新能源汽车概论课件：纯电动汽车电驱动系统

活塞连杆组故障诊断与修复纯电动汽车电驱动系统

电驱动系统是纯电动汽车三大核心部分之一，是车辆行驶的主要执行机构，其驱动特性决定了纯电动汽车行驶的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘的舒适性。纯电动汽车采用的电驱动系统，具有节约能源、噪声小、易于实现自动控制等优点，主要由驱动电机、减速器总成、电机控制器、一般还包括电驱动冷却系统等构成。通过高低压线束，冷却管路与整车其他系统连接，如图3-29所示。一、电驱动系统概述

一、电驱动系统概述图3-29北汽EV200电驱动系统

纯电动汽车电驱动系统的主要功能是将储存在动力电池中的电能高效地转化为车轮的机械能，并能够在汽车减速或制动时，将车轮的机械能转化为电能充入动力电池。前者是将电能转化为机械能，后者是将机械能转化为电能，如图3-30所示。一、电驱动系统概述图3-30纯电动汽车北汽EV系列电驱动系统原理图

（一）电能转化为机械能当电驱动系统处于驱动汽车行驶状态时，电机控制器接收整车控制器的控制信号，将输入的高压直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电，供给驱动电机（三相交流永磁同步电机）使用。驱动电机输出的转矩经减速器总成（传动装置）驱动车轮，使汽车行驶，如图3-31所示。一、电驱动系统概述图3-31纯电动汽车北汽EV系列电能转化为机械能原理图

（二）机械能转化为电能当车辆滑行或制动的时候车辆能够进行能量回收，此时驱动电机转变为发电机，将车辆一部分的机械能转化为电能。与此同时，电机控制器接收整车控制器的控制信号，将输入的三相交流电整流为直流电储存到动力电池中，如图3-32所示。能量回收模式的条件是挡位置于D位置驾驶时，松开加速踏板;或挡位置于D位置驾驶时，踩下制动踏板电驱系统中的驱动电机和电机控制器，在能量转换和传递的过程中会产生大量的热，电驱冷却系统可将热量及时带走，使它们始终处于正常的温度范围。一、电驱动系统概述

（二）机械能转化为电能

一、电驱动系统概述图3-32纯电动汽车北汽EV系列机械能转化为电能原理图

新能源汽车具有环保、节约、简单三大优势。在纯电动汽车上体现尤为明显：以电机代替内燃机，由电机驱动而无须自动变速器。相比于自动变速器，电机结构简单、技术成熟、运行可靠。传统的内燃机能高效产生转矩时的转速限制在一个很窄的范围内，这就是为何传统内燃机汽车需要庞大而复杂的变速机构的原因；而电动机可以在非常宽的速度范围内高效产生转矩，在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置，操纵方便容易，噪声低。纯电动车使用单一电能源，电控系统大大减少了汽车内部机械传动系统，结构更简化，也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪声，节省了汽车内部空间及质量。电机驱动控制系统是纯电动汽车车辆行驶中的主要执行机构，驱动电机及其控制系统是纯电动汽车的核心部件（电池、电机、电控），其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，是电动汽车的重要部件。二、驱动电机

电动汽车的整个驱动系统包括电机驱动系统与其机械传动机构两个部分。电机驱动系统主要由电机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成。纯电动汽车电机一般要求具有电动、发电两项功能，按类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种电机，如图3-33所示。二、驱动电机图3-33驱动电机分类

电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械，用于实现电能向机械能的转换。运行时从电系统吸收电功率，向机械系统输出机械功率。电机驱动系统主要由电机、控制器（逆变器）构成，驱动电机和电机控制器所占的成本之比约为1∶1，根据设计原理与分类方式的不同，电机的具体构造与成本构成也有所差异。电机的控制系统主要起到调节电机运行状态，使其满足整车不同运行要求的目的。针对不同类型的电机，控制系统的原理与方式有很大差别。二、驱动电机

（一）直流电机（1）优点：是起动加速转矩大，电磁转矩控制特性良好，调速方便，控制装置简单，成本较低。（2）缺点：有机械换向器，当在高速大负荷下运行时，换向器表面有电火花出现，因此电机转速不宜太高。比较与其他驱动系统而言处于劣势，已经逐渐被淘汰。二、驱动电机

（二）交流感应电机交流感应电机定子用于产生磁场，由定子铁芯、定子绕组、铁芯外侧的外壳及支撑转子轴的轴承组成。交流感应电机有价格低、以维护、体积小的优点，但是交流感应电机的控制比较复杂。已经成为驱动电动汽车的首选，如图3-34所示。特斯拉ModelS参数见表3-3。二、驱动电机图3-34特斯拉交流感应电机实物图

（二）交流感应电机

交流电动机依靠交流电源运行，能够把交流电的电能转变为机械能。二、驱动电机

（三）永磁同步电机永磁同步电机，采用永磁体来产生气隙磁通量，永磁体代替了直流电机中的磁场线圈和感应电机中定子的励磁体。永磁同步电机具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度，尤其是其低速大转矩的优点能满足车辆在复杂多变的道路下行驶，是一种高性能而且低碳环保的电机。随着稀土永磁材料在电机中的使用，使其在中小功率范围内得到了广泛的应用。同步电机的实物及结构如图3-35~图3-38所示。二、驱动电机图3-35永磁同步电机实物

（三）永磁同步电机

二、驱动电机图3-36永磁同步电机组成

（三）永磁同步电机

二、驱动电机图3-37荣威E50永磁同步电机车上实物图3-38荣威E50电机内部结构

（四）开关磁阻电机开关磁阻电机定、转子都是普通硅钢片叠压成的双凸极结构。开关磁阻电机是由双凸极的定子和转子组成；定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成，如图3-39所示。开关磁阻电机结构组成如图3-40所示。二、驱动电机图3-39开关磁阻电机转子和定子实物图

（四）开关磁阻电机

二、驱动电机图3-40开关磁阻电机组成

（四）开关磁阻电机（1）定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”。（2）转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。优点：简单可靠、可调速范围宽、效率高、控制灵活、成本低。缺点：转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、有非线性特性等应用受到限制。以上四种电机性能比较见表3-4。二、驱动电机

（四）开关磁阻电机车辆的驱动力全部来自车载电机，在不同的工况下汽车需要的驱动力也不相同。车辆在各工况下所需驱动力都是由电机输出转矩经过传动系后，在驱动轮上以转矩的形式推动车辆前进。由汽车所需驱动力可以计算出驱动电机所需要的转矩。电机转速的选择与汽车行驶的车速有直接的关系。其最高转速应满足汽车的最高车速要求。二、驱动电机

（一）电机控制器功用电机控制器（图3-41）响应并反馈整车控制器（VCU）根据驾驶人意图发出的各种指令，实时调整驱动电机输出，以实现控制驱动电机的转速、转向和通断。电机控制器另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障检测，保护驱动电机系统和整车安全可靠运行。三、电机控制器图3-41电机控制器实物

（二）电机控制器结构组成纯电动汽车电机控制器是电驱系统的控制中心，又称智能功率模块，以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块为核心，辅助驱动集成电路，主控集成电路。电机控制器与驱动电机配套使用，由于动力电池是以直流方式供电，而驱动电机是永磁同步交流电机。当驱动电机驱动车辆行驶时，电机控制器需将动力电池的直流电转换为交流电（DC/AC逆变）供给驱动电机;而当驱动电机作为发电机，回收能量时，电机控制器则需将交流电转换为直流电（AC/DC整流），为动力电池充电，如图3-42所示。与此同时，电机控制器通过电流传感器、电压传感器温度传感器实时监测自己与驱动电机的工作状态。根据具体功能点，电机控制器主要由DC/AC逆变模块、AC/DC整流模块、温度保护模块以及电子控制器组成。三、电机控制器

（二）电机控制器结构组成

三、电机控制器图3-42电机控制原理图

（二）电机控制器结构组成在电机系统中，电机的输出动作主要是靠控制单元给定命令执行，即控制器输出命令。控制器主要是将输入的直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电，供给配套的三相交流永磁同步电机使用。逆变器工作时，ECU输出触发信号使其中两个IGBT晶体管（图3-43中IGBT2、IGBT4）导通，此时电流自蓄电池+极、IGBT2、V相绕组、U相绕组、IGBT4、至蓄电池—极，完成一次回路，在电动机V相流过正向电流，在U相流过反向电流。三、电机控制器

（二）电机控制器结构组成

三、电机控制器图3-43逆变器原理图

（二）电机控制器结构组成同理，间隔120°角之后，ECU控制另两个IGBT场效应管导通，使电流流过电机的另两相绕组，则有其中一相流过正向电流、另一相流过反向电流。如此循环不断，则在电机三相绕组中形成了三相旋转磁场，于是，电机转子在旋转磁场作用下，形成旋转力矩，并对外做功。1.DC/AC逆变电机控制器利用其DC/AC逆变模块，可将动力电池的直流电转变为交流电提供给电机。电子控制器通过控制DC/AC逆变模块中IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的导通和截止，将直流电转变为交流电，如图3-44~图3-46所示。三、电机控制器

（二）电机控制器结构组成1.DC/AC逆变

三、电机控制器图3-44DC/AC逆变工作原理V相、U相导通

（二）电机控制器结构组成1.DC/AC逆变

三、电机控制器图3-45DC/AC逆变工作原理W相、V相导通

（二）电机控制器结构组成1.DC/AC逆变

三、电机控制器图3-46DC/AC逆变工作原理W相、U相导通

（二）电机控制器结构组成2.AC/DC整流电机控制器利用其AC/DC整流模块（二极管），可将交流电压转换成稳定的直流电压。汽车减速时驱动电机转化为交流发电机，控制器控制整流装置将电机发出的交流电转变成直流电，储存到动力电池中。AC/DC整流装置主要是利用二极管的单向导电特性，将电机的三相交流电整流为直流电，如图3-47所示。三、电机控制器图3-47AC/DC整流原理图

（二）电机控制器结构组成3.温度保护温度保护分为对电机的温度保护和对电机控制器的温度保护。三、电机控制器

（三）电机控制器工作原理当电机驱动车辆前行或倒退时，电机控制器中的DC/AC逆变模块（IGBT）将动力电池输送过来的直流电逆变成三相交流电，为驱动电机提供电能。当车辆减速或制动时，电机控制器中的AC/DC整流模块（二极管）将电机输送过来的三相交流电整流成稳定的直流电，储存到动力电池中。另外电杋控制器可通过控制DC/AC逆变模块中IGBT导通的频率，控制电机转速的快慢。电机控制器接收温度传感器、旋转变压器等传感器的信号，用以检测驱动电机及自身的工作状态，确保电驱系统处于稳定的工作状态。三、电机控制器

电驱动系统中的驱动电机和电机控制器，在运行过程中会产生大量的热，这些热量会对电驱动系统的正常工作和使用寿命造成不良影响