中職教育《新能源汽車技術(shù)》第二課件第6章電動汽車變頻器

第六章活塞連桿組故障診斷與修復(fù)

電動汽車變頻器

第一節(jié)

活塞連桿組故障診斷與修復(fù)汽車變頻器簡介

整流和逆變是一個互逆的過程。整流是把交流變成直流的裝置。整流器種類有單管單相半波整流器、四管單相全橋整流器、六管三相全橋整流器。逆變器是把直流變成交流的裝置。種類有單管單相逆變器、四管單相全橋逆變器、六管三相全橋逆變器。電動汽車電動機為三相全橋逆變器，按導通控制分為兩兩導通和三三導通兩種。工業(yè)變頻器是將三相或單相交流電先經(jīng)整流橋整流成直流，再經(jīng)逆變橋轉(zhuǎn)成交流。電動汽車電源本身就為直流，所以，僅是一個逆變過程，不過人們習慣也講逆變器稱為變頻器。1、變頻器

1、汽車變頻器的組成和功能1）電容器逆變橋的直流輸入端并聯(lián)有大容量的電容器，可以在放電階段提供儲能器的作用，由于直流放電電容沒有內(nèi)阻，可使電動機加速更快。在充電階段，可減小大電流對蓄電池的負面作用，還有濾波效果。2）變頻器控制單元變頻器控制單元接收來自純電動汽車整車控制單元或混合動力汽車控制單元通過CAN總線發(fā)送過來的電動機轉(zhuǎn)矩需求信號，根據(jù)電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號、電動機轉(zhuǎn)子位置信號和三相電動機各相電流信號產(chǎn)生驅(qū)動逆變橋驅(qū)動單元的定時弱信號。2、變頻器內(nèi)元件

1、汽車變頻器的組成和功能2）變頻器控制單元變頻器控制單元的核心是數(shù)字信號處理器（DataSignalProcessor，DSP），作用是從混合動力控制單元（HV-ECU）或純電動汽車控制單元（EV-ECU）接收發(fā)送過來的轉(zhuǎn)矩信號，數(shù)字信號處理器（DSP）根據(jù)汽車電動機反饋的轉(zhuǎn)速和相電流信號，輸出控制電動機達到控制目標的控制脈沖來驅(qū)動智能逆變橋（IPM）。如圖6-1所示為一汽B50EV純電動汽車逆變器總成圖。2、變頻器內(nèi)元件圖6-1一汽B50EV純電動汽車逆變器總成

1、汽車變頻器的組成和功能3）逆變橋驅(qū)動單元圖6-2所示為驅(qū)動單元和逆變橋。接收來自變頻器控制單元的定時弱信號，將這個信號轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動逆變橋的15V正脈沖，或5~10V負脈沖。2、變頻器內(nèi)元件圖6-2驅(qū)動單元和逆變橋

1、汽車變頻器的組成和功能4）逆變橋單元圖6-3所示為驅(qū)動單元和雙單元IGBT模塊。逆變橋單元由三個雙單元IGBT模塊組成，它把直流變成三相交流，給三相永磁直流無刷電動機供電。若逆變橋出現(xiàn)故障，如欠電壓保護、過電壓保護、過電流保護、過溫保護、短路保護信號時，IPM通過串行故障輸出端口傳送給逆變器控制器。2、變頻器內(nèi)元件圖6-3驅(qū)動單元和雙單元IGBT模塊

2、汽車上變頻器的組成和功能（1）DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。為了降低成本，同時提高蓄電池組的可靠性，設(shè)計上通常要減少蓄電池串聯(lián)的數(shù)目，導致蓄電池總電壓降低，電動機效率下降。為了提高電動機的效率，通常要采用升壓DC/DC將低電壓升壓為高電壓，再經(jīng)逆變器把高壓直流變成三相交流電。（2）DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器?；旌蟿恿ζ嚮蚣冸妱悠囉捎跊]有12V發(fā)電機，因此，需要通過DC/DC將蓄電池由高壓等級降壓為12V等級為12V鉛酸蓄電池充電，12V蓄電池為全車電氣系統(tǒng)供電。降壓DC/DC的功率元件為了共用散熱器裝在驅(qū)動電動機的逆變器內(nèi)部。也有汽車將降壓DC/DC的功率元件布置在逆變器外部，這樣的冷卻系統(tǒng)是將逆變器、電動機、DC/DC、電動冷卻液循環(huán)泵和散熱器等串聯(lián)。2、變頻器內(nèi)元件

2、汽車上變頻器的組成和功能（3）電動空調(diào)壓縮機變頻器。電動汽車空調(diào)壓縮機采用電動機驅(qū)動，一般直接用高壓蓄電池電壓，不用再像驅(qū)動電動機那樣升壓。電動空調(diào)壓縮機變頻器如圖6-4所示。（4）電動轉(zhuǎn)向機變頻器。汽車上的12V變頻器有電動轉(zhuǎn)向機電動機采用的變頻器，因電動轉(zhuǎn)向機電動機功率較小，所以變頻器的逆變橋和控制單元體積都較小。以后的36V（也稱42V）系統(tǒng)可能會代替12V給電動轉(zhuǎn)向機供電。2、變頻器內(nèi)元件圖6-4電動空調(diào)壓縮機變頻器

圖6-5所示為第二代豐田普銳斯變頻器控制單元和逆變橋，逆變電路主要由智能功率模塊（IPM）構(gòu)成的逆變橋組成，IPM內(nèi)部的核心是電動汽車換流的絕緣柵雙極型晶體管，也稱IGBT。逆變器總成內(nèi)升壓DC/DC和兩套逆變器擔負著向MG1和MG2電動機提供交流電的功能?！P(guān)于本圖的細節(jié)講解請參考趙振寧編著《混合動力汽車構(gòu)造、原理與檢修》。空調(diào)壓縮機逆變器和降壓DC/DC分別隸屬空調(diào)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。逆變器U、V、W三相輸出中的V、W相設(shè)計有霍爾電流傳感器，在電動機系統(tǒng)檢修中霍爾電流傳感器已講過。3、豐田普銳斯變頻器圖6-5第二代普銳斯變頻器控制單元和逆變橋

圖6-6所示為第三代豐田普銳斯逆變器MG1、MG2電動機的變頻器。圖6-7所示為豐田普銳斯變頻器下面的直流/直流轉(zhuǎn)換器。圖6-8所示為第二代豐田普銳斯逆變器總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。3、豐田普銳斯變頻器圖6-6第三代豐田普銳斯變頻器控制單元和逆變橋

3、豐田普銳斯變頻器圖6-7第三代豐田普銳斯直流/直流轉(zhuǎn)換器

3、豐田普銳斯變頻器圖6-8第二代豐田普銳斯逆變器總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

比亞迪E6純電動MPV車型采用多功能變頻器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖6-9所示，圖中除電動機和充電口外的結(jié)構(gòu)為比亞迪E6電動汽車變頻器原理圖，其功能如下：（1）實現(xiàn)直流變?nèi)嘟涣饕则?qū)動電動機。（2）實現(xiàn)將外界的單相或三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電給蓄電池充電。（3）實現(xiàn)將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流電為充電口的交流用電設(shè)備供電，起移動充電站的作用。圖中RS1~RS14為繼電器開關(guān)（RelaySwitch），RD為蓄電池給變頻器供電的繼電器，RC為蓄電池充電繼電器。4、比亞迪E6電動汽車變頻器

4、比亞迪E6電動汽車變頻器圖6-9比亞迪E6電動汽車變頻器

第二節(jié)

活塞連桿組故障診斷與修復(fù)

電動機和逆變器冷卻系統(tǒng)

電動汽車冷卻技術(shù)是車輛輔助系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，是動力、傳動裝置正常工作的重要技術(shù)保證，其技術(shù)水平及實車工況狀態(tài)如何，將直接影響車輛性能指標的實現(xiàn)。電動汽車的性能特別是高溫環(huán)境下的最大速度、最大爬坡度在很大程度上取決于冷卻系統(tǒng)的熱負荷特性。

1、電動機生熱汽車電動機的工作電流大，銅線因電阻生熱多，加之變化的電流產(chǎn)生的磁場會在定子硅鋼片內(nèi)和轉(zhuǎn)子硅鋼片內(nèi)感應(yīng)出電流生熱，所以應(yīng)合理控制溫度，否則，會出現(xiàn)絕緣下降、電動機退磁和效率降低，要采用專門的冷卻介質(zhì)，一般采用油或防凍液作為冷卻液。如圖6-10所示，汽車感應(yīng)電動機冷卻液流向是先由定子、轉(zhuǎn)子中心再回到定子。1、熱量的產(chǎn)生圖6-10汽車電動機冷卻液流向

2、逆變橋生熱電動汽車的電動機逆變器和電動機在工作中會有大量的熱產(chǎn)生，特別是逆變器內(nèi)的IGBT模塊生熱和熱集中情況嚴重。例如：某電動機和電動機驅(qū)動器一體化系統(tǒng)，電動機額定輸出功率為24kW，電動機最大輸出功率為60kW，電動機驅(qū)動器額定輸入電壓為312V，電動機驅(qū)動器額定母線電流為86A，最大母線電流為236A。在電動機額定輸出功率下，電動機驅(qū)動器發(fā)熱損耗約為1.0kW，電動機發(fā)熱損耗約為1.53kW，因而電動機和電動機驅(qū)動器在額定輸出功率下的總功耗為2.53kW，這個功率是很大的，對于升高冷卻液溫度是很快的，所以應(yīng)盡快散熱，防止溫升。電動機驅(qū)動系統(tǒng)的功率限制因素。整個機電系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換以串聯(lián)的形式實現(xiàn)，所以系統(tǒng)功率由轉(zhuǎn)換過程中功率最小的環(huán)節(jié)決定，電池功率由電池的電壓和電流能力決定，逆變器的功率由功率半導體器件（IGBT或MOSFET）的電壓和電流能力以及散熱能力決定，電動機的功率由電動機和散熱能力決定。1、熱量的產(chǎn)生

3、DC/DC轉(zhuǎn)換器生熱除了電動機逆變器和牽引電動機外，還有小功率的DC-DC變換器或DC-AC逆變器。逆變器產(chǎn)生的交流電用來驅(qū)動空調(diào)壓縮泵電動機?？刂蒲b置一般允許最高溫度為60～70℃，而最佳工作環(huán)境溫度在40～50℃。周圍環(huán)境的溫度較高時，很容易達到其上限溫度，所以，必須采取專門的冷卻裝置，對其溫度進行控制。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)可稱為第一冷卻系統(tǒng)，而由逆變器、電動機或DC/DC等組成的冷卻系統(tǒng)可稱第二冷卻系統(tǒng)。1、熱量的產(chǎn)生

3、DC/DC轉(zhuǎn)換器生熱對于客車，沒有空間上的要求，冷卻較簡單。對于轎車，空間是電動車的一個重要問題，所以要有一套完整的散熱機構(gòu)，從熱交換材料、結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)、電控風扇和水泵電動機。另外，冷卻控制方法上轎車要比客車設(shè)計復(fù)雜和精確得多。目前已經(jīng)生產(chǎn)的電動汽車中電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的冷卻方式主要有強迫風冷和液冷兩種。液冷效果較好，其中，油冷的相對冷卻能力為強迫風冷的20倍以上，水冷的冷卻能力為強迫風冷的50倍以上，采用液冷系統(tǒng)的電動機和電動機驅(qū)動系統(tǒng)是適合于電動汽車冷卻的必然趨勢。1、熱量的產(chǎn)生

圖6-11所示為豐田普銳斯第二冷卻系統(tǒng)。PRIUS冷卻系統(tǒng)用于逆變器總成（豐田稱變頻器總成）、MG1和MG2。采用了配備有電動水循環(huán)泵的冷卻系統(tǒng)。電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換為IG（點火）時此冷卻系統(tǒng)工作。冷卻系統(tǒng)的散熱器集成在發(fā)動機的散熱器中。這樣，散熱器的結(jié)構(gòu)得到簡化，空間也得到有效利用。2、逆變器、電動機串聯(lián)冷卻系統(tǒng)圖6-11豐田混合動力功率系統(tǒng)的冷卻

圖6-12所示為奧迪Q5混合動力汽車冷卻系統(tǒng)，為了冷卻電驅(qū)動裝置的功率和控制裝置JX1中的逆變橋，增設(shè)一個低溫冷卻循環(huán)回路。在冷卻液循環(huán)和溫度管理方面引入了發(fā)動機控制系統(tǒng)MED.17.1.1，它有三個處理器，可以實現(xiàn)創(chuàng)新溫度管理。使用這種控制單元的目的是通過改進車輛熱平衡，來進一步降低油耗和CO2排放。3、發(fā)動機、逆變器和電動機冷卻系統(tǒng)

3、發(fā)動機、逆變器和電動機冷卻系統(tǒng)

圖6-12奧迪Q5混合動力汽車冷卻系統(tǒng)F265-特性曲線控制的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器②(開啟溫度95℃)；G62-冷卻液溫度傳感器；J293-散熱器風扇控制單元②；J671-散熱器風扇控制單元2②；JX1電動機構(gòu)功率和控制裝置；N82-冷卻液截止閥②(在熱的一側(cè))；V51-冷卻液續(xù)動泵②；V141-電動機①；V467-高溫循環(huán)冷卻液泵②；V468-低溫循環(huán)冷卻液泵①注：①-由電驅(qū)動裝置的功率和控制電子裝置JX1來控制；②由發(fā)動機控制單元J623來控制；③由空調(diào)控制單元J255經(jīng)空調(diào)冷卻液截止閥N422來間接控制。

所謂改進熱平衡，是指將所有生熱部件和需要加熱部件連接，比如發(fā)動機和變速器上的溫度保持功能將能使發(fā)動機工作在效率最佳的范圍內(nèi)。AudiQ5hybridquattro車上的冷卻系統(tǒng)分為低溫循環(huán)和高溫循環(huán)兩部分。在發(fā)動機不工作時，冷卻液是由電動冷卻液泵來循環(huán)的。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)為高溫循環(huán)部分，組件包括暖風熱交換器、冷卻液截止閥N82、電動機V141、高溫循環(huán)冷卻液泵V467、冷卻液泵、廢氣渦輪增壓器、發(fā)動機機油冷卻器、冷卻液溫度傳感器G62、特性曲線控制的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器F265、冷卻液續(xù)動泵V51、高溫循環(huán)散熱器、變速器機油冷卻器。電動機驅(qū)動為低溫循環(huán)部分，組件包括：電驅(qū)動裝置的功率和控制裝置JX1、低溫循環(huán)冷卻液泵V468、低溫循環(huán)散熱器。3、發(fā)動機、逆變器和電動機冷卻系統(tǒng)

圖6-13所示為奔馳400混合動力汽車的冷卻系統(tǒng)管路。這種是DC/DC轉(zhuǎn)換器和電動機功率控制器分體時的冷卻，也稱串聯(lián)冷卻?；旌蟿恿ζ嚢l(fā)動機的冷卻和電動機冷卻可以設(shè)計在一起，但功率電子元件則必須選擇獨立冷卻或與電動機組成獨立冷卻系統(tǒng)。這種冷卻在儀表上不設(shè)計電動機的水溫表，而是用電動機溫度過高的符號表示。4、奔馳400混合動力功率系統(tǒng)的冷卻圖6-13奔馳400混合動力功率系統(tǒng)的冷卻管路

過去，豐田汽車的“普銳斯”及“皇冠Hybrid”等車型一直利用單面水冷冷卻PCU內(nèi)的功率半導體?；旌蟿恿嚴卓怂_斯LS600h的功率半導體從兩面進行冷卻，單面冷卻半導體元件流過200A，采用雙面冷卻后，可流過300A以上的電流。使單位體積的輸出功率比原來提高了60％。在相同的輸出功率情況下，體積則可比原來減小約30％，質(zhì)量減輕約20