新能源汽车概论 课件 项目四 新能源汽车电机驱动系统 学习任务三 电机功率控制器

项目四新能源汽车电机驱动系统学习任务三

电机功率控制器目录目录电机功率控制器的组成与原理一电机控制方式二复习题三学习任务3电机功率控制器学习目标：✦理解逆变器的工作原理。✦理解升压转换器的工作原理。✦理解DC/DC转换器的工作原理。✦知道电机控制方式。

素养目标：✦养成关注电驱动控制技术发展的习惯。✦培养学生分析电驱动系统技术参数的能力。在电动汽车中，电机控制器的主要作用是根据车辆的挡位、油门、刹车等信号，将动力蓄电池所存储的电能逆变为驱动电机所需的三相可调电压，可变频率电能来控制电动车辆的启动运行、进/退速度、爬坡力度等行驶状态，或驾驶员在减速或滑行时，并将驱动电机的反电动势通过电机控制器整流后存储到动力蓄电池中。图4-3-1所示是丰田THS-II电机功率控制器（PCU）示意图。学习任务3电机功率控制器图4-3-1丰田THS-II的PCU控制示意图（NHW20车型）一、电机功率控制器的组成与原理以比亚迪秦EV驱动三合一电机控制器为例：1.扼流圈安装在电机控制器的直流电源部分的扼流圈，主要用于平滑整流后的直流成分，减小其波纹电压，以满足电子设备对直流电源的要求。扼流圈的主要作用是阻止交流成分的通过，使直流电源更加纯净。电源滤波扼流圈的主要技术指标为：

电感量、直流电压降。电感量由所要求的波纹系数，在进行整流器和滤波器计算时确定；直流电压降影响整流器输出电压和负载调整率。学习任务3电机功率控制器图4-3-2比亚迪秦EV电机控制器扼流圈实物图2.电机控制器板电机控制器的主控板的电路架构上使用了一片DSP控制芯片（黄色筐）以及一片FPGA（红色筐）芯片。FPGA芯片的响应速度快，当在车辆发生故障时，比如：电机出现绝缘不良导致电流过大，电机控制器能够及时切断高压，对驱动电机和控制器进行保护。DSP的芯片主要是用来处理车辆的驱动信号。比如：车辆急加速时，整车控制器接收到的油门踏板开度的信号通过动力CAN给到DSP芯片处理，输出相对应的数据给IGBT模块。学习任务3电机功率控制器图4-3-3比亚迪秦EV电机控制器板电机的旋变传感器的信号直接通过硬线连接到橙色筐内的插接件，旋变信号用于整车上电时检测电机的位置以及车辆在行驶时，通过旋变信号确定电机转子角速度和位移。电机控制器上的DSP芯片通过旋变信号转码出车辆的行驶速度。电机控制器板通过橙色筐的接插件给电机三相线的霍尔传感器供电，用于采集电机绕组的电流。学习任务3电机功率控制器3.IGBT模块（1）IGBT工作原理学习任务3电机功率控制器图4-3-4比亚迪秦EV电机控制器IGBT模块IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，

兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。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。IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。三大特点就是高压、大电流、高速。秦EV的电机控制器采用了三组分立的IGBT模块，IGBT模块安装在在冷却水道与驱动板之间，依靠上方的驱动板来驱动。驱动板通过一个变压器来实现高压侧和低压侧的隔离，采用六片独立的驱动芯片，对每一个IGBT的上管和下管进行驱动。IGBT的主要作用是将动力电池输出的高压直流电逆变成三相可调电压，可变频率的交流电供给驱动电机使用。当车辆在减速或滑行时，驱动电机的反电动势（交流电）通过IGBT的二极管整流成直流电给动力电池充电。学习任务3电机功率控制器一般来说，IGBT模块将直流电逆变成三相可调电压，可变频率的交流电，或将交流电转换为直流电的设备。要将直流电转换为交流电，需要将4个不同的开关（即S1、S2、S3、S4）组合，如图4-3-5所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-5直流电转换为交流电的转换电路改变开关的打开/关闭时间可以相应地改变频率，如图4-3-6所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-6直流电转换为交流电的原理图①正弦波型交流电压的产生逆变器输出的是正弦波型交流电，而不是矩形波交流电，如图4-3-7所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-7正弦波型交流电和矩形波交流电波形1)确定在极短的时间

（Ts）内所需的输出电压

（Vi），如图4-3-8所示。图4-3-8极短的时间内所需的输出电压2)开关打开/关闭操作产生的电压电平成为直流电源电压

（Vd）。因此，控制Ton以使VixTs部分和VdxTon部分相等，这样就产生了正弦波型交流电，如图4-3-9所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-9产生了正弦波型交流电3)通过控制脉宽以输出电压的方法叫做PWM（脉宽调制），如图4-3-10所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-10脉宽控制输出电压②正弦波型三相交流电的产生如图4-3-11所示，使用6个IGBT可产生正弦波型交流电压，3个相位相距120°。学习任务3电机功率控制器图4-3-11直流电转换为交流电的转换电路1)转子运转时根据转子（永久磁铁）的位置，IGBT打开以产生适合转子位置的三相交流电，使转子运转，如图4-3-12所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-12转子运转时逆变器电路工作原理与三相交流电波形2)进行再生制动时车轮转动转子（永久磁铁），在相位U、相位V和相位W内产生三相交流电压，如图4-3-13所示。三相交流电经二极管整流后为动力蓄电池充电。学习任务3电机功率控制器图4-3-13电机发电时逆变器电路工作原理与三相交流电波形3)进行零扭矩控制时（转子运转和再生制动以外的情况）根据车辆行驶条件，马达扭矩可能会降至零（0）。如在水平路面上平稳行驶时，由于进行前置前驱，四轮驱动混合动力系统的电机既不驱动车轮，也不发电。但是，在此情况下，电机仍然转动。由于电机转动产生电压，电流开始流动。为了抵消MGR产生的电压，IGBT打开以产生电压，防止电流流动，如图4-3-14所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-14进行零扭矩控制时逆变器（2）逆变器控制原理根据MG1和MG2的驱动指令值，HVECU将逆变器驱动信号（PWM）输出至逆变器，如图4-3-15所示。HVECU检测是否按照安装在逆变器内的电流传感器的反馈的指令生成三相交流电。学习任务3电机功率控制器图4-3-15逆变器控制原理HVECU根据车辆运行条件改变逆变器控制模式（即逆变器驱动信号），从而有效地控制MG1和MG2。逆变器控制模式有三种（见表4-3-1和图4-3-16），并可通过智能检测仪的ECU数据表进行检查。学习任务3电机功率控制器表4-3-1逆变器控制模式学习任务3电机功率控制器图4-3-16逆变器控制模式范围4.薄膜电容学习任务3电机功率控制器图4-3-17比亚迪秦EV电机控制器薄膜电容在电机控制器中，电池包的直流电作为输入电源，需要通过直流母线与电机控制器连接，该方式叫DC-LINK或者直流支撑，其中的电容我们称之为母线电容或者支撑电容或者DC-Link电容。由于电机控制器从电池包得到有效值或者峰值很高的脉冲电流的同时，会在直流支撑上产生很高的脉冲电压使得电机控制器难以承受，所以需要选择母线电容来连接。母线薄膜电容的作用：①平滑母线电压，使电机控制器的母线电压在IGBT开关的时仍比较平滑；②降低电机控制器IGBT端到动力电池端线路的电感参数，削弱母线的尖峰电压；③吸收电机控制器母线端的高脉冲电流；④防止母线端电压的过充和瞬时电压对电机控制器的影响。⑤霍尔电流传感器学习任务3电机功率控制器图4-3-18比亚迪秦EV电机控制器霍尔电流传感器霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统等领域。电机控制器内的霍尔传感器的作用：采集驱动电机的工作时的电流。学习任务3电机功率控制器5.温度传感器学习任务3电机功率控制器图4-3-19比亚迪秦EV电机控制器温度传感器电机控制器底部冷却液进水管位置安装有一个温度传感器，用来采集冷却液温度，通过电机控制器的动力CAN与整车控制器进行通讯。温度信号是VCU控制散热风扇高低速运转的必要条件。6.升压转换器升压转换器将动力电池的电压升高，升高后的电压进入逆变器；反之，降低电机产生的电压以便为动力电池充电。如图4-3-20所示是丰田普锐斯（NHW20）PCU的升压转换器的原理图。学习任务3电机功率控制器图4-3-20丰田普锐斯（NHW20）PCU的升压转换器的原理图增压转换器工作原理如下：（1）增压时①增压IGBT打开当增压IGBT打开时，电流流向电抗器，如图4-3-21所示。此时，增压IGBT控制A点电压＜动力蓄电池电压。电抗器内的线圈抑制电流变化，以存储能量。学习任务3电机功率控制器图4-3-21增压IGBT打开②增压IGBT关闭当增压IGBT关闭时，电抗器的能量立即释放，如图4-3-22所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-22增压IGBT关闭持续进行此操作

（10，000Hz）

将电压存入增压后电容器，确保稳定的电压。控制IGBT的打开/关闭时间可以调节增压。（2）降压时①降压IGBT打开当降压IGBT打开时，电流流向电抗器，如图4-3-23所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-23降压IGBT打开此时，降压IGBT按控制A点电压：动力蓄电池电压＜A点电压＜降压前电压。②降压IGBT关闭当降压IGBT关闭时，可使电流变得流畅，并为HV蓄电池充电，如图4-3-24所示。这是由于电抗器抑制电流变化的特性，电抗器可保持电流连续。学习任务3电机功率控制器图4-3-24降压IGBT关闭电机控制方式主要有电压控制方式、电流控制方式、频率控制方式、弱磁控制、矢量控制、直接转矩控制，如图4-3-25所示。学习任务3电机功率控制器图4-3-25电机控制方式二、电机控制方式一、选择题１、电机功率控制器的英文缩写是（

）。Ａ、PNPＢ、PCUＣ、NPNＤ、PDU２、（

）将来自增压转换器的直流电转换为三相交流电以驱动电机；反之，将来自电机的交流电转换为直流电。Ａ、升压转换器Ｂ、变压器Ｃ、换向器Ｄ、逆变器３、构成逆变器的重要功率电子元件是（

）。Ａ、IGBTＢ、NPNＣ、FETＤ、GTO４、一般来说，逆变器要将直流电转换为交流电，需要将（

）个不同的开关组合。Ａ、5Ｂ、4Ｃ、2Ｄ、2５、逆变器控制模式有有（

）种，并可通过智能检测仪的ECU数据表进行检查。Ａ、5Ｂ、4C、3D、2学习任务3电机功率控制器复习题二、判断题１、电机