新能源汽车驱动电机及控制系统检修 课件3.2 电机控制器结构原理认知

新能源汽车驱动电机及控制系统检修MaintenanceofDriveMotorsandControlSystemsforNewEnergyVehicles项目三驱动电机控制系统结构原理与检修学习任务2电机控制器结构原理认知电机控制器的组成及功能01电机控制器主要是由接口电路、控制主板、IGBT模块（驱动）、超级电容、放电电阻、电流感应器、壳体水道等组成，如图所示。1.电机控制器组成电机控制器认知重庆工业职业技术学院车辆工程学院4电机控制器主要是由接口电路、控制主板、IGBT模块（驱动）、超级电容、放电电阻、电流感应器、壳体水道等组成。1.电机控制器组成电机控制器认知重庆工业职业技术学院车辆工程学院5电机控制器总成包含上、中、下三层，上、下层为电机控制单元，中层为水道用以冷却控制单元。总成还包括各信号接插件（包含12V电源、CAN线、档位加速踏板、刹车、旋变、电机温度信号线、预充满信号线等）、2根动力电池正负极接插件、3根电机三相线接插件、2个水套接头及其它周边附件。1.电机控制器组成重庆工业职业技术学院车辆工程学院61.控制电机正反转、发电。2.控制电机的动力输出，保护电机。3.控制模块间通信。4.制动能量回收控制。5.内部故障的检测和处理。6.采集油门、刹车信号。2.电机控制器功能重庆工业职业技术学院车辆工程学院7电机控制器内部电子元器件与电路02重庆工业职业技术学院车辆工程学院9

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。IGBT的定义重庆工业职业技术学院车辆工程学院10

IGBT模块封装流程重庆工业职业技术学院车辆工程学院11

IGBT组成结构IGBT的层状结构包括栅门极G、集电极C和发射极E三个端子。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。重庆工业职业技术学院车辆工程学院12

IGBT工作过程IGBT的栅极上加正偏置并且数值上大于开启电压时。IGBT内的MOSFET漏、源极间感应产生一条N型导电沟道，使MOSFET开通，IGBT导通。IGBT上加反偏置,它内部的MOSFET漏、源极间不能感生导电沟道,IGBT就截止。IGBT的安全可靠决定因素①IGBT栅极与发射极之间的电压；②IGBT集电极与发射极之间的电压；③流过IGBT集电极与发射极的电流；④IGBT的结温。重庆工业职业技术学院车辆工程学院13IGBT驱动电路的设计重庆工业职业技术学院车辆工程学院14①驱动放大——驱动放大是一般驱动电路的基本要求。②电气隔离——包括驱动信号隔离和电源的隔离两种。③保护功能——当IGBT元件发生过流和短路时，能在允许的时间内关断IGBT元件。重庆工业职业技术学院车辆工程学院15

超级电容器(Supercapacitors)，又名电化学电容器，是一种新型的储能装置。它是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，因而不同于传统的化学电源。超级电容器的突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。超级电容与放电电阻在需要电机起动时的时候，电容能够把储存的能量释放出来供给电路使用。并在接通高压电路时给吸收对于的电量，保证电机起动时电压的稳定。断开高压电路时通过电阻给电容放电,放电电阻通常和电容器并联,电源波动时,电容器会随之充放电以吸收电源波动稳定电压。重庆工业职业技术学院车辆工程学院16超级电容与放电电阻超级电容器的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大。超级电容器电池也属于双电层电容器，是一种通过极化电解质来储能的电化学元件，但在储能过程中并不发生化学反应，而且储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容结构与工作原理重庆工业职业技术学院车辆工程学院17超级电容采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子。而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联。超级电容结构与工作原理重庆工业职业技术学院车辆工程学院18由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积，而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm。根据前面的计算公式可以看出，这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使单位重量的电容量可达100F/g。超级电容结构与工作原理重庆工业职业技术学院车辆工程学院19并且电容的内阻还能保持在很低的水平，碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能，且在实际使用时，可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。超级电容结构与工作原理重庆工业职业技术学院车辆工程学院20超级电容特点①充电速度快。②循环使用寿命长。③大电流放电能力超强。④功率密度高。⑤是理想的绿色环保电源；⑥充放电线路简单。⑦超低温特性好。⑧检测方便。重庆工业职业技术学院车辆工程学院21重庆工业职业技术学院车辆工程学院22

放电电阻放电电阻就是用来放电的电阻，放电电阻通常和电容器并联。在电源波动时,电容器会随之充放电.如不并联放电电阻,充放电电流从电容器一端出发经工作回路回到电容器的另一端,严重干扰电路稳定工作.并联放电电阻,充放放电电阻，负载电阻在生产过程中，主题要考虑的是产品的无感性能和散热性能。重庆工业职业技术学院车辆工程学院23

散热性能则是由于放电，吸收功率会导致电阻本身产生大量热量，从而温度迅速升高。所以材质上要保证产品的散热性能良好，外壳上最好采用耐热的材料和金属材质，这样通过散热片等产品，可以让热量迅速流向外界。同时，工艺要求也非常严格。电电流从电阻流过,可避免上述弊端。放电电阻控制主板与接口电路重庆工业职业技术学院车辆工程学院24控制主板主要与整车控制器通讯，三大作用：①监测直流母线的电流，控制IGBT模块工作状态，②监控高压线速的绝缘和工作连接情况并把情况反馈给整车控制器。③分析处理IGBT模块的温度信号、旋变传感器信号适时控制电机工作。

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接口电路是指主电路与控制电路之间的接口所连接的电路。

基本功能是将控制电路发出的开关信号转变为适合IGBT驱动的信号，对IGBT的开关进行控制器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。控制主板与接口电路接触器主要应用于电力牵引机车、轨道交通、光伏发电以及电动汽车、蓄电池的起动、停止和电动叉车、通信电源等领域的电源切换及不间断电源系统。重庆工业职业技术学院车辆工程学院26接触器在电动汽车的电池系统和逆变器之间配置直流接触器。当系统停止运行后起隔离作用，系统运行时起连接作用，当车辆关闭或发生故障时，起到分断电路的作用。重庆工业职业技术学院车辆工程学院27接触器安全可靠性是衡量电动汽车直流接触器的第一也是最关键的要素，主要体现在灭弧能力、绝缘电压等方面。重庆工业职业技术学院车辆工程学院28接触器组成：电磁线圈接触点连接端子回位弹簧外壳重庆工业职业技术学院车辆工程学院29接触器

DC-DC是电池包高压直流与低压直流相互转换的装置，负责将动力电池的高压电转换成低压电源；其在主接触器吸合时工作，输出的低压电源供给整车用电器工作，并且可给电池充电。重庆工业职业技术学院车辆工程学院30DC-DC电路图中V为全控型器件，选用IGBT;D为续流二极管。由图中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。重庆工业职业技术学院车辆工程学院31DC-DC电路（降压斩波电路）

ECU控制绝缘栅双极晶体管(IGBT)的导通和截止，把高压电池包的直流电逆变成高压、高频交流电，然后通过变压器把这高压、高频交流电转变为低压、高频的交流电，最后通过二极管整流滤波变成14V直流电。重庆工业职业技术学院车辆工程学院32DC/AC/DC电路转换电路导通1：当ECU控制IGBT2和IGBT3导通时，高压电池包电流从正极流经1GBT2变压器初级绕组上端，向下流过初级绕组，经IGBT3到高压电池包负极。重庆工业职业技术学院车辆工程学院33DC/AC/DC电路转换电路导通2：当ECU控制IGBT1和IGBT4导通时，高压电池包从正极流经IGBT1变压器初级绕组上端，向下流过初级绕组，经IGBT4到高压电池包负极。重庆工业职业技术学院车辆工程学院34DC/AC/DC电路转换变压：两次不同方向的导通，在变压器初级绕组中产生不同方向的交变磁场，在变压器次级绕组感应出14V交流电。整流：14V交流电经全波整流器进行整流，再经滤波器电路过滤，形成个趋于平稳的直流波形输出。重庆工业职业技术学院车辆工程学院35DC/AC/DC电路转换重庆工业职业技术学院车辆工程学院36（一）逆变DC-AC电路DC/AC转换电路的主要功能是将频率、幅值不变的直流电源转换为频率、幅值可变的交流电。变频器的全称是变频变压调速器，是逆变电路的一种典型应用。定义变频器（Variable-frequencyDrive,VFD）是一种电力传动控制设备，利用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的转速。工作原理变频器内部通过整流器将交流电转换为直流电，再通过逆变器将直流电逆变为可调频率和电压的交流电，供给电机使用。保护功能变频器还具备多种保护功能，如过流、过压、过载保护等，确保电机在安全、稳定的条件下运行。作用变频器通过调节电机的转速和扭矩，实现节能降耗、提高生产效率和设备稳定性。它可以将交流电源转换成需要的频率和电压，满足不同工况下的运行需求。变频器定义及作用重庆工业职业技术学院车辆工程学院37电机控制变频器在新能源汽车中主要应用于电机控制，实现电机的快速启停、能量回收等功能，提高车辆的行驶性能和能效。智能化控制随着新能源汽车技术的不断发展，变频器将不断智能化，加强与车载计算机和传感器的连接，实现车辆性能的精准调配和优化控制。充电器控制变频器还可以应用于新能源汽车充电器控制中，通过调整充电器的输出电压和电流，实现对电池充电的精准控制，延长电池使用寿命。节能减排变频器在新能源汽车中的应用有助于实现节能减排目标，降低车辆运行过程中的能耗和排放。新能源汽车中变频器应用重庆工业职业技术学院车辆工程学院38重庆工业职业技术学院车辆工程学院39（二）逆变电路的原理/tv/show/1034:5089777595383867逆变器的工作原理/video/BV1v6P4eNEVj/?vd_source=f4c6ad1a26be8fee4b14fcebd751ad73逆变器的工作原理揭秘-SabinCivilEngineeringDC-AC电路重庆工业职业技术学院车辆工程学院403.三相桥式整流电路三相桥式整流电路工作时，共阴极的三个二极管中，阳极交流电压最高的那个二极管优先导通，而另外两个二极管因承受反压处于关断状态；同理，共阳极的三个二极管中，阴极交流电压最低的那个二极管优先导通，而另外两个二极管因承受反压处于关断状态。即在电路工作过程中，共阴极组和共阳极组中各有一个二极管处于导通状态/v?pd=wisenatural&vid=14562670691348259681动画详解：三相桥式整流电路的工作原理当电子控制器控制电路中的IGBT2和IGBT4导通时，动力电池电流从电池正极流经IGBT2到电机，从电机的V相绕组流进，U相绕组流出，再通过IGBT4回到动力电池负极，形成回路。电机中V相和U相通电后产生磁场，电机随之运转。DC/AC电路控制过程重庆工业职业技术学院车辆工程学院41当电子控制器控制电路中的IGBT3和IGBT5导通时，动力电池电流从电池正极流经IGBT3到电机，从电机的W相绕组流进，V相绕组流出，再通过IGBT5回到动力电池负极，形成回路。电机中W相和V相通电后产生磁场。DC/AC电路控制过程重庆工业职业技术学院车辆工程学院42当电子控制器控制电路中的IGBT1和IGBT6导通时，动力电池电流从电池正极流经IGBT1到电机，从电机的U相绕组流进，W相绕组流出，再通过IGBT6回到动力电池负极，形成回路。而电机中U相和W相通电后产生磁场。DC/AC电路控制过程重庆工业职业技术学院车辆工程学院43电动汽车的再生制动也就是我们常听到的制动能量回收，是一种在利用车辆制动时，让旋转的车轮带动电动机旋转，使发电机处在发电状态，并将产生的电能储存到动力电池组中，从而延长电动汽车的续航里程。再生电路原理重庆工业职业技术学院车辆工程学院44①紧急制动紧急制动对应于制动加速度大于2m/s的过程。为保持车辆的制动安全，要尽可能地使用传统液压制动，而电机则较少参与或者不参与制动。②正常制动车辆在正常工况下的制动过程，一般有减速过程和停止过程。电机制动负责减速过程，停止过程由液压制动完成。两种制动转化点由电机发电特性确定。③长时间下坡时的减速制动车辆行驶在类似盘山公路的长坡时。对制动力要求不是很大，可以完全由电机制动提供。其充电特点表现为电流小但充电时间长。电动汽车制动大致分为三种模式重庆工业职业技术学院车辆工程学院45能量回收与制动之间必须遵循以下关系：①能量回收制动不应该干预ABS的工作。②当ABS进行制动力调节时，制动能量回收不应该工作。③当ABS报警时，制动能量回收不应该工作。④当电驱动系统具有故障时，制动能量回收不应该工作。电动汽车制动大致分为三种模式重庆工业职业技术学院车辆工程学院46当车辆进入再生制动阶段，驱动电动机工作在发电状态，六个IGBT全部处于关闭状态，整流二极管组成整流电路，电动机的三相绕组在制动过程中产生的三相交流电通过三相桥式整流电路变为直流电。重庆工业职业技术学院车辆工程学院47再生电路当制动踏板力较小时，只有再生制动力矩施加在驱动轮上。当制动踏板力超过一定值时，最大再生制动力矩全部加在驱动轮上，同时液压制动力矩也作用在驱动轮上以得到足够大的制动力矩。重庆工业职业技术学院车辆工程学院48再生电路当电机U相位正极回收的电能经过VD1回到高压电池包正极；高压电池包负极出来的电流经VD6回到电机相位负极。重庆工业职业技术学院车辆工程学院49再生电路当电机V相位正极回收的电能经过VD2回到高压电池包正极;高压电池包负极出来的电流经过VD4回到电机U相位负极。重庆工业职业技术学院车辆工程学院50再生电路当电机W相位正极回收的电能经过VD3回到高压电池位正极，高压电池包负极出来的电流经过VD5回到电机V相位负极。重庆工业职业技术学院车辆工程学院51再生电路典型电机控制器介绍032018款比亚迪e5高压电控总成：电机控制器、高压配电箱、DC/DC变换器、车载充电机的集成编号部件编号部件1DC直流输出接插件233pin低压信号接插件3高压输出空调压缩机接插件4高压输出PTC接插件5动力电池正极母线6动力电池负极母线764pin低压信号接插件8入水管9交流输入L2，L3相10交流输入L1，N相11驱动电机三相输出接插件12直流输入插接件重庆工业职业技术学院车辆工程学院53重庆工业职业技术学院车辆工程学院541.高压电控总成外部接口重庆工业职业技术学院车辆工程学院551.高压电控总成外部接口重庆工业职业技术学院车辆工程学院561.高压电控总成外部接口重庆工业职业技术学院车辆工程学院57表3-2-1比亚迪e5高压电控总成端口功能1.高压电控总成外部接口重庆工业职业技术学院车辆工程学院58特点将电机控制器、车载充电机、DC-DC和高压控制盒集成在一起，缩小了体积和重量，安装工艺简单，线束减少。

IGBT板、车载充电机、DC-DC都实现了水冷方式，温度控制得到有效解决而提高电子器件工作的稳定性。2.高压电控总成内部结构重庆工业职业技术学院车辆工程学院59比亚迪E5的高压电控总成内部集成两电平双向交流逆变式电机控制器模块、车载充电器模块、DC-DC、变换器模块、高压配电模块和漏电传感器;高压电控总成下端主要安装了车载充电设备，高压电控总成中间是冷却水套。2.高压电控总成内部结构重庆工业职业技术学院车辆工程学院60比亚迪E5的高压电控总成内部集成双向交流逆变式电机控制器模块、车载充电器模块、DC-DC变换器模块、高压配电模块和漏电传感器;高压电控总成下端主要安装了车载充电设备，高压电控总成中间是冷却水套。2.高压电控总成内部结构重庆工业职业技术学院车辆工程学院61车载充电器控制模块的功用是直流和交流充电控制，将电动机制动回收的电能和插电充电的电能存储到动力电池中。3.车载充电模块重庆工业职业技术学院车辆工程学院62高压配电模块的功用是高压配电箱是整车高压电配电装置，实现电源分配、接通、断开。4.高压配电模块重庆工业职业技术学院车辆工程学院63双向交流逆变式电机控制器模块，功用是接收电池输送过来的直流电电能，逆变成三相交流电给汽车电机提供电源。电机控制器模块重庆工业职业技术学院车辆工程学院64DC-DC变换器模块的功用是DC-DC转换器将电池组633.6V直流电转换成9-14V直流电，提供给低压辅助电池。DC-DC变换器模块重庆工业职业技术学院车辆工程学院65电流传感器，主要检测高压电控总成是否漏电，及时断开动力电池的连接以免发生触电事故。电流传感器重庆工业职业技术学院车辆工程学院661、电机控制功能电机控制器模块作为整个电控系统的控制中心，主要用于管理和控制驱动电机的运转速度、方向以及将驱动电机作为逆变器发电。主要功能有：①控制电机正向驱动、反向驱动、正转发电、反转发电。②控制电机的动力输出，同时对电机进行保护。③通过CAN与其他控制模块通信，接收并发送相关的信号，间接地控制车上相关系统正常运行。④制动能量回馈控制。⑤自身内部故障的检测和处理。高压电控总成的主要控制功能重庆工业职业技术学院车辆工程学院67电机控制器由逆变器和控制器两部分组成，逆变器接收电池组输送过来的直流电电能，逆变成三相交流电给汽车电机提供电源。同时控制器接受电机转速等信号反馈到仪表，当发生制动或者加速行使时，控制器控制变频器频率的升降，从而达到加速或者减速的目的。1、电机控制功能重庆工业职业技术学院车辆工程学院68电动汽车的电源分为主电源和辅助电源。主电源为驱动汽车行驶的高压电源；辅助电源（比亚迪E5为磷酸铁锂电池）是为车载各种仪表、控制系统供电的直流低压电源。电动汽车电源模块是整个系统稳定运行的保障。电源的可靠性对于整个系统的性能起着至关重要的作用。电动汽车设计和选择电源时要考虑配电方案、布局、搭铁回路等，以实现对负载良好的供电，达到高电压调整精度、低噪声，同时避免系统中电路之间的干扰、振荡以及过热等问题的出现。2、DC/DC转换功能重庆工业职业技术学院车辆工程学院