新能源汽车认知与使用课件：电机驱动系统认知

新能源汽车认知与使用电机驱动系统认知电机驱动系统是纯电动汽车的核心系统，是车辆行驶的主要执行机构

，可以通过有效的控制策略将动力电池提供的直流电转化为交流电，进而实现电机的转向、转速、扭矩及功率的综合控制。那么，纯电动汽车电机驱动系统组成和工作原理是怎样的呢？本任务主要介绍电机驱动系统作用、组成与工作原理任务三知识框架【学习目标】⚫知识目标(1)描述驱动电机作用、组成和工作原理。(2)列举电机驱动系统。(3)简述电机控制器、减速器总成和电驱冷却系统作用、组成和工作原理。⚫能力目标(1)具有较强的独立思考、逻辑推理、信息加工能力。(2)具有较强的信息技术应用能力。⚫素质目标(1)通过电机驱动系统组成的学习，理解驱动电机、电机控制器和电驱冷却系统的作用、组成和原理，提高知识学习和知识应用能力。(2)通过纯电动汽车电机驱动系统工作原理的学习，学会工作原理的分析，提高分析问题、解决问题的能力。【学习目标】纯电动汽车电机驱动系统是驱动电机、驱动电机控制器及它们工作必需的辅助装置的组合，是纯电动汽车的核心系统之一。汽车工作过程中，电机驱动系统根据驾驶员的操作意图、动力电池和驱动电机的状态控制车辆的行驶和停止，高效率地将动力电池的电能转换为车轮的机械能，同时在汽车减速制动或者下坡时，进行能量回收，从而达到节能减排的目的。【获取信息】纯电动汽车的电机驱动系统是车辆行驶的主要执行机构，它可以根据驾驶员的操作意图、动力电池和驱动电机的状态控制车辆的行驶和停止，同时在汽车减速制动或者下坡时，实现电能再生。【获取信息】一、

电机驱动系统的功用及位置纯电动汽车的电机驱动系统一般位于前机舱内，电机驱动系统完成驱动车辆任务的机械部件主要有产生驱动力的驱动电机和进行动能传递的机械减速装置。【获取信息】一、

电机驱动系统的功用及位置电机驱动系统位置根据不同的分类标准，电机驱动系统可分为不同的类型。按照驱动电机与机械减速装置布置形式和位置关系的不同，纯电动汽车的电

机驱动系统可分为集中式驱动系统和轮毂式驱动系统两种类型。【获取信息】二、电机驱动系统类型集中式驱动系统一般由电机、变速器和差速器等组成。它采用单电机驱动代替内燃机，但保持传统内燃机汽车零部件及结构不变，故设计制造成本低，但动力传递路线相对较长，传动效率低。【获取信息】二、电机驱动系统类型➢1.集中式驱动系统➢1.集中式驱动系统按照有无变速器，集中式驱动系统又可

分为传统驱动模式和电机－驱动桥模式两种类型，常用的为电机－驱动桥模式取消了离

合器和变速器，由1台电机驱动两车轮旋转。这种组合式驱动系统使得驱动系统结构紧凑，且安装、使用和维护都十分方便。【获取信息】二、电机驱动系统类型电机－驱动桥模式结构示意图轮毂驱动系统可以布置在纯电动汽车的两个前轮、两个后轮或四个车轮的轮毂中，成为前轮驱动、后轮驱动或四轮驱动。轮毂驱动系统有内定子外转子结构和内转子外定子结构两种结构类型。【获取信息】二、电机驱动系统类型➢2.轮毂式驱动系统①内定子外转子结构。其外转子电机直接安装在车轮的轮辋内，这种结构没有机械减速机构提供减速，通常要求电机为低速转矩电动机。【获取信息】二、电机驱动系统类型➢2.轮毂式驱动系统内定子外转子结构②内转子外定子结构。其转子作为输出轴与拥

有固定减速比的行星齿轮变

速器的太阳轮相连，而车轮轮毂与齿圈连接，这样可以提供较大的减速比，放大其输出转矩。二、电机驱动系统类型➢2.轮毂式驱动系统【获取信息】内转子外定子结构【获取信息】二、电机驱动系统类型➢2.轮毂式驱动系统当采用轮毂电机驱动时，由于可以对每个电机的转速进行单独调节控制，因此可以省去机械差速器，

实现电子差速，以提高汽车在转弯时的操作性。同时，纯电动汽车上驱动电机输出的扭矩传递到驱动车轮的传递路径也将大幅缩短，这样可腾出足够的优化空间。当采用内定子外转子结构时，还能够提高对车轮动态响应的控制性能。轮毂电机实物图纯电动汽车电机驱动系统主要由产生驱动力的驱动电机、控制电机的电机控制器、进行动能传递的机械减速装置(减速器总成)和控制温度的电机驱动冷却系统组成，它们通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接运转。【获取信息】三、电机驱动系统组成电机驱动系统结构【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机驱动电机是动力系统的执行元件，其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。纯电动汽车驱动电机一般位于前机舱内。驱动电机在纯电动汽车工作过程中，驱动电机承担着电动机和发电机的双重功能：当车辆驱动、加速行驶或匀速行驶时，驱动电机将电能转化为机械能，通过传动装置带动车辆行驶；当车辆减速或制动时，驱动电机将机械能转换为电能，通过电机控制器整流、滤波后给动力电池补充电能。【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢1.驱动电机作用【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢2.驱动电机组成纯电动汽车的驱动电机主要为永磁同步电机，其主要由定子、转子、壳体、端盖、旋转变压器、温度传感器等组成。驱动电机组成定子是驱动电机固定不动的部分，

其作用是通电形成磁场，其主要由定子铁芯和定子绕组构

成，定子线圈外部有温度传感器线束接插器，而检测驱动电机温度的温度传感器嵌在定子的定子线圈内部。定子铁芯是定子中的导磁部件；定子绕组，即为定子线圈，作用是通电形成磁场。【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢2.驱动电机组成——定子定子结构【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢2.驱动电机组成——转子驱动电机的转子内嵌在定子的中心位置，是驱动电机的旋转部件，转子主要由转子铁芯、永磁体和转轴等组成，能耗相对较低。转子铁芯也称为转子磁芯，它用来增加电感线圈的磁通量，从而实现电磁功率的最大转换；转子永磁体装配在转子铁芯的沟槽中，一般制造永磁体的材料为钕铁硼磁钢；转子的转轴主要用于支撑转子。转子结构【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢2.驱动电机组成——壳体驱动电机的壳体是固定定子和转子的支架，主要用于支撑驱动电机转子和定子，并防止灰尘进入驱动电机内部，保护转子和定子的铁芯、绕组等部件。驱动电机的壳体上

有冷却水管、高压接线盒。壳体结构【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢2.驱动电机组成——壳体驱动电机的冷却水管有进水管、出水管及壳体内冷却管路，当驱动电机温度过高时，电动水泵带动冷却液从进水管进入驱动电机壳体，经冷却管路，最后从出水管出来，从而带走驱动电机高转速或大扭矩运转时产生的热量，为驱动电机降温。高压接线盒将从电机控制器过来的三相交流导线与驱动电机定子绕组连接，从而给励磁绕组提供三相交流电。在接线盒的上盖上有个通气阀，用于驱动电机排气。【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢2.驱动电机组成——端盖驱动电机端盖，为驱动电机的后端盖

，从结构板上来说是驱动电机壳体的一部分，主要用于密封和防护驱动电机的定子和转子，也用于支撑驱动电机转子总成。所以驱动电机后盖上有轴承座孔、温度传感器和旋转变压器低压线束接插器的安装孔。端盖结构旋转变压器是一种能转动的检测装置，主要用于检测驱动电机转子位置和转速，并将检测信号送给电机控制器。这种旋转变压

器装在电机上，其主要由转子和定子组成，转子不用永磁材料制成，它是由驱动同步电机的永磁转子同轴带动旋转。【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢2.驱动电机组成——旋转变压器旋转变压器驱动电机上的温度传感器有两个，一个为检测驱动电机冷却液温度的冷却液传感器，一个是检测驱动电机定子绕组温度的温度传感器。三、电机驱动系统组成——驱动电机➢2.驱动电机组成——温度传感器【获取信息】驱动电机两温度传感器位置【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢2.驱动电机组成——温度传感器不同车型的驱动电机的类型不同，采用正温度系数或负温度系数的温度传感器。正温度系数传感器的电阻值会随着温度的升高而增大，

随着温度的降低而减小；负温度系数传感器的电阻会随着温度的升高而减小，随着温度的降低而增大。驱动电机是驱动车辆的动力源，有电动机和发电机两种工作形式。当驱动电机作为电动机使用时，它将电能转换成机械能为车辆行驶提供驱动力；当驱动电机作为发电机使用时，它将机械能转换为电能进行发电为动力电池补充电能。【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢3.驱动电机工作原理【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢3.驱动电机工作原理——驱动原理当驾驶员踩下加速踏板意图驱动电动汽车时，高压电控总成会根据接收到的加速踏板开度信号、驱动电机工况信号和动力电池的状态信号，判断电动汽车是否需要驱动，且是否满足驱动条件。若判断结果为需要驱动且驱动条件满足，高压电控总成就会向BMS发送驱动信号，控制动力电池输出高压电。同时，高压电控总成内的电机控制器会将动力电池输出的高压直流电逆变成三相交流电

，并将其供给驱动电机。电能将在驱动电机中转换为机械能，动力通过减速器总成传递给驱动车轮，从而带动电动汽车行驶。【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢3.驱动电机工作原理——驱动原理驱动电机的工作过程如下：电机控制器输出的三相交流电会供给驱动电机的定子绕组。

当驱动电机内部的U相、V相和W相中任意两相依次

导通时，会在驱动电机定子中相应的绕组产生磁

场。该磁场在导通后会逐渐加强，达到峰值后再

逐渐减弱，直至消失。【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢3.驱动电机工作原理——驱动原理驱动电机-驱动原理在整个工作过程中，电机控制器会循环地为驱动电机的三相绕组供电，形成定子绕组的闭合电路。由于定子绕组中电流的变化，会在驱动电机气隙中产生旋转磁场。定子上的旋转磁场与转子上永磁体的磁极相互作用，带动转子与定子上产生的旋转磁场同步旋转，从而实现电能到机械能的转换，驱动电动汽车行驶。【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢3.驱动电机工作原理——驱动原理【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢3.驱动电机工作原理——发电原理当驾驶员松开加速踏板/踩下制动踏板进行减速或制动时，高压电控总成会根据接收到的加速踏板和制动踏板的开度信号以及动力电池的状态信号，判断车辆进入能量回收模式。随后，高压电控总成内的控制器停止逆变三相交流电的转换和输出，它进入发电模式，将发出的三相交流电传递给电机控制器，经过电机控制器的整流滤波后为动力电池充电，储存电能。它具体的发电过程为：车辆减速或制动时，驱动轮通过减速器总成拖动永磁同步电机转子运转，旋转的永

磁转子的磁场，分别切割U相、V相、W相的定子绕组，利用电磁感应原理产生U、V、W三相交流电。【获取信息】三、电机驱动系统组成——驱动电机➢3.驱动电机工作原理——发电原理驱动电机-发电机原理电机控制器(Motor

Controller

，MC)是电机驱动系统的核心，它可以实时监测驱动电机的工作状态并通过数据总线传输给其他控制单元，也可以通过数据总线接收相关控制指令，还能根据车辆运行需要将动力电池的直流电与驱动电机的交流电进行逆变或整流工作，从而控制驱动电机与动力电池之间电能量的转换。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器电机控制器电机控制器可以将动力电池包输入的高压直流电逆变成满足驱动电机需要的对应电压、

电流、频率的三相交流电，提供给驱动电机，从而控制驱动电机进行驱动、加速等工作；也可以将驱动电机发出的三相交流电，整流成满足动力电池要求的高压直流电，给动力电池补充电能。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢1.电机控制器作用➢2.电机控制器组成纯电动汽车的电机控制器主要由壳体、

高低压连接器、电子控制单元、电气控制单

元、电气功率元件等组成，其中电气功率元件主要为IGBT

(绝缘栅双极型晶体管)

集成功率模块，是电气控制器的关键部件。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢2.电机控制器组成——壳体电机控制器的壳体主要用于支撑各电子控制元件、电气控制元件、电气功率元件及连接器，并提供密闭的防尘防水空间，保护各电子元件。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢2.电机控制器组成——壳体为了满足使用要求，电机控制器壳体上要有元器件的安装位置和各种高低压线束的安装到位，同时电机控制器壳体中还应该有冷却管路，以确保电驱冷却系统的冷却液能在其内部循环流动，冷却电机控制器内部升温快的IGBT集成功率模块，防止其因温度过高而损坏。电机控制器壳体【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢2.电机控制器组成——高低压连接器高低压连接器，是指高压线束连接的接插器和低压线束连接的接插器，可以实现电机控制器内外部高低压线束的连接。高低压连接器➢2.电机控制器组成——高低压连接器低压连接器主要用于12V电源的供应、与驱动电机及其他控制器通信。一般电机控制器至少具备一个低压线束连接器，所有通讯、传感器、低压电

源等等都要通过这个低压接头引出，连接到驱动电机及车载网络系统，从而与整车控制器及动力电池管理系统进行通信。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢2.电机控制器组成——高低压连接器高压连接器主要用于连接动力电池包和驱动电机的高压线束，实现与动力电池包和电机控制器的高压连接与输送。电机控制器一般有两个高压接口。一个是输入接口，用于连接动力电池包高压接口；另外一个是高压输出接口，连接电机，为驱动电机提供控制电源。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢2.电机控制器组成——电子控制元件电子控制元件相当于电机控制器的大脑，根据接收的外部通信信号及内部电器件的运行情况，通过电气控制元件直接或间接地控制电气集成功率模块，使得控制器可靠稳定地工作，合理控制电机进行运作。电气控制元件主要由高压电容器和电流传感器等组成。高压电容器的主要作用是维持高压母线电压稳定和过滤高频波纹电流。由于IGBT功率集成模块工作过程中会造成直流电路电流振荡，为减少振荡电流对直流电路的影响，通过此电容的并接对振荡电流进行滤波处理。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢2.电机控制器组成——电气控制元件高压电容器【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器电流传感器主要对三相输出的电流进行采样检测，反馈至控制电路板➢2.电机控制器组成——电气控制元件霍尔电流传感器电机控制器的功率元件主要是IGBT集成功率模块。它是将直流电转化为交流电的执行装置，也是电气控制器中的关键零部件，通过控制IGBT集成功率模块中的6个子模块的通断，可将直流电转换为交流电。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢2.电机控制器组成——电气功率性元件IGBT集成功率模块【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢3.电机控制器工作原理电机控制器依据整车控制单元传输的驾驶需求信息、驱动电机内部的温度传感器、旋变传感器和电机控制器内部的电流传感器监测驱动电机工作状态，并根据整车控制器的信号对驱动电机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。当汽车倒车时，电机控制器输出相应电流和频率的三相交流电，输送给驱动电机，使驱动电机反转来驱动车轮反向行驶。当汽车处于降速和下坡滑行时，电机控制器使驱动电机运行于发电状态，驱动电机利用车辆惯性滑行发电，将电能通过电机控制器回馈给动力电池。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢3.电机控制器工作原理——电机控制器逆变原理当电机驱动车辆前行或倒退时，动力电池通过高压控制盒将高压直流电流向电机控制器，电机控制器将动力电池的高压直流电逆变为三相交流电，供给驱动电机，用于驱动车辆行驶运行，即电能转化为机械能。直流电转交流电示意图【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢3.电机控制器工作原理——电机控制器逆变原理电机控制器的逆变过程通过逆变电路实现，逆变电路主要由动力电池、电机控制器内部的绝缘栅双极型晶体管IGBT1-IGBT6、驱动电机组成。逆变的具体控制由整车控制

器(VCU)控制IGBT的导通和截止来实现。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢3.电机控制器工作原理——电机控制器整流原理当车辆在行驶过程中减速或制动时，驱动电机转变为发电机，向电机控制器输送三相交流电，电机控制器根据数据总线传输过来的控制指令，将驱动电机输送过来的三相交流电整流成稳定的直流电，再通过高压控制盒，输送到动力电池，为动力电池充电。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢3.电机控制器工作原理——电机控制器整流原理电机控制器将驱动电机产生的三相交流电整流成相应的高压直流电给动力电池补充电能，实现能量(车辆动能转换为电能)回收，提高车辆续航里程。交流电转直流电示意图【获取信息】三、电机驱动系统组成——电机控制器➢3.电机控制器工作原理——电机控制器整流原理电机控制器的整流过程通过整流电路实现，整流电路主要由动力电池、电机控制器内部的二极管D1~D6、驱动电机组成。整流电路的具

体控制由二极管D单向导通作用实现的。三相交

流电整流电路导电的基本原理是二极管的阳极电位高于阴极电位时二极管导通，反之不导通。电机控制器的整流电路原理减速器总成为纯电动汽车的机械减速装置，它与驱动电机的输出端相连接，安装在驱动桥上。它可以将电动机的输出减速增扭后传输给汽车的驱动轴，从而带动汽车车轮行驶。【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成机械减速装置安装位置【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成➢1.减速器总成功用减速器总成用于将驱动电机输出的驱动转速和转矩经过减速、增扭后，通过半轴传递给驱动车轮，从而驱动车辆行驶，其主要功用体现在两方面：一方面是将驱动电机的

输出转速降低、扭矩增大，并传递给汽车驱动轴，以实现整车对驱动系统的扭矩

、转速需求，带动车辆行驶。另一方面是通过齿轮改

变转矩的传递方向，通过差速器实现两侧车轮转速差

，保证内、外侧车轮以不同转速滚动而非滑动。【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成纯电动汽车电机驱动系统中，减速器总成是驱动电机和传动轴之间的

独立的封闭式传动装置，用来降低转速和增大扭矩。➢2.减速器总成组成【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成➢2.减速器总成组成目前，纯电动汽车大多采用固定传动比的两级减速器，从功能上来看其主要由实现减速、增扭功能的齿轮减速机构和实现两侧车轮差速作用的差速器总成组成，其具体组成为由箱体(左右箱体)、

齿轮减速机构、差速器组件等组成。减速器总成结构组成【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成➢2.减速器总成组成——箱体箱体是减速器总成的重要组成部分，它是减速器总成内部齿轮减速机构和差速器等传动部件的安装基础，是传动零件的基座，可以支撑和固定轴系部件，保证传动零件的正确相对位置并承受作用在减速器上的负荷的重要零件。箱体一般还兼作润滑油的油箱，具有充分润滑和很好的密封箱体零件的作用。为了保证减速器总成的正常工作，要确保箱体内有合适液面高度的润滑油，且要及时确保润滑油品质良好。【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成➢2.减速器总成组成——齿轮减速机构齿轮减速机构也称为齿轮减速装置，是齿轮、轴及轴承的组合体。齿轮减速机构可以将驱动电机的动力通过啮合齿轮进行变速及动力传递。【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成➢2.减速器总成组成——齿轮减速机构①作用。实现减速传动：当主动

轴的转速不变时，利用齿轮

传动降低从动轴转速，这种传动称为减速传动。【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成➢2.减速器总成组成——齿轮减速机构②齿轮减速机构组成。目前，纯电动汽车的齿轮减速机构可以实现二级减

速，其主要组成由输入轴组件、中间轴组件和差速器轴齿轮组件组成减速器总机构构成a.输入轴组件。输入轴组件是一种齿轮、齿轮轴及轴承组合并制成一体

的齿轮轴，这种结构采用常啮合的齿轮机构的齿轮传动。

常见的输入轴组件主要由输入轴、

一级减速主动齿轮等组成。【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成➢2.减速器总成组成——齿轮减速机构输入轴组件构成b.中间轴组件。中间轴组件主要由一级减速从动齿轮和二级减速主

动齿轮构成。输入轴的一级减速主动齿轮与中间轴的一

级减速从动齿轮啮合，

进行一级减速。三、电机驱动系统组成——减速器总成➢2.减速器总成组成——齿轮减速机构【获取信息】中间轴组件构成减速器总成是一种把较高的转速转变为较低转速，增强扭矩的装置。纯电动汽车工作过程中，驱动电机产生的驱动力传递至减速器总成输入轴的主动齿轮，经过一级或两级减速、增扭后传递给差速器进行动力分配，再通过两侧传动轴将动力传递给车辆驱动轮，驱动车辆行驶。【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成➢3.减速器总成工作原理减速器总成在车辆驱动时的工作状态➢3.减速器总成工作原理减速器总成内部的轮系减速机构中，主动齿轮与从动齿轮啮合，主动齿轮的齿数小于从动齿轮的齿数，根据减速器的转速比与主从动齿轮的齿数比成反比，所以当动力源(如驱动电机)的高速运动，通过减速器的输入轴的主动齿轮传动到输出轴的输出齿轮低速运动，从而达到减速的目的。【获取信息】三、电机驱动系统组成——减速器总成驱动电机在运行过程中会产生热量而使其温度上升，当温度上升到一定程度时，

驱动电机的绝缘材料会发生本质的变化，最终失去绝缘能力，同时也会使驱动电机中的金属构件强度和硬度逐渐下降。【获取信息】三、电机驱动系统组成——电驱冷却系统电机控制器在工作过程中也会产生大量的热能使其升温，如果温度过高会导致驱动电机控制

器中的半导体结点烧坏、电路损坏，甚至烧坏元器件，从而引起电机控制器失效。为了避免纯电动汽车驱动系统相关部件因过热