《纯电动汽车构造与检修》课件 第6章驱动电机及控制系统

NEWENERGY新能源汽车驱动电机及控制系统驱动电机·电机控制器·冷却系统·故障诊断2026年课程导览01系统总览驱动电机及控制系统的整体架构与工作原理02电机类型五类驱动电机的原理、结构与性能特点03控制系统电机控制器、传感器与功率变换器04故障实战典型故障案例的现象、原因与排除流程05价值升华课程思政与产业报国情怀CHAPTER系统总览电能到机械能的核心枢纽从整体架构出发，理解驱动电机及控制系统如何协同工作01五重功用与三大组成五大功用驱动行驶电能→机械能，提供进退驱动力动力控制按踏板开度精确调控功率与扭矩，实现加减速及匀速能量回收制动/减速时将动能转化为电能回存电池，提升续航故障保护实时监测，遇过温/过压/欠压/过流及时降功率或停机通信协同通过CAN总线与电池管理、整车控制等模块联动三大组成驱动电机定子（三相正弦绕组）+转子（永磁钢），配旋变位置传感器、温度传感器电机控制器主控/检测/通信单元+IGBT功率变换器，直流电→交流电转换核心冷却系统散热器、电子风扇、电动水泵、冷却水管，闭式强制水冷，比亚迪专用乙二醇冷却液电能到机械能的转换闭环驱动电机工作原理01电能输入动力电池直流电→高压配电箱→控制器转换为三相交流电02磁场驱动三相交流电输入定子绕组，产生旋转磁场，转子转动→经传动装置驱动车轮03实时调控控制器根据驾驶操作和车辆状态，动态调整电流大小和频率，精准控制转速与扭矩驱动电机控制器工作原理01信号采集MCU接收VCU传来的档位、加速/制动踏板及电机旋变信号02功率变换逻辑处理后生成控制信号，控制IGBT开断，将直流电转换为近似正弦交流电03安全保护实时监测电流、电压、温度等参数，异常时即时触发保护处理驱动电机驱动电机IGBTIGBT：功率变换核心器件结构特点四层半导体：P-N-P-N结构，含漂移区、缓冲区、注入区三端器件：栅极G、集电极C、发射极E复合结构：兼高输入阻抗、高开关频率、大导通电流工作原理与性能导通：栅极-发射极正向电压→MOSFET导通→PNP晶体管导通，电流C→E关断：栅极电压为零或反向→切断基极电流，阻断流通性能优势：高输入阻抗、低导通压降、高开关速度、高耐压能力应用场景电动汽车驱动/充电系统变频家电工业自动化新能源发电逆变器发展历程1979—1980年研制成功，1986年真正应用1988—2003年经历6代变革：平面栅型→沟槽栅型→电场截止型性能持续提升、成本持续降低部件布局与线束连接驱动电机与前驱变速器、控制器组装，置于汽车前部高压电控总成位于车辆前舱，集成驱动电机控制器、车载充电机、DC-DC变换器、高压配电模块漏电传感器安装在高压电控总成内部线束接插件0133针/64针插接器高压电控总成后部设

33针、右侧设

64针

低压插接器，连接传感器、控制器与电气设备02高压线束驱动电机与控制器通过

高压线束

连接，传输高压交流电03信号采集温度传感器、旋转变压器等线束接插件分别接入对应传感器与控制器，实现信号采集单双电机驱动对比单电机驱动典型应用小型/经济型纯电汽车，城市通勤轿车、小型SUV结构特点单电机前置或后置，经变速器、传动轴驱动车轮；结构简洁、部件少、成本低性能表现动力输出直接，加速爬坡能力有限，满足城市日常驾驶；制动时再生制动回收能量双电机驱动典型应用中高端纯电轿车和SUV，动力与操控要求高的车型结构特点前后轴各一电机形成电动四驱，重量分布合理；结构复杂、成本较高性能表现起步双电机协同提供强劲动力，高速单电机驱动节能；转弯时扭矩矢量分配提升操控性选型核心：成本敏感选单电机，性能优先选双电机轮毂与轮边电机解析轮毂电机驱动系统应用概念车、特种车辆、矿山纯电动工程车辆结构电机集成于轮毂内，各车轮独立驱动，完全摒弃传动轴和差速器，底盘大幅简化性能动力分配灵活，可实现零半径转弯；但非簧载质量增加影响舒适性，电机工况恶劣，散热与可靠性要求高轮边电机驱动系统应用大型纯电动客车、中大型纯电动商用车结构电机布置于车轮附近，经行星齿轮减速器传递动力，减小非簧载质量性能兼具传统驱动与轮毂电机优势，动力分配与动力学控制较优；但结构仍复杂、成本较高CHAPTER电机类型五类电机，各有千秋逐类拆解原理与特点，建立选型判断能力02五类电机性能全景对比五类驱动电机直流电机交流异步电机永磁同步电机开关磁阻电机轮毂电机核心功能电能→机械能转换，制动能量回收选型要点永磁同步电机效率最高、功率密度最大，应用最广；异步电机结构简单、高速稳定；直流电机调速优；开关磁阻电机成本低；轮毂电机驱动灵活、响应快性能参数直流电机异步电机永磁同步电机开关磁阻电机轮毂电机功率密度低中高较高外转子式较低，内转子式较高转矩性能一般好好好好转速范围（r/min）4000～60009000～150004000～10000>15000外转子式1000-1500，内转子式10000功率因数—82～8590～9360～6590以上负荷效率（%）80～8790～9285～9778～8685%-95%过载能力（%）200300～500300300～500150%-300%性能对比关键指标续览驱动电机性能对比（下）性能参数直流电机异步电机永磁同步电机开关磁阻电机轮毂电机电机尺寸/重量大/重中/中小/轻小/轻大/重可靠性差好优良好好结构坚固性差好一般优良好控制操作性能最好好好好好控制器成本低高高一般小功率低，大功率高永磁同步电机—综合性能最优功率密度高、尺寸小重量轻、可靠性优良，控制器成本较高是主要短板直流电机—控制最优但逐步淘汰控制操作性能最好，但功率密度低、体积大、可靠性差，已逐渐被取代开关磁阻电机—性价比较高之选结构坚固性优良、成本较低，是性价比较高的选择直流电机：调速性能优异有刷vs无刷

结构对比对比维度有刷直流电机无刷直流电机换向方式机械换向器+电刷电子换相器磁场检测无霍尔元件摩擦损耗有（电刷接触）无效率可靠性较低更高有刷直流电机工作原理电刷/换向器向电枢绕组供直流电载流导体受安培力F=BIL作用产生转矩换向器自动切换电流方向，保证转矩方向恒定电机持续旋转无刷直流电机工作原理电子换相器控制三相绕组电流通断霍尔元件检测磁场极性输出信号定子产生旋转磁场永磁转子同步跟随旋转直流电机特点总结直流电机调速性能优异，但电刷换向器的固有短板限制了其在现代电动汽车中的大规模应用优势调速性能好—改变电枢电压可实现平滑调速，范围较宽，适应起步、加速、爬坡、高速等多种工况控制简单—控制原理直观，技术成熟，通过简单电路即可调节转速和转矩劣势电刷与换向器易磨损—运行中产生摩擦和火花，导致能量损耗、效率降低，需定期维护更换，火花还会产生电磁干扰功率密度相对较低—结构复杂，同等功率下体积和重量较大，不利于电动汽车轻量化设计适用场景：对调速范围要求宽、成本敏感、维护条件完善的工业车辆及早期电动车型VS异步电机：结构简单耐用转子转速始终略低于同步转速（存在转差），是其固有运行特征异步电机基于电磁感应：定子三相交流电产生旋转磁场，转子感应电流后形成电磁转矩结构组成部件构成与功能定子硅钢片叠压铁心，槽内放置三相定子绕组转子鼠笼式（铁心+鼠笼绕组）或绕线式（滑环/电刷外接调速）辅助系统风冷/水冷冷却，轴承与端盖支撑保护性能特点结构简单坚固无电刷、无换向器，可靠性高，适应恶劣环境，维护成本低成本较低材料与工艺成熟，大规模生产降本空间大过载能力强短时输出高于额定转矩，满足急加速或爬坡调速功率因数待改善调速性能偏弱，功率因数偏低，需配合变频调速与无功补偿异步电机转矩产生机制转矩产生的核心公式同步转速ns=60f/pf：电源频率；p：极对数转差率s=(ns-n)/ns反映转矩产生密切程度的关键参数旋转磁场切割转子绕组→感应电流→电磁转矩变频调速改变电源频率→控制旋转磁场转速→调节转子转速→输出所需转矩能量回收发电状态减速时转子转速高于同步转速，电机进入发电状态，动能转换为电能回充电池永磁同步：高效高功率密度性能特点高效率无需励磁电流，宽负载高效，延长续航高功率密度小体积轻重量，高功率输出调速性能好精确控制，转矩脉动小，振动噪声低退磁风险高温退磁需散热，材料成本较高核心原理定子旋转磁场与转子永磁体磁场相互作用，转子以与定子磁场完全同步的速度旋转部件结构与功能定子硅钢片叠压铁心，三相铜绕组通入三相交流电产生旋转磁场转子永磁体采用钕铁硼等稀土永磁材料，安装方式有表贴式和内置式；配备位置传感器和电机控制器永磁同步电机原理与回收同步转速公式ns=60f/p工作原理旋转磁场定子通入三相交流电产生旋转磁场电磁转矩转子永磁体磁场与定子磁场耦合产生电磁转矩严格同步转子转速与定子磁场严格同步，故称"永磁同步电机"精确控制与能量回收控制器通过位置传感器实时获取转子位置与速度，精确控制绕组电流的大小、频率和相位加速时增大电流增强磁场作用提高转矩；减速时改变相位产生制动力矩能量回收模式下，电机切换工作状态，将车辆动能转化为电能回充电池能量回收实现车辆动能→电能的高效转化开关磁阻：结构简单成本低基于磁阻最小原理，磁通沿磁阻最小路径闭合；三相6/4结构——定子6磁极、转子4磁极组成与工作定子硅钢片叠压凸极铁心，集中绕组分布各磁极，产生励磁磁场转子凸极铁心，凸极数与定子不同，随磁场转动控制位置传感器+控制器，按A-B-C相序精确通电优势与短板结构简单坚固无永磁体，零部件少，机械强度高，适应恶劣环境调速范围宽低频大转矩适合起步爬坡，高频高速满足行驶需求成本较低无需昂贵永磁材料，制造成本优势明显转矩脉动较大引发振动与噪声，影响驾乘舒适性控制系统复杂依赖高精度位置传感器与先进控制算法开关磁阻电机运行原理工作原理A相通电转子凸极趋向A相凸极对齐磁阻最小A相断电，B相通电转子凸极趋向B相凸极对齐循环切换通电相序转子持续旋转持续旋转控制要点调速核心转速和转矩取决于通电频率、电流大小及转子位置与速度精确控制系统根据车速、转矩需求，精确控制绕组通电参数，保障稳定运行效率优势仅转矩产生时绕组通电，无永磁体磁场损耗，宽负载范围内保持较高效率轮毂电机：灵活与挑战并存四大核心优势结构简化动力、传动、制动整合于轮毂内，省去离合器、变速器、传动轴、差速器等部件驱动灵活单轮独立驱动，前驱/后驱/四驱任意切换，左右轮差动转向显著减小转弯半径响应精准瞬间输出最大扭矩，独立控制每轮驱动力与制动力，操控稳定性大幅提升双重高效能量回收高效、空间利用高效，释放发动机舱空间提升整车实用性结构形式对比形式转速特点传动方式内转子式10000r/min

高速固定减速器，传动比约

10:1外转子式1000～1500r/min

低速无减速装置，外转子与轮辋固定集成系统集成组成BLDC/AC电机减速机构制动器散热系统控制系统控制器、传感器、控制算法轮毂电机的挑战与原理三大挑战非簧载质量增加电机装于轮毂使非簧载质量大幅提高，操控性、舒适性下降，振动颠簸更明显工作环境恶劣需经受震动、涉水、高温等极端工况，车祸中轮毂易受损，可靠性与耐久性要求严苛成本居高不下高转化效率、轻量化的四轮轮毂电机成本高，限制大规模商业化工作原理基于电磁感应原理的三级驱动01定子铁芯+绕组固定，通三相交流电产生旋转磁场02转子永磁体/绕组构成，装于轮毂，磁场作用产生电磁转矩驱动车轮03电控调节电流频率、幅值、相位，精确控制转速与转矩频率·幅值·相位

三要素CHAPTER控制系统精准控制的智慧大脑解析控制器、传感器与功率变换器的协同工作03控制系统四大核心功用控制系统四大核心功用精确调速根据加速踏板与车辆状态，精准快速调节电机转速转矩控制按行驶需求精确控制转矩，爬坡时增大输出保证动力能量回收减速制动切换发电机模式，动能转化为电能回充电池安全保护实时监测温度、电流、电压，异常时自动降功率或切断电源控制系统是连接驾驶员意图与车辆动力输出的智慧桥梁电机控制器的软硬协同硬件部分微处理器（CPU）控制器核心，执行控制算法与信号处理功率模块采用

IGBT

或

碳化硅（SiC）

功率半导体，控制电机电流与电压驱动电路放大控制信号，驱动功率模块工作传感器接口电路连接位置、温度等传感器，获取电机实时状态软件部分控制算法程序包含矢量控制算法、直接转矩控制算法等参数计算与信号转换依据电机模型与车辆需求，计算电流电压参数并转换为控制信号输出旋变与霍尔传感器解析旋变传感器功用精确测量转子位置、角度、转速及旋转方向组成励磁线圈、正弦/余弦线圈（空间90°分布）、金属转子特点精度高；耐高温、严寒、潮湿、高速、高震动；抗干扰强；信号处理较复杂原理励磁信号→交变磁场→转子切割→线圈感应电压→解算位置/转速霍尔传感器组成霍尔元件、永磁体磁场、信号处理电路特点结构简单、体积小、成本低；响应速度快；非接触式测量寿命长；精度相对较低原理电流通过霍尔元件+垂直磁场→电子偏转产生电势差→磁极变化→信号输出位置/转速旋变—高精度抗恶劣，适合高端驱动系统；霍尔—低成本快响应，适合经济型与动态系统电涡流与光电编码器核心差异：恶劣环境选电涡流，高精度场景选光电电涡流传感器功用非接触测距，间接测转子位置、轴振动、转速组成靶瓣、传输线圈、接收线圈（集成于

PCB）、信号处理芯片特点抗油污灰尘、响应快、易平台化；成本较高原理交变磁场→电涡流→反向磁场→阻抗变化→解调位置光电编码器功用光电转换测转子位置、转速、角度组成光源、码盘（透光/不透光扇形区）、光电检测器件、转换电路特点精度高、无机械磨损、信号形式多；环境要求高原理码盘转动→透光/遮光→光电转换→电信号→输出位置转速核心差异：恶劣环境选电涡流，高精度场景选光电功率变换器与矢量控制坐标变换三相电流分解为两独立分量分别控制励磁与转矩分量独立调节反变换输出计算电流并还原三相控制信号转矩提升增大转矩电流分量保持励磁稳定功能将电池直流电转换为交流电，改变频率和幅值以控制电机转速与转矩组成功率开关器件（IGBT）及电容、电感等储能元件保护机制续流二极管——防止感应电压击穿或烧坏元件将交流电机等效为直流电机进行控制SiC高效能低导通电阻/开关损耗几毫秒高响应速度达目标转矩多重高可靠性过流/过温/欠压保护+冗余+诊断控制系统完整工作流程异常保护：MCU切换安全模式或发出故障报警基本工作流程驾驶员操作加速/制动踏板信号输入→VCU处理转换目标车速或转矩指令，发送给MCU→传感器反馈实时采集电机位置、转速、电流、温度等状态→MCU算法计算根据指令与反馈，计算所需电压、电流参数→功率变换器驱动直流电转交流电，驱动电机按指令运转目标指令、实时反馈、算法计算、功率驱动，构成闭环控制的核心链条CHAPTER故障实战从现象到排故的闭环以真实案例演练故障诊断与排除的完整思路04秦EV车型关键技术参数技术参数数值电动机总功率100kW电动机总扭矩180N·m驱动电机数单电机电池容量47.53kWh（续航405KM）、53.56kWh（续航450KM）快充电量80%充电时间快充

1.3小时（405KM），慢充

14.4小时（405KM）比亚迪秦EV采用三合一电驱，将电机、电机控制器和减速器集成于一体MCU外围电路两路供电+CAN通讯+碰撞信号+接地线旋变信号布局旋变在驱动电机内部，励磁线圈和正余弦线路在MCU内部两大典型故障现象解析故障一：OK灯不亮，高压无法上电现象描述仪表故障灯点亮，提示"请检查动力系统""请检查ESP系统"，MCU无法通讯原因分析·三层递进01供电层F1/34保险丝熔断、供电线路断路02信号层CAN总线断路及虚接03本体层MCU内部供电和CAN通讯损坏故障二：OK灯点亮，车辆无法行驶现象描述挂挡后蠕动即停，60S后OK灯熄灭原因分析·三层递进01信号层旋变信号故障（励磁/正弦/余弦线圈及线路）02本体层电机控制器本体故障03驱动层V、U、W高压相线缺相原理图分析与排故流程电路图关键分析两路供电IG3继电器输出，经

F1/34

分别供给

MCU

和

BMS通讯网络CAN总线，属于

动力网结构特点2019款采用

三合一电驱，电机、控制器、减速器高度集成，外围电路简化故障排除流程核心故障现象：MCU外围电路故障主要导致

高压无法上电01供电检查保险丝、线路通断是否正常02通讯排查CAN总线是否断路、虚接03本体判断MCU本体是否损坏补充排查：旋变信号故障需重点排查励磁