电机控制器新能源汽车驱动电机控制系统课件

电机控制器新能源汽车驱动电机控制系统目录驱动电机传感器冷却系统故障分析电机控制器一、电机控制器功能及结构（一）电机控制器功能一、电机控制器组成及功能（一）电机控制器功能功能256314制动能量回馈控制。自身内部故障的检测和处理。采集加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器信号。控制驱动电机正向、反向驱动或发电。控制驱动电机的动力输出,同时对驱动电机进行保护。通过CAN总线与其他控制模块通信,接收并发送相关的信号,间接控制车上相关系统正常运行。142536比亚迪e5高压电控总成内的电机控制器模块主要由控制主板、逆变器(IGBT模块)、超级电容器等部件组成,如图所示电机控制器为电压型逆变器,大容量薄膜电容用于快速吸收回馈制动能量,也可作为大功率放电下的辅助动力源;IGBT模块则是新能源汽车的技术核心,它通过脉冲宽度调制(PWM)的方式控制IGBT开关,在驱动行驶时将高压直流电转换为交流电给驱动电机,或者在减速制动时进行能量回收,将交流电转化为高压直流电给动力蓄电池补充充电;控制主板主要是根据不同工况,控制电机的正反转、功率、转矩和转速等。（二）电机控制结构一、电机控制器功能及结构二、电机控制器内部电子器件与电路（一）IGBT绝缘栅双极型晶体管电力晶体管（GTR）属于双极型电流驱动器件，其优点是通流能力很强，但不足之处是开关速度相对低，驱动功率大，驱动电路复杂，而MOSFET是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快，输入阻抗高，所需驱动功率小，而且驱动电路简单；缺点是导通压降大。于是有人提出将这两类器件的优点，即GTR的低导通压降与MOSFET的高输入阻抗结合起来．制成复合型器件，通常称为Bi-MOS器件，即绝缘栅双极型晶体管（Insulate-GateBipolarTransistor，IGBT）。它综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有低导通压降和高输入阻抗的综合优点。它自投入市场以来，应用领域现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。当前IGBT即应用水平已达到：2500～6500V，600～2500A。二、电机控制器内部电子器件与电路（一）IGBT超级电容器(Supercapacitors),又名电化学电容器,是一种新型的储能装置。它是一种介于传统电容与蓄电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原电容电荷储存电能,因而不同于传统的化学电源。超级电容器的突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。在需要驱动电机起动时,超级电容器能够把储存的能量释放出来供给电路使用,并在接通高压电路时吸收电源的电量,保证驱动电机起动时电压的稳定。断开高压电路时通过电阻给超级电容器放电,放电电阻通常和超级电容器并联,电源波动时,超级电容器会随之充放电以吸收电源波动,稳定电压。二、电机控制器内部电子器件与电路（二）超级电容与放电电阻超级电容可以取代蓄电池吗？二、电机控制器内部电子器件与电路（三）控制主板与接口电路控制主板A主要与整车控制器通信,监测直流母线的电流,控制IGBT模块工作状态,监控高压线束的绝缘和工作连接情况,并把情况反馈给整车控制器,对IGBT模块的温度信号、旋变传感器信号进行分析处理,适时控制驱动电机工作。是指主电路与控制电路之间的接口所连接的电路。基本功能是将控制电路发出的开关信号转变为适合IGBT驱动的信号,对IGBT的开关器件进行控制。整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中,或通过驱动电路实现。接口电路B二、电机控制器内部电子器件与电路（四）接触器DC/DC转换电路将动力蓄电池组高压直流电与低压直流电进行相互转换,将动力蓄电池的高压电转换成低压电;其在主接触器吸合时工作,输出的低压电源供给整车用电器工作,并且可给辅助蓄电池充电。二、电机控制器内部电子器件与电路（三）DC/DC变换电路DC/DC转换方式直流电源转换电路降压斩波电路电路采用IGBT直接进行直流电压降压转变。DC/AC/DC的方法使用变压器进行转换ton为VT处于导通的时间,toff为VT处于断态的时间,T为开关周期,α为导通占空比,简称占空比或导通比(α=ton/T)。由此可知,输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui,若减小占空比α,则Uo随之减小,由于输出电压低于输入电压,故称该电路为降压斩波电路二、电机控制器内部电子器件与电路（四）DC/DC变换电路DC/AC/DC变换电路当ECU控制IGBT2和IGBT3导通时,动力蓄电池电流从正极流经IGBT2到达变压器一次绕组上端,向下流过一次绕组下端,再经IGBT3到动力蓄电池负极,如图所示。ECU控制IGBT的导通和截止,把高压动力蓄电池组的直流电逆变成高压、高频交流电,然后通过变压器把这高压、高频交流电转变为低压、高频的交流电,最后通过二极管整流滤波变成14V直流电。二、电机控制器内部电子器件与电路（四）DC/DC变换电路当ECU控制IGBT1和IGBT4导通时,动力蓄电池从正极流经IGBT1到达变压器一次绕组下端,向上流过一次绕组上端,经IGBT4到动力蓄电池负极,如图3-2-8所示DC/AC/DC变换电路二、电机控制器内部电子器件与电路（四）DC/DC变换电路DC/AC/DC变换电路二、电机控制器内部电子器件与电路（五）AC/DC变换电路-整流电路二、电机控制器内部电子器件与电路（六）DC/AC变换电路-逆变器主要包括整流器、逆变器、中间直流环节和控制电路等。010203040506

状态监测一般监测的状态变量至少包括变频器电机系统里几个关键的参数,如电流(直流母线电流、电机相电流)、电压(直流母线电压)。最基本功能包括所有和电机运行有关的功能,如起动、制动、调速、转向控制等。

故障处理和保护如果监测到系统发生故障,就需要加以判断并进行相应的处理。一般而言,需要区分和响应的故障至少包括过电流、过电压等。

运行速度控制采用PWM控制改变逆变器输出的三相交流电的电压和频率就可以改变电机的转速,从而对汽车进行调速。运行方向控制通过改变逆变器中IGBT的导通顺序就可以改变输出三相交流电的相序,即改变三相异步电机定子三相绕组所接交流电的相序,三相异步电机反转,从而改变汽车的运行方向。驱动与制动控制通过改变逆变器输出三相交流电的频率,改变三相异步电机的转差率的正负,控制三相异步电机是处于电动机状态还是发电机状态,从而控制汽车的驱动和制动。自动控制提供一些端子接口,通过这些接口,可以由其他设备(如PLC)来监测和控制系统的运行,甚至可以通过接口提供外部的闭环控制.人工控制提供一套人机界面系统,操作者可以通过其监测和控制系统的运行,包括设置一些运行参数等。功

能S1~S4为桥式电路的4个臂,他们是由电器元件及其相关电路组成,当S1、S4断开,S2、S3闭合时,负载电压uo为正;当开关S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压uo为负。通过这个方法,就可以把直流电转变成交流电,其波形如图3-2-10所示。只要改变两组开关相应的切换频率,就可以改变交流电的输出频率,这就是逆变器的工作原理。二、电机控制器内部电子器件与电路（六）DC/AC变换电路-逆变器DC/AC电路控制过程以比亚迪e5电动汽车为例简述DC/AC电路控制过程,电机控制器通过控制DC/AC逆变模块中的IGBT(绝缘栅双极晶体管)的导通与截止将直流电转变为交流电。当电机控制器控制电路中的IGBT2和IGBT4导通时,动力蓄电池电流从动力蓄电池正极流经IGBT2到驱动电机,电流从驱动电机的V相绕组流进,U相绕组流出,再通过IGBT4回到动力蓄电池负极,形成回路。而驱动电机中V相和U相通电后产生磁场,如图3-2-12所示。二、电机控制器内部电子器件与电路（六）DC/AC变换电路当电机控制器控制电路中的IGBT3和IGBT5导通时,动力蓄电池电流从动力蓄电池正极流经IGBT3到驱动电机,电流从驱动电机的W相绕组流进,V相绕组流出,再通过IGBT5回到动力蓄电池负极,形成回路。而驱动电机中W相和V相通电后产生磁场,如图3-2-13所示。二、电机控制器内部电子器件与电路（六）DC/AC变换电路当电机控制器控制电路中的IGBT1和IGBT6导通时,动力蓄电池电流从动力蓄电池正极流经IGBT1到驱动电机,电流从驱动电机的U相绕组流进,W相绕组流出,再通过IGBT6回到动力蓄电池负极,形成回路。而驱动电机中U相和W相通电后产生磁场,如图3-2-14所示。电机控制器如此反复依次控制6个IGBT成对开启,这样在电路中形成一个相位互差120°的矩形方波交流电压,并且在驱动电机的三相绕组上产生连续的旋转磁场,使驱动电机持续运转,并且电机控制器还可以通过改变IGBT开闭的频率,调节驱动电机的旋转速度。二、电机控制器内部电子器件与电路（六）DC/AC变换电路

再生制动电路新能源汽车的再生制动也叫制动能量回收,是利用车辆制动时,让旋转的车轮带动驱动电机旋转,使驱动电机处在发电状态,并将产生的电能储存到动力蓄电池组中,从而延长新能源汽车的续驶里程。

有资料表明,在较为频繁制动或者起停的城市工况运行条件下,有效回收制动能量,可以使城市工况下新能源汽车的行驶距离延长10%~30%新能源汽车制动模式新能源汽车的制动模式大致分为3类。二、电机控制器内部电子器件与电路（七）再生制动电路紧急制动紧急制动对应于制动加速度大于2m/s2的过程为保持车辆的制动安全,要尽可能地使用传统液压制动,而驱动电机则较少参与或者不参与制动。在紧急制动时,根据初始速度不一样,由车上机械制动与ABS共同起作用提供相应的机械制动力。正常制动车辆在正常工况下的制动过程,一般有减速过程和停止过程。驱动电机制动负责减速过程,停止过程由液压制动完成。两种制动方式的转化点由驱动电机发电特性确定。长时间下坡时的减速制动车辆行驶在类似盘山公路的长坡时,对制动力要求不是很大,可以完全由驱动电机制动提供。123二、电机控制器内部电子器件与电路（七）再生制动电路新能源汽车的再生制动工作原理如图所示,当车辆需要减速时,通过控制系统,驱动轮反拖驱动电机,驱动电机转化为发电机工作状态,产生反向电流,同时产生作用于驱动轮的制动力矩,可通过动力蓄电池将制动产生的电能回收。新能源汽车上的总制动力矩是再生制动力矩与液压制动力矩之和。它们之间的分配比例关系如图3-2-16所示,目的是保持最大再生制动力矩的同时为驾驶人提供和燃油车相同的制动感。当制动踏板力较小时,只有再生制动力矩施加在驱动轮上,才能和制动踏板力成正比。而非驱动轮上的制动力由液压制动提供,液压制动力也和制动踏板力成正比。当制动踏板力超过一定值时,最大再生制动力矩全部加在驱动轮上,同时液压制动力矩也作用在驱动轮上以得到所需的制动力矩。因而最大再生制动力矩可以保持不变,以便能够完全回收车辆的动能。若制动系统因制动造成的管路压力越高(或制动踏板踏下深度越深),表示经驾驶人判断需要的总制动力矩越大,非驱动轮的制动力矩不断增加,驱动轮的制动力矩也在增加。但摩擦力矩增加得多,再生制动力矩不增加,甚至还可能减小,这就要求再生制动和ABS要协调工作。二、电机控制器内部电子器件与电路（七）再生制动电路二、电机控制器内部电子器件与电路（七）再生制动电路2)当ABS进行制动力调节时,制动能量回收不应该工作。3)当ABS报警时,制动能量回收不应该工作。4)当电驱动系统具有故障时,制动能量回收不应该工作。1)能量回收制动不应该干预ABS的工作。能量回收与制动之间必须遵循以下关系5)当车辆进入再生制动阶段,驱动电机工作在发电状态,6个IGBT全部关闭。再生制动电路分析1)当驱动电机U相位正极回收的电能经过VD1回到高压动力蓄电池组正极;高压动力蓄电池组负极出来的电流经VD6回到驱动电机W相位负极,如图3-2-17所示二、电机控制器内部电子器件与电路（七）再生制动电路2)当驱动电机V相位正极回收的电能经过VD2回到高压动力蓄电池组正极:高压动力蓄电池组负极出来的电流经过VD4回到驱动电机U相位负极,如图3-2-18所二、电机控制器内部电子器件与电路（七）再生制动电路3)当驱动电机W相位正极回收的电能经过VD3回到高压动力蓄电池组正极,高压动力蓄电池组负极出来的电流经过VD5回到驱动电机V相位负极,如图3-2-19所示。在整个整流过程中,VD1、VD3、VD5中正极电位最高者导通,VD2、VD4、VD6中负极电位最低者导通,依次循环,在高压动力蓄电池组两端得到较为平稳的脉冲直流电压。二、电机控制器内部电子器件与电路（七）再生制动电路驱动时逆变器将动力蓄电池提供的直流电逆变为电压频率可调的三相交流电,供驱动电机使用,驱动车辆运行。制动时驱动电机作为发电机运行,将车辆行驶动能变为电能产生三相交流电,经逆变器变为直流电反馈回动力蓄电池,进行再生制动。三、典型的电机控制器（一）比亚迪e5比亚迪e5高压电控总成外部主要由动力蓄电池组母线、各种低压信号插接件、各种高压输出插接件、直流输出插接件等组成,各端口功能表3-2-1。—特点1)将电机控制器、车载充电机、D