《新能源汽車概論》項目3

新能源汽車概論簽到掃碼下載文旌課堂APP掃碼簽到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）簽到方式教師通過“文旌課堂APP”生成簽到二維碼，并設(shè)置簽到時間，學生通過“文旌課堂APP”掃描“簽到二維碼”進行簽到。。項目三驅(qū)動電機系統(tǒng)

驅(qū)動電機系統(tǒng)是新能源汽車的核心系統(tǒng)之一，其性能決定了新能源汽車的最高車速、加速性能、爬坡性能等。新能源汽車常用的驅(qū)動電機有三相異步電機、永磁同步電機等。目前，我國驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)鏈已相當完善，形成了包括驅(qū)動電機、MCU、減速器、電驅(qū)動總成、主要關(guān)鍵材料和關(guān)鍵器件在內(nèi)的一套完整的產(chǎn)業(yè)鏈，自主生產(chǎn)的電驅(qū)動系統(tǒng)在國內(nèi)占據(jù)了絕對的市場份額，僅有少數(shù)車型采用外資企業(yè)的電驅(qū)動系統(tǒng)。項目導讀達成目標技能目標素質(zhì)目標知識目標（1）掌握三相異步電機的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點。（2）熟悉永磁同步電機的結(jié)構(gòu)、性能特點和驅(qū)動特性。（3）熟悉電機控制系統(tǒng)的基本功能和控制策略。（4）掌握MCU的基本結(jié)構(gòu)。（5）了解多合一電驅(qū)動系統(tǒng)的特點。（1）能夠識別各類驅(qū)動電機。（2）能夠分析電機控制系統(tǒng)的基本功能和控制策略。（1）堅定民族自豪感和文化自信。（2）強化歷史使命感和社會責任感。（3）養(yǎng)成堅持不懈、刻苦鉆研的工作作風。

認識驅(qū)動電機3.1動力電池及管理技術(shù)項目3任務(wù)導入極限轉(zhuǎn)速高、運行可靠，但功率密度低、效率低、調(diào)速性差，目前在部分車型中仍有小批量應(yīng)用。永磁同步電機轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、功率密度高、調(diào)速范圍寬、體積小，目前已大批量（市場份額達99%）應(yīng)用。

本任務(wù)要求學生從三相異步電機、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和工作原理等方面認識驅(qū)動電機，知識與技能要求如表所示。

驅(qū)動電機有直流電機、三相異步電機、永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機等類型。其中，直流電機成本低、易控制、調(diào)速性能好，但結(jié)構(gòu)復雜、轉(zhuǎn)速低、體積大、維護頻繁，目前在純電動汽車中已很少應(yīng)用。三相異步電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低、轉(zhuǎn)矩脈動低、噪聲低、知識與技能要求

想一想

驅(qū)動電機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能，為車輛行駛提供驅(qū)動力的電氣裝置，該裝置也可具備將機械能轉(zhuǎn)換成電能的功能。純電動汽車在不同的歷史時期采用了不同的驅(qū)動電機，最早是采用了控制性能好、成本較低的直流電機。隨著電子技術(shù)、機械制造技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，異步電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機顯示出比直流電機更加優(yōu)越的性能，這些驅(qū)動電機逐步取代了直流電機。任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機

交流電機可分為同步電機和異步電機兩大類。異步電機又稱感應(yīng)電機，是通過氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種交流電機。

異步電機的種類很多，常按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和定子繞組相數(shù)進行分類。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，異步電機可分為籠型異步電機和繞線型異步電機；按定子繞組相數(shù)的不同，異步電機可分為單相異步電機、三相異步電機和多相異步電機。其中，籠型三相異步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、結(jié)構(gòu)堅固、維修方便等特點，曾廣泛用于純電動汽車中。3.1.1

三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機1．三相異步電機的結(jié)構(gòu)

雖然三相異步電機的種類很多，但結(jié)構(gòu)基本相同，都是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙。如圖所示為三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)。三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機1）定子定子部分包含機座、定子鐵芯、定子繞組等，主要用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。其中，機座的主要作用是固定定子鐵芯和定子繞組。定子鐵芯一般由0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，裝在機座內(nèi)，是三相異步電機的磁路部分。定子鐵芯的內(nèi)圓上沖有均勻分布的凹槽，用于嵌放定子繞組，如圖所示。三相異步電機的定子鐵芯3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機1）定子定子繞組是三相異步電機的電路部分。定子繞組嵌放在定子鐵芯的凹槽內(nèi)，為其通入三相對稱電流，就可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定子繞組的線圈由絕緣銅導線或者絕緣鋁導線繞制而成，中小型三相異步電機的定子繞組一般采用圓漆包線，大中型三相異步電機的定子繞組則采用橫截面積較大的扁銅線。

三相異步電機的三相定子繞組是相互獨立的，各相繞組之間的空間電角度為120°，其結(jié)構(gòu)完全對稱，一般有六個出線端，即U1、U2、V1、V2、W1、W2，出線端均接在接線盒內(nèi)。如圖3-3所示，三相異步電機的定子繞組可以接成星形（Y）或三角形（△）。3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機1）定子

作用是通過電刷與換向器表面的接觸，使轉(zhuǎn)動部分的電樞繞組與外電路接通，將直流電壓、電流引出或引入電樞繞組。三相異步電機定子繞組的連接方式3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2）轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成，是電機的旋轉(zhuǎn)部件。

轉(zhuǎn)子鐵芯一般由0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，是三相異步電機的磁路部分，其外圓上也均勻分布著槽孔，用來安放轉(zhuǎn)子繞組。一般小型異步電機的轉(zhuǎn)子鐵芯直接套壓在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電機的轉(zhuǎn)子鐵芯先套壓在轉(zhuǎn)子支架上，然后再套裝在轉(zhuǎn)軸上。

轉(zhuǎn)子繞組可以切割定子旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電壓及感應(yīng)電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電機旋轉(zhuǎn)。根據(jù)繞組形式的不同，轉(zhuǎn)子繞組可分為籠型轉(zhuǎn)子繞組和繞線型轉(zhuǎn)子繞組兩種，籠型三相異步電機和繞線型三相異步電機的命名便由此而來。3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2.三相異步電機的工作原理如圖3-4所示為三相異步電機的工作原理。三相異步電機的三相定子繞組通入三相交流電后將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的方向由右手定則來確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路，因此轉(zhuǎn)子中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，感應(yīng)電流的方向與感應(yīng)電壓的方向相同，而載流的轉(zhuǎn)子繞組在定子旋轉(zhuǎn)磁場的作用下產(chǎn)生電磁力，電磁力的方向可用左手定則來確定。電磁力使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同。三相異步電機的工作原理3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2.三相異步電機的工作原理三相異步電機的工作原理三相異步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不等于同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速），這是三相異步電機的主要特點。如果轉(zhuǎn)軸上帶有機械負載，則負載將被拖動旋轉(zhuǎn)。當負載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也隨之發(fā)生變化，使轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)變化，以適應(yīng)負載的需要。因此，三相異步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是隨負載的變化而變化的。3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2.三相異步電機的工作原理

三相異步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間存在轉(zhuǎn)速差，它的大小決定著轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓及其頻率的大小，直接影響三相異步電機的工作狀態(tài)。通常將轉(zhuǎn)速差與同步轉(zhuǎn)速的比值用轉(zhuǎn)差率s表示，即式中：n1——同步轉(zhuǎn)速；n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)差率是三相異步電機運行時的一個重要物理量。三相異步電機轉(zhuǎn)差率的取值范圍為0<s<1，在額定運行條件下一般為0.01～0.06。3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機3.純電動汽車用三相異步電機的性能特點

純電動汽車用三相異步電機主要具有以下特點。（1）小型輕量化。（2）易實現(xiàn)轉(zhuǎn)速超過1000r/min的高速旋轉(zhuǎn)。（3）高速低轉(zhuǎn)矩時運行效率高。（4）低速時有高轉(zhuǎn)矩，并有寬泛的速度控制范圍。（5）可靠性高（結(jié)構(gòu)堅固）。（6）制造成本低。（7）控制裝置相對簡單。3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機三相異步電機成本低且可靠性高，即使純電動汽車的逆變器產(chǎn)生短路，三相異步電機的定子繞組也不會產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，不會使車輛出現(xiàn)急速停車的現(xiàn)象。因此，三相異步電機廣泛應(yīng)用于大型高速純電動汽車中。三相異步電機可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高，對環(huán)境的適應(yīng)性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回收。3.

純電動汽車用三相異步電機的性能特點3.1.1三相異步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機

在各類驅(qū)動電機中，永磁同步電機具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性、較低的振動噪聲等特點。通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)，可使永磁同步電機獲得較高的弱磁性能，具有較高的應(yīng)用價值。因此，永磁同步電機得到了各大汽車企業(yè)的高度重視。

永磁同步電機可分為單相永磁同步電機、三相永磁同步電機等類型，目前國內(nèi)純電動汽車市場普遍采用三相永磁同步電機。

3.1.2永磁同步電機

任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機1.永磁同步電機的結(jié)構(gòu)

下面以三相永磁同步電機為例進行介紹。三相永磁同步電機具有三相定子繞組和帶有永磁體的轉(zhuǎn)子，可在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證感應(yīng)電壓的波形為正弦波。為了對磁場進行定向控制，輸入到定子繞組的電壓和電流也應(yīng)為正弦波。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步電機可分為內(nèi)置式永磁同步電機和外置式永磁同步電機。3.1.2永磁同步電機

任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機1）內(nèi)置式永磁同步電機

按永磁體磁化方向的不同，內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為徑向式、切向式和混合式三種類型，如圖所示。由于內(nèi)置式永磁同步電機在轉(zhuǎn)子內(nèi)部嵌入永磁體，因此轉(zhuǎn)子具有凸極特性。3.1.2永磁同步電機

內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2）外置式永磁同步電機

根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子鐵芯上的布置形式，外置式永磁同步電機可分為面貼式和嵌入式兩種類型，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖所示。

3.1.2永磁同步電機

外置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2）外置式永磁同步電機

面貼式永磁同步電機轉(zhuǎn)子上的永磁體一般為瓦片形，通過合成膠黏附在轉(zhuǎn)子鐵芯表面。在功率稍大的面貼式永磁同步電機中，可在永磁體與氣隙之間通過無緯玻璃絲帶對永磁體進行捆綁保護，以防止永磁體因轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動而脫落。

嵌入式永磁同步電機的永磁體嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯中，兩個永磁體之間的鐵芯成為鐵磁介質(zhì)突出的部分。

3.1.2永磁同步電機

任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2）外置式永磁同步電機

由于永磁體的相對磁導率接近真空磁導率（μ=1.0），且在面貼式永磁同步電機中，等效氣隙基本均勻，因此面貼式永磁同步電機的交、直軸電感基本相同，是一種隱極式同步電機。嵌入式永磁同步電機在交軸方向上的氣隙比直軸的小，交軸的電感也比直軸的大，是一種凸極式永磁同步電機。相對而言，由于永磁體的存在，面貼式永磁同步電機定子和轉(zhuǎn)子之間的有效氣隙較大，因此定子繞組的電感較小。3.1.2永磁同步電機

任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機3.1.2永磁同步電機

外置式永磁同步電機比內(nèi)置式永磁同步電機結(jié)構(gòu)簡單，且具有制造容易、成本低廉的優(yōu)點，因此在工業(yè)上應(yīng)用較多。面貼式永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最為簡單，與嵌入式永磁同步電機相比，它提高了轉(zhuǎn)子表面的平均磁通密度，可以得到更大的電磁轉(zhuǎn)矩。任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2.永磁同步電機的性能特點

永磁同步電機的功率因數(shù)大、效率高、功率密度大，是一種比較理想的驅(qū)動電機。目前，永磁同步電機的相關(guān)理論還不如異步電機完善，還有許多問題需要進一步研究，這主要體現(xiàn)在以下兩個方面。（1）低速效率

永磁同步電機低速運行時的效率較低，如何通過設(shè)計來減小低速運行時的定子電流，提升效率，是目前研究的主要方向之一。3.1.2永磁同步電機

任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2.永磁同步電機的性能特點

（2）弱磁能力

永磁同步電機的轉(zhuǎn)子采用永磁體勵磁，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，定子繞組的輸入電壓會逐漸達到逆變器所能輸出的電壓極限，這時要想繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，只有靠調(diào)節(jié)定子電流的大小和相位、增加直軸去磁電流來等效弱磁控制。永磁同步電機的弱磁能力主要與直軸電抗和感應(yīng)電壓有關(guān)，但永磁體串聯(lián)在直軸磁路中，因此直軸磁路的磁阻一般較大，弱磁能力較小，且當感應(yīng)電壓較大時，永磁同步電機的最高轉(zhuǎn)速也會降低。3.1.2永磁同步電機

任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2.永磁同步電機的性能特點

（2）弱磁能力

由于永磁同步電機的轉(zhuǎn)子上無繞組、無銅耗、磁通量小，在低負荷時鐵損很小，因此，永磁同步電機具有較高的“功率質(zhì)量比”，比其他類型的驅(qū)動電機有更大的輸出轉(zhuǎn)矩。此外，其轉(zhuǎn)子的電磁時間常數(shù)較小，因此，永磁同步電機的動態(tài)特性好，極限轉(zhuǎn)速和制動性能等都優(yōu)于其他類型的驅(qū)動電機。永磁同步電機的定子繞組是主要的發(fā)熱源，其冷卻系統(tǒng)相對比較簡單。3.1.2永磁同步電機

任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機2.永磁同步電機的性能特點

（2）弱磁能力

在純電動汽車上，一般要求驅(qū)動電機的輸出功率保持恒定，即驅(qū)動電機輸出功率不隨轉(zhuǎn)速的增加而變化，這就要求在驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速增加時電壓保持恒定。永磁同步電機磁場的磁通量調(diào)節(jié)比較困難，因此需要采用磁場控制技術(shù)來實現(xiàn)。這使得永磁同步電機的控制系統(tǒng)變得更復雜，而且成本更高。3.1.2永磁同步電機

任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機3.永磁同步電機的驅(qū)動特性

永磁同步電機的驅(qū)動特性如圖所示。3.1.2永磁同步電機

永磁同步電機的驅(qū)動特性任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機3.永磁同步電機的驅(qū)動特性

由于永磁同步電機的磁場可產(chǎn)生恒定的磁通量，因此永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩T與電流成正比。從圖3-7中可以看出，永磁同步電機的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長，一直延伸到電機最高轉(zhuǎn)速的50%處左右，這對提高車輛的低速動力性能有很大幫助。永磁同步電機的最高轉(zhuǎn)速較高，能達到10000r/min。永磁同步電機功率密度高、調(diào)速性能好，在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行效率高（90%～95%），是理想的純電動汽車驅(qū)動電機類型。隨著稀土永磁材料的開發(fā)和應(yīng)用，永磁同步電機的性能較以前有了很大的提升，是目前最有發(fā)展前景的驅(qū)動電機之一。3.1.2永磁同步電機

課堂總結(jié)三相異步電機永磁同步電機任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機課后作業(yè)（1）簡述三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)。（2）簡述永磁同步電機的基本結(jié)構(gòu)。

任務(wù)3.1

認識驅(qū)動電機認識電機控制系統(tǒng)3.2動力電池及管理技術(shù)項目3任務(wù)導入或轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)。這些功能都是由電機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

MCU是電機控制系統(tǒng)的核心設(shè)備。作為MCU的功率模塊，絕緣柵雙極型晶體管（insulated-gatebipolartransistor，IGBT）曾長期被國外企業(yè)壟斷。近年來在相關(guān)政策的大力支持下，我國已形成較為完整的IGBT產(chǎn)業(yè)鏈，推動MCU實現(xiàn)了整體國產(chǎn)化。純電動汽車普遍采用的永磁同步電機使用的是交流電，而動力蓄電池提供的是直流電，因此需要將直流電轉(zhuǎn)變成交流電；而驅(qū)動電機的啟動、加減速、制動等均需要通過控制驅(qū)動電機的輸出功率知識與技能要求想一想

本任務(wù)要求學生從電機控制系統(tǒng)的基本功能、控制策略及MCU的結(jié)構(gòu)特點等方面認識電機控制系統(tǒng)，知識與技能要求如表3-4所示。任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)電機控制系統(tǒng)是驅(qū)動電機系統(tǒng)的控制單元，其核心設(shè)備為MCU，如圖所示。3.2.1電機控制系統(tǒng)的基本功能MCU任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)電機控制系統(tǒng)一般具有總線通信、功率調(diào)節(jié)、能量回饋、高壓互鎖、過電流保護、過載保護、欠電壓保護、過電壓保護、缺相保護、故障診斷等功能，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。3.2.1電機控制系統(tǒng)的基本功能（1）采集擋位信號及加速踏板位置信號和制動踏板位置信號。（2）通過CAN總線與VCU、組合儀表、BMS等進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、指令接收等功能。任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.1電機控制系統(tǒng)的基本功能（3）控制驅(qū)動電機的啟動、運行、加減速等。（4）調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的輸出功率，同時對驅(qū)動電機進行各種電氣保護。（5）實現(xiàn)制動能量回收。（6）控制防溜車系統(tǒng)。（7）防止驅(qū)動電機出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象，防止功率模塊受損。（8）檢測和處理系統(tǒng)內(nèi)部故障。任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)

在純電動汽車行駛過程中，駕駛員可根據(jù)實際行駛工況的需要，通過操作加速踏板、制動踏板、減速器操縱桿來控制車速。在不考慮換擋的情況下，加速踏板、制動踏板的位置信號就代表了駕駛員的指令，VCU通過這些信號來判斷駕駛員的駕駛意圖，并將其轉(zhuǎn)換成各種控制信號發(fā)送至電機控制系統(tǒng)。電機控制系統(tǒng)從VCU獲得整車的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求，從動力蓄電池獲得電能，經(jīng)過自身逆變器的調(diào)制，輸出驅(qū)動電機需要的電流和電壓，使得驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩滿足整車的要求。3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)

因此，純電動汽車實際上是通過駕駛員、動力蓄電池系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機等實現(xiàn)對車速的閉環(huán)控制的。電機控制系統(tǒng)的控制策略如圖所示。3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略電機控制系統(tǒng)的控制策略任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)電機控制系統(tǒng)的控制策略有以下幾種形式。3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略開環(huán)控制車速-電流雙閉環(huán)控制電流閉環(huán)控制車速閉環(huán)控制任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略開環(huán)控制：是利用加速踏板位置信號，通過MCU輸入PWM占空比信號，來對驅(qū)動電機進行控制的。其特點是線路簡單、成本低，但是當動力蓄電池電壓參數(shù)發(fā)生變化時，電機控制系統(tǒng)沒有自動調(diào)節(jié)能力，驅(qū)動電機系統(tǒng)的抗干擾能力差，車輛的起步、加速等動力性能不高。電流閉環(huán)控制：是利用加速踏板位置信號來控制驅(qū)動電機定子繞組的電流，從而控制驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩的。電流閉環(huán)控制的主要特點是響應(yīng)時間短、控制準確，且具有自動調(diào)節(jié)能力，但是此控制策略容易出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，可能導致驅(qū)動電機或MCU損壞。任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略車速閉環(huán)控制：是直接根據(jù)速度偏差計算驅(qū)動電機所需的電壓，進而對驅(qū)動電機的輸入電壓進行控制，以此來控制驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩的，因此不能對驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行精確控制。車速-電流雙閉環(huán)控制：具有良好的動態(tài)性能，可將加速踏板位置信號直接與駕駛員的期望車速關(guān)聯(lián)，車輛的起步、加速等動力性能表現(xiàn)較好。任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)動力蓄電池系統(tǒng)中采用了再生制動器，它可通過驅(qū)動電機的發(fā)電功能，將車輛在制動減速時多余的機械能轉(zhuǎn)換成電能儲存至動力蓄電池中，以增大車輛的續(xù)駛里程。電機控制系統(tǒng)在制動時與制動器同時控制再生制動器，將原來在減速中作為摩擦熱散失的機械能回收利用。車輛在利用車輪的旋轉(zhuǎn)帶動驅(qū)動電機發(fā)電的同時，還可利用發(fā)電時的電磁阻力進行輔助制動。3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略

在城市道路上行駛時，反復進行的調(diào)速制動操作具有較高的能量回收效果，因此車輛在低速運行時優(yōu)先使用再生制動器。據(jù)統(tǒng)計，在城市道路上行駛100km，可回收的能量等同于燃燒1L汽油所獲得的能量。任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)MCU主要由中央控制模塊、功率模塊、驅(qū)動控制模塊及各種傳感器組成。3.2.3MCU的基本結(jié)構(gòu)1.中央控制模塊

中央控制模塊一般包括PWM波形生成電路、復位電路、傳感器信號處理電路、交互電路等，如圖所示。對外，中央控制模塊通過對外接口，接收整車上其他控制單元的指令和狀態(tài)信息；對內(nèi)，中央控制模塊將接收到的指令和狀態(tài)信息傳遞給逆變器驅(qū)動電路，并檢測控制效果。

中央控制模塊掃

一

掃

電機控制器任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.3

MCU的基本結(jié)構(gòu)2.功率模塊

MCU的主體是一臺逆變器，它是通過功率模塊對驅(qū)動電機的電流、電壓進行控制的。功率模塊經(jīng)常選用的功率器件主要有金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等，其中以IGBT應(yīng)用最為廣泛。比亞迪車規(guī)級IGBT模塊如圖所示。比亞迪車規(guī)級IGBT模塊

任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.3

MCU的基本結(jié)構(gòu)

在功率半導體方面，我國曾長期依賴國外進口產(chǎn)品。以IGBT為例，在2017年之前，車規(guī)級IGBT幾乎100%依賴進口，絕大部分市場份額由外資占據(jù)。2018年，全新一代車規(guī)級IGBT標桿性產(chǎn)品——比亞迪IGBT4.0問世，一舉打破了IGBT市場完全被外資芯片巨頭壟斷的現(xiàn)狀。

任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.3

MCU的基本結(jié)構(gòu)3.驅(qū)動控制模塊

驅(qū)動控制模塊用于將中央控制模塊的指令轉(zhuǎn)換成對逆變器中晶體管的通斷指令；同時，它可作為保護裝置，對系統(tǒng)的電壓、電流等進行檢測，防止出現(xiàn)過電壓、過電流現(xiàn)象。

任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.3

MCU的基本結(jié)構(gòu)4.傳感器

電機控制系統(tǒng)所用的傳感器主要包括電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器等，可根據(jù)設(shè)計要求適當增減。電流傳感器：用以檢測驅(qū)動電機的工作電流（包括直流母線電流、三相交流電流等）電壓傳感器：用以檢測MCU的工作電壓（包括動力蓄電池電壓、低壓蓄電池電壓）溫度傳感器：用以檢測驅(qū)動電機系統(tǒng)的工作溫度（包括IGBT模塊的溫度、驅(qū)動電機的溫度等）。

任務(wù)3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.4多合一電驅(qū)動系統(tǒng)最初，純電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)是不存在集成式設(shè)計的，其驅(qū)動電機、MCU、減速