《新能源汽车驱动电机及控制技术》课件-认知北汽EV160电机与控制器系统

1/16项目6：认知北汽EV160电机及控制器系统[]电动汽车电机控制器项目2&62/16电动汽车电机控制器概述“三电”是新能源汽车的核心。在电控领域，我们的发展一直处于比较初级的阶段。电控效率的提升，能显著提升电动汽车的整车经济性。广义上讲，电控有整车控制器、电机控制器和电池管理系统。电机控制器是连接电机与电池的神经中枢，用来调校整车各项性能，足够智能的电控不仅能保障车辆的基本安全及精准操控，还能让电池和电机发挥出足够的实力。GB/T 18488.1-2001《电动汽车用电机及其控制器技术条件》对电机控制器的定义：电机控制器就是控制主牵引电源与电机之间能量传输的装置。由外界控制信号接口电路、电机控制电路和驱动电路组成。见下组成示意图：虚线框内即为“电机控制器”。项目2&63/16电动汽车电机控制器结构红色部分是“驱动管”（MOS管），控制电流的输出，相当于电动汽车的高压系统；蓝色部分的电容器用于逆变电路中，控制板控制驱动管输出电流进而控制电机转速、旋向、实现动能回收发电等。实际的汽车电机控制器输出功率很大，单个MOS管的驱动能力有限，因此驱动管采用大功率电子管开关器件。电子管开关器件可分为：不可控器件（二极管、三极管）半控型器件（晶闸管）和全控型器件（IGBT）。电动汽车一般采用“IGBT”组件（大功率开关器件，可理解成大功率MOS管，后续还要讲述）。项目2&64/16控制板接收驾驶员的控制指令。输入信号来自控制器传感器系统，输出作为IGBT的输入信号。项目2&65/16电机控制器的工作原理由前述控制器结构示意图可知，电机控制器由逆变器和控制器两大部分组成。动力单元的提供者---动力电池所提供的是直流电，而驱动电机所需要的是三相交流电，因此电控单元首先要实现的即是“逆变”，即将动力电池端的直流电转换成电机输入侧的交流电。为实现逆变过程，电控单元需要直流母线电容、IGBT等组件来配合一起工作。当电流从动力电池端输出之后，首先经过直流母线电容以消除谐波分量，之后通过IGBT的开关及其他控制单元的配合，直流电逆变成交流电，成为电机的交流的输入电流，通过控制动力电机的三相交流输入电流的频率及配合动力电机上的转速传感器和温度传感器的反馈值，电控单元最终实现对电机的控制。项目2&66/16电机控制器的类型1、直流电机驱动系统   电机控制器一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式，控制技术简单、成熟、成本低，但效率低、体积大等缺点。2、交流感应电机驱动系统   电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频调速方式实现电机调速，采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应。3、交流永磁电机驱动系统

包括正弦波永磁同步电机驱动系统和梯形波无刷直流电机驱动系统。前者采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频调速方式实现对电机转速的控制，后者常采用“弱磁”调速方式实现电机调速，由于前者低速转矩脉动小且高速恒功率区调速更稳定，因此有更好的应用前景。4、开关磁阻电机驱动系统一般采用模糊滑模控制方法。现在的纯电动汽车多采用永磁同步电机，采用稀土永磁体励磁，因此不需要励磁回路，具有效率高、功率密度大、控制精度高、转矩脉动小等特点。项目2&6不同种类驱动电机主要性能比较项目2&68/16电机控制器的主要参数及工作条件一、主要参数：额定功率，峰值功率，额定转速，最高转速，额定转矩，峰值转矩，电机及控制器整体效率二、工作条件1.高压电源输入正常（绝缘性能大于200MΩ）；2.低压12V供电电源正常（9--16V）；3.与整车控制器通信正常；4.电容发电正常；5.旋转变压器信号正常；6.三相交流输出正常；7.电机及电机控制器温度正常；8.开盖保持开关信号正常。项目2&69/16三菱产IGBT项目2&610/16IGBT概述IGBT其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(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;封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上;IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块;随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见;项目2&611/16IGBT结构组成右图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极(即发射极E)。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。项目2&612/16IGBT使用注意事项由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20~30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点:在使用模块时，要防静电，尽量不要用手触摸驱动端子部分，在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块;尽量在底板良好接地的情况下操作。在应用中有栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度，减小接触电阻。可在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。对散热风扇应定期进行检查，以防IGBT模块发热，而发生故障。一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合，IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差，一旦出现意外就会使它损坏。为此，必须对IGBT进行相关保护。一般从过流、过压、过热三方面进行IGBT保护电路设计。项目2&613/16汽车传感器项目2&614/16汽车传感器概述传感器是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车传感器对温度、压力、位置、转速、加速度和振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。衡量现代高级轿车控制系统水平的关键就在于其传感器的数量和水平。一辆普通家用轿车上大约安装几十只传感器，豪华轿车上的传感器数量可多达200余只。车用传感器大致分为三类：动力系统、安全管理系统和车身舒适系统传感器。其中动力系统传感器市场所占比例最大。传感器作为电动汽车电子控制系统的信息源，是电动汽车电子控制系统的关键部件，也是电动汽车电子技术领域研究的核心内容之一。电动汽车传感器与传统汽车传感器一样，都是由敏感元件、转换元件和测量电路组成，都是将各测量量转换成便于观察和控制的电量。未来汽车传感器将呈现“三化”趋势：微型集成化、多功能化、智能化。项目2&615/16热敏电阻的结构常用的半导体材料：铁、镍、锰、钴、钼、钛、镁、铜等的氧化物或其它化合物。根据产品性能不同，进行不同的配比烧结而成

热敏电阻的结构可以分为，柱状、片状、珠状、薄膜状等形式项目2&616/16热阻效应—热电阻和热敏电阻工作原理物体的电阻随温度变化而变化这一物理现象，称为“热阻效应”。热电阻即是利用电阻与温度成一定函数关系的这一特性测量温度的。当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小可得出温度变化的情况和大小。热电阻根据导体类型不同分为金属热电阻和半导体热电阻（热敏电阻）两种类型。热电阻传感器广泛用来测量-200～+500℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至-272℃，高温可测量至1000℃。汽车用温度当然不需要这么宽的测量范围，所以常用热敏电阻：①灵敏度高，电阻温度系数大，约为金属热电阻的10倍。因此可大大降低对仪器、仪表的要求。②结构简单，可根据不同要求，制成各种形状。③电阻率高，同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电阻。所以连接导线电阻的影响极小，适用于远距离测量。④体积小、热惯性小，可测点温、适用于动态测量。⑤化学稳定性好，机械性能强，价格低廉，制造简单、易于维护、使用寿命长。⑥常用于低温测量（-100～300℃）热敏电阻按照温度系数可分为负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度热敏电阻（CTR）三类。项目2&617/16热敏电阻的应用（1）温度补偿

将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联。（2）温度控制

用继电器的绕阻代替不随温度变化的电阻。当温度升高到一定值时，继电器动作，继电器的动作反应温度的大小，所以热敏电阻可用作温度控制。（3）过热保护

热敏电阻与被保护件紧密结合充分热交换，一旦过热，则起保护作用。项目2&618/16速度传感器速度传感器是电动汽车较为重要的传感器，也是应用较多的传感器。就其定义而言，速度传感器主要是用来测量速度的传感器，分为转速传感器、车速传感器、车轮转速传感器等。转速传感器主要用于电动汽车电动机旋转速度的检测。目前，常用的转速传感器有三种，分别为电磁感应式转速传感器、光电感应式转速传感器、霍尔效应式转速传感器，均采用非接触式测量原理，以增强检测的安全性、提高检测精度。车速传感器用来测量电动汽车行驶速度。车速传感器信号主要用于仪表板的车速表显示及发动机怠速、电动汽车加速其间的控制等。目前我国绝大部分电动汽车上的速度表都是以汽车轮胎的选择转速变换成汽车速度进行测速的。这在汽车制动、打滑的情况下，以及轮胎因新旧、摩擦、路面、胎压高低等造成其外圆周长的变化都会造成误差过大，甚至无法工作。目前车速传感器主要有电磁感应式、光电式、可变磁阻式和霍尔式。电动汽车上普遍采用电磁感应式和霍尔式速度传感器。项目2&619/16霍尔传感器霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器是一种磁电感应式传感器。磁电感应式传感器有时又简称为磁电传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。项目2&620/16霍尔效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差UH，这种现象称为霍尔效应。霍尔电压

RH为霍尔常数

KH称为霍尔片的灵敏度

项目2&621/16霍尔传感器的应用实例——霍尔钳形电流表霍尔电流传感器原理图霍尔钳形电流表霍尔电流传感器铁心线性霍尔IC

EH=KHIB

II项目2&622/16霍尔式转速传感器原理：检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速

几种不同结构的霍尔式转速传感器

项目2&623/16霍尔元件基本结构结构：由霍尔片（N型半导体材料制成的薄片）、引线和壳体组成霍尔片：一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。（a）外形结构示意图；（b）图形符号霍尔元件项目2&624/16旋转变压器旋转变压器（resolver/transformer）安装在驱动电机上，是一种电磁式传感器，又称同步分解器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。在电动汽车上，使用旋转变压器作为测量驱动电机的角位移的元件，并将角位移信号传递给电机控制器。旋转变压器可以看成一种旋转式的小型交流电动机（也可以看成二次侧可以转动的变压器），它也是由定子和转子两部分组成。定子和转子均由高导磁的铁镍软磁合金或硅钢薄板冲压成的槽状芯片叠成。在定子和转子的槽状铁心内分别嵌有绕组，定子绕组为旋转变压器的一次侧，定子绕组通过固定在壳体上的接板直接引出；转子绕组为旋转变压器的二次侧，转子绕组分为有刷和无刷两种引出方式。项目2&625/16旋转变压器的结构项目2&626/16旋转变压器工作原理

式中K——两个绕组的匝数比；E2——转子绕组感应电动势（V）；

W1——定子绕组匝数；W2——转子绕组匝数；

Um——定子绕组外加电压幅值（V）；Us——定子绕组的励磁电压（V）；

θ——两绕组的轴向夹角（°）。项目2&627/16

当定子绕组加上400Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz或5000Hz交流励磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组会产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组的轴线在空间的相对位置。当两者垂直时，转子绕组中的感应电动势为零，如上图a所示。当两者平行时，转子绕组中的感应电动势最大，如上图b所示。当两者成一定角度时，如上图c，转子绕组中的感应电动势为：

式中：（励磁电压）