《新能源汽车概论（第2版）》课件-04项目四新能源汽车电机驱动系统

项目四新能源汽车电机驱动系统学习任务一

电动汽车电机驱动系统基础目录目录电动汽车电动机驱动系统的组成一电驱动系统电机的布置形式二电驱动系统要求三复习题四学习任务1电动汽车电机驱动系统基础学习目标：✦知道电动汽车电动机驱动系统的组成。✦知道电动驱动系统电机的布置形式。✦了解电动驱动系统要求

素养目标：✦养成关注新能源汽车电驱动技术发展的习惯。✦培养学生分析电驱动系统技术特征的能力。一、电动汽车电动机驱动系统的组成驱动系统的功能是将动力电池包储存的高压直流电逆变成三相可调电压可变频率的交流电给电机供电，即将电能转化成机械能。驱动电机利用电磁线圈产生旋转磁场形成旋转的力矩，使驱动电机产生力矩驱动车辆行驶。并且能够在汽车减速或滑行时，驱动电机实现能量回收。一般地，驱动系统由电气和机械系统组成。电气系统由整车控制器（装有时，吉利、北汽等车型安装有，比亚迪集成在电机控制器内），功率变换器、驱动电动机组成；机械系统由机械传动装置和车轮组成，如图4-1-1所示。学习任务1电动汽车电机驱动系统基础图4-1-1电机驱动系统1.整车控制器（ECU）整车控制单元（ECU）作用是新能源汽车的正常行驶、制动能量回馈、整车发动机及动力电池的能量管理、网络管理、故障诊断及处理、车辆状态监控等，从而保证整车在较好的动力性、较高经济性及可靠性状态下正常稳定的工作，整车控制器性能的优劣直接决定了新能源汽车整车性能的好坏。如图4-1-2所示。学习任务1电动汽车电机驱动系统基础图4-1-2整车控制器（ECU）2.功率控制单元（PCU或MCU）功率控制单元又称电机控制器，主要的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，如图4-1-3所示。学习任务1电动汽车电机驱动系统基础图4-1-3驱动电机控制器DC-DC转换器将动力蓄电池内部的高压直流电通过DC-DC转换器后输出13.8V的低压直流电供低压用电系统使用或在低压蓄电池电量低于12.2V时给蓄电池充电。电机控制器内部的IGBT有DC-AC逆变器，用于高压蓄电池储存的高压直流电逆变成三相可调电压，可变频率的交流电供驱动电机使用。车辆在减速或滑行时，驱动电机的输出的三相交流电通过IGBT整流后给动力电池充电。学习任务1电动汽车电机驱动系统基础3.驱动电机驱动电机就相当于传统汽车上的发动机。驱动电机（如图4-1-4所示）的作用是将三相的交流电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮。目前主流的驱动电机以及集成了驱动电机、电机控制器以及减速器。如：比亚迪的驱动三合一、华为的驱动电机都属于三合一系统，当然比亚迪也有最新的高压八合一驱动系统。学习任务1电动汽车电机驱动系统基础图4-1-4驱动电机学习任务1电动汽车电机驱动系统基础素养教育比亚迪作为新能源汽车的代表性企业，一直坚持自主研发新能源汽车技术，将利润的很大比例都用于研发新能源汽车先进技术，并在2021年率先推出了拥有高压八合一驱动系统的海豚电动汽车。曾有日本媒体专门购入比亚迪电动汽车，以拆解调查的方式分析来自中国的电动汽车技术。拆解后的结论是：比亚迪的“八合一”电驱装得结实、为了提升性能也舍得选用较昂贵的零部件，且电驱系统大部分为比亚迪自产，体现出较强的垂直整合能力。而且电机定子的绕线使用的是扁线，扁线的成本比圆线高，但容易提高占积率（铜线在线圈截面积中的占比），有利于提高电机的效率。像日产汽车的聆风、特斯拉的ModelS、Model3还在使用成本较低的圆线。日本媒体发现在拆解比亚迪海豹的八合一电动驱动桥中，印有供应商名称的单独零部件很少。除了全球市场份额数一数二的电池之外，估计驱动电机、逆变器、其他高压零部件也大多由比亚迪自己开发。中国在新能源汽车的自主研发和创新能力不弱于世界上任何国家。混合动力电动汽车和纯电动汽车至少由一个电机驱动，可以是两轮驱动，也可以是四轮驱动。这里将介绍以下两种电机的布置形式：①用轮毂电机驱动；②用中央电机驱动。1.用轮毂电机驱动车轮直接连接至轮毂电机，如图4-1-5所示。学习任务1电动汽车电机驱动系统基础图4-1-5轮毂电机的布置形式二、电驱动系统电机的布置形式轮毂电机布置形式具有一下特点：学习任务1电动汽车电机驱动系统基础2.用中央电机驱动电机驱动变速箱、驱动轴，进而驱动车轮。对于纯电动汽车，一个减速器就足够了。四轮驱动可以通过万向轴由驱动前桥来实现。也可以使用第二个电机。用中央电机驱动的布置形式如图4-1-6所示。学习任务1电动汽车电机驱动系统基础图4-1-6中央电机的布置形式中央电机布置形式具有一下特点：学习任务1电动汽车电机驱动系统基础电力驱动系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电动汽车对驱动系统的要求很高。一般认为，一般说来，对电动汽车的电驱动系统具有以下特性要求：①瞬时功率大，短时过载能力强，以满足爬坡、急加速的需求。②调速范围宽广。③在运行的全部速度范围和负载范围内具有较高的效率，也就是在电机所有工作范围内综合效率高，以尽量提高电动汽车一次续驶里程。④可靠性高，使用方便简单，价格低廉。⑤功率密度高，体积小，质量小。⑥快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转矩，在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。⑦安全，稳定，防一定冲击，寿命长。学习任务1电动汽车电机驱动系统基础三、电驱动系统要求一、选择题（1）（

）由整车控制器，功率变换器、驱动电动机组成。Ａ、行驶系统Ｂ、电池管理系统Ｃ、电驱动系统Ｄ、转向系统（2）机械系统由机械传动装置和（

）组成。Ａ、车轮Ｂ、悬架Ｃ、换向器Ｄ、差速器（3）（

）是将高压蓄电池中的直流逆变成三相可调电压，可变频率的交流电供驱动电机使用。Ａ、BMSＢ、MCUＣ、ESPＤ、ECU（4）（

）用于实现DC-DC转换和DC-AC转换。Ａ、电池管理系统Ｂ、IGBTＣ、驱动电机Ｄ、整车控制系统（5）驱动电机就相当于传统汽车上的（

）。Ａ、变速器

Ｂ、邮箱C、发动机D、差速器

学习任务1电动汽车电机驱动系统基础复习题二、判断题（1）驱动系统的功能是将储存在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能进而推进汽车行驶，并能够在汽车减速制动或者下坡时，实现再生制动。（

）（2）一般地，电动机驱动系统由电气系统、机械系统和电池管理系统组成。（

）（3）驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮。（

）（4）中央电机布置的特征是需要驱动轴，每个驱动桥上有两根驱动轴；每个驱动桥上有一个差速器。（

）（5）混合动力电动汽车和纯电动汽车至少由两个电机驱动，可以是两轮驱动，也可以是四轮驱动。（

）学习任务1电动汽车电机驱动系统基础学习任务二

电机目录目录电动机的类型一电动机的结构二新能源汽车常用电机类型三电动机的技术指标四目录目录电动汽车对电动机的要求五复习题六学习任务2电机学习目标：知道电动机的类型。知道电动机的结构。理解永磁电动机的工作原理。知道电动机的技术指标。了解电动汽车对电动机的要求。素养目标：养成关注电机技术发展的习惯。培养学生分析电驱动系统技术特点的能力。培养学生分析电驱动系统技术参数的能力。学习任务2电机学习目标：✦知道电动机的结构。✦理解永磁电动机的工作原理。✦知道电动机的技术指标。✦了解电动汽车对电动机的要求。

素养目标：✦养成关注电机技术发展的习惯。✦培养学生分析电驱动系统技术特点的能力。✦培养学生分析电驱动系统技术参数的能力。一、电动机的类型电机（ElectricMachine），是机械能与电能之间转换装置的通称。转换是双向的，大部分应用的是电磁感应原理。由机械能转换成电能的电机，通常称做“发电机”；把电能转换成机械能的电机，被称做“电动机”。电动机的类型如图4-2-1所示。学习任务2电机图4-2-1电动机的类型二、电动机的结构目前中国市场上销售的新能源汽车的的驱动电机主要采用的永磁无刷三相交流电机，它主要由定子、转子和其它附件组成，如图4-2-2所示。有些新能源汽车的主机厂会采用交流异步电机，如：蔚来汽车ES８的前驱电机使用的是交流异步电机。学习任务2电机图4-2-2电机的结构1.定子定子主要是由漆包线圈和铁芯组成，如图4-2-3所示。学习任务2电机图4-2-3定子学习任务2电机素养教育2017年上汽在国内首先使用扁线电机，开启了驱动电机的定子漆包线圈由扁线替代圆线的时代。有机构预测从2020年到2025年，5年时间里，扁线市场规模的年均增速为全球125%，国内131%，到2025年扁线电机的渗透率将达到90%。但是，扁线以及扁线电机对生产工艺要求很高，直到这两年才慢慢成熟，形成产业链。铜陵精达特种电磁线股份有限公司早在2015年就在天津工厂上马新能源汽车扁线项目，并成功量产，拿下了日系车企的扁线订单，打破了外资漆包线厂的垄断地位，成为国内第一家掌握扁线批量生产技术的厂家。目前是特斯拉和路虎的唯一的供应商，国内新势力厂商基本100%覆盖，已经通过通用、福特等美系大厂的认证，也拿到了奔驰宝马的新品研发项目。电动汽车的电压从400V向800V发展是一个趋势，这对电机是一个巨大的挑战，而800V的汽车驱动电机目前只有精达能做到，可见精达的扁线技术，在行业内有一定的领先优势。2.转子转子主要是由若永磁铁和磁体固定盘组成，如图4-2-4所示。学习任务2电机图4-2-4转子3.其他附件电机除了定子和转子外，还有壳体、轴承、旋变传感器、电机温度传感器和冷却液管路等组成。三、新能源汽车常用电机类型1.直流电机由于历史的发展，已经可以通过原电池提供直流电能，这样就诞生了第一台电动机械式能量转换器，即直流电机。首台直流电机制造于1830年。大约自1890年起随着三相交流电的出现同步电机逐渐取代了直流电机的主导地位。直到今天直流电机仍旧作为一种主流电机被广泛使用。在车辆电气系统中作为车窗玻璃刮水器、车窗升降器、鼓风机和伺服电机大量使用了最大功率约为100W的直流电机。学习任务2电机直流电机可以将（直流电流形式的）电能转化为动能。它由一个固定部件——定子和一个转动支撑部件——转子（电枢）组成，如图4-2-5所示。大多数直流电机采用内部转子结构，即转子是内部部件，定子是外部部件。定子由电磁铁组成，在小型直流电机内由永久磁铁构成。学习任务2电机图4-2-5直流电机的工作原理电机工作原理以作用力施加在磁场内的载流导体上为基础。载流导体的磁场和永久磁铁的磁场相互影响，如图4-2-6所示。如果永久磁铁牢固固定且导体以可转动方式支撑，则会在导体上施加一个作用力，如图4-2-6所示。通过作用力的影响转动载流导体。导体上的作用力取决于：①导体内的电流强度；②磁场强度；③导体有效长度（线圈圈数）。学习任务2电机图4-2-6载流导体的磁场和永久磁铁的磁场A-两磁极间的磁场；B-某个载流导体的磁场为了提高作用力的影响，使用带有铁芯的线圈代替载流导体。在图4-2-7中仅显示了一个线圈，以便于更好的进行描述。学习任务2电机图4-2-7载流导体的旋转在线圈上施加电压时，线圈内流动的电流产生一个磁场（线圈磁场）。永久磁铁两极间的磁场和线圈磁场形成一个总磁场。根据线圈内的电流方向产生一个左旋或右旋力矩。线圈继续转动，直至线圈磁场方向与永久磁体两极间磁场方向相同。随后线圈停留在所谓的磁极磁场中性区域内。为了能够继续转动，必须改变线圈内的电流方向。在此通过与线圈起始端和线圈末端连接的电流换向器（集电环）实现电流方向的切换。每旋转180°

集电环切换电流方向一次，从而实现连续转动。学习任务2电机2.交流电机（1）单相交流电机在交流电机上，来自定子线圈的交流电流的极性将自动使转子磁场的极性倒转，如图4-2-8所示。学习任务2电机图4-2-8交流电机1-转子；2-定子；3-定子线圈；4-连接因为省去了换向器和对定子线圈的电流供给，所以省去了直流电机上需要的滑环或碳刷。如果转子刚刚开始旋转，则转速取决于交流电（交流电的电压水平决定了可产生的最大功率）的频率。然而，仅依靠交流电本身还不足以实现图4-2-9中显示的曲线。所谓的起动电机需要初始脉冲（“起动脉冲”），以便启动顺时针或逆时针旋转。学习任务2电机图4-2-9交流电曲线（2）电容式交流电动机要允许交流电机自动起动，必须产生可使转子持续旋转的旋转场。在简单的交流电机上，通常可在由电容器产生的辅助相期间实现这一点，如图4-2-10所示。产生的“第二个”工作电压传送到另一个定子线圈，这样便允许电机自动起动并可确定旋转方向。使用230V主电源的所有电气设备中几乎都采用了“电容式电动机”。此类电机设计简单，但不适合需要高功率级别的应用。学习任务2电机图4-2-10电容式交流电动机1-转子；2-定子线圈；3-用于辅助相的定子线圈；4-定子；5-电容器；6-连接（3）三相交流电动机三相电机是一种电动机械式转换器，可以作为电机或发电机使用。作为电机使用时可以通过三相电流产生旋转电磁场。作为发电机使用时则可以产生三相电流。三相电流是一种带有三个相位的交流电流（电流的主要导体），如图4-2-11所示。三相电流的名称源自其产生方式。学习任务2电机图4-2-11三个交流电压的曲线从图4-2-11可以看出三个相位在时轴上都由对应的时间点，因此可以确定各个位置上的三个交流电压之和为零。为了能够产生旋转磁场，需要三个针对其中心轴旋转120°的线圈。通常这三个线圈被安装在三相交流电机的定子上。通过这三个线圈提供相位差为120°的交流电压，如图4-2-12所示。学习任务2电机图4-2-12三个交流电压的曲线1-定子；2-绕组U；3-绕组V；4-绕组W；5-三相电流的相位线圈以星形电路或三角形电路连接，如图4-2-13所示。根据需要可以选择使用这两种电路。重要的是三个内部有电流流动的绕组相之间的相位差为120°。旋转磁场可以使三相交流电机的结构更为简单。学习任务2电机图4-2-13绕组相的星形和三角形电路A-星形电路；B-三角形电路为了能够产生旋转磁场，需要三个针对其中心轴旋转120°的线圈。通常这三个线圈被安装在三相交流电机的定子上。通过这三个线圈提供相位差为120°的交流电压。线圈以星形电路或三角形电路连接。根据需要可以选择使用这两种电路。重要的是三个内部有电流流动的绕组相之间的相位差为120°。旋转磁场可以使三相交流电机的结构更为简单。在星形电路中U2、V2和W2支路在星形交叉点N处相互连接在一起。每个支路的起始点U1、V1和W1与星形电路的外部导体连接。在三角电路中每个线圈的支路起始点都与另一个线圈的支路相连。原则上将所有线圈依次连接。外部导体L1、L2和L3从连接部位与用电器相连。通过线圈的相互连接在布线时三个相位L1、L2和L3仅需三根导线。第二种类型的三相交流电机与采用了三支路三相电流绕组定子基本相同的结构。只是定子结构稍有不同。可通过定子结构来区分同步和异步电机。学习任务2电机3.同步电机三相同步电机是机电转换器，其作为具有三相电流的电动机或发电机运行或产生三相电流。它们被广泛用作工业中的驱动机器以及高压车辆，船舶和火车。同步电机的转子中的磁场由永磁体（较小的机器）或电磁体（较大的机器）产生，如图4-2-14所示。

在第二种情况下，需要滑动触点，然而，只有相对小的电流流过该滑动触点。

与直流电机相比，同步电机不需要换向器。学习任务2电机图4-2-14同步电机的结构1-绕组U；2-绕组V；3-绕组W；4-轴；5-带有旋转磁场绕组的定子；6-带有永久磁铁的转子；7-永久磁铁同步电机在电动汽车中已广泛使用。因为借助永久磁铁转子不必使用其它外部能量就可以产生磁场。因此这种电机具有非常高的功率密度和效率（>90%）。

永磁同步电机的其它优点包括：

①

惯量较小；②

维修费用低廉；③

转速不受负荷影响。同步电机的缺点是：①

磁铁材料的采购成本较高；②

调节成本较高；③

无法自动运行。学习任务2电机4.异步电机三相电流异步电机可以作为电机或发电机使用。异步电机的特点是不为转子直接提供电流，而是通过与定子旋转磁场的磁场感应产生转子磁场。因为转子使用了定子旋转磁场产生的感应电流，所以通常异步电机也被称为感应式电机，如图4-2-15所示。学习任务2电机图4-2-15异步电机的结构1-风扇；2-轴承；3-壳体；4-转子；5-定子；6-定子线圈；7-轴通过定子绕组的旋转磁场对定子导体回线内的磁流变化产生影响。这样就会和短路导体棒内的电流产生一个感应电压。该电流同样可以产生磁场。楞次定律指出，感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的原因。因此产生的扭矩可以使转子按照定子旋转磁场的方向进行转动。定子和转子旋转磁场之间的相对速度是引起感应的原因。转子的转速不允许达到定子旋转磁场的转速，因为这样会使导体回线内的磁流变化为零，从而无法产生感应电压。定子旋转磁场转速和转子转速之间的差被称为异步转速。异步转速的大小取决于负荷。定子旋转磁场和转子以不同的转速旋转，也就是说没有同步转动，因此这种电机被称为异步电机。异步电机与直流电机相比其优点是结构简单且坚固耐用。这里的主要优点是不再需要集电环和电刷。由于结构简单因此价格便宜且所需维护较少。

从电气角度来看，异步电机就像一个变压器。定子绕组为初级，短路的导体棒为次级。自调节电流取决于转速。学习任务2电机怠速运行时异步电机的替代电路图主要由Rs和Xs构成，因此电机接收的几乎都是无功功率，如图4-2-16所示。只要转子没有转动，变压器的次级侧始终处于短路状态。因此需要提供一个较高的电流和一个较强的磁场。在该起动范围内电机的效率较差并且会产生很高的温度。只要电枢开始转动且已适应周围的旋转磁场，那么电流就会变小且效率也会得到提高。通过供电电子装置和可以提高或降低频率的变频器实现异步电机的转速控制。学习任务2电机图4-2-16异步电机的结构Ue-电源电压；Rs-定子绕组的欧姆电阻；Xs-定子绕组的感应电阻；Xr-转子的感应电阻；Rr-转子的欧姆电阻异步电机的优点：①

使用寿命较长②

因为可以简便的安装和拆除电刷，所以维护费用较低③

制造成本相对较低④

可以自动运行⑤

短时间内可以承受较强的过载⑥

设计坚固异步电机的缺点：①

与永磁同步电机相比，在高扭矩利用率方面的效率较低②

未使用带有起动控制的变频器时起动扭矩较小。学习任务2电机四、电动机的技术指标1.电机型号以比亚迪秦EV的驱动电机为例，电机型号通常由驱动电机类型代号、尺寸规格代号、信号反馈元件代号、冷却方式代号、预留代号五部分组成，如图4-2-17所示。学习任务2电机图4-2-17驱动电机编号解析（1）驱动电机类型代号KC—开关磁阻电机；TF—方波控制型永磁同步电机；TZ—正弦控制型永磁同步电机；YR—异步电机（绕线式）；YS—异步电机（鼠笼式）；ZL—直流电机；其他类型驱动电机的类型代号由制造商参照GB/T4831进行规定。（2）尺寸规格代号一般采用定子铁芯的外径来表示；对于外转子电机，采用外转子铁芯外径来表示。（3）信号反馈元件代号M—光电编码器；X—旋转变压器；H—霍尔元件；无传感器不必标注。（4）冷却方式代号S——水冷方式；Y——油冷方式；F——强迫风冷方式；非强迫冷却方式（自然冷却）不必标注。（5）预留代号用英文大写字母或阿拉伯数字组合，其含义由制造商自行确定。电动机的额定指标是指根据国家标准及电动机的设计、试验数据而确定的额定运行数据，是电动机运行的基本依据。电动机的额定指标主要包括以下各项。学习任务2电机2.额定指标（1）额定功率额定功率是指额定运行情况下轴端输出的机械功率（W或kW）。①满载当电动机在额定运行情况下输出额定功率时，称为满载运行，这时电动机的运行性能、经济性及可靠性等均处于优良状态。②过载输出功率超过额定功率时称为过载运行，这时电动机的负载电流大于额定电流，将会引起电动机过热，从而减少电动机使用寿命，严重时甚至烧毁电动机。③轻载电动机的输出功率小于额定功率时称为轻载运行，轻载时电动机的效率和功率因数等运行性能均较差，因此应尽量避免电动机轻载运行。学习任务2电机（2）额定电压额定电压是指外加于线端的电源线电压（V）。（3）额定电流额定电流是指电动机额定运行（额定电压、额定输出功率）情况下电枢绕组（或定子绕组）的线电流（A）。（4）额定频率额定频率是指电动机额定运行情况下电枢（或定子侧）的频率（Hz）。（5）额定转速额定转速是指电动机额定运行（额定电压、额定频率、额定输出功率）的情况下，电动机转子的转速（r/min）。学习任务2电机电动汽车在行驶过程中，经常频繁地起动/停车、加速/减速等，这就要求电动汽车中的电动机比一般工业用的电动机性能更高，基本要求如下。①电动机的运行特性要满足电动汽车的要求，在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足电动汽车起动和爬坡的高求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足电动汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。②电动机应具有瞬时功率大、带负载起动性能好、过载能力强、加速性能能好，使用寿命长的特点。③电动机应在整个运行范围内，具有很离的效率，以提高一次充电的续驶里程。④电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，使得电动汽车具有最佳的能量利用率。⑤电动机应可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作。⑥电动机应体积小、质量轻，一般为工业用电动机的1/3-1/2。⑦电动机的结构要简单坚固，适合批量生产，便于使用和维护。⑧价格便宜，从而能够降低电动汽车的整体价格，提高性价比。⑨运行时噪声低，减少污染。学习任务2电机一、选择题（1）电动机按冷却方式分类，可分为（A）种。Ａ、2Ｂ、3Ｃ、4Ｄ、5（2）（C）是机械能与电能之间转换装置的通称。转换是双向的。Ａ、发电机Ｂ、电动机Ｃ、电机Ｄ、发动机（3）不属于汽车电动机的部件的是（

）。Ａ、定子Ｂ、电刷Ｃ、转子Ｄ、电机温度传感器学习任务2电机复习题（4）不属于电动机的特点的是（

）。Ａ、使用寿命长Ｂ、体积大Ｃ、可靠性好Ｄ、效率高（5）下面说法错误的是（

）。Ａ、电动机应可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作

Ｂ、当电动机在额定运行情况下输出额定功率时，称为满载运行，这时电动机的运行性能、经济性及可靠性等均处于优良状态。

C、电动机的类型的分类方法很多。D、混合动力电动汽车和纯电动汽车的全部采用的三相交流异步电机。学习任务2电机二、判断题（1）为了提高作用力的影响，使用带有铁芯的线圈代替载流导体。（

）（2）电动机主要由定子、转子和其它附件组成。（

）（3）电动机的输出功率小于额定功率时称为轻载运行。这时电动机的运行性能、经济性及可靠性等均处于优良状态。因此，尽量让电机在轻载范围内运行。（

）（4）三相同步电机通过这三个线圈提供相位差为120°的交流电压。（

）（5）额定转速是指电动机运行的情况下，电动机转子的转速（r/min）。（

）学习任务2电机学习任务三

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