《新能源汽车动力电池与驱动电机》课件-项目四 驱动电机管理系统

任务1驱动电机管理系统认知项目四

驱动电机管理系统建议课时：1课时一辆电动汽车无法运行，你的主管诊断结果为逆变器异常，让你协助他进一步检查。作为一位电动汽车汽车服务人员，你知道逆变器属于哪个系统，具备哪些功能吗？1.能够描述驱动电机管理统的主要部件；2.能够描述常见车型驱动电机管理系统主要部件的位置、结构与特点。1.能够检索资料，归纳并描述主流车型驱动电机控制器、DC-DC转换器的结构与特点。驱动电机管理系统主要部件工作准备实施步骤常见车型驱动电机管理系统主要部件的位置、结构与特点驱动电机管理系统主要部件驱动电机管理模块通常简称MCU，主要用于管理和控制驱动电机的运转速度、方向以及将驱动电机作为逆变电机发电。MCU的功能类似于传统汽车的发动机控制模块。MCUDC-DCPCU驱动电机管理模块1.驱动电机系统主要部件1）构成图所示的是丰田普锐斯内置了逆变器之后的车载用动力控制单元(PowerControlUnit)的构成，图所示的是主要同路构成。主回路构成2)控制影响电动机输出的电压成分取决于基波分量，因此为了加大该基波，采用使逆变器输出电压波形变形增大电压基波分量的手法。图所示的是逆变器的电压波形与调制度。

正弦波PWM过调制PWM矩形波（I脉冲）电压波形调制度0-0.610.61-0.780.78图所示的是各自的适用区域。各电压波形的控制3）内部元件车辆驱动用逆变器由于在高频下进行转换，功率半导体元器件要求转换高速化。另外，为了应对大功率输出，也要求高电压。IGBT的剖面4）冷却器逆变器主要发热部分是功率半导体元器件IGBT和FRD(FastRecovervDiode)，需要对其进行高效率的冷却。冷却方式有风冷方式与水冷方式。大功率逆变器一般采用的是水冷方式。图所示的是动力模块剖面。动力模块剖面为了提高散热能力，新的技术中不通过散热润滑剂，而是采用将功率半导体元器件直接安装在冷却器上的直接冷却构造与双面冷却方式。图所示的是直接冷却构造。直接冷却构造剖面5）电容器主电路电容器有平滑电容器和滤波电容器，前者用于平滑电动机控制用电压，而后者主要用于高/电池的脉动平稳化。这些电容器由于具有低ESR(EquivalentSeriesResistance)、高耐压、寿命期限长、耐温特性良好等特长，采用薄膜电容器的情况有所增加，电容器元器件中，通过采用薄PP膜，可以实现电容器装置的小型化。单位体积的静电容量与薄膜厚度的二次方大致成正比，因此，薄膜化对于实现小型、轻量化来说，是最为有效的手段。另外，通过开发各种蒸镀方式，以最佳形式来应对较大的脉动和实现高安全性（自我保障功能）。（2）DC-DC转换器HEV、EV配置两种电池，一种是作为行驶用电动机电源的高电压主机电池（动力蓄电池），另一种是作为车辆附件类及控制ECU电源的12V辅助电池。混合动力系统组成示意图（3）解角器解角器也称为解析器，是可靠性极高且结构紧凑的传感器，它可精确检测磁极位置。1）解角器的结构解角器的定子包括三种线圈：励磁线圈A、检测线圈S和检测线圈C器结构如图所示2）解角器的工作原理检测线圈S的+S和-S错开90°，+C和-C也以同样的方式错开90°，线圈c和s之间相距45°检测线圈的电流流向，如图所示。线圈A、线圈S、线圈C的输出波形2.常见车型驱动电机管理系统主要部件的位置、结构与特点（1）比亚迪E6驱动电机控制器1）驱动电机控制器的功能和安装位置E6电机控制器2）驱动电机控制系统工作原理驱动电机控制器系统主要是由高压配电、控制器、驱动电机及相关的传感器组成，该系统核心为驱动电机控制器。驱动电机控制系统元件位置3）角度传感器比亚迪E6电机检测电机转子旋转的角度和位置传感器采用旋转变压器形式。如图所示。角度传感器工作原理（2）比亚迪秦驱动电机控制器与DC总成1）整车安装位置整车安装位置如图比亚迪秦驱动电机控制器与DC/DC位置图2）结构比亚迪秦驱动电机控制器与DC总成结构如图比亚迪秦驱动电机控制器与DC/DC结构（3）北汽新能源EV驱动电机控制器与DC总成1）整车安装位置如图是北汽E150EV电机控制器与DC/DC在整车上的位置图。北汽E150EV电机控制器与DC/DC在整车上的位置如图所示是北汽E150EV前舱的部件位置图北汽E150EV前舱部件位置2）结构驱动电机控制器MCU结构如图所示，它内部采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制核心，称为智能功率模块，它以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。北汽EV驱动电机控制器MCU结构常规实训着装无比亚迪E6纯电动汽车；比亚迪秦混合动力汽车；北汽新能源纯电动汽车；或其他同类新能源汽车无（1）参观实训室驱动电机控制器和DC/DC转换器的挂图或模型，认识驱动电机控制器和DC/DC转换器的结构组成。（2）利用互联网查询新能源汽车驱动电机控制器和DC/DC转换器的现状和发展。打开电脑或移动终端的浏览器，利用“百度”等浏览器搜索功能，搜索“驱动电机控制器；逆变器；DC转换器；类型”等关键词，查询并记录相关的信息。必要时走访周边汽车销售店面，了解主流车型逆变器和DC/DC转换器的类型和特点。1.逆变器的基础知识（1）电力转换基本概念要控制电力，就需要控制电压与频率，所谓的电力转换就是直流与交流的相互转换以及电压与频率的转换。如图所示，电力转换的基本形式（2）基本元器件及原理在纯电动汽车或者混合动力汽车上安装的静态逆变器是用来改变电功率表现形式的。其中，我们使用了二极管、三极管、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管等。它们一般都在开或关的组合模式下，“换向”工作来降低能耗。二极管2）三极管开关三极管具有完成断路和接通的作用，被广泛应用于各种开关电路中，如常用的开关电源电路、驱动电路、高频振荡电路、模数转换电路、脉冲电路及输出电路等。三极管a.IGBT结构IGBT是MOSFET（场效应晶体管）与GTR（功率晶体管）的复合器件。它既有MOSFET容易驱动的特点，也有功率晶体管电压、电流容量大的优点。IGBT等电子元件结构比较（3）逆变器的基本理论1）二电平逆变器如图所示，将可逆转换器的直流电源分为两个，再将连接在直流电源一侧的输出端子连接在一分为二的直流电源中点处，就可以作为转换器工作。单项逆变器（半桥）交替接通、关闭开关S1和S2，就可以产生矩形波形的交流电压。如果改变其周期，就可以改变其输出频率，但是电压的强度固定在VDC/2不变。三角波比较PWM若单相逆变器采用3个回路，即图所示的三相逆变器，其原理是连接直流电源的中点与电机的中性点。三相逆变器原理图不连接直流电源的中点与电机的中性点，也就不需要将逆变器的各相电压转换为正弦波，如图所示，同样的逆变器就可以输出大约1.155倍的正弦波电压。线间电压正弦波控制方式其他的PWM方法如下图所示，从波形就可以看出，不只是脉冲振幅，频率也有所变化。严格来讲不属于PWM，一般将产生ON\OFF的部分称为PWM。模式PWM与1脉冲模式2）三电平逆变器在图中，使用超过1千伏的电机驱动系统中，一般采用NPC逆变器或者被称为三电平逆变器的主回路方式。三电平逆变器原理图三电平逆变器电压高，容量大。如图所示，该逆变器也用于几百伏电压逆变器中。将IGBT逆向并列连接的双向开关S2，连接到直流电源的中点与逆变器的中点。使用中性点开关的三电平逆变器（4）DC-DC转换器基本理论转换器的使用方法，有单向励磁方式与双向励磁方式两种。使用半桥逆变器的DC-DC转换器（5）逆变器模块在混合动力或纯电动车辆上，使用电驱动电机就意味着需要有车载电源的存在，即1）在纯电动汽车上加装一个满足行驶需求的大容量的电池。2）在混合动力汽车上采用较小容量的电池，同时还需增程器（发动机和交流发电机组合）或者是燃料电池。电池储存的是直流电，而驱动电机使用的是交流电，因此上电动汽车都会面临直流电与交流电的兼容性问题以及供电设备与用电设备之间电压兼容性问题。解决这些兼容性的问题就需要用到车载功率电子变换器，它的存在可以使我们消除上述操作中的不兼容问题。电源逆变器模块总成由循环的冷却系统进行冷却，如图所示，比亚迪腾势的逆变器模块上既有电器插头，又有冷却液冷却通道，用于给逆变器散热。比亚迪腾势的逆变器模块（4）功用1）驱动电机控制器a.作为动力系统的总控中心，驱动电机的运行，根据工况控制电机的正反转、功率、扭矩、转速等；协调发动机管理系统工作；b.硬件采集电机的旋变、温度，制动、油门踏板开关信号；c.通过CAN通讯采集刹车深度、档位信号、驻车开关信号、启动命令、电池管理控制器相关数据、控制器的故障信息；d.内部处理的信号有直流侧母线电压、交流侧三相电流、IGBT温度、电机的三相绕组阻值。2）DC-DC转换器a.纯电模式下，DC的功能替代了传统燃油车挂接在发动机上的12V发电机，和蓄电池并联给各用电器提供低压电源。DC在高压（500v）输入端接触器吸合后便开始工作，输出电压标称13.5V。b.发动机原地启动发电机发13.5V直流电，经过DC升压转换500V直流给电池包充电。DC-DC转换器具有降压和升压功能。a.降压：负责将动力电池480V的高压电转换成12V电源。DC/DC在主接触吸合时工作，输出的12V电源供给整车用电器工作，并且在低压电池亏电时给低压电池充电。b.升压：当动力电池电量不足时，DC/DC将发电机发出的电，供整车低压用电器用电后多余的量升压后给动力电池充电及空调用电。3）DC-DC转换器系统框图1.北汽新能源EV驱动电机控制器与DC总成（1）整车安装位置以北汽E150EV为例。（2）结构驱动电机控制器MCU结构如下图所示，它内部采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制核心，称为智能功率模块，它以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。驱动电机控制器主要依靠电流传感器、电压传感器、温度传感器来进行电机运行状态的监测，根据相应参数进行电压、电流的调整控制以及其它控制功能的完成。（1）驱动电机管理模块通常简称MCU，主要用于管理和控制驱动电机的运转速度、方向以及将驱动电机作为逆变电机发电。（2）电力转换形式通过输入与输出的结合，有4种：交流-直流转换、直流-交流转换、直流-直流转换、交流-交流转换。（3）静态逆变器使用了二极管、三极管、晶闸管、绝缘栅双极型晶体管等。（4）绝缘栅双极型晶体管简称

IGBT，已广泛应用于变频器和其他调速电路中。（5）转换器的使用方法，有单向励磁方式与双向励磁方式两种。（1）PCU更具有集成控制功能的驱动电机管理模块，即具备MCU与DC-DC转换器功能。（对）（2）当交流-直流转换成形成后，交流-直流转换器就被成为逆变器。（错）（3）在纯电动汽车或者混合动力汽车上安装的静态逆变器是用来改变电功率表现形式的。（对）（4）比亚迪秦驱动电机与驱动电机控制器采用风冷冷却。（错）（5）驱动电机控制器主要依靠电流传感器、电压传感器、温度传感器来进行电机运行状态的监测，根据相应参数进行电压、电流的调整控制以及其它控制功能的完成。（对）（1）驱动电机管理系统的主要功能有？（ABCD）A.逆变作用实现电流的转换B.对电机的管理C.直流-直流的输出管理D.车辆档位的控制（2）逆变器用于转换的电压方式有？（AB）A.直流-交流转换B.交流-直流转换C.直流-直流转换D.不转换（3）下列关于IGBT的描述错误的是？（B）A.中文简称是绝缘栅双极型晶体管B.具有输入阻抗低、开关速度慢的缺点C.具有驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流优点D.已广泛应用于变频器和其他调速电路中1.驱动电机管理模块的功能是什么？2.驱动电机管理模块有哪些类型？3.电动汽车上为什么要采用逆变器？4.逆变器上有哪些主要的基本元件？描述其基本原理。1.参观实训室驱动电机控制器和DC-DC转换器的挂图或模型，了解驱动电机控制器和DC-DC转换器的结构组成。2.利用互联网查询新能源汽车驱动电机控制器和DC-DC转换器的现状和发展。根据制定的计划实施，完成以下任务并记录任务2驱动电机管理系统检测项目四

驱动电机管理系统建议课时：1课时一辆比亚迪E6纯电动汽车出现无法行驶的故障，你的主管初步判断是驱动电机管理系统方面的问题，要求你利用诊断仪器进行进一步诊断，你能完成这个任务吗？1.能够描述驱动电机控制器的检测方法；2.能够描述驱动电机管理系统运行注意事项。1.能够使用诊断仪读取和分析新能源汽车驱动电机控制器的基本参数。驱动电机管理系统的检测工作准备实施步骤驱动电机管理系统运行注意事项1.驱动电机管理系统的检测驱动电机管理系统在控制驱动电机的同时，还会对驱动电机、解角器以及自身控制模块进行实时自检。大多数混合动力汽车或纯电动汽车的驱动电机控制器主要在以下方面实施自检。（1）控制器供电和程序检测1）供电检测电机控制器内部也会有来自车辆蓄电池的12伏参考电源，以运行驱动电机传感器及其它处理器。2）内部软件的自检测电机控制器内部包括有电机控制单元、逆变器控制单元等.（2）IGBT性能检测驱动电机控制器MCU会根据整车控制器VCU的指令，控制IGBT的接通和断开，从而来实现驱动电机的输出或作为发电机工作。在对电机逆变的过程中，通过顺序启动IGBT的高电流开关晶体管，控制其相应的驱动电机或发电机的速度、方向和输出扭矩。同时，控制器会检测每个IGBT的故障情况，当发现相应故障后，会关闭逆变器功能。（3）驱动电机U-V-W相电流检测由于驱动电机或发电机使用三相交流电运行，且IGBT通常会对应控制驱动电机或发电机的其中一个相，各相分别标识为U、V、W。控制器通过监测连接到各驱动电机或发电机相的电流传感器，以便检测逆变器是否存在电流过大故障。大多数电流传感器是驱动电机控制器总成内部的一部分，无法单独维修。另外，由于所有的电机或发电机相电路是通过电气方式连接的，其电流总量应相同。电机控制器执行一次数学计算，以确认相电流传感器的精确性。如果U-V-W相电流传感器的相电流总量大致相同，则计算结果应接近零。如果U-V-W相电流相差较大，则会认为是故障。（4）电机温度检测在大多数的电机控制器模块内部会设置有温度传感器，用于检测连接电机电缆的温度，以及模块自身集成电路的温度。温度传感器是一个热敏电阻，它的电阻值随温度而改变，具有负温度系数。这表示随着温度升高，电阻减小；随着温度降低，电阻增大。控制器通常向温度传感器提供一个5伏参考电压信号，并测量电路中的电压降。当被检测的电缆或集成电路温度低时，传感器电阻大，控制器模块检测到高电平信号电压。当温度升高时，传感器电阻减小，信号电压也降低。（5）驱动电机位置传感器的检测驱动电机位置传感器由驱动电机控制器监测。根据旋转变压器型位置传感器信号，电机控制器监测驱动电机发电机转子的角位置、转速和方向。位置传感器包含一个主动线圈、两个从动线圈和一个不规则形状的金属转子。金属转子以机械方式固定在驱动电机发电机的轴上。车辆起动时，电机控制器输出一个7伏交流电、10千赫兹的励磁信号至驱动线圈。（6）控制器高压绝缘检测驱动电机控制器利用若干内部传感器测量混合动力或纯电动汽车来自动力电池的高电压。驱动电机控制器测试高电压正极电路或高电压负极电路和车辆底盘之间是否存在失去隔离的情况，当检测到电机控制器或者相关电路在动力电池输出高电压后，存在对车辆底盘的电阻过低情况，系统将会将这一情况反馈给整车控制器，并与整车控制器一起切断车辆的高电压，避免发生事故。2.驱动电机管理系统运行注意事项驱动电机管理系统运行时必须注意以下事项：1）电机系统上电顺序要求。在给电机控制器上高压电源之前，必须先将低压控制电源接通。断电时，先断开高压电源，再断开低压控制电源。2）电机控制器不能应用在与标称电压不符的电源上，这时控制器或者不能正常工作，或者会被烧毁。3）电机控制器只能与车用动力电池组配套使用，不要从事使用整流电源。4）故障出现在电机及控制器的任何地方都有可能导致重大的设备损坏，甚至是严重的人身伤害（即存在潜在的危险故障），因此，还必须采取附加的外部预防措施（如主接触器）用于确保安全运行，即使在故障出现时也应如此。5）对动力电池组进行充电时，应将电机控制器断开。6）车辆停止使用或长期驻车时，需将高、低压电源断开。7）装有该型号电机及其控制器的电动车辆出现故障，被拖车拖走维修时必须保证该电动车辆档位处于物理空档位置，实现电机轴与变速器输入轴的连接脱离，避免电机高压发电造成系统损坏以及安全事故。常规实训着装比亚迪、荣威专用故障诊断仪比亚迪E6纯电动汽车；荣威E550混合动力汽车；或其他同类新能源汽车无1.比亚迪E6驱动电机数据流读取和分析（1）打开诊断仪工具箱。（2）取出诊断仪连接线打开诊断仪工具箱取出诊断仪连接线（3）取出诊断仪器（4）连接诊断仪上的诊断接头取出诊断仪器图连接诊断仪上的诊断接头（5）连接仪器诊断接头到车辆的故障诊断座。（6）起动车辆连接仪器诊断接头到车辆的故障诊断座起动车辆（7）开启仪器电源，根据仪器屏幕提示操作。1）选择车型诊断：比亚迪汽车。2）选择适合的车型：比亚迪E6选择车型诊断：比亚迪汽车选择适合的车型：比亚迪E63）进入E6动力网系统4）进入VIOG控制器进入E6动力网系统进入VIOG控制器5）读取数据流，进行以下操作，观察数据流的变化。a.踩下制动踏板读取数据流踩下制动踏板b.踩下加速踏板。c.挂入倒车档踩下加速踏板挂入倒车档d.踩下加速踏板。e.踩下制动踏板，置入空挡踩下加速踏板踩下制动踏板，置入空挡6）返回诊断仪主菜单，关闭仪器返回诊断仪主菜单，关闭仪器2.荣威E550驱动电机控制器数据流读取和分析以荣威E550为例，进行驱动电机控制器模块数据流读取和分析。与动力蓄电池数据读取方式相同，我们可以通过诊断仪读取到以下数据与动力蓄电池数据读取方式相同，我们可以通过诊断仪读取到以下数据（1）新能源汽车为了驱动交流电机，从直流获得交流电力的电力转换装置就被称为逆变器。（2）驱动电机要求在停止及低速区域输出大扭矩，在最高车速区域实现大功率输出等。（3）逆变器电压波形可划分为正