新能源汽車-課件模塊4新能源汽車電動機驅(qū)動與控制系統(tǒng)

模塊4新能源汽車電動機驅(qū)動與控制系統(tǒng)

知識目標（1）了解新能源汽車的電機驅(qū)動模塊特點；（2）掌握直流電機構(gòu)造、特點與控制方法；（3）掌握交流異步電機構(gòu)造、特點與控制方法；（4）掌握永磁同步電機構(gòu)造、特點與控制方法；（5）掌握開關(guān)磁阻電機構(gòu)造、特點與控制方法；（6）了解輪轂電機構(gòu)造、原理和特點。能力目標（1）能認識區(qū)別各類電機；（2）掌握電機驅(qū)動模塊常見故障及排除方法。任務(wù)1電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)概述任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)任務(wù)3電動機驅(qū)動模塊常見故障及排除學習內(nèi)容任務(wù)1電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)概述

電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件（電池、電機、電控）之一，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車具有環(huán)保、節(jié)約、簡單三大優(yōu)勢。在純電動汽車上體現(xiàn)尤為明顯：以電機代替燃油機，由電機驅(qū)動而無需自動變速箱，相對于自動變速箱，電機結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、運行可靠。任務(wù)1電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)概述

在混合動力汽車中，除了混合動力汽車所需的儲能系統(tǒng)外，電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)是最重要的系統(tǒng)，在電動汽車上，動力唯一來源于電力，電力驅(qū)動控制系統(tǒng)可以說是整車的心臟。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)如圖所示，主要由電機和控制器組成。電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖任務(wù)1電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)概述

電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，主要由電機和控制器組成，驅(qū)動電機如圖左一所示，控制器如圖右一所示，控制器是電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)核心部分?？刂破饔呻娏﹄娮悠骷ㄈ鏘GBT功率模塊）構(gòu)成的逆變器、逆變驅(qū)動器、電源模塊、中央控制模塊、信號檢測模塊、軟啟動模塊、保護模塊、機械結(jié)構(gòu)、散熱系等構(gòu)成?；旌蟿恿?包括插電式混合動力車)、純電動車和燃料電池車都要采用電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)。任務(wù)1電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)概述

在新能源汽車中，特別是混合動力汽車里，電機往往被安裝在有限的狹小空間內(nèi)。和傳統(tǒng)的工業(yè)電機相比，其工作環(huán)境不僅復(fù)雜多變，而且相當惡劣，具體有振動大、沖擊大、灰塵多、腐蝕嚴重、高溫、高濕且溫濕度變化大，因此，選用新能源汽車驅(qū)動電機應(yīng)符合下列要求：1.體積小、重量輕；2.低速大扭矩和寬范圍內(nèi)高速恒功率特性，即使沒有變速器，電機也應(yīng)滿足所需的扭矩要求；3.高可靠性要求，在任何情況下確保具有高度安全性；4.電動汽車驅(qū)動電機需要有4～5倍的過載以滿足短時加速或爬坡的要求；5.電機需要寬調(diào)速，要求在較寬的轉(zhuǎn)速范圍和扭矩范圍內(nèi)(在整個運行范圍內(nèi))都有較高的效率；任務(wù)1電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)概述

6.電機要求有高功率密度和體積密度，從而能夠降低車重，延長續(xù)駛里程；7.電機要求工作可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好；8.電機安裝空間小，且工作在高溫、惡劣天氣及頻繁振動等惡劣環(huán)境下，可靠性要求高；9.電機價格要合適，從而增強電動汽車的市場接受程度。另外，電動機的選用還要綜合考慮其控制系統(tǒng)的特點，能實現(xiàn)雙向控制，回收制動再生能量。

任務(wù)1電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)概述

在新能源汽車上可以采用的驅(qū)動電機主要有直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機等。所采用的這些電機的主要優(yōu)缺點如表所示。指標直流電機交流異步電機永磁同步電機開關(guān)磁阻電機功率密度差一般好一般轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性一般好好好轉(zhuǎn)速范圍4000-60009000-150004000-15000＞15000易操作性最好好好好可靠性差好一般好結(jié)構(gòu)的堅固性差好一般好尺寸及質(zhì)量大，重一般，一般小，輕小，輕成本高低高低于感應(yīng)電機控制器成本低高高一般新能源汽車驅(qū)動電機比較任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)1直流電機的構(gòu)成、特點與控制系統(tǒng)直流電機分為繞組勵磁式直流電機和永磁式直流電機兩種。在電動汽車所采用的直流電機中，小功率電動機采用的是永磁式直流電機，如左圖所示，大功率電動機采用的是繞組勵磁式直流電機，如右圖所示。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)直流電機構(gòu)造直流電機主要由轉(zhuǎn)子、定子、端蓋和電刷架四部分組成。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)定子上有磁極，轉(zhuǎn)子有繞組，通電后，轉(zhuǎn)子上也形成磁場（磁極），定子和轉(zhuǎn)子的磁極之間有一個夾角，在定轉(zhuǎn)子磁場（N極和S極之間）的相互吸引下，使電機旋轉(zhuǎn)。改變電刷的位子，就可以改變定轉(zhuǎn)子磁極夾角（假設(shè)以定子的磁極為夾角起始邊，轉(zhuǎn)子的磁極為另一邊，由轉(zhuǎn)子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機的旋轉(zhuǎn)方向）的方向，從而改變電機的旋轉(zhuǎn)方向。電刷與電樞的換向器配合，實現(xiàn)電樞繞組的電流換向，將蓄電池的直流電變換成電樞內(nèi)部的交變電流。電刷架用于正確放置電刷，要保證位置正確，保持穩(wěn)定的接觸壓力。用永磁體取代勵磁繞組和磁極結(jié)構(gòu)，勵磁繞組直流電機就變成了永磁直流電機。

任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)永磁直流電機是一種小型電動機，其輸出功率大多為lOOW～lOkW。由于勵磁繞組式和永磁式直流電機中都有換向器-電刷結(jié)構(gòu)，所以存在著機械面接觸，而且由于磨損和接觸不良，也衍生了電火花等問題，其壽命就比較短。繞組勵磁式直流電機根據(jù)勵磁方式的不同，可分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵4種類型。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)直流電機具有以下特點：1.調(diào)速性能好。直流電機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。2.起動力矩大。直流電機可以均勻而經(jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機械，如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都可用直流電機拖動。3.控制比較簡單。直流電機一般用斬波器控制，它具有高效率、控制靈活、質(zhì)量輕、體積小、響應(yīng)快等優(yōu)點。4.經(jīng)常要維護。由于直流電機存在電刷、換向器等易磨損器件，所以必須進行定期維護或更換。直流電機的控制直流電機控制系統(tǒng)主要由斬波器和中央控制器構(gòu)成，根據(jù)直流電機輸出轉(zhuǎn)矩的需要，通過斬波器來控制電機的輸入電壓、電流，來控制和驅(qū)動直流電機的運行。

任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)1.三相交流異步電機的構(gòu)造三相異步電機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以分為籠型和繞線轉(zhuǎn)子電機兩類，在電動汽車中都采用籠型異步電機。三相交流異步電機的轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，定子嵌有三相繞組。電機的轉(zhuǎn)子常采用空心式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)簡單牢固，適于高速旋轉(zhuǎn)，免維護，且成本較低。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)三相異步電動機的種類很多，但各類三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成。定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件。三相籠型異步電機的主要結(jié)構(gòu)任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)

三相交流異步電機特點作為電動汽車專用的電機，由于安裝條件受限制，要求小型輕量化，因而電機在l0000r/min以上的高速運轉(zhuǎn)時，大多采用一級齒輪減速器實現(xiàn)減速。此外，電機處于振動等非常惡劣的工作環(huán)境，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下需要高轉(zhuǎn)矩，要求具有較寬的速度范圍內(nèi)的恒輸出功率特性，因此電動汽車用異步電機與一般工業(yè)用的電機不同，在設(shè)計上采用了各種新的方法。交流三相感應(yīng)電機的控制，由于交流三相感應(yīng)電機不能直接使用直流電，因此需要逆變裝置進行轉(zhuǎn)換控制。應(yīng)用于感應(yīng)電機的控制技術(shù)主要有三種：V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制。20世紀90年代以前主要使用前兩種控制方式，但是因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想，而對于需頻繁起動、加減速的電動車并不適合。近幾年來，交流感應(yīng)電機幾乎都是采用矢量控制技術(shù)。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)三相交流異步電機的控制由于交流三相感應(yīng)電機不能直接使用直流電，因此需要逆變裝置進行轉(zhuǎn)換控制。應(yīng)用于感應(yīng)電機的控制技術(shù)主要有三種：V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制。20世紀90年代以前主要使用前兩種控制方式，但是因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想，而對于需頻繁起動、加減速的電動車并不適合。近幾年來，交流感應(yīng)電機幾乎都是采用矢量控制技術(shù)。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)

3永磁同步電機的構(gòu)成、特點與控制1.永磁同步電機的構(gòu)成在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場有兩種方法。一種是在電機繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生磁場，這種方法既需要有專門的繞組和相應(yīng)的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動，例如普通的直流電機和同步電機。另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場，這種方法既可簡化電機結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。由永磁體產(chǎn)生磁場的電機就是永磁電機。永磁同步電機是利用永磁體建立勵磁磁場的同步電機，其定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。同步電動機為了實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，需要有一個直流磁場，而產(chǎn)生這個磁場的直流電流，稱為電機的勵磁電流。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)

2.永磁同步電機特點永磁同步電機與其他電機的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。按照永磁體在轉(zhuǎn)子位置的不同可分為內(nèi)置式永磁同步電機和外置式永磁同步電機。其中，內(nèi)置式永磁同步電機結(jié)構(gòu)靈活、設(shè)計自由度大，有望得到高性能，適合用做電動汽車等高效、高密度、寬調(diào)速的驅(qū)動電機。不足之處是由于電磁結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子勵磁不能隨意改變，導(dǎo)致電機弱磁困難，調(diào)速性能不如直流電機。外置式永磁同步電機的結(jié)構(gòu)比內(nèi)置式電機簡單，并且容易制造，因此工業(yè)上應(yīng)用較多。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)永磁電機作為驅(qū)動電機具有如下優(yōu)越性：（1）轉(zhuǎn)矩大、功率密度大、起動力矩大。永磁電機氣隙磁密度可大大提高，電機指標可實現(xiàn)最佳設(shè)計，使得電機體積縮小、重量減輕，同容量的稀土永磁電機體積、重量、所用材料可以減輕30%左右。永磁驅(qū)動電機起動轉(zhuǎn)矩大，在汽車啟動時能提供有效地啟動轉(zhuǎn)矩，滿足汽車的運行需求。（2）力能指標好。Y系列電機在60%的負荷下工作時,效率下降15%,功率因數(shù)下降30%，力能指標下降40%。而永磁電機的效率和功率因數(shù)下降甚微,當電機只有20%負荷時,其力能指標仍為滿負荷的80%以上。同時永磁無刷同步電機的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長,一直延伸到電機最高轉(zhuǎn)速的50%左右,這對提高汽車的低速動力性能有很大幫助。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)由于永磁電機具有效率高、比功率大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護等優(yōu)點，采用矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可使永磁電機具有寬廣的調(diào)速范圍，因此，以豐田汽車和本田汽車為代表的國際化制造商以及國內(nèi)一汽、東風、長安、奇瑞等廠商均在其電動汽車中采用了永磁電機方案，推動了車用電機向永磁化方向發(fā)展。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)3.永磁同步電機的控制永磁電機的控制技術(shù)與感應(yīng)電機類似，控制策略上主要集中在提高低速轉(zhuǎn)矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步電機低速時常采用矢量控制，包括氣隙磁場定向、轉(zhuǎn)子磁鏈定向、定子磁鏈定向等；而在高速運行時，永磁同步電機通常采用弱磁控制。永磁同步電機控制器通過其中的電力電子器件將整車的直流電變?yōu)榻涣麟?，并對其進行電流大小、波形及相位的控制從而實現(xiàn)對電機的控制，使電機能按照其指令進行運轉(zhuǎn)。電機若要在電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間切換，只需改變控制器中功率管的導(dǎo)通順序，改變定子電流的方向，使電機的扭矩反向即可。從電動變發(fā)電的狀態(tài)會產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，不僅起到制動效果，也達到回收車輛動能的效果，即制動能量回收功能。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)4開關(guān)磁阻電機開關(guān)磁阻電機(Swi

tchedReluctanceMotor，SRM)是繼直流電機和交流電機之后，又一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗妱訖C。1.開關(guān)磁阻電機構(gòu)造開關(guān)磁阻電機由雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子組成，其定子、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成。定子極上繞有集中繞組，把沿徑向相對的兩個繞組串聯(lián)成一個兩級磁極，稱為“一相”；轉(zhuǎn)子既無繞組又無永磁體，僅由硅鋼片疊成。開關(guān)磁阻電機有多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，如單相、二相、四相及多相等，且定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。低于三相的開關(guān)磁阻電動機一般沒有自起動能力。相數(shù)多有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主開關(guān)器件多、成本增高。目前應(yīng)用較多的是四相8/6極結(jié)構(gòu)和三相6/4極結(jié)構(gòu)。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)2.開關(guān)磁阻電機的特點開關(guān)磁阻電機具有簡單可靠、在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行、控制靈活、可四象運行、響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點。但開關(guān)磁阻電機有轉(zhuǎn)矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器、系統(tǒng)非線性特性等缺點，所以目前應(yīng)用還受到限制。3.開關(guān)磁阻電機的控制開關(guān)磁阻電機不同于常規(guī)的感應(yīng)電動機，因其自身結(jié)構(gòu)的特殊性，具有明顯的非線性特性，系統(tǒng)難于建模，一般的線性控制方式不適于開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)。目前主要利用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)5輪轂電機輪轂電機全稱為永磁輪轂同步電機，是將電機、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置技術(shù)。電機安裝在輪轂內(nèi)，構(gòu)成電動機驅(qū)動汽車行駛。1.輪轂電機結(jié)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式分為：內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式。內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，配有固定傳動比的減速器。外轉(zhuǎn)子式輪轂電機采用低速外轉(zhuǎn)子電機，無配備減速器，外轉(zhuǎn)子與車輪的輪輞固定，車輪與電機的轉(zhuǎn)速一致，如圖所示。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)輪轂電動機根據(jù)使用情況可以分為減速驅(qū)動方式和直接驅(qū)動方式兩大類。（1）減速驅(qū)動方式電動機在高速運轉(zhuǎn)的情況下運行，選用的是高速內(nèi)轉(zhuǎn)子式電機，減速機構(gòu)放置在電機和車輪間，起到減速增扭的作用。優(yōu)點：高速運行下，具有較高的功率和效率比；體積小、重量輕；扭矩大、爬坡能力強，低速能獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。缺點：無液態(tài)潤滑、齒輪磨損較快、使用壽命短、不易散熱、噪音大。這類方式適合山區(qū)丘陵地區(qū)及要求過載能力大或城區(qū)公交車等頻繁啟動停車等場合。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)（2）直接驅(qū)動方式多數(shù)采用外轉(zhuǎn)子式電機，為了使汽車能順利起步，要求電機在低速時提供大的轉(zhuǎn)矩。優(yōu)點：無需減速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，軸向尺寸小，效率進一步提高，響應(yīng)速度快。缺點：起步、爬坡及承載較大載荷時需要較大電流，易損壞電機和永磁體；電機峰值區(qū)域小，負荷電流超過一定值后效率急劇下降。這類方式適合平路或負荷較輕的場合。任務(wù)2電動機及控制系統(tǒng)2.輪轂電機特點1.采用電機驅(qū)動形式，省去了很多傳統(tǒng)汽車所需要的機械式操作換擋裝置、離合器、變速器、傳動軸和差速器，使得汽車底盤結(jié)構(gòu)簡單。2.由于電機可以獨立控制，汽車底盤的制動控制就通過對驅(qū)動電機的控制來實現(xiàn)，合理控制各電機的驅(qū)動力，可以提高惡劣道路環(huán)境下的行駛能力。3.由于驅(qū)動輪的驅(qū)動力可以單獨調(diào)節(jié)，通過分析各輪的轉(zhuǎn)矩利用效率?？梢赃x擇最經(jīng)濟的驅(qū)動方式。任務(wù)3電機驅(qū)動模塊常見故障及排除

驅(qū)動電機的維護與保養(yǎng)：1.檢查驅(qū)動電機及其控制器各固定點，檢查螺栓是否松動。2.檢查驅(qū)動電機及其控制器線束及插件是否松動、老化等現(xiàn)象。3.檢查電機本體及控制器水冷管道是否通暢，及時清理冷卻水道的堵塞現(xiàn)象。4.檢查清理電機本體及控制器表面灰塵，清理時必須斷開動力電源。5.電機軸承在大修期限內(nèi)無需加注潤滑脂，軸承損壞必須解體電機本體進行更換軸承。6.測量電機的絕緣電阻應(yīng)使用500V兆歐表，其值不低于5MΩ；否則應(yīng)對繞組進行除潮處理。任務(wù)3電機驅(qū)動模塊常見故障及排除

2豐田Prius

混合動力車驅(qū)動電機的檢查檢查步驟1．讀取輸出DTC(混合動力控制)（1）將智能檢測儀連接到DLC3（2）打開電源開關(guān)（3）打開智能檢測儀（4）進入下列菜單Powertrain/EngineandECT/DTC（5）讀取DTC結(jié)果：如有故障將輸出DTC提示：如果有故障碼，則先根據(jù)故障碼進行故障排除任務(wù)3電機驅(qū)動模塊常見故障及排除

2．檢查混合動力車輛電機總成注意：操作前應(yīng)戴好絕緣手套（1）關(guān)閉電源開關(guān)（2）拆下檢修塞卡箍注意：此情況下切勿打開電源開關(guān)（3）拆下變頻器蓋（4）從變頻器上斷開混合動力車電機的三相交流電纜（5）用毫歐表測量電機三相交流電纜端子間的電阻任務(wù)3電機驅(qū)動模塊常見故障及排除

用毫歐表測量電機三相交流電纜端子間的電阻任務(wù)3電機驅(qū)動模塊常見故障及排除

如果電機溫度過高，電阻會有顯示變化。因此，至少將車輛熄火8小時后再測量。檢測儀連接規(guī)定條件U(114-1)?V(114-2)20℃時小于135m歐姆V(114-2)?W(114-3)20℃時小于135m歐姆W(114-3)?U(