經過簡單的濾波就可以得到三相交流電源。雖然教師可以借助多媒體動畫等方式盡可能比較直觀展示其結構和工作原理，但學生畢竟不能親眼看清楚實物結構和用萬用表等工具測量關鍵的電路參數，最終很難真正理解DC/AC的變換過程，進而達不到學習的目的。

3 教學模型設計思路

如圖1所示，在平常的教學中，對于三端器件IGBT柵極端的驅動信號，一般都是假設有驅動信號的存在，本DC/AC教學模型的驅動信號由單片機電路產生，且預留單片機引腳接線端子以便接線和測量控制信號。對于主逆變電路，V2、V4和V6的柵極控制信號相對比較容易理解，但V1、V3和V5的控制信號，如果簡單用單片機輸出引腳去控制V1、V3和V5的柵極，肯定是行不通的，所以本DC/AC教學模型上就設計了隔離驅動電路，而且預留接線端子，學生可以直觀看清楚驅動電路的電路結構，且能對其相應信號進行測量。對于橋式逆變主電路，實車應用都是出于高電壓狀態，本教學模型為了保證師生的絕對安全，在保證控制規律一致的情況下，把電壓降到安全電壓以下，既保證了師生的安全，又能夠直觀認識主電路結構和測量相應的電信號，總體設計思路如圖2所示。

4 教學模型結構

4.1 單片機控制電路

單片機控制電路如圖3所示，用于產生DC/AC變換的控制信號，單片機選用師生比較熟悉的51單片機STC89C516RD+，用單片機的P2.0-P2.5六只引腳作為輸出信號引腳，從圖4所示的PCB板可知，U+Lin、U+Hin、V+Lin、V+Hin、W+Lin、W+Hin作為預留接線端子，學生可通過這些預留端子測量相應的電信號。

4.2 隔離驅動電路

隔離驅動電路如圖5所示，主要用于解決橋式逆變電路上橋臂IGBT控制信號的參考電位，驅動電路的核心芯片選擇EG3012，EG3012是一款高性價比的大功率MOS管、IGBT管柵極驅動專用芯片[5]，如圖6所示U-Lin、U-Hin、V-Lin、V-Hin、W-Lin、W-Hin、HO1+、VS1+、LO1+、HO2+、VS2+、LO2+、HO3+、VS3+、LO3+作為預留接線端子，其中U-Lin、U-Hin、V-Lin、V-Hin、W-Lin、W-Hin分別用于連接單片機控制電路的U+Lin、U+Hin、V+Lin、V+Hin、W+Lin、W+Hin。

4.3 橋式逆變主電路

如圖7所示，橋式逆變電路的核心是6個IGBT，HO1-、VS1-、LO1-、HO2-、VS2-、LO2-、HO3-、VS3-、LO3-為橋式逆變電路的9個預留端子，在實訓練習時，分別和HO1+、VS1+、LO1+、HO2+、VS2+、LO2+、HO3+、VS3+、LO3+相連，既讓學生熟悉了電路結構，又方便使用萬用表、示波器等工具對其主要的電學參數進行測量，進而深入掌握其工作原理，對應的PCB班如圖8所示。

5 結語

本文中設計的DC/AC變換電路教學模型主要包括單片機控制電路、隔離驅動電路和橋式逆變主電路三個部分，單片機控制電路用于產生逆變主電路中IGBT的控制信號，隔離驅動電路用于隔離主電路中上橋臂IGBT的接地，橋式逆變主電路用于把直流電逆變為交流電。通過該電路模型，學生既能直觀看清楚電路結構，又能通過預留的接線端子搭建電路加深對電路結構的認識，還能通過接線端子的金屬裸露處，利用萬用表、示波器測量相應電信號，進而快速理解DC/AC變換電路的結構及工作原理。

基金項目：2022年度院級課題《一種新能源汽車DC/AC變換電路教學模型設計》（編號：2022-ZZJK-01）。

參考文獻：

[1] 洪吉超，梁峰偉，楊京松等.新能源汽車產業及其技術發展現狀與展望[J].科技導報，2023，41（05）：49-59.

[2] 范鐵軍.“新基建”背景下我國鋼鐵行業發展的新機遇[J].中國發展觀察，2023（02）：80-84.

[3] 李福生.車載小三電技術的現狀與發展趨勢[J].上海電氣技術，2022，15（03）：80-86.

[4] 耿琦.某純電動車高壓關鍵零部件布置方案研究[J].機械制造與自動化，2021，50（02）：197-199.

[5] 古毅.大數據下的微電網模擬系統的安全性探究[J].衛星電視與寬帶多媒體，2019（20）：31-32.