变频器调速技术与应用 课件 项目7变频器在纯电动汽车上的应用

1.知识目标

（1）掌握纯电动汽车结构原理

（2）掌握纯电动汽车的安全设计

（3）掌握变频器在纯电动汽车上的应用特点

（4）掌握变频器在纯电动汽车上的应用调试2.技能目标（1）能读懂电动汽车电路图（2）能排除电动汽车的简单故障（3.内容导读本项目主要分析纯电动汽车电路结构、纯电动汽车的电压安全设计、车用永磁同步交流电动机原理及变频器在纯电动汽车上的应用项目导航知识准备7.1纯电动汽车电路结构7.1.1燃油汽车和电动汽车比较1.燃油汽车的历史

世界上第1辆燃油汽车诞生于1886年，是由奔驰汽车公司创始人卡尔·本茨发明的。距今已有130多年的历史。燃油汽车经过1百多年的发展，技术已经非常成熟。乘坐舒适，故障率低，续航能力长，加油时间短，经久耐用。但是燃油汽车排出的尾气形成空气污染，由于汽车的主体结构是机械系统，可控性能差。燃油汽车随着在城市的普及，其燃油产生的尾气造成了严重的城市环境污染，不再适合作为城市的交通工具。在城市中淘汰燃油汽车已经是世界共识。2.电动汽车兴起燃油汽车产生的年代正处于第二次工业革命的初期，是第二次工业革命的成果。第二次工业革命是电气化革命，当时电力技术日趋成熟，1888年在美国出现了有轨电车。因为有轨电车是由电网供电，不能脱离轨道运行，限制了电车的发展。后来出现了电动列车以及现在的动车组列车和高铁列车，都是轨道电车的延续。值得说明的是现在的动车、高铁以及地铁列车驱动电源都是变频器。3.锂离子可充电电池为电动汽车提供了动力源电动汽车是随着可充电电源的进步而异军突起。电动汽车因为是离线运行，必须要有可移动电源，所以可充电电源解决了电动汽车的根本问题。有了充电移动电源，电动汽车的优点就体现出来，首先没有空气污染，在人口稠密的市区是最好的交通工具。电动汽车的动力是电能，电能的可控性是最好的。电能的整流逆变、升压降压以及汽车的升速降速，都可以控制在最佳状态。特别是现在进入智能时代，汽车引进智能控制，要比燃油汽车的机械控制更加方便。电动汽车是新生事物，除了燃油汽车的外壳和车轮可供参考，其它的动力部分都是自成体系。电动汽车有电动汽车的优点，但也出现了新的问题，需要逐步完善。如高压供电的安全问题、电池充电时间长的问题、充电电池在低温下工作效率低以及充电电池寿命短成本高等问题，这些问题都属于发展中的问题，随着技术的成熟，都可以逐渐得到解决。就像当年的汽车取代蒸汽汽车一样。7.1.2纯电动汽车控制分析1.纯电动汽车控制框图图7-1是纯电动汽车控制框图，其控制核心是计算机。纯电动汽车是智能控制，这就占据了汽车控制的制高点。现在进入到第4次工业革命，革命的核心就是深化智能制造，我国的纯电动汽车制造业弯道超车，进入世界纯电动汽车制造强国行列。

图7-1纯电动汽车电气框图（1）计算机主控制板由图中可见，“计算机主控制板”是控制核心（MCU芯片），所有功能部件都由主控板控制。图中的控制线分两类，一类是电源线，标注“××V”即为电源线，电源线的箭头一般为单向，由电源指向被供电功能块。另一类是标注“逻辑控制”、“××通信”的双向箭头线。双向箭头线是由主控板向被控部件发出指令信号、或被控部件向主板汇报工作，是双向通信控制线。通信控制是智能部件具有的功能，即具有双向箭头线的功能块也是智能功能块，内含CPU。（2）操作系统功能块油门、刹车、转向，这是汽车运行核心操作；仪表板和各类灯具是汽车行驶中的重要指示部件和照明。现在都和主控板连在一起。这有两个用途，一是自驾，二是对驾驶进行监控。当出现疲劳驾驶，各个功能部件出现问题，主控板要发出报警信号。因为操作控制系统功能块内含有CPU，控制线为双向箭头。（4）变频器图中的变频器是变频功率模块，又称逆变器，其控制部分合并在主控板中（类似G120分体机），“油门”（调速）、“刹车”（制动）等控制信号加在计算机主控板上，主控板通过通讯控制变频功率模块，调速工作或停机抱闸。（5）BMS电池控制板BMS控制板也是智能管理模块，主要任务是监控“电池包”的电压、电流、温度等物理量。锂离子电池虽然有很多优点，但是也有缺点，温度低电量不足，温度高衰老快。合理控制电池的温度，延长电池使用寿命。（6）空调控制器空调控制器主要是对空调进行逻辑控制。空调在工作中制冷、制热，温度控制都是由空调控制器给出控制信号。空调控制器受主板控制，当感受到车内温度不合适由主板进行设置。空调的压缩机由变频器控制，分档控制空调的温度。7.2纯电动汽车的电压安全设计7.2.1电动汽车的安全要求1.

纯电动汽车电阈安全级別人体能承受的安全电压的高低取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。人体电阻主要由体内电阻、体表电阻、体表电容组成。人体电阻随着条件的不同在很大范围内变化，一般在lkΩ左右。我国民用电网中的安全电压多采用36V，大体相当于人体电流3.6mA。人体允许通过的电流为10mA，因此是安全的。但当身体潮湿，人体电阻降为120Ω，36V电压也不安全。依据国家标准GB/T18384.3—2015《电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护》要求，考虑到空气的湿度和人体在不同工作环境下的电阻，根据不同电压等级可能对人体产生的伤害和危险程度不同，在纯电动汽车中将车辆电压按照类型和数值分为两个安全级别，见表7-1。A级是较为安全的电压等级，在直流电中，最大工作电压应小于或等于60V；在交流电中，最大工作电压应低于30V，该电压下的维护人员不需要采取特殊的防电保护。B级对人体会产生伤害，被认为是高压。在该电压下必须采取必要的防护设备对维护人员进行保护。表7-1电压安全级别2.纯电动汽车高压类型纯电动汽车和混合动力汽车的高压系统均同时具有直流高压和交流高压，属于B类。高压部位如图7-2所示，直流高压主要分布在动力电池到各个驱动部件的位置。如动力电池到驱动逆变器之间连接的是直流高电压；动力电池到高压压缩机之间连接的是直流高电压。交流高压主要分布在变频器与电动机之间，以及充电接口与车载充电器之间。变频器与电动机动之间的交流电压通常在300V左右，而充电接口与车载充电器之间的交流电压即为外部电网的220V的电压。图7-2高电压车辆的高压部位3.高压警示标识为防止意外触及高压系统，纯电动汽车对高压部件均采用特殊的标识或颜色，对维修人员或车主给予警示。新能源汽车通常采用两种形式进行高压的标识警示。一种是警示图标（见图7-3a），一种是警示颜色，将高压导线做成橙色，用于区别其他导线（见图7-3b）。（a）警示图标

（b）橙色警示线7.2.3纯电动汽车高压安全设计纯电动汽车相比于传统内燃机汽车，由于驱动系统存在高电压，其安全系统设计更为复杂。如果车辆在充电及行驶过程中发生碰撞、翻车等事故，可能造成电力驱动系统的短路、漏电、燃烧、爆炸等，由此可能对乘员造成电伤害、化学伤害、燃烧伤害等。1.

纯电动汽车高压存在时间纯电动汽车的高压系统集中在车辆的驱动系统、空调与暖风系统、12V电源系统及带有插电功能的充电系统。根据高压存在的时间进行分类，纯电动汽车高压系统的高压主要有以下3种存在形式，即持续存在、运行期间存在和充电期间存在（见图7-4）。图7-4高压系统存在形式（1）持续存在纯电动汽车的动力电池（图7-5）持续存在高电压，即使当车辆停止运行期间，由于动力电池始终存储有电能，因此当满足动力电池的放电条件后，该部件将继续对外放电。图7-5纯电动汽车动力电池（2）运行期间存在在运行期间存在高压的部件，是指当点火开关处于ON、RUN或其他运行状态时，部件存在高电压。变频器、高压压缩机、PTC加热器及DC-DC变换器部件只有在系统运行时，来自动力电池的高电压才会加载到这些部件上。（3）充电期间存在充电系统部件仅在车辆充电期间存在高电压，这包括来自外部电网的220V交流高压，以及车载充电器与动力电池之间的直流高压，如图7-6所示。图7-6充电期间具有高电压的部件2.高压电路完全绝缘安全设计高压电缆是在运行中存在高压的部件，高压电流在传输中要通过电缆、接头和触点，金属部分不能裸露，要完全密封。（1）电缆为了保证电路安全，电缆与接头是薄弱环节。纯电动汽车电缆属于特种电缆，普通的高压电缆不能胜任。汽车电缆具有高电压、大线径、弯折多、生热量大的特点，故需要具备耐高低温、耐油耐水、阻燃、抗撕裂、绝缘、抗UV（一种抗老化测试方法）老化等性能。常用材料有TPE、TPU、XLPO、NBR+PVC、氯丁橡胶、硅橡胶等。图7-7是电缆结构图。图7-7汽车电缆结构图（2）电缆接头电缆接头是电缆和电动机、变频器的连接端，因为汽车是在室外工作，接头的金属部分不能裸露，要防水防漏电，故采用密封插接式，然后用螺栓固定。图7-8是不同形式的插头插座。图7-9是电缆接头连接图，插头和插座连接后导体被密封。图7-8不同形式的插头插座。图7-9接头插接后导体被密封（3）接触器接触器是运行中存在的高压部件，接触器是触点导电，触点要在密封的环境中工作，要防水防漏电。图7-10是电动汽车电缆接触器的实体安装图，接触器是在整体密封下工作。图7-10汽车电路实体安装图7.2.4纯电动汽车的安全隐患防备1.高压触电安全对于系统中的高压元件，假如由于内部破损或者潮湿，有可能会传递给外壳一个电动势。如果形成两个这样外壳具有不同电势的部件，在两个外壳之间会形成具有危险性的电压。此时，如果手触及到这两个部件，会发生触电的危险。人体没有任何感觉的阈值电流是2mA。这就要求人体触摸到汽车的任何高压部位到“搭铁”之间形成的泄漏电流，最坏情况下不能超过2mA；即在下雨涉水等环境下、或在干燥的环境下人体触摸到汽车的任何部位不应有漏电、静电放电等触电感觉，才认为车辆绝缘合格。2.动力电池安全纯电动汽车的关键部分是动力电池（图7-11），对于动力电池安全性的研究是分析高压电类型纯电动汽车安全性的前提。近年来，锂离子电池在纯电动汽车和混合动力汽车上得到了广泛的应用。所以以锂离子电池为例，来介绍动力电池的安全性。图7-11纯电动汽车电池锂离子电池在正常使用过程中不会出现安全问题，但电池的滥用会导致电池的热效应加剧，这是锂离子电池出现安全问题的导火索，最终表现为电池的“热失控”，从而引起安全事故。导致热失控有以下几种情况。①过充电与过放电；②过电流；③电池过温。现在对电池的控制采用专门的智能“BMS电池控制板”控制，并有专门的风冷系统，能够绝对保证电池的安全工作。3.危险运行工况下的安全纯电动汽车由于存在高电压，因此在行驶中发生事故时，如果没有很好的安全设计，很容易发生安全隐患事故。安全隐患包括有：①高压系统短路；②发生碰撞或翻车；③涉水或遭遇暴雨；④充电时车辆的意外移动这些安全隐患在整车的设计中都做了防护设计。高压线采用防水和防漏电设计，在电缆的外部套上专用防护软管（见图7-10）；电池采用整体防水防振和耐冲击以及防振设计；关于电池充电，具有掉电保护。7.2.5纯电动汽车的安全设计从以上的叙述可以看出，纯电动汽车存在的安全隐患包括高压系统短路、高压系统绝缘故障、高压系统脱落、高压充电风险等。根据这些安全隐患以及实际的工作状况，对纯电动汽车主要从以下几个方面进行设计，如图7-12所示。图7-12纯电动汽车安全设计1.维修安全维修安全主要包含两方面：传统内燃机汽车的维修安全和针对纯电动汽车的特殊维修安全。纯电动汽车的维修安全主要是防止高压触电。因此，维修人员在对高电压类型汽车进行操作之前应当保证不会有触电风险，为此大多数汽车在系统上设计有维修开关（图7-13），当断开维修开关时，动力电池的动力输出立即中断。在操作上应当遵从以下流程：在断开电池的动力输出后，需等待5min才能接触高压部件。图7-13纯电动汽车上的维修开关2.碰撞安全当车辆发生碰撞时，车辆的安全系统应当满足以下要求：碰撞过程中以及碰撞后都要保证相关人员的人身安全。对于纯电动汽车来说，除了传统汽车的相关保护要求之外，还应当满足以下要求：①碰撞过程中避免乘员和行人遭受触电风险，在保证人员安全的情况下尽量保护关键零部件不受损害。②碰撞后保证维护和救援人员没有触电风险。为此，有些车辆设计有如图7-14所示的电路，将“惯性开关”串联到高压接触器的供电回路中，当发生碰撞时惯性开关断开，从而切断高压接触器的供电电源，此时动力电池的高压输出便会被断开，保证了乘员、行人、维护和救援人员的高压安全。“惯性开关”的惯性体可以接受来自任何方向的冲撞力而动作，是一种特殊结构的保护开关。图7-14惯性开关在电路图中的位置3.电气安全（1）防止汽车误起动动力电池与外部高压回路之间设计有高压接触器（图7-15），以保证在驾驶人无行驶意图或充电意图时，车辆除电池内部之外的高压系统是不带高压电的。只有当驾驶人将车辆钥匙打到“Start”档或对动力电池进行充电时，接触器才可能会闭合。图7-15高压接触器设计方式（2）高压系统预充电在高压系统中含有补偿电容，电容在充电前阻抗为0，相当于短路，如果不对充电电流进行限制，会损害电容和电池。预充电回路见图7-16所示，当电路通电前先由“预充电”电阻限流，当电容电压上升到设定值，KM2闭合，预充电电阻短路。图7-16高压预充电回路（3）绝缘电阻检测系统为保证人员免遭触电风险，高压系统应当进行绝缘电阻检测电路的设计。若绝缘电阻值过小，整车控制器应当发送接触器断开指令。（4）短路保护器当高压系统出现短路等危险情况时，为保护乘员和关键零部件，需设计如图7-15所示的短路保护器。如果流过短路保护器的电流大于设定值，则该保护器便熔断保护。图7-15高压接触器设计方式（5）高压互锁回路设计当高压互锁回路断开时（指某一高压部件的低压或高压连接断开），电池管理单元在检测到断开信号之后立即断开相应的高压接触器以切断高压输出。防止乘员或维修人员有可能会接触到高压电从而造成触电伤害。图7-17是高压互锁开关的外形图（开关封装在外壳内），当低压互锁开关断开时，系统将切断高电压。图7-17互锁开关外形图总之，汽车是人们的交通工具，任务是载人出行，安全是第一位的。汽车在设计时任何不安全因素和隐患都必须消除，人们才能放心出行。7.3车用永磁同步交流电动机分析7.3.1电动机选型1.

纯电动汽车对电动机的要求

纯电动汽车的驱动电动机，在功能上要比普通工业电动机具有更高的要求。在满足汽车运行功能的同时，还要体积小、重量轻、坚固耐用等多方面的要求。纯电动汽车的电动机功率在110~160kW之间，表7-2是普通电动机重量与容量对应表。由表中可见，110kW的直流电动机和160kW的交流电动机对应重量为2T，而纯电动汽车的总重量在2T以下（指轿车），由此可见，车用电动机必须要大大降低其体积和重量。表7-2普通电动机重量与容量对应表（1）提高重量/功率比的措施由电动机的机械功率表达式为由式中可见，要想增加电动机的功率，可以提高电动机的转速，这是增加功率的有效方法；由电动机的电功率表达式：P=UI可见，增加电动机的电压或增加电动机的电流，都可以增加电动机的功率。因此，汽车电动机是速度高、工作电压高和工作电流大的特种电动机。

（2）电动机的调速范围宽

汽车起动到高速运行，调速范围很宽。起动时转速低转矩大、高速运行时转矩小转速高，电动机要有几倍的过载能力。（7-1）（3）电动机要有舒适的速度转矩特性

汽车是载人交通工具，应能满足所需的转矩特性，以获得在起动、加速、行驶、减速、制动等各种运行工况下的功率和转矩要求。驱动电机应具有自动调速功能，减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适度，并且能够达到与传统内燃机汽车同样的控制响应。（4）电动机要有高可靠性和使用寿命

汽车在任何运行工况下都应具有高可靠性，以确保车辆的行驶安全。使用寿命长为降低新能源汽车的使用成本，驱动电机的使用寿命应和车辆保持一致，真正实现节能环保的目标。2.电动机选型（1）选择直流电动机在项目1中对直流电动机进行了分析，转矩特性为T=KTΦIa，具有良好的调速性能，

应用在电动汽车上是不错的选择。但是，电动轿车要求电动机体积小，功率密度大，直流电动机是碳刷导电，在小体积的碳刷上通过上百安的电流，碳刷会发红烧毁，寿命没有保证。并且相同功率的直流电动机其体积要比三相交流电动机大，在轿车上应用不适合。（2）选择永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机没有了碳刷导电，转子为永磁磁极，只需在三相绕组上通上三相直流脉冲电流，电动机转子就跟随定子三相直流电流的频率而旋转。其转矩特性优于笼形电动机。但是问题来了，汽车电动机不但要求转矩特性好，还要求体积小功率大。图7-18是永磁无刷直流电动机的定子外形图，由图中可见，定子结构松散，按要求110kW电动机将2T重量压缩为68kg（实际要求重量），结构和

散热都无法解决。即永磁无刷直流电动机也不适合汽车应用。进一步的研究表明，永磁无刷直流电动机适应在300W以下的小功率场合应用。图7-18永磁无刷直流电动机定子（4）三相永磁同步交流电动机三相永磁同步交流电动机（也简称三相永磁同步电动机）的定子结构和三相交流笼型电动机相同，只是转子是由永磁体构成N、S磁极，工作时转子由定子旋转磁场“吸住”同步转动。永磁转子因为没有了感应电流，也就没有了转子“电损”引起的发热，并且提高了电动机效率。三相永磁同步交流电动机保留了三相交流笼型电动机的所有优点，又解决了电动机转子的发热问题，是轿车电动机最佳选择。7.3.2三相永磁同步电动机结构原理1.电动机结构（1）定子结构定子结构与普通交流电动机相同，由铁心和电枢绕组构成，如图7-19所示。电枢铁心一般采用0.35mm厚的低损耗、冷轧无取向硅钢片冲压而成。电枢绕组则普遍采用分布、短距绕组。

定子电枢绕组分为三相，在空间相差120°机械角，当在绕组中通入三相交流电，在定子表面产生旋转磁场。旋转磁场的磁极对数和转子磁极对数相对应，工作时旋转磁场“吸住”转子同步转动。图7-19三相交流电动机定子（2）永磁转子永磁转子主要由永磁体、转子铁心和转轴等构成，如图7-20所示。其中永磁体主要采用钕铁硼稀土材料制造，具有很强的“剩磁”。转子铁心可根据磁极结构的不同，选用实心钢或硅钢片冲制后叠压而成。图中转子是4磁极结构，即有2对磁极，相应的定子绕组也为2对磁极绕组。

图7-20永磁转子2.三相永磁同步电动机转矩特性与控制（1）同步转速与机械特性电动机通上三相交流电，转子由旋转磁场“吸住”同步转动。同步电动机的转速表达式为

（7-1）

式中，f1为电源频率；pn为电动机磁极对数。即转子的转速和电源的频率同步。

在电动机传动中，将转速和转矩之间的关系称为机械特性。永磁同步电动机的机械特性如图7-21所示，即转速和电源的频率成比例，和转矩无关。即当电动机的负载发生变化时，转速不变。具有很硬的机械特性。图7-21三相永磁同步电动机机械特性（2）“θ”功率角分析图7-22是三相永磁同步电动机的转矩分析图。永磁转子在跟踪定子旋转磁场转动时，“定子磁场心线”和“转子磁场心线”之间存在一定的夹角θ，θ称为功率角。在空载时θ比较小，随着负载的增加，θ值加大。由于转子磁极的磁力是一个固定值，当负载转矩超过了转子的磁力，转子会出现失步现象。为了稳定θ角，变频器必须采用闭环矢量控制，采用旋转变压器作为检测部件，检测θ角的位移量，进行θ角的稳定控制。图7-22三相永磁同步电动机转矩分析图3.纯电动机汽车三相永磁同步电动机结构图图7-23是纯电动汽车三相永磁同步电动机剖面图，图中电动机由外壳、端盖、定子、转子和“水冷管”等组成。外壳和端盖是由轻型铝材铸造，通过机加工达到装配精度，是电动机定子铁芯、转子轴的支撑和密封部件。在外壳内铸造出“水冷环”，工作中冷却水在“水冷环”中循环流动，将热量带走。图中的“冷却水管接头”就是“水冷环”接通外部水管的接头。水冷是电动机的重要组成部分，电动机工作时有1~2kW的电损转化为的热量需要散掉，否则电动机会过热损坏。图7-23永磁同步交流电动机剖面图7.4旋转变压器7.4.1旋转变压器在伺服控制中，永磁转子同步电机和旋转磁场同步转动，但转子的磁心线和旋转磁场的磁心线之间的夹角“θ”会随着转矩的变化而变化，使跟踪控制产生误差。需要采用转角检测传感器进行转角检测，通过闭环控制将“θ”角的误差消除。旋转变压器是转角检测器。1.旋转变压器定义

旋转变压器是测量电动机机械转角的位置传感器。旋转变压器的输出电压与转子转角具有一定的函数关系，根据具体的设计方法，可以获得正弦关系、余弦关系或线性关系等函数关系。在控制系统中可以用做检测元件、坐标变换、三角运算等。旋转变压器具有变压器和电动机的双重结构，工作原理是变压器原理。图7-24（a）是固定铁心变压器，分为一次绕组N1和二次绕组N2，通过铁心中磁通Φ传递能量，将一次绕组中的能量传递到二次绕组。图7-24（b）是绕线转子电动机，电动机定子和转子也是通过磁通Φ传递能量，也是变压器原理；但转子是转动的，即“旋转变压器”,旋转绕组的电信号通过滑环引出。旋转变压器就参考了绕线转子电动机的结构。（a）固定变压器

（b）绕线转子电动机2.旋转变压器结构旋转变压器又称同步分解器，是一种电磁式传感器，主要用来测量旋转体的转轴角位移和角速度。是伺服电动机必须配备的转矩检测部件。图7-25是旋转变压器实物图。图（a）是转轴型转子；图（b）是孔型转子；图（c）是转子和定子。（a）轴型

（b）孔型

（c）转子定子

图7-25旋转变压器外形图

图7-26是无刷式旋转变压器，它分为两大部分：即旋转变压器本体和附加变压器。旋转变压器本体就是图中的旋变定子和旋变转子，在旋变定子中通上电流，在旋变转子转动时在绕组中产生感应电动势。

附加变压器就是图中的右边部分，由变压器定子和变压器转子组成。定子和转子线圈均为环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。图7-26旋转变压器剖面图旋转变压器的本体旋变转子绕组与附加变压器的一次线圈连在一起，当转子转动时，在附加变压器二次线圈中产生感应电信号，感应电信号通过输出电缆输出。附加变压器部分主要作用是替代转子信号的输出电刷，称为无刷旋转变压器。图7-26旋转变压器剖面图

图7-27a

切面图

图7-27b

平面图在图10-27（b）所示，工作时在D1—D2中通入10kHz的正弦交流信号，根据法拉第电磁感应原理，励磁绕组电流产生磁通，通过铁心传递，在转子绕组中产生10kHz的感应电流。在转子转动时，转子绕组切割定子磁场，根据法拉第电磁感应原理，在转子绕组中产生感应电流，该电流的频率和转子的转动频率相同。因为转子感应电流的频率低于励磁电流的频率，励磁电流被调制，转子的输出电流为调制波。

图7-27b平面图4.旋转变压器波形分析（1）信号波形图定子励磁信号是10kHz同步信号，波形如图7-28（a）所示。为等幅正弦波；图（b）是输出的正弦波调制信号，其波形的包络线即为被测电动机的转动轨迹线，理论上是正弦波，实际上是随着负载的大小而变化的非正弦波，该波形中就包含着永磁电动机转子“θ”角全部信息。图（c）是调制余弦波，在相位上落后正弦波90°，功能与正弦波相同。图7-28定子信号波形图（2）信号表达式

图7-29（a）中励磁信号数学表示式为u=Umsin（ωt）

（7-2）式中，Um为电压最大值。图7-30（b）中定子正弦信号数学表示式为usin=Usmsin（θ）Umsinωt（7-3）式中，Usm是被检测电动机信号的最大值，θ是正弦波的相位角，图7-31（c）定子余弦信号数学表示式为ucos=Ucmcos（θ）Umsinωt

（7-4）式中Ucm是余弦波的最大值，θ是余弦波的夹角。5.旋转变压器信号处理

式7-3~7-4是旋转变压器的调制波数学表达式。式中是调制波和载波相乘，其成积中包含着转角误差。过去是通过公式变换，通过模拟电路实现信号分离，将θ角分离出来，用于伺服器的位置控制或变频器的速度控制。现在已经有了专用智能芯片，将励磁信号、正弦和余弦信号输入到智能芯片，由智能芯片输出标准的数字信号。图7-32是旋转变压器智能芯片连接图，智能芯片封装在旋转变压器中，输出信号由标准接口引出。图7-32旋转变压器框图6.应用举例（1）旋转变压器应用于风力发电机变浆电机

风力发电机的“桨叶”根据风力的大小进行调整，调整精度要求很高，电动机需配备旋转变压器。（2）旋转变压器在注塑机上的应用

注塑机要求有极快的速度跟踪特性，采用旋转变压器作为转角跟踪，使系统具有“刚性”跟踪特性，很好满足了注塑机的工艺需求。

（3）在新能源汽车上应用汽车是行走设备，工作中会出现颠簸振动，旋转变压器由于结构原理牢固可靠，防震能力远优于旋转编码器，因此被新能源汽车选中。（a）小孔径旋转变压器

（b）大孔径旋转变压器图7-15旋转变压器应用7.5车载变频器分析7.5.1对车载变频器的要求1.安全要求变频器是高压电器，在汽车上应用必须符合特种设备的要求。汽车是行走设备，工作中振动不可避免，电路的连接必须采用防震插头，不防震的传感器不能应用于变频器上，电动机的检测旋转编码器因为是采用光电检测头，故障率高，不能用于汽车电动机的转速检测。2.体积要求汽车空间小，变频器体积大了也装不下。功率为110kW的变频器体积如图7-30（a）所示，体积必须要进行较大的压缩，并且要按照允许的空间进行设计。图（b）是同功率的汽车专用变频器，其形状是按可用空间进行设计，体积比普通变频器小了很多。（a）普通变频器

（b）汽车专用变频器图7-30110kW电动机外形尺寸同款比较7.4.2车载变频器的结构特点1.金属密封外盒（1）外壳密封散热变频器外壳一是密封，二是散热，采用模压铸铝工艺，压铸的外壳尺寸精度很高，定位孔准确，便于和其他结构件连接。外壳还承担着散热功能，变频器的总效率为86%~96%之间，逆变部分的效率在93%~98%之间。车载变频器的逆变电路效率最高，为98%，即110kW变频器损耗为2kW。即车载变频器外壳内要有2kW的热量需要散掉。散热方法采用水冷，在外壳中压铸上“管排”，“管排”中通入循环冷却水，把热量带走。（2）逆变器控制电路图7-31是逆变器驱动电路，图中由VT1~VT6组成三相逆变电路，驱动永磁同步电动机旋转。在永磁同步电动机的后轴上连接“旋转变压器”，检测电动机的转动频率和相位，用于同步反馈信号，构成闭环位置控制。图7-31变频器逆变电路（3）变频器CPU主板和逆变器分离

变频器逆变器部分是和电动机安装在一起，变频器CPU主板和汽车的操作板在一起，即变频器为分体结构，便于操作。7.4.3汽车驱动三合一总成1.电动机参数与减速器（1）比亚迪汽车电动机参数比亚迪110kW同步电动机，转速为0~15000r/min。电动机重量为68kg；最大扭矩为250N·m。高速电动机必须配备齿轮减速器，才能满足车轮的转动要求。（2）电动机减速器实体结构图图7-32是电动机和减速箱一体结构图，由图中可见，汽车电动机和齿轮减速器为一体结构，在转子轴上安装小齿数齿轮，将运动传递到大齿数齿轮；和大齿数齿轮同轴的小齿数齿轮，又和相邻的大齿数齿轮啮合传动，把运动传递到输出轴输出。此齿轮减速器为2级减速器，减速比范围为6.2~11.76之间，不同品牌的车辆有不同的减速比。汽车在运行中通过变频器进行调速，不再用齿轮换挡。图7-32电动机与减速箱总成例1比亚迪汽车减速器减速比为11，电动机最大扭矩为250N·m，起动时输出轴输出转矩为多大？解：T2=λT1=11×250N·m=2750N·m例2电动机转速为0~15000r/min，输出轴的最高转速为多少？解：（3）驱动三合一总成图7-33是变频器、电动机、齿轮减速器三者合一，为驱动总成。作为一个“部件”安装在汽车设置的位置上。图7-34是安置位置图，是安装在汽车的前轮轴上，为前驱形。图7-33驱动部件三合一总成

图7-34驱动总成安装位置任务实施

任务

变频器在纯电动汽车上的应用一、变频器原理与控制1.1电动汽车电源电路图7-35是电源系统原理图，纯电动汽车的供电电能取自三相交流电网，通过充电电路给充电电池充电，电池充满电之后再由电池给变频器供电，驱动电动汽车运行。下面对电路加以分析。图7-35电源系统原理图1.充电电路

图中“充电口”是三相、单相两用充电口。当充电桩为单相交流电，充电电压为220V，充电时有“快充”和“慢充”两种模式，快充时S10~S12继电器闭合，进行快速充电；慢充时S4~S6闭合，由L4~L6限流，进行慢充。在充电时S1~S3继电器断开。

充电时由逆变电路的D1~D6二极管整流，变为直流电，加到C0电容器两端，极性上正下负，S15供电继电器闭合，见图所示。220V单相交流电整流后直流电压为310V，低于充电电池的电压（420V），必须通过“泵升”电路升压。升压时S15供电继电器打开，S16充电继电器闭合。图7-35电源系统原理图2.斩波“升压”电路图7-35中的“斩波电路”即为“升压”电路。图中D0、C1、L0、V7、D7组成斩波“升压”电路。D0为隔离二极管，V7为斩波开关管，L0为储能电感，C1为储能电容。V7开关管在PWM脉冲信号的控制下导通和关断。

V7导通时电流流过V7到GND，此时L0储能；当V7关断，L0磁场能释放，释放电流回路为L0→D0→C1，给C1充电，使C1两端电压升高，当电压大于蓄电池电压（420V），电容给蓄电池充电。当电感放电完毕，D0关断，V7又打开，进行下一个周期充电。3.变频器回馈电能的回收汽车运行时，图7-35中S1、S2、S3闭合，充电回路开关断开。电动汽车在下坡或停机制动时，电动机倒发电，发出的电能回馈到逆变器的直流母线，C0两端电压升高，“斩波电路”起动，将回馈电能给充电电池充电，电能回收。1.2变频器工作原理1.变频器选择电动汽车属于特种设备，变频器均为专用变频器，其结构受到空间限制和温度影响，逆变部分和控制部分分体设计，控制部分和汽车主控板设计在一起，功率逆变部分独立设计，采用CAN通信接口进行控制联系。图7-36是分体设计的逆变器外形图。图7-36变频器逆变器外形图2.电动汽车的要求与变频器接口图7-37是变频器在电动汽车上应用功能信号图。图中箭头指向CPU的是指令信号；箭头由CPU指向功能块的是变频器发出的控制信号。图中的车速（档杆）、油门（调速）、制动（停机）、启动（钥匙锁），这些指令信号是电动车需要的核心控制功能，变频器要将这些指令信号输入到变频器，对电动机进行控制。图7-37电动汽车变频器控制信号图图7-38是变频器CPU主板功能图。电动车的车速、制动和启动等功能连接到图中的S1~S4数字端子；油门信号连接到AI1模拟调速端口。图中的PTB和PTA端口是专用温度保护端口，采用PT100和PT1000铂丝传感器检测温度。图中CAN端口是动力接口总线，是变频器驱动信号端口，驱动逆变模块工作。

图7-38变频器CPU主板功能