《新能源汽车驱动电机及控制技术》 课件 3.1 电机控制器检测与故障诊断

新能源汽车电驱与控制技术

项目一新能源汽车高压供电控制系统

项目二新能源汽车电驱系统

项目三新能源汽车电驱控制系统

项目四新能源汽车电驱热管理系统与整车控制策略

任务一电机控制器检测与故障诊断

任务二电驱控制系统故障诊断项目三新能源汽车电驱控制系统一、任务引入新能源汽车电驱系统主要由电控、电机、变速器、电驱冷却系统等组成，电机控制器MCU是电驱系统的控制中心。深入了解电机控制器MCU的内部结构及工作原理，有利于提高维修人员新能源车电驱控制系统的故障诊断和维修的技能水平。二、学习目标

知识目标：了解电机控制器MCU的内部结构及工作原理。掌握电机控制器MCU的故障现象分析。技能目标：具有电机控制器MCU的故障进行诊断、分析和维修的基本能力。职业素养目标：严格执行新能源汽车检修操作规范，养成科学严谨的工作态度。养成总结训练过程和结果的习惯，为下次训练积累经验。虚心向他人学习，尊重他人劳动。养成团结协作精神。严格执行7S现场管理。三、知识空间新能源汽车控制器分为高压控制器和低压控制器，低压控制器电路上不连接高压，如电池管理器BMS、整车控制器VCU、车身控制器BCM等；而高压控制器电路上连接有高压，故称为高压控制器，如电机控制器MCU、车载充电机OBC、DC/DC变换器、空调控制器HVAC、高压加热PTC等。高压控制器内部的控制电路、驱动电路、监测保护电路等等仍属于低压电路。在高压控制器内部高低压电路之间有严格的隔离措施，以防高电压窜入低压电路而导致危险发生。三、知识空间目前，无论是纯电动汽车还是混动汽车，驱动电机均采用三相交流电机，电机控制器的主要作用就是给驱动电机提供三相交流电来驱动车辆，尽管不同厂家控制器内部电路设计不同，但基本功能是相同的。本任务不再区分纯电动汽车还是混动汽车，仅以驱动电机控制器为例，介绍电机控制器的结构原理。三、知识空间电机控制器总成

多合一电驱总成1.电机控制器的基本组成电机控制器MCU是电驱系统的控制中心，以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块为核心，辅以驱动集成电路（也称作驱动板，比亚迪称作智能功率模块IPM）、主控集成电路（也称作控制板）。简单来说，电机控制器MCU是由控制板、驱动板和IGBT模块三部分组成。1.电机控制器的基本组成电机控制器控制原理简图1.电机控制器的基本组成上层为控制板

下层为驱动板

驱动板背面的IGBT模块电机控制器基本组成实例2.电机控制器主要功能采集扭矩请求信号、旋变信号等控制电机正向驱动、反驱发电功能；具有高压输出电压和电流限制功能，具有电压跌落、过流、驱动电路过温保护、IGBT过温保护、电机过温保护、功率限制、扭矩控制限制等功能；同时具备能量回馈控制、主动泄放、被动泄放控制。3.电机控制器的结构原理

电机控制器MCU是电驱系统的控制中心。控制板接收各种信号经过运算向驱动板输出PWM信号作为控制信号；驱动板接收到控制板的PWM信号后，对信号进行电压放大和功率放大等处理，驱动IGBT导通和关断；IGBT接受驱动，按照控制单元的PWM指令要求，通过不断导通和关断，实现逆变与整流、变压变频，给驱动电机提供波形近似（实际为等效）正弦波、相差120°的三相交流电，驱动电机运转。3.1逆变电路

逆变电路由六只IGBT构成，六只IGBT分成三组构成三支桥臂，每支桥臂又由两只IGBT构成，分别称作上桥和下桥，这种电路被称作三相桥式全波逆变电路，简称全桥。逆变与整流电路电气原理图3.1逆变电路（1）逆变与整流原理电路工作时总是有一支桥臂的上桥和另一支桥臂的下桥同时导通，则会有电流沿某一方向流经电机的一相定子绕组。在控制模块MCU的PWM信号控制下，六只IGBT成对轮番导通，通过三相定子绕组的电流就会是相差120°的三相交流电流。逆变原理3.1逆变电路并联在IGBT集电极和发射极之间的二极管有两个主要主作用：①续流二极管：起保护作用；②整流作用：当驱动电机用作发电机进行能量回收。整流原理3.1逆变电路（2）正弦交流电的产生原理以正半周为例，当电机在某一转速时，脉冲周期Ts为一个固定值，这个周期Ts随电机转速（或交流电的频率）改变而改变，Ton为IGBT导通时间，D=Ton/Ts即为占空比。在电压上升阶段，占空比D逐渐增大，IGBT导通时间Ton越来越长，则一个脉冲周期内电压或电流的平均值也越来越大，如图中蓝色线段；在电压下降阶段，占空比D逐渐减小，IGBT导通时间Ton越来越短，则一个脉冲周期内电压或电流的平均值也越来越小，这样在半个周期内由蓝色线段构成了近似正弦波正半周的波形。IGBT模块正弦波模拟原理3.1逆变电路正弦波负半周原理相同。这样在一个周期内，控制模块MCU通过PWM信号控制全桥的IGBT成对轮番导通，就能够产生近似正弦波的正弦交流电。正弦波模拟原理3.1逆变电路实际上前图的波形我们使用示波器是看不到的，下图为使用示波器采集的电机控制器输出的实际波形，与我们使用示波器观察工频交流电所看到的波形是不同的。电机控制器输出三相交流电实采波形3.1逆变电路IGBT模块变压与变频原理（3）变压与变频原理3.1逆变电路变压原理：在等效（或有效）正弦交流电的频率（或Ts）不变的情况下，若增大IGBT导通频率，即Ts会变短，再减小占空比，IGBT的导通时间会变得更短，使得电压瞬时有效值变小，等效正弦交流电的电压幅值变小，电机控制器输出的电压降低。变压原理3.1逆变电路变频原理：上述变压原理的前提条件是等效正弦交流电的频率不变，通过改变IGBT导通频率和占空比能够使电压发生改变。同样的道理，若等效正弦交流电的电压有效值不变，通过改变IGBT导通频率和占空比也能够使等效交流电的频率发生改变，这就是变频原理。变频原理3.1逆变电路通过以上分析可以得出结论，电机控制器变频和变压的根本原因就是改变IGBT导通频率和占空比。电机控制器通过控制PWM信号，就能够实现逆变、整流、变压、变频，输出近似正弦交流电，而且还能实现三相正弦交流电彼此相差120°；能改变三相交流电的相序，实现电机正反转控制；又在能量回收时确保IGBT可靠关断；在高压下电后，还要进行泄放，把薄膜电容及电路中储存的高压电能泄放掉，避免出现高压触电事故。3.2驱动电路电机控制器的驱动电路主要由驱动芯片、推挽电路和低压电源三部分组成。控制板向驱动板输出PWM脉宽调制信号；驱动芯片对PWM信号进行电压放大，经过电压放大的PWM信号送至推挽电路；推挽电路的对信号进行放大，以满足IGBT栅极导通和关断所需的电压和电流；低压电源的作用是为驱动芯片和推挽电路提供工作电源电压。驱动电路3.2驱动电路驱动板实例3.2驱动电路电气隔离：电气隔离是保证安全IGBT可靠地导通和关断重要措施之一，以防止高压串入，电气隔离包括信号隔离和电源隔离。信号隔离主要包括电磁隔离（即变压器隔离）、光电隔离和电容隔离。IGBT驱动信号隔离电路3.2驱动电路推挽电路：推挽电路的作用是为IGBT栅极提供导通和关断电压。IGBT驱动通常采用双电源驱动技术，供电电源采用双电压进行供电，一般限定为+20V/-20V之间一种常见的互补对称单通道推挽电路3.3控制电路控制电路（控制板）主要包括：主控制芯片、电源电路、CAN网络、旋变电路和各种采样电路，是电机控制器MCU的控制中枢。控制板3.3控制电路主控制芯片：主控制芯片一般为控制板上最大的芯片，主要有MCU、DSP、FPGA三种。MCU即微处理器（单片机），是把CPU、内存、I/O接口等集成到一片超大规模的集成电路芯片上，通常侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小，适用于有大量的I/O操作的场合，数据处理能力有限；DSP即数字信号处理器，芯片内部集成了模/数转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制PWM信号输出等接口，比较擅长高速运算；FPGA即现场可编程逻辑门阵列，由逻辑单元、RAM、乘法器等组成，具有可无限重新编程、响应快速、多轴同时处理、灵活多样的外设接口、多种工业总线的支持等优点。3.3控制电路电源电路：电源电路主要将12V或24V电转变成控制模块MCU和部分电路所需的电压，主要由电源芯片、变压器、电解电容、大体积瓷片电容、大体积电感等元件组成。CAN网路：主要由解码IC和共模电感组成，用于CAN网络通信。旋变电路：主要由旋变解码芯片、共模电感和推挽电路等组成，旋变解码芯片对旋变信号进行解码，用于计算判断转子的位置和转速进行电机矢量控制。各种采样电路：包括电流采样、电压采样、温度采样等。4.IGBT模块绝缘栅双极型晶体管IGBT是电机控制器的核心部件，在电路中作为开关使用，能够承受较高的电压和电流，为高压功率电力电子器件，在电机控制器内部通常使用IGBT模块。4.1IGBT模块的基本组成

IGBT模块芯片IGBT模块内部电路IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，也称为IGBT芯片，是电机控制器的核心器件。4.2IGBT的结构原理

IGBT是绝缘栅双极型晶体管的缩写，IGBT相当于一个场效应管MOSFET和一个双极型晶体管的组合，常用作高压功率电力电子器件，从几十伏到上万伏，电流能达到几千安培，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。4.2IGBT的结构原理IGBT内部结构、内部电路及符号4.2IGBT的结构原理随着第三代半导体技术的日臻成熟，更具潜力的第三代半导体全面替代常见车用硅基功率器件的已日趋明朗。SiC是最被看好能取代硅基器件（主要是IGBT）的材料，已开始在新能源汽车电控系统中应用。4.3IGBT模块好坏判断IGBT模块的好坏判断主要是对IGBT模块内的续流二极管的判断。对于IGBT模块还需判断在有触发信号的情况下能否导通和关断。逆变器IGBT模块检测：将数字万用表拨到二极管测试档,测试IGBT模块C1E1、C2E2之间以及G1与E1、G2与E2之间正反向二极管特性,来判断IGBT模块是否完好。4.3IGBT模块好坏判断将负载侧U、V、W相的导线拆除，使用二极管测试档，红表笔接T+(C1)，黑表笔依次测U、V、W，万用表显示数值为最大；将表笔反过来，黑表笔接T+(C1)，红表笔测U、V、W，万用表显示数值为400左右。再将红表笔接T-(E2)，黑表笔测U、V、W，万用表显示数值为400左右；黑表笔接T-(E2)，红表笔测U、V、W，万用表显示数值为最大。IGBT模块内部电路IGBT模块检测正常值对照表4.3IGBT模块好坏判断红、黑两表笔分别测栅极G与发射极E之间的正反向特性,万用表两次所测的数值都为最大，这时可判定IGBT模块栅极正常。如果有数值显示,则栅极性能变差，此模块应更换。当正反向测试结果为零时,说明所检测的一相栅极已被击穿短路。栅极损坏时电路板保护栅极的稳压管也将击穿损坏。5.预充电容器薄膜电容器，也称为预充电容，动力电池提供的高压电在提供到驱动电机控制模块前须经过电容器预充。预充电容除具有缓解高压冲击作用外，还具有滤波作用，避免尖峰电压对电机控制器电子元件的损害。在高压下电或分离安全插头时，需进行泄放。泄放包括主动泄放和被动泄放，通过电机控制器内的泄放控制电路控制。泄放的方式包括通过电机引导泄放和通过泄放电阻泄放两种，均是把电容器储存的电能消耗掉。因电容器放电需要一段时间，维修时必须要等电容器完全放电完毕后才可以操作。6.电机控制器的常见故障电机控制器内含故障诊断电路，当诊断出异常时，它将会激活一个故障代码，发送给整车控制器，同时也会存储该故障代码和数据。6.1电机控制器的故障分类电机控制器的故障一般分为以下几类：1）电流故障：与三相交流电流相关的故障，包括不同级别的过流、电流变化率故障、三相不均衡故障等。2）电压故障：包括直流母线电压欠压、过压，12V/24V控制电压欠压、过压，驱动电路欠压，芯片供电欠压等。3）速度故障：包括不同级别的电机超速。4）温度故障：与电机、控制器的温度相关的故障，包括控制器电路板温度、IGBT温度、电机温度、冷却液温度的过温等。6.1电机控制器的故障分类5）传感器故障：与电流传感器、速度传感器（包括旋转变压器解码芯片上报的故障代码）、温度传感器、电压传感器等传感器模块本身功能相关的故障，例如传感器对地短路、传感器超出量程、传感器失效等。6）通信故障：包括CAN通信以及其他使用的通信方式相关的各种故障。7）内存故障：在进行EEPROM等的读写以及校验时的故障。8）电机本体故障：缺相故障，绕组匝间短路故障。9）其他故障：主动放电、高压HVIL故障、时钟故障、转矩安全、自学习故障等。6.2电机控制器的故障的等级及控制策略电机控制器的故障等级一般可以分为3-5级，不同的故障等级采取的控制策略也不同（以5级为例）。一级：报警，将报警信息传递给驾驶员，性能输出不影响。二级：轻微故障，降功率运行。故障条件不成立时自动恢复。三级：一般故障，进入故障模式停机，故障条件不成立时通过通信或其他方式恢复。四级：一般故障，进入故障模式停机，故障条件不成立时重新上钥匙才能恢复。五级：严重故障，立即停机（开路或短路），断开高压快速放电，需停车。6.2电机控制器的故障的等级及控制策略电机控制器故障包括软件故障和硬件故障，转件故障通常是由软件程序损坏或数据丢失造成，需要通过专业设备进行软件编程和数据更新来解决，但这类故障较少不易发生。一般电机控制器的故障主要发生在硬件部分，即控制器内部的电子元器件损坏，这类硬件故障的维修专业性较强，需要维修人员具备较扎实的电子知识和维修技能基础，这也是目前制约从业人员新能源汽车维修技术水平的关键因素。四、任务实施----1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检1.任务准备安全防护：做好安全防护与场地隔离(车内外三件套、车轮挡块、警示标志及隔离带等)。工具设备：举升机、人身安全防护套装、绝缘工具套装、常规工具套装、万用表。车辆台架：比亚迪秦EV分控联动示教台或教学版整车。辅助资料：教材、维修手册、任务工单、记号笔。2.操作步骤注意：在操作前应首先做好场地安全防护、车辆安全防护、人身安全防护等各种防护措施，并执行进行高压下电程序，在等待5分钟后再进行动手操作。作业人员要穿防静电服，作业场地要求要设置防静电和放电设施，作业台台面使用木质台面，不得使用橡胶和塑料台布，作业过程人体不得带静电，必要时人体要进行放电并佩戴手套。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（1）拆掉电机控制器高低压连接线束、冷却水管及固定螺栓，将电机控制器取下。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（2）松开电机控制器上盖固定螺栓并将上盖取下，观察内部部件有无异常现象。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（3）拔掉控制板与驱动板连接线束插头，松开控制板固定螺栓并将控制板取出，观察控制板有无异常情况。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（4）松开驱动板固定螺栓并将驱动板取出，观察驱动板有无异常情况。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（5）使用数字万用表二极管检测档位分别检测U相IGBT模块上下管并联二极管的正向导通压降。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（6）使用数字万用表二极管检测档位分别检测V相IGBT模块上下管并联二极管的正向导通压降。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（7）使用数字万用表二极管检测档位分别检测W相IGBT模块上下管并联二极管的正向导通压降。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（8）数字万用表交换黑红表笔，使用二极管检测档位再分别检测各相IGBT模块上下管并联二极管的反向截止情况。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（9）也可将IGBT模块从驱动板下面取下进行独立检测，使用数字万用表二极管检测档位分别检测各相IGBT模块上下管并联二极管的正向导通压降。1.比亚迪秦EV驱动电机控制器IGBT故障拆检（10）使用数字万用表二极管检测档位分别检测各相IGBT模块上下管并联二极管的反向截止情况。2.比亚迪秦EV驱动电机控制器故障诊断1.任务准备安全防护：做好安全防护与场地隔离(车内外三件套、车轮挡块、警示标志及隔离带等)。工具设备：举升机、人身安全防护套装、绝缘工具套装、常规工具套装、万用表。车辆台架：比亚迪秦EV分控联动示教台或教学版整车。辅助资料：教材、维修手册、任务工单、记号笔。2.操作步骤2.比亚迪秦EV驱动电机控制器故障诊断序号诊断流程操作方法检测标准1车辆进入车间做好各项防护措施2检查蓄电池电压使用万用表测量9～16V3读取电机控制器故障码插入诊断仪，进行终端诊断后，读取并记录所有故障码4清除故障码清除所有故障码，退到off档清除历史码5重新上ON电等待3分钟，重新上ON电，读取并再次记录所有故障码故障码为当前故障6查阅故障码表查阅故障码表，故障现象是否在故障码表中7上OK电若现象在故障码表中，检查高压直流母线是否加载高压。OK灯亮，正常值250V～510V若现象不在故障码表中，检查充配电三合一或动力蓄电池。OK灯亮，正常值250V～510V8维修或更换电机控制器9测试确认10结束2.比亚迪秦EV驱动电机控制器故障诊断参考：比亚迪秦EV电机控制器故障码表序号故障码故障定义可能故障模块1P1BB000前驱动电机过流电机控制器、驱动电机2P1BB200前驱动电机一般过温告警电机控制器、驱动电机、冷却系统3P1BB298前驱动电机严重过温告警电机控制器、驱动电机、冷却系统4P1BB300前驱动电机控制器IGBT-NTC一般过温告警电机控制器、冷却系统5P1BAC00前驱动电机控制器IGBT核心温度一般过温告警电机控制器、冷却系统.6P1BB319前驱动电机控制器IGBT-NTC严重过温告警(关波)电机控制器、冷却系统7P1BAC19前驱动电机控制器IGBT核心温度严重过温告警(关波)电机控制器、冷却系统8P1BB500前驱动电机控制器高压欠压动力蓄电池、电机控制器2.比亚迪秦EV驱动电机控制器故障诊断9P1BB600前驱动电机控制器高压过压故障动力蓄电池、电机控制器10P1BB700前驱动电机控制器电压采样故障电机控制器11P1BB800前驱动电机控制器碰撞信号故障网关、SRS模块、低压线束、电机控制器12P1BB900(预留)前驱动电机控制器开盖保护13P1BBA00前驱动电机控制器EEPROM错误电机控制器14P1BBC00前驱动电机控制器DSP复位故障电机控制器15P1BBD00前驱动电机控制器主动泄放故障电机控制器16P1BBF00前驱动电机旋变故障信号丢失电机控制器、旋变、低压线束17P1BC000前驱动电机旋变故障角度异常电机控制器、旋变、低压线束18P1BC100前驱动电机旋变故障信号幅值减弱电机控制器、旋变、低压线束2.