新能源汽車技術(shù)原理與維修（10）
——純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)（下）

文：李宏偉

新能源汽車技術(shù)原理與維修（10）
——純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)（下）

文：李宏偉

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的工作信息主要靠電流傳感器（圖6）、電壓傳感器和溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)。電流傳感器用于檢測(cè)電機(jī)工作實(shí)際電流，包括母線電流和三相交流電流。電壓傳感器用于檢測(cè)供給電機(jī)控制器工作的實(shí)際電壓，包括動(dòng)力電池電壓和12V蓄電池電壓。溫度傳感器用于檢測(cè)電機(jī)控制系統(tǒng)的工作溫度，包括IGBT模塊的溫度。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器上分為低壓接口和高壓接口（圖7），低壓接口端子定義如表4所示。

3.驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)工作原理

下面我們看一下新能源汽車永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖（圖8）。在控制方法中，磁場(chǎng)定向控制（FOC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）作為交流電動(dòng)機(jī)的2種高性能控制策略，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。最初僅用于異步電機(jī)的控制，現(xiàn)在已經(jīng)被擴(kuò)展到同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)的控制上，對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、加速、運(yùn)轉(zhuǎn)、減速及停止進(jìn)行控制。根據(jù)不同類型的電機(jī)及對(duì)電機(jī)的使用場(chǎng)合有不同的要求時(shí)，通過(guò)控制達(dá)到快速啟動(dòng)、快速響應(yīng)、高效率、高轉(zhuǎn)矩輸出及高過(guò)載能力的目的。在電機(jī)控制中，三相逆變器（圖9）是最重要的部分，它是將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，它即屬于主回路部分，也屬于控制執(zhí)行部分，本文內(nèi)容主要是講解三相逆變器的工作原理。

接下來(lái)我們簡(jiǎn)單介紹逆變器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也就是主回路電路（圖10），由6個(gè)IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）組成，每一相輸出線和正負(fù)直流母線之間各連接一只IGBT功率管。連接正極母線的IGBT與輸出端節(jié)點(diǎn)為被稱為“上橋臂”，連接負(fù)極母線的IGBT與輸出端節(jié)點(diǎn)被稱為“下橋臂”，每一相的上、下橋臂統(tǒng)稱為“半橋”。6個(gè)IGBT的序號(hào)一般為T1～T6（或VD1～VD6），第一相的上橋臂是T1（或VD1），其他的IGBT所對(duì)應(yīng)的位置都可以從PWM的坐標(biāo)圖里去找。

為了能夠?qū)⑤斎氲闹绷麟娮兂山涣麟姡?個(gè)IGBT會(huì)從T1～T6（VD1～VD6）依序循環(huán)的導(dǎo)通和關(guān)閉，并依次間隔60°順序?qū)ǎɑ蜿P(guān)斷）。U/V/W三相的相位差為120°，這也就意味著和第一相（U相）上橋臂導(dǎo)通（或關(guān)斷）時(shí)刻間隔120°的IGBT為第二相（V相）的上橋臂；和第二相（V相）上橋臂導(dǎo)通（或關(guān)斷）時(shí)刻間隔120°的IGBT為第三相（W相）的上橋臂。

圖6 電流傳感器

表4 低壓接口定義

下橋臂的序號(hào)很好辨別。一個(gè)周期的正弦交流電所經(jīng)過(guò)的角度是360°（2π），其中正半波經(jīng)過(guò)180°（π）會(huì)從第二象限進(jìn)入第三象限，變?yōu)樨?fù)半波并經(jīng)過(guò)180°（π）。在每一相的上、下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通，也不可以有疊加關(guān)系。因?yàn)樯舷聵虮壑虚g直接連接并作為這一相的輸出端，如果有同時(shí)導(dǎo)通或者是疊加導(dǎo)通，會(huì)導(dǎo)致正負(fù)母線之間直接跨導(dǎo)，造成短路，顯然這是禁止發(fā)生的。

所以當(dāng)某一相的上橋臂導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，下橋臂是不可以導(dǎo)通的，也就是完全關(guān)斷狀態(tài)。上橋臂導(dǎo)通180°（π）后立刻關(guān)斷。這視為此相的正半波。另外哪一項(xiàng)在上橋臂關(guān)斷區(qū)間內(nèi)完全導(dǎo)通并經(jīng)過(guò)180°（π），就為此相的下橋臂（圖11）。每一相間隔120°的循環(huán)輸出就會(huì)產(chǎn)生交流電了。連接永磁同步電動(dòng)機(jī)后就會(huì)建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就可以旋轉(zhuǎn)并對(duì)外做功了。

圖7 驅(qū)動(dòng)控制器接口

圖8 磁場(chǎng)定向控制（FOC）系統(tǒng)

圖9 逆變器

圖10 電機(jī)控制器三相逆變橋

4.驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作過(guò)程

具體驅(qū)動(dòng)電機(jī)在車輛上的工作過(guò)程和原理又是怎樣呢？可根據(jù)駕駛員的意愿將其分為幾種狀態(tài)，如在D擋加速行車時(shí)、減速制動(dòng)時(shí)以及在R擋倒車時(shí)來(lái)進(jìn)行了解。

（1）D擋加速行車

駕駛員換D擋并踩加速踏板，此時(shí)擋位信息和加速信息通過(guò)信號(hào)線傳遞給整車控制器VCU，VCU把駕駛員的操作意圖通過(guò)CAN線傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU，再由驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU結(jié)合旋變傳感器信息（轉(zhuǎn)子位置），進(jìn)而向永磁同步電機(jī)的定子通入三相交流電，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動(dòng)勢(shì)及建立的電樞磁場(chǎng)，一方面切割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一方面以電磁力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)。

隨著加速踏板行程不斷加大，電機(jī)控制器控制的6個(gè)IGBT導(dǎo)通頻率上升，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著電流的增加而增加，因此，基本上擁有最大的轉(zhuǎn)矩。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電動(dòng)機(jī)的功率也增加，同時(shí)電壓也隨之增加。在電動(dòng)汽車上，一般要求電機(jī)的輸出功率保持恒功率，即電機(jī)的輸出功率不隨轉(zhuǎn)速增加而變化。這就要求在電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電壓保持恒定（圖12）。

與此同時(shí)，電機(jī)控制器也會(huì)通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器，感知電機(jī)當(dāng)前功率、消耗電流大小和電壓大小，并把這些信息數(shù)據(jù)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳送給儀表、整車控制器，其具體工作原理如圖13所示。

圖11 逆變橋功率元件驅(qū)動(dòng)時(shí)序

（2）R擋行車

當(dāng)駕駛員掛R擋時(shí)，駕駛員請(qǐng)求信號(hào)發(fā)給VCU，再通過(guò)CAN線發(fā)送給MCU。此時(shí)MCU結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置（旋變傳感器）信息，通過(guò)改變IGBT模塊改變WVU通電順序，進(jìn)而控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。

（3）制動(dòng)時(shí)能量回收

在駕駛員松開(kāi)加速踏板時(shí)，電機(jī)在慣性的作用下仍在旋轉(zhuǎn)，設(shè)車輪轉(zhuǎn)速為V輪、電機(jī)轉(zhuǎn)速為V電機(jī)，車輪與電機(jī)固定傳動(dòng)比為K。當(dāng)車輛減速時(shí)，V輪乘以K小于V電機(jī)時(shí)，電機(jī)仍是動(dòng)力源。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，當(dāng) V輪乘以K大于V電機(jī)時(shí)，此時(shí)電機(jī)相當(dāng)于被車輛帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)。

BMS可以根據(jù)電池充電特性曲線（充電電流、電壓變化曲線與電池容量的關(guān)系）和采集電池溫度等參數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的允許最大充電電流。MCU根據(jù)電池允許的最大充電電流，通過(guò)控制IGBT模塊使發(fā)電機(jī)定子線圈旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度保持到發(fā)電電流不超過(guò)允許最大充電電流，以調(diào)整發(fā)電機(jī)向蓄電池充電的電流，同時(shí)這也控制了車輛的減速度a，具體過(guò)程如圖14所示。

當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，該過(guò)程MCU輸出的電流頻率會(huì)急劇下降，饋能電流在MCU的調(diào)節(jié)下充入高壓電池。當(dāng)IGBT全部關(guān)閉時(shí)在當(dāng)前的反拖速度和模式下為最大饋能狀態(tài)，此時(shí)MCU對(duì)發(fā)電機(jī)沒(méi)有實(shí)施速度和電流的調(diào)整，發(fā)電機(jī)所發(fā)的電量全部轉(zhuǎn)移給蓄電池。

圖12 電機(jī)機(jī)械特性曲線

圖13 D擋工作原理

圖14 反向電流的施加

由于發(fā)電機(jī)負(fù)載較大，因此此時(shí)車輛減速也比較快。

（4）能量回收的條件

電池包溫度低于5℃時(shí)，能量不回收。單體電壓在4.05～4.12 V時(shí)，能量回收6.1 kW。單體電壓超過(guò)4.12 V時(shí)，能量不回收。單體電壓低于4.05 V時(shí)，能量滿反饋SOC 大于95%、車速低于30km/h 時(shí)，沒(méi)有能量回收功能，且能量回收及輔助制動(dòng)力大小與車速和踩下制動(dòng)踏板行程相關(guān)。

（5）E擋行駛時(shí)

E擋為經(jīng)濟(jì)駕駛模式，在車輛正常行駛時(shí)，E擋與D擋的根本區(qū)別在于MCU和VCU內(nèi)部程序、控制策略不同。在加速行駛時(shí)，E擋相對(duì)于D擋來(lái)說(shuō)提速較為平緩，蓄電池放電電流也較為平緩，目的是盡可能節(jié)省電量以延長(zhǎng)行駛距離，而D擋提速較為靈敏，響應(yīng)較快。E擋更注重能量回收。松開(kāi)加速踏板時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)被車輪反拖發(fā)電時(shí)所需的“機(jī)械能”牽制了車輛的滑行，從而起到了一定的降速、制動(dòng)的效果，所以E擋位此時(shí)的滑行距離比D擋位短。

（待續(xù)）

李宏偉，北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院研究員、培訓(xùn)師、電氣工程師，喜歡電氣并以此為樂(lè)。原就職于北京人和車合汽車技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，2012年進(jìn)入某軍工企業(yè)從事電子電氣產(chǎn)品生產(chǎn)制造，后從事新產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計(jì)。2014年離職后到北京九奔科技發(fā)展有限公司擔(dān)任培訓(xùn)師，2015年加盟北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院，從事新能源純電動(dòng)汽車電磁輻射測(cè)試、高壓防護(hù)研究、教學(xué)教具開(kāi)發(fā)及培訓(xùn)工作。