新能源汽车-课件模块4新能源汽车电动机驱动与控制系统

模块4新能源汽车电动机驱动与控制系统

知识目标（1）了解新能源汽车的电机驱动模块特点；（2）掌握直流电机构造、特点与控制方法；（3）掌握交流异步电机构造、特点与控制方法；（4）掌握永磁同步电机构造、特点与控制方法；（5）掌握开关磁阻电机构造、特点与控制方法；（6）了解轮毂电机构造、原理和特点。能力目标（1）能认识区别各类电机；（2）掌握电机驱动模块常见故障及排除方法。任务1电动机驱动控制系统概述任务2电动机及控制系统任务3电动机驱动模块常见故障及排除学习内容任务1电动机驱动控制系统概述

电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行使中的主要执行结构，驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。电动汽车具有环保、节约、简单三大优势。在纯电动汽车上体现尤为明显：以电机代替燃油机，由电机驱动而无需自动变速箱，相对于自动变速箱，电机结构简单、技术成熟、运行可靠。任务1电动机驱动控制系统概述

在混合动力汽车中，除了混合动力汽车所需的储能系统外，电机驱动及控制系统是最重要的系统，在电动汽车上，动力唯一来源于电力，电力驱动控制系统可以说是整车的心脏。电机驱动控制系统如图所示，主要由电机和控制器组成。电机驱动系统的基本组成框图任务1电动机驱动控制系统概述

电机驱动控制系统，主要由电机和控制器组成，驱动电机如图左一所示，控制器如图右一所示，控制器是电机驱动及控制系统核心部分。控制器由电力电子器件（如IGBT功率模块）构成的逆变器、逆变驱动器、电源模块、中央控制模块、信号检测模块、软启动模块、保护模块、机械结构、散热系等构成。混合动力车(包括插电式混合动力车)、纯电动车和燃料电池车都要采用电机驱动及控制系统。任务1电动机驱动控制系统概述

在新能源汽车中，特别是混合动力汽车里，电机往往被安装在有限的狭小空间内。和传统的工业电机相比，其工作环境不仅复杂多变，而且相当恶劣，具体有振动大、冲击大、灰尘多、腐蚀严重、高温、高湿且温湿度变化大，因此，选用新能源汽车驱动电机应符合下列要求：1.体积小、重量轻；2.低速大扭矩和宽范围内高速恒功率特性，即使没有变速器，电机也应满足所需的扭矩要求；3.高可靠性要求，在任何情况下确保具有高度安全性；4.电动汽车驱动电机需要有4～5倍的过载以满足短时加速或爬坡的要求；5.电机需要宽调速，要求在较宽的转速范围和扭矩范围内(在整个运行范围内)都有较高的效率；任务1电动机驱动控制系统概述

6.电机要求有高功率密度和体积密度，从而能够降低车重，延长续驶里程；7.电机要求工作可控性高、稳态精度高、动态性能好；8.电机安装空间小，且工作在高温、恶劣天气及频繁振动等恶劣环境下，可靠性要求高；9.电机价格要合适，从而增强电动汽车的市场接受程度。另外，电动机的选用还要综合考虑其控制系统的特点，能实现双向控制，回收制动再生能量。

任务1电动机驱动控制系统概述

在新能源汽车上可以采用的驱动电机主要有直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。所采用的这些电机的主要优缺点如表所示。指标直流电机交流异步电机永磁同步电机开关磁阻电机功率密度差一般好一般转矩转速特性一般好好好转速范围4000-60009000-150004000-15000＞15000易操作性最好好好好可靠性差好一般好结构的坚固性差好一般好尺寸及质量大，重一般，一般小，轻小，轻成本高低高低于感应电机控制器成本低高高一般新能源汽车驱动电机比较任务2电动机及控制系统1直流电机的构成、特点与控制系统直流电机分为绕组励磁式直流电机和永磁式直流电机两种。在电动汽车所采用的直流电机中，小功率电动机采用的是永磁式直流电机，如左图所示，大功率电动机采用的是绕组励磁式直流电机，如右图所示。任务2电动机及控制系统直流电机构造直流电机主要由转子、定子、端盖和电刷架四部分组成。任务2电动机及控制系统定子上有磁极，转子有绕组，通电后，转子上也形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（N极和S极之间）的相互吸引下，使电机旋转。改变电刷的位子，就可以改变定转子磁极夹角（假设以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向）的方向，从而改变电机的旋转方向。电刷与电枢的换向器配合，实现电枢绕组的电流换向，将蓄电池的直流电变换成电枢内部的交变电流。电刷架用于正确放置电刷，要保证位置正确，保持稳定的接触压力。用永磁体取代励磁绕组和磁极结构，励磁绕组直流电机就变成了永磁直流电机。

任务2电动机及控制系统永磁直流电机是一种小型电动机，其输出功率大多为lOOW～lOkW。由于励磁绕组式和永磁式直流电机中都有换向器-电刷结构，所以存在着机械面接触，而且由于磨损和接触不良，也衍生了电火花等问题，其寿命就比较短。绕组励磁式直流电机根据励磁方式的不同，可分为他励、并励、串励和复励4种类型。任务2电动机及控制系统直流电机具有以下特点：1.调速性能好。直流电机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。2.起动力矩大。直流电机可以均匀而经济地实现转速调节，因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都可用直流电机拖动。3.控制比较简单。直流电机一般用斩波器控制，它具有高效率、控制灵活、质量轻、体积小、响应快等优点。4.经常要维护。由于直流电机存在电刷、换向器等易磨损器件，所以必须进行定期维护或更换。直流电机的控制直流电机控制系统主要由斩波器和中央控制器构成，根据直流电机输出转矩的需要，通过斩波器来控制电机的输入电压、电流，来控制和驱动直流电机的运行。

任务2电动机及控制系统1.三相交流异步电机的构造三相异步电机按转子结构可以分为笼型和绕线转子电机两类，在电动汽车中都采用笼型异步电机。三相交流异步电机的转子为笼型结构，定子嵌有三相绕组。电机的转子常采用空心式结构，这种结构简单牢固，适于高速旋转，免维护，且成本较低。任务2电动机及控制系统三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成。定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。三相笼型异步电机的主要结构任务2电动机及控制系统

三相交流异步电机特点作为电动汽车专用的电机，由于安装条件受限制，要求小型轻量化，因而电机在l0000r/min以上的高速运转时，大多采用一级齿轮减速器实现减速。此外，电机处于振动等非常恶劣的工作环境，低转速状态下需要高转矩，要求具有较宽的速度范围内的恒输出功率特性，因此电动汽车用异步电机与一般工业用的电机不同，在设计上采用了各种新的方法。交流三相感应电机的控制，由于交流三相感应电机不能直接使用直流电，因此需要逆变装置进行转换控制。应用于感应电机的控制技术主要有三种：V/F控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪90年代以前主要使用前两种控制方式，但是因转速控制范围小，转矩特性不理想，而对于需频繁起动、加减速的电动车并不适合。近几年来，交流感应电机几乎都是采用矢量控制技术。任务2电动机及控制系统三相交流异步电机的控制由于交流三相感应电机不能直接使用直流电，因此需要逆变装置进行转换控制。应用于感应电机的控制技术主要有三种：V/F控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪90年代以前主要使用前两种控制方式，但是因转速控制范围小，转矩特性不理想，而对于需频繁起动、加减速的电动车并不适合。近几年来，交流感应电机几乎都是采用矢量控制技术。任务2电动机及控制系统

3永磁同步电机的构成、特点与控制1.永磁同步电机的构成在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场有两种方法。一种是在电机绕组内通电流产生磁场，这种方法既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动，例如普通的直流电机和同步电机。另一种是由永磁体来产生磁场，这种方法既可简化电机结构，又可节约能量。由永磁体产生磁场的电机就是永磁电机。永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。同步电动机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场，而产生这个磁场的直流电流，称为电机的励磁电流。任务2电动机及控制系统

2.永磁同步电机特点永磁同步电机与其他电机的主要区别是转子磁路结构。按照永磁体在转子位置的不同可分为内置式永磁同步电机和外置式永磁同步电机。其中，内置式永磁同步电机结构灵活、设计自由度大，有望得到高性能，适合用做电动汽车等高效、高密度、宽调速的驱动电机。不足之处是由于电磁结构中转子励磁不能随意改变，导致电机弱磁困难，调速性能不如直流电机。外置式永磁同步电机的结构比内置式电机简单，并且容易制造，因此工业上应用较多。任务2电动机及控制系统永磁电机作为驱动电机具有如下优越性：（1）转矩大、功率密度大、起动力矩大。永磁电机气隙磁密度可大大提高，电机指标可实现最佳设计，使得电机体积缩小、重量减轻，同容量的稀土永磁电机体积、重量、所用材料可以减轻30%左右。永磁驱动电机起动转矩大，在汽车启动时能提供有效地启动转矩，满足汽车的运行需求。（2）力能指标好。Y系列电机在60%的负荷下工作时,效率下降15%,功率因数下降30%，力能指标下降40%。而永磁电机的效率和功率因数下降甚微,当电机只有20%负荷时,其力能指标仍为满负荷的80%以上。同时永磁无刷同步电机的恒转矩区比较长,一直延伸到电机最高转速的50%左右,这对提高汽车的低速动力性能有很大帮助。任务2电动机及控制系统由于永磁电机具有效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高和便于维护等优点，采用矢量控制的变频调速系统，可使永磁电机具有宽广的调速范围，因此，以丰田汽车和本田汽车为代表的国际化制造商以及国内一汽、东风、长安、奇瑞等厂商均在其电动汽车中采用了永磁电机方案，推动了车用电机向永磁化方向发展。任务2电动机及控制系统3.永磁同步电机的控制永磁电机的控制技术与感应电机类似，控制策略上主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步电机低速时常采用矢量控制，包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等；而在高速运行时，永磁同步电机通常采用弱磁控制。永磁同步电机控制器通过其中的电力电子器件将整车的直流电变为交流电，并对其进行电流大小、波形及相位的控制从而实现对电机的控制，使电机能按照其指令进行运转。电机若要在电动状态和发电状态之间切换，只需改变控制器中功率管的导通顺序，改变定子电流的方向，使电机的扭矩反向即可。从电动变发电的状态会产生反向转矩，不仅起到制动效果，也达到回收车辆动能的效果，即制动能量回收功能。任务2电动机及控制系统4开关磁阻电机开关磁阻电机(Swi

tchedReluctanceMotor，SRM)是继直流电机和交流电机之后，又一种极具发展潜力的新型电动机。1.开关磁阻电机构造开关磁阻电机由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。开关磁阻电机有多种不同的相数结构，如单相、二相、四相及多相等，且定子和转子的极数有多种不同的搭配。低于三相的开关磁阻电动机一般没有自起动能力。相数多有利于减小转矩脉动，但结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是四相8/6极结构和三相6/4极结构。任务2电动机及控制系统任务2电动机及控制系统2.开关磁阻电机的特点开关磁阻电机具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象运行、响应速度快、成本较低等优点。但开关磁阻电机有转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性特性等缺点，所以目前应用还受到限制。3.开关磁阻电机的控制开关磁阻电机不同于常规的感应电动机，因其自身结构的特殊性，具有明显的非线性特性，系统难于建模，一般的线性控制方式不适于开关磁阻电机系统。目前主要利用模糊逻辑控制、神经网络控制等。任务2电动机及控制系统5轮毂电机轮毂电机全称为永磁轮毂同步电机，是将电机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置技术。电机安装在轮毂内，构成电动机驱动汽车行驶。1.轮毂电机结构根据转子结构形式分为：内转子式和外转子式。内转子式轮毂电机采用高速内转子电机，配有固定传动比的减速器。外转子式轮毂电机采用低速外转子电机，无配备减速器，外转子与车轮的轮辋固定，车轮与电机的转速一致，如图所示。任务2电动机及控制系统任务2电动机及控制系统轮毂电动机根据使用情况可以分为减速驱动方式和直接驱动方式两大类。（1）减速驱动方式电动机在高速运转的情况下运行，选用的是高速内转子式电机，减速机构放置在电机和车轮间，起到减速增扭的作用。优点：高速运行下，具有较高的功率和效率比；体积小、重量轻；扭矩大、爬坡能力强，低速能获得较大的平稳转矩。缺点：无液态润滑、齿轮磨损较快、使用寿命短、不易散热、噪音大。这类方式适合山区丘陵地区及要求过载能力大或城区公交车等频繁启动停车等场合。任务2电动机及控制系统（2）直接驱动方式多数采用外转子式电机，为了使汽车能顺利起步，要求电机在低速时提供大的转矩。优点：无需减速机构，结构简单、紧凑，轴向尺寸小，效率进一步提高，响应速度快。缺点：起步、爬坡及承载较大载荷时需要较大电流，易损坏电机和永磁体；电机峰值区域小，负荷电流超过一定值后效率急剧下降。这类方式适合平路或负荷较轻的场合。任务2电动机及控制系统2.轮毂电机特点1.采用电机驱动形式，省去了很多传统汽车所需要的机械式操作换挡装置、离合器、变速器、传动轴和差速器，使得汽车底盘结构简单。2.由于电机可以独立控制，汽车底盘的制动控制就通过对驱动电机的控制来实现，合理控制各电机的驱动力，可以提高恶劣道路环境下的行驶能力。3.由于驱动轮的驱动力可以单独调节，通过分析各轮的转矩利用效率。可以选择最经济的驱动方式。任务3电机驱动模块常见故障及排除

驱动电机的维护与保养：1.检查驱动电机及其控制器各固定点，检查螺栓是否松动。2.检查驱动电机及其控制器线束及插件是否松动、老化等现象。3.检查电机本体及控制器水冷管道是否通畅，及时清理冷却水道的堵塞现象。4.检查清理电机本体及控制器表面灰尘，清理时必须断开动力电源。5.电机轴承在大修期限内无需加注润滑脂，轴承损坏必须解体电机本体进行更换轴承。6.测量电机的绝缘电阻应使用500V兆欧表，其值不低于5MΩ；否则应对绕组进行除潮处理。任务3电机驱动模块常见故障及排除

2丰田Prius

混合动力车驱动电机的检查检查步骤1．读取输出DTC(混合动力控制)（1）将智能检测仪连接到DLC3（2）打开电源开关（3）打开智能检测仪（4）进入下列菜单Powertrain/EngineandECT/DTC（5）读取DTC结果：如有故障将输出DTC提示：如果有故障码，则先根据故障码进行故障排除任务3电机驱动模块常见故障及排除

2．检查混合动力车辆电机总成注意：操作前应戴好绝缘手套（1）关闭电源开关（2）拆下检修塞卡箍注意：此情况下切勿打开电源开关（3）拆下变频器盖（4）从变频器上断开混合动力车电机的三相交流电缆（5）用毫欧表测量电机三相交流电缆端子间的电阻任务3电机驱动模块常见故障及排除

用毫欧表测量电机三相交流电缆端子间的电阻任务3电机驱动模块常见故障及排除

如果电机温度过高，电阻会有显示变化。因此，至少将车辆熄火8小时后再测量。检测仪连接规定条件U(114-1)〜V(114-2)20℃时小于135m欧姆V(114-2)〜W(114-3)20℃时小于135m欧姆W(114-3)〜U(