(徐性怡)电动汽车用电机控制系统设计方法与发展趋势介绍.doc

D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 动 汽 车 用 电 机 及 其 控 制 系 统 的 原 理 、应 用 与 发 展 趋 势徐 性 怡 博 士上 海 大 郡 动 力 控 制 技 术 有 限 公 司2 0 1 3 年 1 0 月D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t内 容 提 要1 . 电 动 汽 车 发 展 前 景 、 电 机 应 用 举 例 以 及 对电 机 及 其 控 制 器 的 特 殊 要 求2 . 电 机 驱 动 系 统 的 基 础 技 术 介 绍 电 机 电 力 电 子 控 制 器 控 制 软 件3 . 电 机 驱 动 系 统 设 计 要 点 与 技 术 发 展 趋 势D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t中 国 电 动 汽 车 的 发 展 前 景 历 史 性 机 遇 汽 车 动 力 电 气 化 已 成 为 汽 车 技 术 发 展 的 趋 势 “ 节 能 减 排 ” 的 国 策 鼓 励 电 动 汽 车 及 混 合 动 力 汽 车 的 大 发 展 电 动 汽 车 发 展 所 面 临 的 挑 战 电 动 汽 车 技 术 仍 有 待 于 完 善 ， 尤 其 是 关 键 零 部 件 如 电 池 和电 机 制 约 了 电 动 汽 车 的 发 展 进 程 ； 电 动 汽 车 市 场 受 到 产 品 可 靠 性 、 成 本 等 因 素 的 制 约 ， 需 要一 段 成 长 周 期 市 场 将 在 未 来 3 - 5 年 逐 步 上 量D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t纯 电 动 / 混 合 动 力 系 统 实 现 方 案B a t t e r yT r a n s .I SGI P U M i l d H E VB a t t e r yT r a n s .T r a c t i o nM o t o rI SGI P US e r i e s H E V / R a n g e E x t e n d e d E V （ P l u g - i n ）B a t t e r yT r a n s .T r a c t i o nM o t o rI SGI P UP a r a l l e l H E V （ P l u g - i n ）B a t t e r yT r a n s .G e a r B o xT r a c t i o nM o t o rI P UE V S y s t e mD a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t技 术 路 线 ： 纯 电 动 还 是 混 合 动 力 ？5混 合 动 力 : 可 实 现 节 能 减 排 的 目的 已 被 验 证 可 大 规 模 应用 的 技 术 不 需 要 充 电 设 施 对 中 国 整 车 制 造 商 而言 实 现 难 度 大 结 构 复 杂 缺 乏 传 统 动 力 系 统的 核 心 技 术纯 电 动 : 以 电 代 油 减 少 对 进 口 石 油 的依 赖 减 少 用 户 的 运 营 成本 结 构 简 单 易 于 实 现 可 推 动 电 池 的 发 展 一 次 充 电 形 式 里 程 有限 限 制 车 辆 的 适用 范 围 依 赖 于 电 池 技 术 突 破 需 要 充 电 设 施 不 适 用 于 大 车增 程 式 电 动 汽 车 : 综 合 纯 电 动 和 混 合 动力 的 优 点 可 实 现 短 途 用 电 、 长途 用 油 降 低 了 对 电 池 技 术 的依 赖 程 度 符 合 中 国 汽 车 行 业 技术 发 展 水 平 有 利 于 尽 早 进 入 示 范运 行 ， 逐 步 改 善 与 未 来 纯 电 动 、 燃 料电 池 技 术 无 缝 连 接D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 动 汽 车 / 混 合 动 力 用 电 机 系 统 举 例牵 引 电 机 6 0 1 5 0 k W曲 轴 集 成 启 动 发 电 机( C I S G ) 1 5 k W皮 带 驱 动 启 动 发 电 机( B I S G ) 3 6 k W电 动 空 调 6 k W 电 动 油 泵 8 0 W冷 却 水 泵 4 0 W电 池 冷 却 风 扇 4 0 WH E V 发 电 机 4 0 1 0 0 k WD a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 动 汽 车 应 用 对 电 机 系 统 的 要 求 结 构 紧 凑 、 尺 寸 小 重 量 轻 可 靠 性 高 、 失 效 模 式 可控 效 率 高 成 本 低 低 噪 声 、 低 震 动 恒 功 率 调 速 范 围 宽峰 值 力 矩恒 力 矩 区 恒 功 率 区峰 值 功 率转 速力 矩坡 上起 动 加 速性 能高 速超 车D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t汽 车 电 机 与 普 通 工 业 电 机 之 比 较较 高 （ 1 1 . 5 k W / k g ） 较 低 （ 0 . 2 k W / k g ） 功 率 密 度极 高 ： 既 要 性 能 好 ， 又 要 价 格 便 宜 一 般 总 体 性 价 比很 高 以 保 障 乘 车 者 安 全 较 高 以 保 证 生 产 效 率 可 靠 性 要 求需 要 精 确 的 力 矩 控 制 ， 动 态 性 能 较好多 为 变 频 调 速 控 制 ， 动 态 性 能 较 差 控 制 性 能通 常 为 水 冷 （ 体 积 小 ） 通 常 为 风 冷 （ 体 积 大 ） 冷 却 方 式温 度 变 化 大 （ - 4 0 + 1 0 5 o C ) ; 震 动 剧 烈 ; 环 境 温 度 适 中 （ - 2 0 + 4 0 o C ) ;静 止 应 用 ， 震 动 较 小工 作 环 境布 置 空 间 有 限 ， 必 须 根 据 具 体 产 品进 行 特 殊 设 计空 间 不 受 限 制 ， 可 用 标 准 封 装 配 套各 种 应 用封 装 尺 寸汽 车 应 用 工 业 应 用项 目D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t内 容 提 要1 . 电 动 汽 车 发 展 前 景 、 电 机 应 用 举 例 以 及 对电 机 及 其 控 制 器 的 特 殊 要 求2 . 电 机 驱 动 系 统 的 基 础 技 术 介 绍 电 机 电 力 电 子 控 制 器 控 制 软 件3 . 电 机 驱 动 系 统 设 计 要 点 与 技 术 发 展 趋 势D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 动 汽 车 电 机控 制 系 统核 心 技 术电 机 技 术电 力 电 子 技 术数 字 控 制 技 术 传 感 器 技 术电 机传 感 器电 力 电 子 逆 变 器数 字 控 制 器电源机 械 / 液 压负 载-V i nV i nV o电 动 汽 车 用 电 机 驱 动 系 统 典 型 结 构 与 技 术 领 域D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 机 的 选 择 ： 常 用 交 流 无 刷 电 机 类 型AxByzCNS感 应 电 机 开 关 磁 阻 电 机 永 磁 电 机永 磁 电 机 是 电 动 汽 车 尤 其 是 乘 用 车 的 主 流 技 术 尺 寸 小 效 率 高D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t感 应 电 机 工 作 原 理 空 间 对 称 分 布 的 三 相 定 子 绕 组 中 通入 时 间 对 称 的 三 相 交 流 电 流 ， 在 气隙 中 产 生 旋 转 磁 场 ， 其 转 速 等 于 交流 电 流 的 频 率 除 以 电 机 的 极 对 数 。 旋 转 磁 场 扫 过 转 子 上 的 短 路 绕 组（ 一 般 为 鼠 笼 结 构 ） ， 产 生 转 子 中的 感 应 电 流 。 转 子 感 应 电 流 与 定 子 旋 转 磁 场 相 互作 用 产 生 力 矩 滑 差 频 率=定 子 旋 转 磁 场 的 转 速-转子 转 速 感 应 电 机 的 输 出 扭 矩 与 滑 差 频 率 成正 比 效 率 和 密 度 不 如 永 磁 电 机 低 速 区 扭 矩 控 制 不 易- 1 . 5- 1- 0 . 500 . 511 . 50 1 2 3 4 5 6 7x a x b x cAa BbcD a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t开 关 磁 阻 电 机 工 作 原 理 一 相 定 子 绕 组 （A相 ） 通 直 流电 建 立 磁 场 转 子 的 磁 极 趋 于 与 磁 场 对 齐 磁 阻 扭 矩 当 转 子 磁 极 与 磁 场 快 要 对 齐 的时 候 ， 换 作 下 一 相 绕 组 （B相 ）通 电 ， 拉 动 下 一 组 转 子 磁 极 对齐 每 次 只 有 一 相 工 作 ， 可 以 缺 相运 行 （ 容 错 ） 换 相 导 致 扭 矩 波 动 振 动 噪 声 径 向 力 产 生 振 动 噪 声 效 率 与 密 度 不 如 永 磁 电 机aABbc CAa BCcbD a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t永 磁 电 机 工 作 原 理AxByzCNS- 1 . 5- 1- 0 . 500 . 511 . 50 1 2 3 4 5 6 7x a x b x c s r 空 间 对 称 分 布 的 三 相 定 子 绕组 中 通 入 时 间 对 称 的 三 相 交流 电 流 ， 在 气 隙 中 产 生 旋 转磁 场 ， 其 转 速 等 于 交 流 电 流的 频 率 除 以 电 机 的 极 对 数 。 旋 转 磁 场 吸 引 转 子 上 的 永 磁体 产 生 力 矩D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t表 贴 式 永 磁 同 步 电 机 的 特 点r p ms r T s r T s r I K I K T = = = ) s i n (r rr e r s K V V 1V 2优 缺 点 ： 力 矩 密 度 高 效 率 较 高 弱 磁 困 难 要 求 较 大 容 量 的 逆 变 器（ 超 载 系 数= V 1 / V 2） 系 统 成 本 较 高理 想 电 机 输 出力 矩 要 求永 磁 同 步 电 机输 出 特 性 曲 线电 机 端 电 压理 想 电 机 的端 电 压 特 性D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t磁 阻 同 步 电 机 工 作 原 理 及 特 性AxByzC sqdT K L L I I d q d q= ( ) (q q d d r I L I L K V+ r p m优 缺 点 ： 弱 磁 容 易 效 率 较 高 力 矩 密 度 不 易 做 大 由 于 饱 和 非 线 性 ， 控 制 复 杂D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t永 磁 - 磁 阻 同 步 电 机P M - R e l u c t a n c e S y n c h r o n o u s ( P M R S ) M o t o rNS+=D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t永 磁 - 磁 阻 同 步 电 机 的 特 性 P M q q d d rq d q d q P MK I L I L K VI I L L K I K T 4 32 1) () (+ + + =r p m永 磁-磁 阻 同 步 电 机 的 特 点 ： 弱 磁 容 易 ， 调 速 范 围 宽 效 率 较 高 力 矩 密 度 较 高 结 构 复 杂 ， 优 化 设 计 较 难 由 于 饱 和 非 线 性 ， 控 制 复 杂D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t表 贴 式 永 磁 电 机 与 永 磁 磁 阻 电 机 之 比 较- + 力 矩 密 度+ - 失 效 模 式+ - 恒 功 率 调 速 区+ + 效 率+ - 永 磁 体 的 特 殊 形 状 要 求+ - 永 磁 体 的 涡 流 损 失0 0 整 体 充 磁 能 力+ - 永 磁 体 固 定 方 式永 磁 - 磁 阻 表 贴 式表 贴 式 永 磁 电 机 不 适 用 于 电 动 汽 车 应 用D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t永 磁 磁 阻 同 步 电 机 的 设 计 难 点 密 度 高 、 效 率 高 、 体 积 小 可 制 造 、 一 致 性 好 可 靠 性 高 、 防 止 退 磁 震 动 噪 声 小D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t高 性 能 、 高 可 靠 性 永 磁 材 料永 磁 材 料 的 失 磁 机 理 高 温 振 动 去 磁 电 流防 止 去 磁 的 方 法 防 止 过 温 开 发 高 性 能 材 料 防 止 过 大 的 去 磁 电 流开 发 高 性 能 的 磁 钢 磁 钢 耐 温 特 性 ： 2 2 0 时 的 磁 通 不 可 逆 损失 小 于 3 % ， 新 开 发 的 环 氧 涂 层 具 有 高 耐 温 、 高 耐 腐蚀 性 及 高 绝 缘 性永 磁 材 料 可 靠 性 、 耐 久 性 评 估 方 法 针 对 电 动 汽 车 实 际 应 用 工 况 设 立 永 磁 体退 磁 载 荷 试 验 循 环 ； 建 设 集 成 高 低 温 、 机 械 振 动 、 脉 动 电 流等 综 合 功 能 测 试 平 台 ； 利 用 测 试 平 台 模 拟 退 磁 载 荷 试 验 循 环 ，研 究 上 述 因 素 对 永 磁 体 退 磁 的 综 合 影 响 。D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t拼 块 结 构 永 磁 体磁 场 方 向叠 层 方 向抗 涡 流 和 退 磁 设 计 的 永 磁 体 分 层 结 构 与 叠 层 结 构电 机 系 统 设 计 仿 真 验 证 与 测 试 验 证 能 力 建 设抗 涡 流 和 退 磁 的 永 磁 体 拼 块 、 叠 层 、 分 层 结 构 技 术抗 涡 流 和 退 磁 的 永 磁 体 拼 块 、 叠 层 、 分 层 结 构 技 术D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 机 震 动 与 噪 声 挑 战 电 机 的 震 动 与 噪 声 直 接 影 响 整 车 的 N V H 电 机 力 矩 的 波 动 引 起 电 机 转 向 波 动 ， 并 导 致 齿 轮 噪 声 电 机 的 径 向 力 引 起 转 子 、 定 子 变 形 、 震 动 以 及 噪 声 电 机 的 输 出 能 力 、 成 本 与 震 动 噪 声 多 呈 负 相 关 ， 需 要 取舍 通 过 控 制 器 的 开 关 频 率 的 改 变 可 以 有 效 改 变 噪 声 震 动 噪 声 不 仅 仅 与 电 机 相 关 ， 而 且 与 整 车 结 构 及 安 装 方式 相 关D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t忰 能 量 密 度 高 ， 封 装 尺 寸 小 巧 ， 用 材料 省 ；忰 效 率 高 ， 节 电忰 调 速 范 围 宽 ， 对 逆 变 器 功 率 要 求 低组 合 优 势成 本 优 势应 用 优 势忰 中 国 拥 有 丰 富 的 稀 土 永 磁 矿 藏 和 较低 的 制 造 成 本忰 适 合 于 电 动 汽 车 以 及 工 业 控 制 应 用永 磁 磁 阻 同 步 电 机 ( P M R S ) 代 表 电 机 领 域 的 发 展 方 向+N S峰 值 力 矩恒 力 矩 区 恒 功 率 区峰 值 功 率坡 上起 动 加 速性 能转 速D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 力 电 子 逆 变 器 的 工 作 原 理V2d cABC0npS A +S A -S B +S B -S C +S C -V2d csV 1 ( 1 , 0 , 0 )V 2 ( 1 , 1 , 0 ) V 3 ( 0 , 1 , 0 )V 4 ( 0 , 1 , 1 )V 5 ( 0 , 0 , 1 ) V 6 ( 1 , 0 , 1 )YXD a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t空 间 矢 量 脉 宽 调 制 法 （ S V P W M ）- 1 . 501 . 50 0 . 0 0 2t 0 / 2 t 1 t 2 t 0 / 2Tp w mV s *V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 XYD a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 力 电 子 控 制 器 硬 件 构 成功 率 回 路- V iV oV i电 机 控 制 器 电 路 接 受 整 车 控 制 器 的指 令 并 反 馈 信 息 检 测 电 机 系 统 内 传感 器 信 息 根 据 指 令 及 传 感 器信 息 产 生 逆 变 器 开关 信 号I G B T 驱 动 电 路 接 收 D S P 的 开 关 信号 并 反 馈 相 关 信 息 放 大 开 关 信 号 并 驱动 I G B T 提 供 电 压 隔 离 和 保护 功 能控 制 电 源 为 控 制 器 提 供电 源 为 驱 动 电 路 提供 多 路 相 互 隔离 的 电 源结 构 与 散 热 系 统 为 电 力 电 子 模 块散 热 为 控 制 器 组 件 安装 提 供 支 撑 为 控 制 器 提 供 环境 保 护D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t特 殊 电 路 结 构汽 车 级 零 件 三 相 智 能 集 成 数 控 模块 及 保 护 电 路 汽 车 应 用 薄 膜 电 容 器 接 插 件 牵 引 电 机 及 I S G 双 电 机集 成 控 制 器 逆 变 器 及 D C / D C 集 成 控制 器 模 块 化 分 布 式 大 功 率 转换 器 系 统可 靠 性 设 计 方 法 散 热 设 计 抗 震 动 设 计 E M C 设 计电 力 电 子 控 制 器 关 键 技 术D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t汽 车 级 电 力 电 子 部 件 开 发 汽 车 级 专 用 电 力 电 子 模 块 开 发 满 足 汽 车 应 用 环 境 的 I G B T 和 二 极 管 芯 片 优 化 相 应 的 驱 动 控 制 电 路 满 足 汽 车 可 靠 性 的 模 块 封 装 技 术 高 可 靠 性 、 智 能 模 块 封 装 开 发 与 测 试 汽 车 级 薄 膜 电 容 电 容 可 靠 性 分 析 与 测 试 方 法 针 对 汽 车 应 用 特 点 设 计 、 筛 选 薄 膜 电 容 接 插 件 整 车 客 户 和 供 应 商 合 作 ， 规 划 不 同 接 插 件 标 准系 列D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t大 功 率 D C / D C 可 用 于 匹 配 控 制 两 种不 同 的 电 源 （ 如 电 池 + 燃 料 电 池 ， 电池 + 超 级 电 容 器 等 ） ， 实 现 电 - 电 混 合母 线 电 压 优 化 控 制 技 术 ： 利 用 大功 率 D C D C 实 现 直 流 母 线 电 压 动态 调 节 ， 提 高 系 统 效 率 及 可 靠 性I S G 、 T M 电 力 电 子 控 制 器 一 体 化集 成 ； 同 时 集 成 大 功 率 D C D C ， 及低 压 蓄 电 池 充 电 用 D C D C 。高 集 成 度 电 力 电 子 控 制 器D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t控 制 器 的 散 热 设 计 功 率 模 块 在 运 行 中 产 生 损 耗 P l o s s 这 些 功 率 损 耗 通 过 一 连 串 的 热 阻R 最 终 散 到 环 境 中 为 保 证 可 靠 性 ， 需 要 保 证 I G B T芯 片 的 工 作 温 度 不 超 过 其 允 许 的限 度 （ 1 5 0 o C ） 温 升 模 型 ： T = P l o s s * R 。 重 要的 任 务 是 减 少 P l o s s 和 R 根 据 实 际 要 求 选 择 冷 却 方 式 （ 水冷 或 风 冷 ）R j , cR c , sR s , aT jT cT sT aP l o s sD a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t热 管 理 设 计 与 认 证 热 管 理 设 计 思 路 优 化 元 器 件 的 布 置 减 小 发 热 源 与 散 热 介 质 之 间 的 热阻 ， 将 发 热 源 与 散 热 介 质 直 接 接 触 前 期 的 仿 真 计 算 电 子 元 器 件 的 热 特 性 及 不 同 安 装 方式 结 构 方 式 的 热 阻 仿 真 分 析 后 期 的 设 计 实 验 验 证 测 试 水 阻 、 水 压 、 温 升 及 温 度 梯 度来 验 证 热 场 的 分 布 来 评 估 热 系 统 的合 理 性 以 实 验 数 据 修 订 仿 真 模 型D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t针 对 各 种 类 型 电机 的 控 制 算 法 高 性 能 矢 量 控 制 系 统 参 数 自 适 应 控 制 完 整 的 控 制 软 件 模 块库 简 洁 、 可 靠 的 任 务 调度 架 构 （ R T O S ）软 件 开 发 与 测 试 规范 流 程 设 计 需 求 确 认 框 架 设 计 模 块 设 计 模 块 验 证 系 统 验 证针 对 整 车 应 用 的 控制 方 法 基 于 状 态 机 机 制 的 系统 软 件 结 构 ， 方 便 扩展 与 维 护 可 靠 的 系 统 保 护 与 自恢 复 功 能 适 应 车 载 恶 劣 工 况 的自 适 应 控 制 功 能 （ 母线 电 压 波 动 大 、 温 度变 化 剧 烈 等 ）灵 活 多 样 的 控 制 器硬 件 汽 车 级 M C U / D S P 控 制平 台 现 场 可 编 程 硬 件 器 件（ C P L D 、 F P G A ）电 机 数 控 技 术D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t 通 过 转 子 位 置 传 感 器（ 旋 转 变 压 器 ） 确 定 转子 磁 场 的 位 置 根 据 转 子 磁 场 的 位 置 和输 出 扭 矩 的 指 令 确 定 定子 电 流 的 相 位 和 幅 值 通 过 高 性 能 的 电 流 调 节器 控 制 定 子 电 流 以 达 成输 出 力 矩 控 制永 磁 同 步 电 机 力 矩 控 制 原 理 ：转 子 磁 场 定 向 控 制AxByzCNS s rs r T s r T s r I K I K T = = = ) s i n (r rr e r s K V D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t磁 场 定 向 控 制 的 实 现F i e l d W e a k e n i n g&E f f i c i e n c y O p t i m i z a t i o nKv c*vb*va*G aG bG cE n c o d e re T*i q *ai*T ( )- 1P W MT ( )k pK is+v q *k pK is+v d *dibiq id i+-+-D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t内 容 提 要1 . 电 动 汽 车 发 展 前 景 、 电 机 应 用 举 例 以 及 对电 机 及 其 控 制 器 的 特 殊 要 求2 . 电 机 驱 动 系 统 的 基 础 技 术 介 绍 电 机 电 力 电 子 控 制 器 控 制 软 件3 . 电 机 驱 动 系 统 设 计 要 点 与 技 术 发 展 趋 势D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 机 系 统 设 计 过 程明 确 整 车 对 电 机系 统 的 设 计 需 求 功 能 、 性 能 工 作 环 境 封 装 尺 寸 冷 却 方 式 及散 热 能 力 软 件 接 口 测 试 标 准机 械 封 装 设 计 电 机 封 装 控 制 器封 装电 机 设 计 电 磁 设 计 散 热 设 计 结 构 设 计 传 感 器 布 置 工 艺 设 计 测 试 设 计控 制 器 硬 件 设 计 功 率 电 路 控 制 电 路 结 构 / 散 热 E M C 工 艺 测 试控 制 器 软 件 设 计 底 层 控 制 应 用 控 制 诊 断 / 保 护 维 修 / 更 新 测 试系 统 集 成 设 计 系 统 参 数标 定 系 统 集 成 测试 方 法D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 机 系 统 设 计 难 点 系 统 结 构 的 优 化 电 机 类 型 电 机 与 减 速 机 / 变 速 箱 的 集 成 母 线 电 压 的 选 择 冷 却 系 统 的 选 择 （ 风 冷 、 水 冷 、 油 冷 ） 可 靠 性 设 计 电 磁 兼 容 设 计 成 本 的 挑 战D a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 机 驱 动 系 统 特 性 电 机 大 小 取 决 于 输 出 力 矩 （ 而 不 是 功 率 ）以 及 散 热 能 力 就 一 给 定 电 机 而 言 ， 在 不 考 虑 散 热 限 制 的前 提 下 ： 电 机 的 低 速 下 最 大 力 矩 输 出 取 决 于 逆 变 器的 电 流 能 力 高 速 下 输 出 力 矩 能 力 受 制 于 逆 变 器 的 电 压 最 大 输 出 功 率 由 逆 变 器 的 K V A 决 定 评 估 一 个 电 机 驱 动 系 统 的 指 标 ： 最 大 输 出 力 矩 与 转 速 的 曲 线 （ 外 特 性 ） ： 恒 功 率 调 速 范 围 效 率 分 布 图 （ E f f i c i e n c y m a p ） 而 非 某 一点 最 高 效 率 电 机 输 出 功 率 k W 与 逆 变 器 K V A 之 比 力 矩 密 度 ( N m / ( A - T ) / m 3 )T o r q u e - s p e e d c u r v e00 . 20 . 40 . 60 . 811 . 20 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5S p e e d ( p . u . )T or qu e/ p ow er (p . u. )L i m i t e d b y v o l t a g eL i m i t e d b y c u r r e n tD a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 机 与 变 速 箱 的 优 化 组 合 电 机 尺 寸 取 决 于 峰 值 力 矩 采 用 减 速 机 可 以 在 不 改 变功 率 的 前 提 下 大 大 降 低 峰值 力 矩 从 而 降 低 电 机 的 体积 和 成 本 根 据 实 际 应 用 需 要 优 化 配置 电 机 与 变 速 箱 （ 减 速 机 ）组 合速 比 1 : 1速 比 2 : 1r p mT o r q u eD a j u n C o n f i d e n t i a l , P l e a s e d o n o t d i s t r i b u t e w i t h o u t w r i t t e n p e r m i t电 力 电 子 控 制 器 发 展 趋 势 控 制 器 新 拓 扑 结 构 高 集 成 度 子 系 统 集 成 （ 如 I S G 控 制器 + 牵 引 电 机 控 制 器+ D C / D C ） 物 理 结 构 的 集 成 （ 如 ： 电力 电 子 控 制 器 与 电 池 管 理模 块 集 成 ， 丰 田 第 三 代P C U 封 装 ） 热 管 理 集 成 设 计 新 器 件 高 集 成 度 、 智 能 型 汽 车 等级 I G B T 模 块 薄 膜 电 容C o u r t e s y T o y o t a M o t o r C o m p a n y D a j u n C o n f i d e n t i a l