新能源汽車驅動電機及控制系統(tǒng)檢修教案 學習情境 1：驅動電機的認知

學習情境1驅動電機的認知教案任務1認知新能源汽車驅動電機教學內容任務1認知新能源汽車驅動電機學習目標【知識目標】1)能描述電機術語和定義。2)能描述電動汽車電機驅動系統(tǒng)的組成。3)能描述電動汽車用驅動電機的分類。4)能描述電機的工作原理。【技能目標】1)能夠結合實物描述某款電動汽車電機的工作原理。2)能夠結合實物分辨出不同類型的電機驅動系統(tǒng)?！舅仞B(yǎng)目標】1)能夠在工作過程中與小組其他成員合作、交流，養(yǎng)成團隊合作意識，鍛煉溝通能力。2)養(yǎng)成7S的工作習慣。3)養(yǎng)成服從管理，規(guī)范作業(yè)的良好工作習慣。教學過程課程導入【任務描述】某客戶新買了一輛吉利帝豪EV450轎車，但該客戶缺乏對該車輛的了解。作為專業(yè)人員，你需要從電機術語和定義、電動汽車電機驅動系統(tǒng)的組成和電動汽車用驅動電機的分類等方面對客戶進行講解。【任務分析】作為專業(yè)人員，你應該掌握電機術語和定義、電動汽車電機驅動系統(tǒng)的組成和電動汽車用驅動電機的分類等方面的知識，能夠結合實物描述某款電動汽車電機的工作原理，并結合實物分辨出不同類型的電機驅動系統(tǒng)。相關知識1.1.1電機術語和定義1.驅動電機系統(tǒng)通過有效的控制策略將動力電池提供的直流電轉化為交流電，實現(xiàn)電機的正轉以及反轉控制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)在減速/制動時將電機發(fā)出的交流電轉化為直流電，將能量回收給動力蓄電池或者提供給超級電容等儲能設備供給二次制動使用。2.驅動電機將電能轉換成機械能為車輛行駛提供驅動力的電氣裝置，也可具備機械能轉化成電能的功能。3.驅動電機控制器控制動力電源與驅動電機之間能量傳輸?shù)难b置，由控制信號接口電路、驅動電機控制電路和驅動電路組成。4.直流母線電壓驅動電機系統(tǒng)的直流輸入電壓。5.額定電壓直流母線的標稱電壓。6.最高工作電壓直流母線電壓的最高值。7.輸入輸出特性驅動電機、驅動電機控制器或驅動電機系統(tǒng)的轉速、轉矩、功率、效率、電壓、電流等參數(shù)之間的關系。8.持續(xù)轉矩規(guī)定的最大、長期工作的轉矩。9.持續(xù)功率規(guī)定的最大、長期工作的功率。10.工作電壓范圍能夠正常工作的電壓范圍。11.轉矩-轉速特性一般是形容頻率的曲線，轉矩特性一般是確定電壓上升的曲線。12.峰值轉矩該電機可以達到并可以短時工作而不出現(xiàn)故障的最大轉矩值。13.堵轉轉矩當機械設備轉速為零(堵轉)時的力矩。14.最高工作轉速達到最高功率而呈現(xiàn)出來的最高速度。1.1.2電動汽車電機驅動系統(tǒng)的組成電機驅動系統(tǒng)是電動汽車和混合動力電動汽車的核心組成部分，其主要由電機、功率變換器、整車控制器和能源系統(tǒng)構成，其任務是在駕駛員的控制下，高效率地將蓄電池的電能轉化為驅動車輪的動能，或者在車輛制動時，將制動能量回收至蓄電池中。1.電機早期的電動汽車主要采用直流電機作為驅動電機，控制方法簡單易行，但是其缺點為換向器和電刷需要經(jīng)常維護，因而限制了其應用的范圍。2.功率變換器功率變換器根據(jù)所選的電機類型可分為直流直流(DC-DC)變換器和直流交流(DC-AC)變換器，其作用是根據(jù)整車控制器對電機輸出轉矩的要求，將蓄電池的電壓與電流轉換成控制電機所需的特定電壓和電流。3.整車控制器整車控制器根據(jù)駕駛員對車輛的控制，采集加速踏板、制動踏板的信號及各種檢測傳感器的反饋信號，通過運算、邏輯判斷等向電機控制器發(fā)出相應的指令，電機控制器通過控制功率變換器開關器件的狀態(tài)控制電機運行，進而控制車輛的前進、倒退、加速及制動等，使整個驅動系統(tǒng)有效運行。4.能源系統(tǒng)含體積和質量在內的車輛性能約束取決于車型、車重和載重量。能源系統(tǒng)則與蓄電池、燃料電池、超級電容器、飛輪及各種混合型能源相關聯(lián)。因此，電驅動系統(tǒng)的優(yōu)選特性和組件選擇過程必須在系統(tǒng)層面上實施，必須研究各子系統(tǒng)間的相互作用及系統(tǒng)權衡中可能的影響。1.1.3電動汽車用驅動電機的分類電機又稱馬達，是一種驅動性的電氣裝備，能夠把電能轉化為機械能，再使其轉化為動能。電動汽車驅動電機按照結構、工作原理及常用電源性質的不同，可分為直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機等。早期應用的直流電機雖易于控制，調速性能好，但由于存在換向裝置，可靠性較低，維修成本也較高。隨著交流變頻調速技術和機械制造技術的發(fā)展，交流異步電機、開關磁阻電機、各種永磁同步電機的優(yōu)勢逐漸凸顯,在電動汽車領域獲得了廣泛應用。1.1.4四種驅動電機的性能比較直流電機有著結構簡單、價格低廉、控制簡單、起動和調速性能好等優(yōu)點，早期電動汽車均采用直流電機作為動力源，目前直流電機是低速小型電動汽車的首選。同時，直流電機也有一些缺點。首先，其轉速范圍較窄，最高僅為6000r/min左右;其次，其功率密度和效率都不高，而且其尺寸、質量也相對較大，增加了整備質量。這些缺點都制約了直流電機在中大型電動汽車上的應用。交流電機是目前電動汽車領域運用最廣泛的電機，由于電子控制技術的迅速發(fā)展，交流電機曾經(jīng)的技術瓶頸都得到了突破，上汽集團的榮威eRX5、特斯拉公司的ModelS等中高端電動車均采用了交流電機。它具有質量和體積較小、調速范圍寬、響應迅速等優(yōu)點，但其所使用的交流電必須通過逆變器將電池輸出的直流電轉換為交流電，這加大了控制系統(tǒng)的復雜程度，提高了成本。開關磁阻電機目前還未得到廣泛應用，但其具有很大的開發(fā)潛力。開關磁阻電機不僅結構簡單、體積和質量小，而且調速范圍寬。但其控制系統(tǒng)復雜，而且在負載時會產(chǎn)生振動噪聲，負載效率不高。目前，這些問題還未得到很好的解決。永磁同步電機目前主要應用在高端電動汽車上，具有效率高、體積和質量小、調速范圍寬等優(yōu)點。其最大的特點是電機起動時電流沖擊小，電流隨負載變化小，從而提高了高端車型的乘坐舒適性。但其高昂的成本、復雜的控制系統(tǒng)也拉高了使用門檻。永磁無刷直流電機是一種利用單塊或多塊永磁體來構造磁場的直流電機，性能上接近恒定勵磁電流的他勵式直流電機，它的調速過程可以通過改變電樞電壓來實現(xiàn)。跟他勵式直流電機比較起來，其具有體積更小、效率更高、結構簡單等優(yōu)點，是小功率直流電機的主要類型，目前被廣泛應用于汽車、摩托車等領域。1.1.5電動汽車對驅動電機的要求1)過載能力強。為保證車輛具有較好的動力性，要求電機具有較好的轉矩過載和功率過載能力，峰值轉矩一般為額定轉矩的2倍以上，峰值功率一般為額定功率的1.5倍以上,且峰值轉矩和峰值功率的工作時間一般要求在5min以上。2)轉矩響應快。電動汽車驅動電機一般采用低速恒轉矩和高速恒功率的控制方式，要求轉矩響應快、波動小、穩(wěn)定性好。3)調速范圍寬。要求驅動電機具有較寬的調速范圍，最高轉速是基速的3倍以上，并且能夠四象限工作。4)功率密度高。為便于驅動電機及其控制系統(tǒng)在車輛上的安裝布置，要求系統(tǒng)具有很高的功率密度。5)可靠性高和具有一定的容錯運行能力。電動汽車的驅動電機應該能夠在惡劣環(huán)境下長期正常工作，同時還應具有機械強度高，抗震性好，耐溫、耐潮性能強，電磁兼容性好,易于維護等特性。6)能夠實現(xiàn)能量回饋。能量回饋性能的好壞對車輛的續(xù)駛里程、運行性能和能源利用率等有著重要的影響。電動汽車在減速或制動時對車輛的制動能量進行部分回收，使車輛具有更高的能量利用率。7)成本低。電動汽車要取得與燃油汽車競爭的優(yōu)勢，在滿足性能要求的前提下必須考慮降低各零部件的成本，而驅動電機成本的高低是決定電動汽車是否能夠產(chǎn)業(yè)化的一個重要因素。1.1.6電機的工作原理1.交流電機單相異步電機通過電容移相作用，將單相交流電分離出另一相相位差90°的交流電。將這兩相交流電分別送人兩組或四組電機繞組，就在電機內形成旋轉的磁場，旋轉磁場在電機轉子內產(chǎn)生感應電流，感應電流產(chǎn)生的磁場與旋轉磁場方向相反，被旋轉磁場推拉進人旋轉狀態(tài)，轉子必須切割磁力線才能產(chǎn)生感應電流，因此轉子轉速必須低于旋轉磁轉速，故稱異步電機。三相異步電機不必通過電容移相，本身就有相差120°的三相交流電，故產(chǎn)生的旋轉磁場更均勻，效率更高。永磁同步交流電機的磁場由永久磁鐵產(chǎn)生，轉子繞組通過電刷供電，轉速與交流電頻率為整倍數(shù)(分數(shù))關系(視轉子繞組數(shù)而定),故稱同步電機。轉子繞組通過電刷供電，定子通過繞組產(chǎn)生旋轉磁場的電機，按轉子繞組與定子繞組的串、并聯(lián)關系分別稱為串勵、并勵電機。2.直流電機直流電機由定子和轉子兩大部分組成，定子上有磁極(繞組式或永磁式),轉子上有繞組，通電后，轉子上形成磁場(磁極),定子和轉子的磁極之間有一個夾角，在定轉子磁場(N極和S極之間)的相可吸引使電機旋轉。改變電刷的位置，就可以改變定轉子磁極夾角(假設以定子的磁極為夾角起始邊，轉子的磁極為另一邊，由轉子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機的旋轉方向)的方向，從而改變電機的旋轉方向。1.1.7電機的結構1)永磁式直流電機由定子磁極、轉子、電刷、外殼等組成。2)無刷直流電機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。1.1.8電機故障的檢修1)電機的空載電流大。當電機的空載電流大于極限數(shù)據(jù)時，表明電機出現(xiàn)故障。電機空載電流大的原因有，電機內部機械摩擦大,繞組局部短路，磁鋼退磁。繼續(xù)做有關的測試與檢查項目，可以進一步判斷故障原因或故障部位。電機的空載1負載轉速比大于1.5，打開電源，使電機高速空載轉動10s以上。等電機轉速穩(wěn)定以后，測量此時電機的空載最高轉速。在標準測試條件下，行駛200m距離以上，開始測量電機的負載最高轉速。當電機的空載/負載轉速比大于1.5時，說明電機的磁鋼退磁已經(jīng)相當嚴重了，應該更換整個電機。2)電機發(fā)熱。電機發(fā)熱是由電流大引起的，在電動車的整車維修實踐中，處理電機發(fā)熱故障的方法一般是更換電機。3)電機在運行時內部有機械碰撞或機械噪聲。無論高速電機還是低速電機，在負載運行時都不應該出現(xiàn)機械碰撞或不連續(xù)不規(guī)則的機械噪聲。不同形式的電機可運用不同的方法進行維修。4)整車行駛里程縮短、電機乏力。續(xù)駛里程短與電機乏力(俗稱電機沒勁)的原因比較復雜。一般說來，當排除以上電機故障之后，整車續(xù)駛里程短的故障就不是由電機引起的了，而是和電池容量的衰減、充電器充不滿電、控制器參數(shù)漂移[脈寬調制信號沒有達到100%]等有關。5)無刷電機缺相。無刷電機缺相一般是由無刷電機的霍爾元件損壞引起的?？梢酝ㄟ^測量霍爾元件輸出引線相對霍爾地線和相對霍爾電源引線的電阻，用比較法判斷是哪個霍爾元件出現(xiàn)了故障。任務實施結合所學內容，補全表1-1-1中空白。結合所學內容，補全表1-1-2中空白。結合所學內容，補全圖1-1-1中空白。任務評價根據(jù)表1-1-3對本任務實施過程進行評價。

任務2認知電傳動系統(tǒng)的典型結構教學內容任務2認知鉛酸動力電池學習目標【知識目標】1)能描述混合動力汽車的驅動形式。2)能描述串聯(lián)式混合動力驅動單元。3)能描述并聯(lián)式混合動力驅動單元。4)能描述混聯(lián)式混合動力驅動單元?！炯寄苣繕恕?)能夠結合實物描述串聯(lián)式混合動力驅動單元。2)能夠結合實物分辨出混合動力汽車的驅動形式?！舅仞B(yǎng)目標】1）能夠在工作過程中與小組其他成員合作、交流，養(yǎng)成團隊合作意識，鍛煉溝通能力。2）養(yǎng)成7S的工作習慣。3）養(yǎng)成服從管理，規(guī)范作業(yè)的良好工作習慣。教學過程課程導入【任務描述】某客戶打算購買一輛新能源汽車，但該客戶缺乏對新能源汽車的了解。作為專業(yè)人員，你需要從混合動力汽車的驅動形式和純電動汽車的驅動形式等方面對客戶進行講解。【任務分析】作為專業(yè)人員，你應該掌握混合動力汽車的驅動形式、串聯(lián)式混合動力驅動單元和并聯(lián)式混合動力驅動單元等方面的知識，能夠結合實物描述串聯(lián)式混合動力驅動單元，能夠結合實物分辨出混合動力汽車的驅動形式。相關知識1.2.1混合動力汽車的驅動模式混合動力汽車是由兩種或兩種以上的動力來進行驅動的，當前大多數(shù)油電混合動力汽車主要由內燃機和電力兩種動力進行驅動。根據(jù)內燃機與電力之間連接方式的不同，可以將混合動力汽車分為串聯(lián)式混合動力、并聯(lián)式混合動力以及混聯(lián)式混合動力三種形式。1.2.2串聯(lián)式混合動力驅動單元1.驅動單元的主要結構形式Volt驅動單元內部設置有單級單排行星齒輪機構、2個電機和2個離合器。2.驅動單元運行模式①純電動單電機驅動模式②純電動雙電機驅動模式③內燃機運行電動驅動模式1.2.3并聯(lián)式混合動力驅動單元并聯(lián)式混合動力驅動單元是指車輛的驅動力由電機和發(fā)動機同時或單獨供給的混合動力汽車。其結構特點是并聯(lián)式驅動系統(tǒng)可以單獨使用發(fā)動機或電機作為動力源，也可以同時使用電機和發(fā)動機作為動力源驅動汽車行駛。本田Insight即采用這種形式的驅動單元。1.2.4混聯(lián)式混合動力驅動單元(1)車輛停止發(fā)動機被起動(2)車輛低負荷工況(3)車輛正常行駛工況1.2.5純電動汽車動力傳動系統(tǒng)布置方案1.傳統(tǒng)布置形式傳統(tǒng)布置形式是在傳統(tǒng)燃油汽車的布置形式上改造而來的，只是將油箱與發(fā)動機換成了電池組與電機，因此較容易實現(xiàn)，是早期電動汽車布置的常用形式。但是這種布置形式的傳動系統(tǒng)太長，導致傳動效率相對較低。由于電機良好的輸出特性，在某些車型上也可以用固定速比的減速器替代離合器和變速器結構，這樣可以減少整車質量，提高傳動效率。2.機電集成布置形式機電集成布置形式是在機械布置的基礎上將電機、減速器和差速器整合成一個整體的布置形式。這種布置形式結構緊湊，傳動系統(tǒng)有體積小、質量小、布置容易、傳動效率較高等優(yōu)點。3.機電一體化布置形式機電一體化布置形式最大的特點是取消了差速器，轉而使用兩個電機通.過減速器來分別驅動兩個車輪。由于每臺電機可以獨立進行控制，電動汽車更加靈活，有更好的操控性能。傳動系統(tǒng)的進一步簡化使質量、體積進一步減小，傳動效率也得到了進一步提升。但是由于增加了一個電機，成本上有所提高，并且對兩臺電機的精確控制也是一個挑戰(zhàn)。4.輪轂電機布置形式輪轂電機布置形式直接將電機裝載在驅動輪上，徹底取消了傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)，大大減少了占用空間。直接驅動車輪的驅動方式使其在傳動效率上有得天獨厚的優(yōu)勢，但該電機與傳統(tǒng)電機有著不同的結構，需要重新設計匹配，以滿足性能要求以及較小的安裝空間要求。由于該布置形式車輪轉速完全由電機決定，對電機控制器的控制精度有很高的要求，但緊湊高效的布置形式也是未來電動汽車的發(fā)展趨勢。1.2.6純電動汽車常用的電機驅動系統(tǒng)1.直流電機驅動系統(tǒng)直流電機驅動系統(tǒng)采用有刷直流電機，電機控制器一般采用斬波器控制方式。它具有成本低、易于平滑調速、控制器簡單、控制相對成熟等優(yōu)點。但由于需要電刷和換向器，結構復雜，運行