《新能源汽车技术》项目3

新能源汽车技术

授课教师：xxx授课时间：xxx绪论项目一纯电动汽车的概述项目二动力蓄电池及管理技术项目三驱动电机及控制技术项目四整车控制及轻量化技术项目五纯电动汽车其他关键技术项目六混合动力电动汽车项目七燃料电池电动汽车全课导航项目一纯电动汽车的概述项目三

驱动电机及控制技术

电机控制系统则用于对驱动电机的工作状态进行实时控制，使其按照人们需要的方向、转速、转矩、响应时间工作

驱动电机可将电能转换为机械能，然后为纯电动汽车提供行驶动力。项目导读纯电动汽车的驱动电机三相异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等

永磁同步电机功率密度较高，适用于高低速切换及启停频繁的复杂路况，是目前国内纯电动汽车驱动电机的主流技术路径。三相异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机三种常用的驱动电机电机控制系统的基本功能和控制策略MCU的基本结构等本项目主要内容学习目标（1）掌握三相异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的基本结构。（2）熟悉三相异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的工作原理。（3）熟悉电机控制系统的基本功能和控制策略。（4）掌握MCU的基本机构。（1）能够识别各类驱动电机的基本结构。（2）能够分析电机控制系统的基本功能和控制策略。（1）坚定民族自豪感和文化自信心。（2）强化历史使命感和社会责任感。知识目标技能目标素质目标项目导航任务3.1认识驱动电机任务3.2认识电机控制系统任务3.1

认识驱动电机任务引入纯电动汽车对驱动电机系统的功率密度、能量密度、转矩响应、调速范围、效率、再生制动、可靠性、电磁兼容性、安全性等性能均有特定的要求。

直流电机结构复杂，维护、运营成本较高，可靠性较差，效率较低现已不常见早期的纯电动汽车多采用三相异步电机结构简单、坚固耐用、成本低、转矩脉动低、噪声低、极限转速高、运行可靠功率密度低、效率低、调速性差目前在少数纯电动汽车的车型中仍有小批量应用永磁同步电机转矩密度高、效率高、功率密度高、调速范围宽、体积小目前已大批量应用于多款纯电动汽车车型中但永磁同步电机存在的制造工艺复杂、成本较高、高温下磁性容易衰退等问题仍有待解决开关磁阻电机结构紧凑、牢固，适合高速运行，成本低、调速范围宽、运行可靠仅在新能源客车上有极小批量应用任务要求：学生从三相异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的结构和工作原理等方面认识驱动电机。任务引入表1知识与技能要求任务内容认识驱动电机学习程度识记理解应用学习任务三相异步电机●永磁同步电机●开关磁阻电机●实训任务认识驱动电机的结构●分析驱动电机的工作原理●自我勉励任务工单——认识驱动电机1．任务描述

学生以3～5人为一组，选出组长并进行任务分工。各小组根据实际情况，在实训车辆或整车实训平台上认识驱动电机的基本结构，分析驱动电机的工作原理及主要零部件的功能特点。序号名称型号与规格单位数量备注2．工具和器材准备

各小组查阅资料，熟悉实训车辆所用驱动电机的类型、结构特点和相关技术参数，并进行工作规划，将实训所需的工具和器材填入表2中表2任务工单3．制订方案（1）各小组针对工作规划展开讨论，制订实施方案。（2）指导教师对各小组的实施方案给出评价。（3）各小组根据指导教师的评价对实施方案进行调整。（4）调整合格后的实施方案即最终实施方案。4．工作实施

各小组按照最终实施方案，系统地认识实训车辆所用驱动电机，并将实施内容及完成情况填入表3中。班级组号日期姓名学号指导教师实施内容完成情况任务总结表3相关知识3.1.1三相异步电机3.1.2永磁同步电机3.1.3开关磁阻电机相关知识

驱动电机是将电能转换成机械能，为车辆行驶提供驱动力的电气装置，该装置通常也具备将机械能转换成电能的功能。

纯电动汽车在不同的历史时期采用了不同的驱动电机，最早是采用了控制性能好、成本较低的直流电机。随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的发展，三相异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机显示出比直流电机更加优越的性能，这些驱动电机逐步取代了直流电机。1．三相异步电机的基本结构3.1.1三相异步电机

三相异步电机具有结构简单、制造成本低、结构坚固、维修方便等特点，曾广泛应用于纯电动汽车中。

虽然三相异步电机的种类很多，但结构基本相同，都是由定子和转子两大部分组成，定子和转子之间有气隙。如图1所示为三相异步电机的基本结构。图11．三相异步电机的基本结构3.1.1三相异步电机1）定子

定子部分包含机座、定子铁芯、定子绕组等，主要用来产生旋转磁场。定子铁芯主要用于固定定子铁芯和定子绕组。机座一般由0.35～0.5mm厚的硅钢片叠压而成，是三相异步电机的磁路部分。定子铁芯的内圆上冲有均匀分布的槽口，用于嵌放定子绕组。定子绕组是三相异步电机的电路部分，嵌放在铁芯槽内，当通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。定子绕组的线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制而成，中小型三相异步电机的定子绕组一般采用圆漆包线，大中型三相异步电机的定子绕组则采用较大横截面积的漆包扁铜线或绝缘包扁铜线。

三相异步电机的三相定子绕组是相互独立的，各相绕组之间的空间电角度为120°，其结构完全对称，一般有六个出线端，即U1、U2、V1、V2、W1、W2，出线端均接在接线盒内。

如图2所示，三相异步电机的定子绕组可以接成星形（Y）或三角形（△）。图21．三相异步电机的基本结构3.1.1三相异步电机2）转子转子铁芯转子绕组转子一般由0.35～0.5mm厚的硅钢片叠压而成，是三相异步电机的磁路部分，其外圆上也均匀分布着槽孔，用来安放转子绕组。

通常，小型三相异步电机的转子铁芯直接套压在转轴上，大、中、型三相异步电机的转子铁芯先套压在转子支架上，然后再套装在转轴上。三相异步电机的旋转部件可以切割定子旋转磁场并产生感应电压及感应电流，并形成电磁转矩，从而使三相异步电机开始旋转。转子绕组笼型转子绕组绕线型转子绕组笼型三相异步电机绕线型三相异步电机2．三相异步电机的工作原理3.1.1三相异步电机如图3所示为三相异步电机的工作原理：点击播放微课视频

为三相异步电机的三相定子绕组通入三相交流电，定子内部将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电压，感应电压的方向可由右手定则来确定。

转子绕组是闭合通路，因此转子中有感应电流产生，感应电流的方向与感应电压的方向相同，而载流的转子绕组在定子旋转磁场的作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则来确定。

电磁力将产生电磁转矩，驱动转子旋转，并且转子旋转的方向与旋转磁场的方向相同。图32．三相异步电机的工作原理3.1.1三相异步电机

3．三相异步电机的性能特点3.1.1三相异步电机三相异步电机主要具有以下特点：（1）小型轻量化。（2）易实现转速超过1000r/min的高速旋转。（3）高速低转矩时运转效率高。（4）低速时有高转矩，并有较大的速度控制范围。（5）结构坚固，可靠性高。（6）制造及维护成本低。（7）控制装置简单。1．永磁同步电机的结构3.1.2永磁同步电机三相永磁同步电机具有三相均匀分布的定子绕组和永磁转子，在绕组分布和磁路结构上保证了反电动势的波形为正弦波。为了对磁场进行定向控制，输入到定子绕组的电压和电流也应为正弦波。

永磁同步电机内置式永磁同步电机外置式永磁同步电机根据永磁体在转子上位置的不同,永磁同步电机单相永磁同步电机三相永磁同步电机目前国内纯电动汽车市场普遍采用1．永磁同步电机的结构3.1.2永磁同步电机1）内置式永磁同步电机

按永磁体磁化方向的不同，分类如下：

在有阻尼绕组的情况下，内置式永磁同步电机的转子结构如图所示。内置式永磁同步电机径向式切向式混合式

由于内置式永磁同步电机转子内部嵌有永磁体，因此转子具有凸极特性。1．永磁同步电机的结构3.1.2永磁同步电机2）外置式永磁同步电机

根据永磁体是否嵌入转子铁芯中，可分为：外置式永磁同步电机面贴式嵌入式一种凸极式永磁同步电机。转子永磁体一般为瓦片形，通过合成胶黏附在转子铁芯表面。面贴式永磁同步电机嵌入式永磁同步电机一种隐极式同步电机。永磁体嵌入转子铁芯中，两个永磁体之间的铁芯成为铁磁介质突出的部分。1．永磁同步电机的结构3.1.2永磁同步电机2）外置式永磁同步电机相对而言，由于永磁体的存在，面贴式永磁同步电机定子和转子之间的有效气隙较大，因此定子绕组的电感较小。永磁同步电机的最高转速较高，能达到10000r/min。永磁同步电机功率密度高、调速性能好，在较大的转速范围内的运行效率高（90%～95%），是理想的纯电动汽车用驱动电机。但是，目前永磁同步电机的相关理论还不如三相异步电机完善，还有许多技术性能需要进一步提升，这主要体现在以下两个方面。低速效率：永磁同步电机低速运行时的效率较低，如何通过设计来减小低速运行时的定子电流，提升效率，是目前研究的主要方向之一。弱磁能力：永磁同步电机的转子采用永磁体励磁，随着转子转速的升高，定子绕组的输入电压会逐渐达到逆变器所能输出的电压极限，这时要想继续升高转速，只有通过调节定子电流的大小和相位、增加直轴去磁电流进行等效弱磁控制。永磁同步电机的弱磁能力主要与直轴电抗和反电动势有关，而永磁体串联在直轴磁路中，因此直轴磁路的磁阻一般较大，弱磁能力较小，且当反电动势较大时，永磁同步电机的最高转速也会降低。2．永磁同步电机的性能特点3.1.2永磁同步电机1．开关磁阻电机系统概述3.1.3开关磁阻电机

开关磁阻电机一般需要搭配功率转换器、传感器和控制器，组成开关磁阻电机系统来使用。

开关磁阻电机系统的结构如图6所示。开关磁阻电机是系统的主要组成部分，用以实现电能与机械能的转换。连接电源和驱动电机的开关器件，用以提供开关磁阻电机所需的电能，功率转换器的结构形式一般与供电电压、驱动电机相数及主开关器件种类有关。功率转换器传感器主要用来反馈电流及转子的位置、速度等信息，并将信息传送给控制器。控制器是系统的中枢，起决策和指挥作用，主要对传感器提供的电流及转子位置、速度等信息和外部输入的指令进行实时分析和处理，进而采取相应的控制决策，控制功率转换器中主开关器件的工作状态，实现对开关磁阻电机运行状态的控制。图62．开关磁阻电机的工作原理3.1.3开关磁阻电机

开关磁阻电机由双凸极的定子和转子组成，其定子和转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。

转子上既无绕组也无永磁体，一般装有位置检测器；

定子上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相绕组。图7

根据相数和定子、转子极数配比的不同，可以将开关磁阻电机设计成不同的结构，其中常用的定子、转子极数配比如图7所示。2．开关磁阻电机的工作原理3.1.3开关磁阻电机

如图8所示为四相8/6极开关磁阻电机，图中仅画出了其中一相绕组的连接情况。

由于定子、转子均为凸极式结构，故每相绕组的电感大小随转子角位置的改变而改变。电感、转矩与转子角位置的关系曲线如图9所示。图8图92．开关磁阻电机的工作原理3.1.3开关磁阻电机开关磁阻电机的运行遵循磁阻最小原理：

当向绕组B施加电流时，由于磁通总是选择磁阻最小的路径闭合，为减少磁路的磁阻，转子将顺时针旋转，直到转子磁极2与定子磁极（绕组B）的轴线重合，此时磁阻最小（电感最大）；

当切断绕组B的电流，给绕组A施加电流时，磁阻转矩使得转子磁极1与定子磁极（绕组A）相对。

由于转矩方向一般指向最近的一对定子、转子磁极相对的位置，根据转子位置传感器反馈的位置信号，电枢绕组按B→A→D→C的顺序导通，转子便会沿顺时针方向连续旋转。

当定子、转子磁极正对时，电感达到最大值；

当定子、转子磁极完全错开时，电感达到最小值。3．开关磁阻电机的性能特点3.1.3开关磁阻电机开关磁阻电机作为一种新型调速电机，主要有如下优点：结构简单、坚固，制造工艺简单，转速较高；定子线圈的嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。损耗主要产生在定子部分，方便冷却；转子无永磁体，可允许有较大的温升。转矩方向与电流方向无关，可最大限度地简化功率转换器，从而降低系统成本。功率转换器不会出现直通故障，可靠性高。启动转矩大，低速性能好，不存在异步电机在启动时所出现的冲击电流现象。调速范围大，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩−速度特性。在较大的转速和功率范围内都具有较高的效率。具有较强的制动能量回收能力。容错能力强。开关磁阻电机的容错能力体现在当某一相绕组损坏时，开关磁阻电机可以继续运行。3．开关磁阻电机的性能特点3.1.3开关磁阻电机开关磁阻电机主要有以下缺点：由于开关磁阻电机磁极端部的严重磁饱和以及磁极与沟槽的边缘效应，使得开关磁阻电机的设计和控制要做得非常精细。噪声较大。课堂小结任务3.2

认识电机控制系统任务引入

“易四方”作为目前国内首个量产的四电机驱动技术，能够凭借四电机独立矢量控制技术，对车辆的四个驱动轮实现精准的动态控制。

目前，多数传统燃油汽车的四驱系统只能依靠监测驱动轮间转速差来感知车轮是否打滑，从而控制分动箱将更多的动力输送到有附着力的驱动轮，实现车辆脱困和限滑。而电控系统逻辑的不同，也决定着监测打滑的效率和反应时间的不同。而“易四方”只需通过布置在四个驱动轮上的轮速传感器和其他传感装置，即可对驱动轮的转速、滚动阻力或轮胎气压值等参数进行毫秒级的运算，通过中央控制器对运算结果进行分析、处理后，独立“指挥”单个车轮，从而更好地控制车身姿态，实现车辆的脱困和限滑。

本任务要求：学生从电机控制系统的基本功能、控制策略、基本结构等方面认识电机控制系统。任务引入表4知识与技能要求任务内容认识电机控制系统学习程度识记理解应用学习任务电机控制系统的基本功能●电机控制系统的控制策略●电机控制系统的基本结构●实训任务分析电机控制系统的功能●分析电机控制系统的控制策略自我勉励任务工单——分析电机控制系统的功能及控制策略1．任务描述

学生以3～5人为一组，选出组长并进行任务分工。各小组根据实际情况，收集、整理相关技术资料，分析电机控制系统的功能及控制策略。序号名称内容描述单位数量备注2．工具和器材准备

各小组查阅资料，熟悉电机控制系统的结构特点和技术参数，并进行工作规划，将实训所需的各项数据资料填入表5中。表5任务工单3．制订方案（1）各小组针对工作规划展开讨论，制订实施方案。（2）指导教师对各小组的实施方案给出评价。（3）各小组根据指导教师的评价对实施方案进行调整。（4）调整合格后的实施方案即最终实施方案。4．工作实施

各小组按照最终实施方案，系统地分析电机控制系统的功能及控制策略，并将实施内容及完成情况填入表6中。班级组号日期姓名学号指导教师实施内容完成情况任务总结表6相关知识3.2.1电机控制系统的基本功能3.2.2电机控制系统的控制策略3.2.3MCU的基本结构3.2.1电机控制系统的基本功能电机控制系统是驱动电机系统的控制单元，其核心部件为MCU，如图所示

电机控制系统一般具有总线通信、功率调节、能量回馈、高压互锁、过电流保护、过载保护、欠电压保护、过电压保护、缺相保护、故障上报等功能，具体表现在以下几个方面。采集挡位信号以及加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器的信号。通过CAN总线与VCU、数字仪表板、BMS通信，实现数据交换、指令接收等。控制驱动电机的启动、运行、加减速等。调节驱动电机的功率，同时对驱动电机进行各种电气保护。控制制动能量回收系统。控制防溜车系统。防止驱动电机出现“飞车”现象，防止功率模块受损。检测和处理系统内部故障。3.2.2电机控制系统的控制策略

在纯电动汽车行驶过程中，驾驶员根据实际行驶工况的需要，通过操作加速踏板、制动踏板、减速器操纵杆来控制车速。在不考虑换挡的情况下，加速踏板、制动踏板的位置信号就代表了驾驶员的指令，VCU通过这些信号判断驾驶员的驾驶意图，将其转换成各种控制信号并发送至电机控制系统。电机控制系统从VCU获得整车的动力需求，从动力蓄电池获得电能，经过自身逆变器的调制，输出驱动电机需要的电流和电压，使驱动电机的转速和转矩满足整车的要求。纯电动汽车实际上是通过驾驶员、动力蓄电池系统、整车控制系统、电机控制系统、驱动电机等实现对车速的闭环控制的。电机控制系统的控制策略如图所示。3.2.2电机控制系统的控制策略开环控制电流闭环控制车速闭环控制车速-电流双闭环控制电机控制系统的控制策略利用加速踏板位置信号，通过MCU输入PWM占空比信号线路简单、成本低电机控制系统没有自调节能力，驱动电机系统的抗干扰能力差，车辆的起步、加速和动力等性能不高利用加速踏板位置信号控制驱动电机的电枢电流，从而控制驱动电机的转矩响应时间短、控制准确，且具有自调节能力容易出现过电流现象，这可能导致驱动电机或MCU损坏直接根据速度偏差计算驱动电机所需的电压在整个控制过程中不能精确地控制驱动电机的转矩具有良好的动态性能，可将加速踏板位置信号与驾驶员期望车速直接关联，使车辆的起步、加速等动力性能表现较好3.2.2电机控制系统的控制策略

动力蓄电池系统中采用了再生制动器，它通过驱动电机的发电功能将车辆制动减速时多余的动能转换成电能储存至动力蓄电池中，以增大车辆的续驶里程。电机控制系统在制动时与制动器同时控制再生制动器，从而将原来在制动过程中作为摩擦热散失的动能回收为车辆行驶所需的电能。车辆在利用驱动车轮的旋转带动驱动电机发电的同时，还可利用发电时的电磁阻