任务一驱动电机管理系统认知教案
上课时间： 年 月 日
课程名称 | 新能源汽车动力电池与驱动电机 | 课时 | 2 | 课型 | 班级 | |||
教学目标 | 知识目标 | 能够描述驱动电机管理统的主要部件； 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。 | ||||||
能力目标 | 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 | |||||||
情感目标 | ||||||||
教材分析 | 重点 | 驱动电机管理统的主要部件；串联式驱动系统结构形式 常见车型驱动电机管理系统主要部件的位置、结构与特点。 | ||||||
难点 | 驱动电机管理统的主要部件；串联式驱动系统结构形式 常见车型驱动电机管理系统主要部件的位置、结构与特点。 | |||||||
方法 | 理论教学法 | |||||||
教具 | 北汽EV160整车 | |||||||
教学过程设计 | ||||||||
基本要素 | 1.导课设计 2.教学活动策划 3.时间分配 4.教学内容 5.课后作业 6.教学反思 | |||||||
导课: 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？ 理论教学内容： 1.驱动电机管理统的主要部件 驱动电机系统是电动汽车核心系统之一，是车辆行驶的主要驱动系统，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。以下介绍驱动电机管理系统的主要部件结构和检测技术。 1)驱动电机管理模块v 驱动电机管理模块（控制器），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。 目前使用在纯电动汽车上的驱动电机管理模块主要有两种类型，一种是仅用于控制驱动电机的，即MCU；另一种是更具有集成控制功能的驱动电机管理模块，即MCU与DC/DC转换器功能，这类的驱动电机管理模块也被称为PCU（图4-1-1）。 DC/DC转换器是直流-直流的电压变换器，用于将动力电池或逆变器产生的电能转换成12V低压电能，用于给12V蓄电池充电和车身电气设备供电。 将MCU与DC/DC转换器集成化是目前纯电动汽车与混合动力汽车驱动电机管理模块要发展的一个趋势，集成度更高的系统即节省了成本，也利于系统之间信息的共享与车辆部件位置的布置设计。 2）逆变器 为了提高电机驱动系统的效率，HEV主要采用交流电机驱动。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。 （1)构成。 图4-1-2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（Poner Contol Unit）的构成，图4-1-3所示为主回路构成。动力控制单元（PCU）由内置了动力装置元器件的IPM、MWGECU(Moor/ Cenerator Elcetric Control Unit)、电容器、电抗器、冷却系统、电流传感器等构成。 （2）控制。 新能源汽车采用的驱动电机要求在停止及低速区域出大转矩，在最高车速区域实现大功率输出。现在主流电机为永磁交流同步电机，通过弱磁场控制，可以实现大范围的转速区域输出。 逆变器大多采用的是电压输出式，PWM方式的矩形波输出电压的脉冲幅度定期变化。频率在数千赫兹以上的高频进行转换，将直流电压转换成交流电压。 影响电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4-1-4所示的是逆变器的电压波形与调制度。在此，所谓的调制度是指逆变器电源电压与输出电压的基波分量的比。电压波形可划分为正弦波PWM、过调制PWM、矩形波3种。图4-1-5所示的是各自的适用区域。 （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。因此，大多采用IGBT（图-1-6）兼具MOS构造的电压驱动特性与双极晶体管的强电力特性。 通过将平面型闸门构造向槽型闸门构造改进，使基本构造小型化，再进一步通过推进元器件厚度的薄板化技术来实现低损耗。 逆变器采用与IGBT同样的FWD(同流用二极管）并列连接，二极管与IGBT同样，要求具有高耐压、低损耗特性，因此采用耐高压的PIN构造，另外，为降低二极管特有的导通状态向闭合状态切换时产生的损耗，一般通过形成品格缺陷来减少转换损耗。 （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（Fast Recoverv Djiode)，需要对其进行高效率的冷却。冷却方式有风冷方式、水冷方式。大功率逆变器一般采用的是水冷方式。图4-1-7所示的是动力模块剖面。功率半导体元器件是件助动力内部绝缘印制电路板以及散热板，通过冷冷机都冷却。网此，降低热阻与提高冷却器能力至关重要。 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4-1-8所示为直接冷却构造。 直接冷却构造中，线性膨胀系数较高的冷却器的热应力直接作用于绝缘电路板，因此，如何确保热收缩的长期可靠性是一个重要的技术。 （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（Equivalent Series Resistance)、高耐压、寿命期限长、耐温特性良好等优点，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）。 3）DC/DC转换器 HEV、EV配置两种电池，一种是作为行驶用电机电源的高电压主机电池（动力电池），另一种是作为车辆附件类及控制ECU电源的12V辅助电池。 图4-1-9所示为混合动力系统组成示意图。EV无法利用发动机的动力进行发电，因此一般搭载DC/DC转换器，进行主机电池向辅助电池的降压式直流-直流电力转换。HEV可以通过交流发电机发电，但是混合动力系统为了改善油耗，要反复进行怠速停机与起动发动机，因此一般采用可以输出稳定电压、可高效率完成电力转换的DC/DC转换器。 另外，在DC/DC转换器的冷却方式中，有的在发动机舱内与逆变器整体化配置，通过冷却系统进行水冷冷却，有的搭载在行李舱内主机电池的电池盒上，通过风扇进行风冷。冷却方式根据配置位置的环境温度与DC/DC转换器自身的损耗来决定，无论哪种，提高效率是共同的目标。丰田普锐斯DC/DC转换器主要参数见表4-1-1。 与一般所使用的DC/DC转换器不同，车辆用转换器要求输入电压范围广泛、温度范围广泛等。另外，由于搭载在行李舱内，冷却方式一般采用风冷方式。 4）解角器 解角器又称解析器，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。解角器结构如图4-1-10所示。 解角器的转子为椭圆形，椭圆形转子与MG1、MG2的永磁转子相连接，定子与转子间的距离随转子的旋转而变化。交流电流入励磁线圈A，产生频率恒定的磁场。使用频率恒定的磁场，线圈S和线圈C将输出与转子位置对应的值。因此，驱动电机-发电机ECU（MGECU)根据线圈S和线圈C输出值之间的差异检测出绝对位置。此外，MGECU根据规定时间内位置的变化量计算转速。 （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4-1-10所示。 由于解角器的励磁线圈中为频率恒定的交流电，因此无论转子转速如何，频率恒定的磁场均会由转子输出至线圈S和线圈C。转子为椭圆形，解角器的定子与其转子之间的间隙随转子的旋转而变化。由于间隙的变化，线圈S和线圈C输出波形的峰值随转子位置的变化而变化。驱动电机-发电机ECU（MGECU)持续监视这些峰值，并将其连接形成虚拟波形。驱动电机-发电机ECU（MGECU)根据线圈S和线圈C值之间的差异计算转子的绝对位置。其根据线圈S的虚拟波形和线圈C的虚拟波形的相位差判定转子的方向。此外，驱动电机-发电机ECU（MGECU）根据规定时间内转子位置的变化量计算转速。转子旋转180°时线圈A、线圈S和线圈C的输出波形如图4-1-11所示。解角器的工作原理如图4-1-12及动画所示。 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 新能源汽车有哪些以下介绍具有代表性的比亚迪E6、比亚迪秦以及北汽新能源EV系列车型驱动电机控制器和DC/DC转换器的安装位置、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。 比亚迪E6的驱动电机控制器，简称电机控制器，是纯电动汽车整车驱动控制系统的核心，它的作用至关重要。简单地讲，类似于传统内燃机汽车的油量调节机构，都是通过调节加速踏板的幅度来进行车速和牵引力的控制。但是电机控制器相比较油量调节机构的结构、功能更为复杂全面。电机控制器不仅接受加速踏板的加减速信号，同时接受制动踏板、电机转速、车速、电机电枢电压、电流、冷却液温度等信号，经过对这些信号的分析完成对电机的精确控制。并且控制器会将这些信号的数值显示在外接显示屏上以供驾驶人随时掌握车辆状况。此外，控制器在电机发生过电流、过电压以及过热情况都会自动切断主电路以保护汽车以及乘员的安全。如图4-1-13所示为E6电机控制器，安装在前机舱右侧，靠近DC/DC转换器的位置。 驱动电机控制器类型为电压型逆变器，利用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）将直流电转换为交流电，额定电压为318V，主要功能是控制电动机和发电机等根据不同工况控制电机的正反转、功率、扭矩、转速等。即控制电机的前进、倒退、维持电动车的正常运转，关键零部件为IGBT，IGBT实际为大电容，目的是为了控制电流的工作，保证能够输出合适的电流参数。 驱动电机控制器总成包含上中下三层，上下层为电动机控制单元，中层为水道冷却单元，总成还包括信号接插件（包含12V电源/CAN线/挡位、节气门/旋变/电机过温信号线预充满信号线等），2根动力电池正负极接插件，3根电机三相线接插件和2个水套接头及其他周边附件，如图4-1-14所示。 电机控制器的主要功能有： ①控制电机正向驱动、反向驱动、正转发电、反转发电。 ②控制电机的动力输出，同时对电机进行保护。 ③通过CAN与其他控制模块通信，接收并发送相关的信号，间接地控制车上相关系统正常运行。 ④制动能量回馈控制。 ⑤自身内部故障的检测和处理。 （2）驱动电机控制系统工作原理。 驱动电机控制器系统主要由高压配电、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。 驱动电机控制器接受挡位开关信号、节气门深度、制动踏板深度、旋变等信号，经过一系列的逻辑处理和判断，来控制电机正、反转和转速等。 控制策略采用了经典的电机控制理论并注入了先进的控制算法，驱动永磁同步电机以最佳方式协调工作，核心ECU——驱动电机控制器上层软件所依赖的下层硬件电路包括控制电路板和驱动电路板两块电路板。它们的分工有所不同：控制电路板又分为模拟通道采样单元、模数转换单元、DSP处理单元、旋变解码单元、CAN通信单元、挡位处理单元。驱动电路板包括信号隔离单元、保护信号选择单元、电源单元。控制电路板对采样的数据进行处理，计算出所需占空比，产生PWM（正弦脉宽调制）；通过驱动电路板传递给IGBT，供驱动电机工作。 驱动电机控制器系统元件位置和控制框图如图4-1-15和图4-1-16所示。 （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4-1-17和图4-1-18所示。 角度传感器又称旋转变压器，旋转变压器（简称旋变）是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。电机转速由角度传感器进行控制和监测。角度传感器由电机控制器模块监测，根据这些位置传感器的信号，电机控制器监测电机的角位置、转速和方向。角度传感器包含一个励磁线圈、两个驱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电机轴上。将点灭开关置于ON位置时，电机控制模块输出一个5V交流电、一定频率的励磁信号至驱动线圈。驱动线圈励磁信号生成一个环绕两个从动线圈和不规则形状转子的磁场。然后，电机控制模块监测两个从动线圈电路，以获得一个返回信号。不规则形状金属转子的位置引起从动线圈的磁感应返回信号发生大小和形状的变化。通过比较两个从动线圈信号，电机控制模块能确定电机的确切角度、转速和方向。 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4-1-19所示。 （2）结构。 比亚迪秦驱动电机控制器与DC总成结构如图4-1-20所示。 驱动电机控制器的功用如下： ①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、转矩、转速等；协调发动机管理系统工作（图4-1-21）。 ②硬件采集电机的旋变、温度、制动、加速踏板开关信号。 ③通过CAN通信采集制动深度（制动路板位置）、挡位信号、驻车开关信号、起动命今、电池管理控制器相关数据、控制器的故障信息。 ④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。 DC/DC转换器的功用如下（图4-1-22）： ①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。 ②发动机原地起动发电机发13.5V直流电，经过DC升压转换50V直流给电池包充电。 DC/DC转换器具有降压和升压功能： ①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。 ②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（AC)用电。 DC/DC转换器系统框图如图4-123所示。 （3）参数。 比亚迪秦驱动电机控制器与DC总成的参数见表4-1-2。 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。 图4-1-24所示是北汽E150EV电机控制器与DC/DC在整车上的位置图。 图4-1-25所示是北汽E150EV前舱的部件位置图。 图4-1-26所示是北汽EV200前舱的部件位置图，DC/DC集成在PDU内部。 （2）结构。 驱动电机控制器MCU结构如图4-1-27、图4-1-28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。MCU对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态信息通过CAN2.0网络发送给整车控制器VCU。驱动电机控制器内含故障诊断电路，当电机出现异常时，达到一定条件后，它将会激活一个错误代码并发送给VCU整车控制器，同时也会储存该故障码和相关数据。 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他控制功能的完成。电流传感器用于检测电机工作实际电流，包括母线电流、三相交流电流。电压传感器用于检测供给电机控制器工作的实际电压，包括动力电池电压、12V蓄电池电压。温度传感器用于检测电机控制系统的工作温度，包括IGBT模块的温度。 北汽EV驱动电机控制器、IGBT、电流传感器如图4-1-29所示。 DC/DC转换器安装于前机舱位置，其主要功能是在车辆起动后将动力电池输入的高压电转变成低压12V向蓄电池充电，以保证行车时低压用电设备正常工作。 （3）参数。 DC/DC转换器主要技术指标见表4-13。 实训操作： 1. 工作准备 （1）防护装备：常规实训着装。 （2）车辆、台架、总成：比亚迪F6纯电动汽车；比亚迪秦混合动力汽车单豆焦。电转变成低压动汽车；或其他同类新能源汽车。 （3）专用工具、设备：无。 （4）手工工具：无。 （5）辅助材料：无。 2. 实施步骤 （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。 课后作业： 1. 填空题 （1）驱动电机管理模块通常简称 ，主要用于管理和控制驱动电电机的 方向以及将驱动电机作为逆变电机 。 （2）驱动电机控制器系统主要是由高压配电、 、 及相关的传感器组成。 （3）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 ，和蓄电池并联给各用电器提供 电源。 （4）电机转速由 进行控制和监测。 （5）电压传感器用于检测供给电机控制器工作的 电压，包括 电压、12V蓄电池电压。 2. 判断题 （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 （ ） （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。 （ ） （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 （ ） （4）比亚迪秦驱动电机与驱动电机控制器采用风冷冷却。 （ ） （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他控制功能的完成。 （ ） 3.不定项选择题 （1）驱动电机管理系统的主要功能有（ ）。 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.车辆挡位的控制 （2）逆变器用于转换的电压方式有（ ）。 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（ ）。 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 （4）下列关于三电平逆变器的描述错误的是（ ）。 A.使用超过1kV的电机驱动系统中黎她 B.一般采用NPC逆变器的主回路方式 C.通过二极管钳位构成的三电平逆变器电路 D.采用3个NPN型三极管构成 （5）下列关于逆变器模块的描述正确的是（ ）。 A .工作时会产生热量 B.一般采用润滑油的冷却方式 C.可用于给12V蓄电池供电 D.是电动汽车的全车电器控制模块 | ||||||||
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