新能源汽車驅(qū)動電機及控制系統(tǒng)檢修課件 學習情境5：電機控制器

學習情境5新能源汽車驅(qū)動電機及控制系統(tǒng)檢修電機控制器目錄CONTENTS認識電機控制器任務1電機控制器性能檢測任務2認知電機能量回收系統(tǒng)任務3認識電機控制器學習任務15.1.1任務1：認識電機控制器電機控制器概述驅(qū)動電機管理模塊主要用于管理和控制驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)速度、方向，以及將驅(qū)動電機作為逆變電機發(fā)電。MCU的功能類似于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機控制模塊。目前使用在純電動汽車上的驅(qū)動電機管理模塊主要有兩種類型:一種是僅用于控制驅(qū)動電機的，即MCU;另一種是具有集成控制功能的驅(qū)動電機管理模塊，即MCU與DC-DC轉(zhuǎn)換器功能，這類驅(qū)動電機管理模塊也被稱為電力控制單元。驅(qū)動電機管理模塊1.5.1.1任務1：認識電機控制器電機控制器概述（1）構(gòu)成逆變器2.5.1.1任務1：認識電機控制器電機控制器概述（2）控制新能源汽車采用的驅(qū)動電機要求在停止及低速區(qū)域輸出大轉(zhuǎn)矩，在最高車速區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大功率輸出等?，F(xiàn)在主流電為永磁交流同步電機，其通過弱磁場控制，可以實現(xiàn)大范圍的轉(zhuǎn)速區(qū)域輸出。逆變器大多采用的是電壓輸出式，PWM方式的矩形波輸出電壓的脈沖幅度定期變化。頻率在數(shù)千赫茲以上的高頻進行轉(zhuǎn)換，將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓。影響電機輸出的電壓成分取決于基波分量，因此為了加大該基波，采用使逆變器輸出電壓波形變形增大電壓基波分量的方法。在此，所謂的調(diào)制度是指逆變器電源電壓與輸出電壓基波分量的比。電壓波形可劃分為正弦波PWM、過調(diào)制PWM和矩形波三種。逆變器2.5.1.1任務1：認識電機控制器電機控制器概述（2）控制逆變器2.5.1.1任務1：認識電機控制器電機控制器概述（3）內(nèi)部元件車輛驅(qū)動用逆變器由于在高頻下進行轉(zhuǎn)換，功率半導體元器件要求轉(zhuǎn)換高速化。另外，為了應對大功率輸出，也要求高電壓。因此大多采用IGBT,兼具場效應管構(gòu)造的電壓驅(qū)動特性與雙極晶體管的強電力特性。（4）冷卻器逆變器的主要發(fā)熱部分是功率半導體元器件IGBT和FRD，需要對其進行高效率的冷卻。冷卻方式有風冷與水冷兩種。大功率逆變器一般采用水冷方式。功率半導體元器件的冷卻借助動力模塊內(nèi)部絕緣印制電路板以及散熱板，通過冷卻器冷卻。因此，降低熱阻與提高冷卻器能力至關重要。逆變器2.5.1.1任務1：認識電機控制器電機控制器概述（5）電容器主電路電容器有平滑電容器和濾波電容器，前者用于平滑電機控制用電壓，而后者主要用于高/電池的脈動平穩(wěn)化。這些電容器由于具有等效串聯(lián)電阻低、耐壓能力強、壽命期限長、耐溫特性良好等優(yōu)點，采用薄膜電容器的情況有所增加，電容器元器件中，通過采用薄聚丙烯膜，可以實現(xiàn)電容器裝置的小型化。單位體積的靜電容量與薄膜厚度的二次方大致成正比，因此，薄膜化對于實現(xiàn)小型、輕量化來說是最為有效的手段。另外，可以通過開發(fā)各種蒸鍍方式，以最佳形式來應對較大的脈動和實現(xiàn)高安全性(自我保障功能)。，逆變器2.5.1.1任務1：認識電機控制器電機控制器概述混合動力電動汽車、電動汽車配置兩種電池，一種是作為行駛用電機電源的高電壓主機電池(動力電池)，另一種是作為車輛附件類及電子控制單元電源的12V輔助電池。電動汽車無法利用發(fā)動機的動力進行發(fā)電，因此一般搭載DC-DC轉(zhuǎn)換器，進行主機電池向輔助電池的降壓式直流-直流電力轉(zhuǎn)換。電動汽車可以通過交流發(fā)電機發(fā)電，但是混合動力系統(tǒng)為了改善油耗，要反復進行怠速停機與起動發(fā)動機，因此一般采用可以輸出穩(wěn)定電壓、可高效率完成電力轉(zhuǎn)換的DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器3.5.1.2任務1：認識電機控制器吉利帝豪EV450電機控制器概述電機控制器安裝在前艙內(nèi)，采用控制器局域網(wǎng)通信控制，控制著動力電池組到電機之間能量的傳輸，同時采集電機位置信號和三相電流檢測信號，精確地控制驅(qū)動電機運行。5.1.2任務1：認識電機控制器吉利帝豪EV450電機控制器概述電機控制器是一個既能將動力電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電以驅(qū)動電機，又能將車輪旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換為電能(交流電轉(zhuǎn)換為直流電)給動力電池充電的設備。減速階段，電機作為發(fā)電機應用。它可以完成由車輪旋轉(zhuǎn)的動能到電能的轉(zhuǎn)換，給電池充電。DC-DC集成在電機控制器內(nèi)部，其功能是將電池的高壓電轉(zhuǎn)換成低壓電，提供整車低壓系統(tǒng)供電。5.1.3任務1：認識電機控制器吉利帝豪EV450電機控制器結(jié)構(gòu)如圖所示，電機控制器內(nèi)部包含一個DC-AC逆變器和一個DC-DC直流轉(zhuǎn)換器，逆變器由IGBT、直流母線電容、驅(qū)動和控制電路板等組成，實現(xiàn)直流(可變的電壓、電流)與交流(可變的電壓、電流、頻率)之間的轉(zhuǎn)變。直流轉(zhuǎn)換器由高低壓功率器件、變壓器、電感、驅(qū)動和控制電路板等組成，實現(xiàn)直流高壓向直流低壓的能量傳遞。電機控制器還包含冷卻器(通冷卻液)給電子功率器件散熱。5.1.4任務1：認識電機控制器吉利帝豪EV450電機控制器功能(1)轉(zhuǎn)矩控制模式電機控制系統(tǒng)控制電機軸向四象限的轉(zhuǎn)矩。由于沒有轉(zhuǎn)矩傳感器，轉(zhuǎn)矩指令(由整車控制器發(fā)送)被轉(zhuǎn)換成為電流指令，并進行閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩控制模式只有在獲得正確的初始偏移角度時才能進行。(2)靜態(tài)模式.靜態(tài)模式在電機控制器處于被動狀態(tài)(待機狀態(tài))或故障狀態(tài)時被激活。(3)主動放電模式主動放電用于高壓直流端電容的快速放電。主動放電指令來自整車控制器的指令或由電機控制器內(nèi)部故障觸發(fā)。5.1.4任務1：認識電機控制器吉利帝豪EV450電機控制器功能(4)DC-DC直流轉(zhuǎn)換電機控制器中的DC-DC轉(zhuǎn)換器將高壓直流端的高壓轉(zhuǎn)換成指定的直流低壓(12V低壓系統(tǒng))，低壓設定值來自整車控制器指令。(5)系統(tǒng)診斷功能當故障發(fā)生時，軟件根據(jù)故障級別使電機控制器進入安全狀態(tài)或限制狀態(tài)。安全狀態(tài)包括主動短路或Freewheel模式，限制狀態(tài)包括四個級別的功率/轉(zhuǎn)矩輸出限制。電機控制器軟件中提供基于ISO-14229標準的診斷通信功能，如表所示。5.1.4任務1：認識電機控制器吉利帝豪EV450電機控制器功能(6)旋轉(zhuǎn)變壓器.旋變信號的作用是反映驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子當前的旋轉(zhuǎn)相位，電機控制器通過旋變信號計算當前驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。吉利帝豪EV450的旋轉(zhuǎn)變壓器采用磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，旋變轉(zhuǎn)子與驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子同軸連接，隨電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。旋變定子內(nèi)側(cè)有感應線圈，安裝在驅(qū)動電機定子上。驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)時，帶動旋變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。旋變器與電機控制器中間通過六根低壓線束連接，兩根是電機控制器激勵信號，另外四根分別是旋變器輸出的正弦信號和余弦信號。六根線當中任何一根線路出現(xiàn)故障，都會導致驅(qū)動電機無法正常工作，如圖所示。5.1.4任務1：認識電機控制器吉利帝豪EV450電機控制器功能(7)PWM信號由軟件來控制IGBT的通斷，使其輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，可用這些脈沖來代替交流正弦波形。再按照一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行實時調(diào)制，就可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。這樣就可使其輸出所需要的PWM信號,實現(xiàn)對驅(qū)動電機的電壓或頻率的調(diào)整。(8)驅(qū)動電機溫度控制驅(qū)動電機定子上設置有兩組溫度傳感器，其采用負溫度系數(shù)的電阻(溫度越高，電阻越低),通過傳感器電阻的變化，電機控制器可實時監(jiān)控驅(qū)動電機的溫度，防止電機溫度過高。電機控制器性能檢測學習任務25.2.1任務2：電機控制器性能檢測檢查電機控制器保險絲EFI8、EF31和蓄電池正極柱頭保險絲是否熔斷1)操作起動開關，使電源模式至OFF狀態(tài)。2)拔下保險絲EF31,檢查保險絲是否熔斷(保險絲額定容量:10A)。3)拔下保險絲EF18,檢查保險絲是否熔斷(保險絲額定容量:30A)。4)拔下蓄電池正極柱頭保險絲，檢查保險絲是否熔斷(保險絲額定容量:150A)。5.2.2任務2：電機控制器性能檢測檢查電機控制器低壓電源電壓1)操作起動開關，使電源模式至OFF狀態(tài)。2)斷開電機控制器線束連接器EP11。3)操作起動開關，使電源模式至ON狀態(tài)。4)用萬用表測量電機控制器線束連接器EP11端子25和車身接地之間的電壓值(標準電壓:11~14V)。5)用萬用表測量電機控制器線束連接器EP11端子26和車身接地之間的電壓值(標準電壓:11~14V)。6)確認測量值是否符合標準。5.2.3任務2：電機控制器性能檢測檢查電機控制器接地電阻1)操作起動開關，使電源模式至OFF狀態(tài)。2)斷開電機控制器線束連接器EP11。3)用萬用表測量電機控制器線束連接器EP11端子11和車身接地之間的電阻(標準電阻:小于)。5.2.4任務2：電機控制器性能檢測檢查分線盒線束1)操作起動開關，使電源模式至OFF狀態(tài)。2)斷開蓄電池負極電纜。3)拆卸維修開關。4)斷開電機控制器高壓線束連接器EP54，如上圖所示。5)斷開直流母線線束連接器EP42(分線盒側(cè))，如下圖所示。6)用萬用表測量電機控制器高壓線束連接器EP54端子1和直流母線線束連接器EP42端子1之間的電阻(標準電阻:小于)。7)用萬用表測量電機控制器高壓線束連接器EP54端子2和直流母線線束連接器EP42端子2之間的電阻(標準電阻:小于)。8)確認測量值是否符合標準。5.2.5任務2：電機控制器性能檢測檢查分線盒線束1)操作起動開關，使電源模式至OFF狀態(tài)。2)斷開蓄電池負極電纜。3)斷開電機控制器線束連接器EP12。4)斷開蓄電池正極電纜。5)用萬用表測量電機控制器線束連接器EP12端子1和蓄電池正極電纜之間的電阻(標準電阻:小于)。6)確認測量值是否符合標準。認知電機能量回收系統(tǒng)學習任務35.3.1任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)新能源汽車能量回收系統(tǒng)簡介如圖所示為新能源汽車再生制動1液壓制動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，當駕駛員踩下制動踏板后，電泵使制動液增壓產(chǎn)生所需的制動力，制動控制與電機控制協(xié)同工作，確定電動汽車上的再生制動力矩和前后輪上的液壓制動力。再生制動時，再生制動控制回收再生制動能量，并且反充至動力電池中與傳統(tǒng)燃油車相同，電動汽車上的ABS及其控制閥的作用是產(chǎn)生最大的制動力。5.3.2任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收的影響因素(1)電機電機對制動能量的回收有著非常大的影響，若其可提供的制動能力強，則調(diào)配機械摩擦制動與再生制動時，加大再生制動的份額就能夠增加能量的回饋量;若其發(fā)電能力強，即電機的電功率高，則能量的回收能力就強;同時電機的機械效率等也同樣限制著能量的回收能力。所以在現(xiàn)階段，永磁無刷直流電機、交流感應電機以及開關磁阻電機最適合作為新能源汽車的驅(qū)動電機。(2)儲能裝置現(xiàn)階段車載儲能裝置主要有蓄電池、燃料電池、超級電容及飛輪等，其中使用較多的是蓄電池。儲能裝置的電池充電狀態(tài)直接制約著能量回收能量，是最主要的影響因素。若儲能裝置電量充足，則制動能量就不能進行回收;若儲能裝置充電電流超過其允許范圍或者電機輸出的電功率超過儲能裝置最大的充電功率，則也無法回收制動能量。5.3.2任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收的影響因素(3)行駛工況制動頻率較高的工況，如城市中車輛需頻繁起步與停車，回收的制動能量較多;而制動頻率較低的工況，如高速公路中車輛很少進行減速制動，故只有較少的能量回收。(4)控制策略當電機和儲能裝置確定后，制動能量的回饋量由其控制策略決定，控制策略確定了機械摩擦制動與電機制動之間的分配關系，以及儲能裝置的充電和放電狀態(tài)，同時也確定了制動過程中能量的回饋量。5.3.3任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收方法根據(jù)儲能機理不同，電動汽車制動能量回收的方法也不同，主要有三種:飛輪儲能、液壓儲能和電化學儲能。1)飛輪儲能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來儲存和釋放能量，能量回收系統(tǒng)原理如圖所示。當汽車制動或減速時，先將汽車在制動或減速過程中的動能轉(zhuǎn)換成飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動能;當汽車再次起動或加速時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪又將存儲的動能通過傳動裝置轉(zhuǎn)化為汽車行駛的驅(qū)動力。5.3.3任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收方法如圖所示為一種飛輪儲能式制動能量回收系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)主要由發(fā)動機、高速儲能飛輪、增速齒輪、離合器和驅(qū)動橋組成。發(fā)動機用來提供驅(qū)動汽車的主要動力，高速儲能飛輪用來回收制動能量及作為負荷平衡裝置,為發(fā)動機提供輔助的功率，以滿足峰值功率的要求。5.3.3任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收方法2)液壓儲能式制動能量回收系統(tǒng)原理圖如圖所示。它先將汽車在制動或減速過程中的動能轉(zhuǎn)換成液壓能，并將液壓能儲存在液壓儲能器中;當汽車再次起動或加速時，儲能系統(tǒng)又將儲能器中的液壓能以機械能的形式反作用于汽車，以增加汽車的驅(qū)動力。5.3.3任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收方法如圖所示為一種液壓儲能式制動能量回收系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)由發(fā)動機、液壓泵/電機、儲能器、變速器、驅(qū)動橋、離合器和液壓控制系統(tǒng)組成。汽車起動、加速或爬坡時，液控離合器接合，液壓儲能器與連動變速器連接,液壓儲能器中的液壓能通過液壓泵/電機轉(zhuǎn)化為驅(qū)動汽車的動能，用來輔助發(fā)動機滿足驅(qū)動汽車所需要的峰值功率。減速時，電控元件發(fā)出信號，使系統(tǒng)處于儲能狀態(tài)，將動能轉(zhuǎn)換為壓力能儲存在液壓儲能器內(nèi)，這時汽車行駛阻力增大，車速降低直至停車。在緊急制動或初始車速較高時，能量回收系統(tǒng)不工作，不影響原車制動系統(tǒng)正常工作。5.3.3任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收方法3)電化學儲能式制動能量回收系統(tǒng)原理如圖所示。它先將汽車在制動或減速過程中的動能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，并以化學能的形式儲存在儲能器中;當汽車再次起動或加速時，再將儲能器中的化學能通過電機轉(zhuǎn)化為汽車行駛的動能。儲能器可采用動力電池或超級電容，由發(fā)電機/電動機實現(xiàn)機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)還包括-一個控制單元，用來控制蓄電池或超級電容的充放電狀態(tài)，并保證蓄電池的剩余電量在規(guī)定的范圍內(nèi)。5.3.3任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收方法如圖所示為一種用于前輪驅(qū)動汽車的電化學儲能式制動能量回收系統(tǒng)示意圖。當汽車以恒定速度或加速度行駛時，電磁離合器脫開。當汽車制動時，行車制動系統(tǒng)開始工作,汽車減速制動，電磁離合器接合，從而接通驅(qū)動軸和變速器的輸出軸。這樣，汽車的動能由輸出軸、離合器、驅(qū)動軸、驅(qū)動輪和從動輪傳到發(fā)電機和飛輪上。制動時的機械能由電機轉(zhuǎn)換為電能，存入動力電池。當離合器再分離時，傳到飛輪上的制動能驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能,存入蓄電池。在發(fā)電機和飛輪回收能量的同時，產(chǎn)生負載作用，作為前輪驅(qū)動的制動力。當汽車再次起動時，動力電池的化學能被轉(zhuǎn)換成機械能，用來加速汽車。5.3.4任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的作用在電動汽車上采取制動能量回收方法的主要作用有以下幾點。1)提高電動汽車的能量利用率。2)延長電動汽車的行駛里程，電制動與傳統(tǒng)制動相結(jié)合，減輕傳統(tǒng)制動器的磨損,增長其使用周期，降低成本。3)減少汽車制動器在制動，尤其是緩速下長坡及滑行過程中產(chǎn)生的熱量，降低汽車制動器的熱衰退，提高汽車的安全性和可靠性。再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理如圖所示，其由驅(qū)動輪、主減速器、變速器、電機、AC-DC轉(zhuǎn)換器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、能量儲存系統(tǒng)及控制器組成。5.3.4任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的作用在電動汽車上采取制動能量回收方法的主要作用有以下幾點。1)提高電動汽車的能量利用率。2)延長電動汽車的行駛里程，電制動與傳統(tǒng)制動相結(jié)合，減輕傳統(tǒng)制動器的磨損,增長其使用周期，降低成本。3)減少汽車制動器在制動，尤其是緩速下長坡及滑行過程中產(chǎn)生的熱量，降低汽車制動器的熱衰退，提高汽車的安全性和可靠性。再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理如圖所示，其由驅(qū)動輪、主減速器、變速器、電機、AC-DC轉(zhuǎn)換器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、能量儲存系統(tǒng)及控制器組成。5.3.5任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收系統(tǒng)的工作原理制動能量回收是電動汽車與混合動力汽車的重要技術之一，也是它們的重要特點。在普通內(nèi)燃機汽車上，當車輛減速、制動時，車輛的運動能量通過制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向大氣中釋放。而在電動汽車與混合動力汽車上，這種被浪費掉的運動能量可通過制動能量回收技術轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆Υ嬗趧恿﹄姵刂校⑦M一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動能量。例如，當車輛起步或加速，需要增大驅(qū)動力時，電機驅(qū)動力成為發(fā)動機的輔助動力,使電能獲得有效應用。5.3.6任務3：認識電機能量回收系統(tǒng)制動能量回收系統(tǒng)的能量回收方式在發(fā)動機關閉時滑行/制動狀態(tài)下，發(fā)動機與電機離合器打開，電機/發(fā)電機離合器閉合，能量僅通過電機/發(fā)電機回收。發(fā)動機關閉時滑行/制動狀態(tài)下的能