纯电动汽车的电机驱动系统

电动知家 2020-02-18 08:50:20

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概述

驱动电机系统是电动汽车三大核心系统之一，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。

由电动机、固定速比减速器和差速器等构成的电动机中央驱动系统，这种驱动系统中，由于没有离合器和变速器，因此可以减少机械传动装置的体积和质量；它与前轮驱动横向布置发动机的燃油汽车的结构形式相似，将电动机、固定速比减速器和差速器集成一体，两根半轴连接两个驱动车轮，这种布置形式在小型电动汽车上应用最为普遍。

本文将以北汽新能源EV200车型所采用的驱动电机系统为例来介绍相关技术。

驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器(MCU)构成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接，如图1所示。

整车控制器(VCU)根据加速踏板、制动踏板、挡位等信号通过CAN网络向电机控制器MCU发送指令，实时调节驱动电机的扭矩输出，以实现整车的怠速、加速、能量回收等功能。

MCU(E machine and inverter )-Motor Control Unit

MCU主要集成两部分一部分是电机,和逆变器,他主要作用根据油门踏板和制动踏板的输入,去控制电机的动力输出以及能力制动回收。

VCU-Vehicle Control Unit

VCU可以看成是电动汽车的大脑，通过接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时，MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能。

他需要处理整车的各种的输入，去完成整车控制，他既包括电动汽车高压设备的信息集成，也包括传统汽车模块例如BCM（车身控制模块主要控制车门，玻璃升降等等）。例如下图完整展示汽车某种车辆的电器架构，从而可知VCU集成整车所有控制单元，从而实现整车一体实现汽车使用者的期望。

类型	永磁同步
基速	1228r/min
转速范围	0~9000r/min
额定功率	30kW
峰值功率	53kW
额定扭矩	102N.m
峰值扭矩	180N.m(相当于2.0排量的汽油机)
重量	45kg

▲表1 驱动电机技术参数

电机控制器能对自身温度、电机的运行温度、转子位置进行实时监测，并把相关信息传递给整车控制器VCU，进而调节水泵和冷却风扇工作，使电机保持在理想温度下工作。

技术指标	技术参数
直流输入电压	336V
工作电压范围	265~410V
控制电源	12V
控制电源电压范围	9~16V(所有控制器具有低压电路控制)
标称容量	85kVA
重量	9kg

▲表2 驱动电机控制器技术参数

驱动电机技术指标参数，如表1所示，驱动电机控制器技术参数如表2所示。

驱动电机

永磁同步电机是一种典型的驱动电机(图2)，具有效率高、体积小、可靠性高等优点，是动力系统的执行机构，是电能转化为机械能载体。

永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。

此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机(generator)用；此外，当定子侧通入三相对称电流，由于三相定子在空间位置上相差120，所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场，转子旋转磁场中受到电磁力作用运动，此时电能转化为动能，永磁同步电机作电动机(motor)用。

它依靠内置旋转变压器、温度传感器(图3)来提供电机的工作状态信息，并将电机运行状态信息实时发送给MCU。

旋转变压器检测电机转子位置，经过电机控制器内旋变解码器解码后，电机控制器可获知电机当前转子位置，从而控制相应的IGBT功率管导通，按顺序给定子三个线圈通电，驱动电机旋转。

控温是永磁同步牵引电机使用上的瓶颈。大多数永磁电机的转子部分主要由永磁体、转子铁芯、转子压圈、散热筋组成，不含线圈；定子部分主要有定子绕组、定子铁芯，不含永磁体。目前，极少有对运行中的永磁同步电动机内转子温度测量的设备。

温度传感器的作用是检测电机绕组温度，并提信息供给MCU，再由MCU通过CAN线传给VCU，进而控制水泵工作、水路循环、冷却电子扇工作，调节电机工作温度。

驱动电机上有一个低压接口和三根高压线(V、U、W)接口，如图4所示。

其中低压接口各端子定义如表3所示，电机控制器也正是通过低压端口获取的电机温度信息和电机转子当前位置信息。

连接器型号	编号	信号名称	说明
Amphenol RTOW01419 PN03	A	激励绕组R1	电机旋转变压器接口
B	激励绕组R2
C	余弦绕组S1
D	余弦绕组S3
E	正弦绕组S2
F	正弦绕组S4
G	TH0	电机温度接口
H	TL0
L	HVIL1(+L1)	高低压互锁接口
M	HVIL2(+L2)

▲表3 驱动电机低压接口定义

1. 2 驱动电机控制器

电机控制器，作为电动汽车的核心部件之一，是汽车动力性能的决定性因素。它从整车控制器获得整车的需求，从动力电池包获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机需要的电流和电压，提供给电动机，使得电机的转速和转矩满足整车的要求。

驱动电机控制器MCU结构如图5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(图6)、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。

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。

驱动电机控制器上分为低压接口和高压接口(图7)，低压接口端子定义如表4所示。

连接器型号	编号	信号名称	说明
AMP	12	激励绕组R1	电机旋转变压器接口
35pin	11	激励绕组R2
C-776163	35	余弦绕组S1
34	余弦绕组S3
-1
23	正弦绕组S2
	22	正弦绕组S4
	33	屏蔽层
	24	12V_GND	控制电源接口
	1	12V+
	32	CAN_H	CAN总线接口
	31	CAN_L
	30	CAN_PB
	29	CAN_SHIELD
	10	TH	电机温度传感器接口
	9	TL
	28	屏蔽层
	8	485+	RS485总线接口
	7	485-
	15	HVIL1(+L1)	高低压互锁接口
	26	HVIL2(+L2)

▲表4 驱动电机控制器低压接口定义

通过驱动电机工作状态可以了解新能源汽车驱动系统的基本功能，根据驾驶员意愿驱动电机的工作状态：挂D挡加速行驶时、减速制动时、挂R挡倒车时以及E挡行驶时来了解它的工作过程。

目前，电机控制器的领先技术依然掌握在国外厂商的手中。

博世集团，大陆集团，日本丰田、日产、日立，都有自己的代表性产品。电机控制器向集成化方向发展，最高功率密度已经提高到60 kW/L，新的电力电子器件比如SiC，已经在新产品中得到应用。

D挡加速行驶

驾驶员挂D挡并踩加速踏板，此时挡位信息和加速信息通过信号线传递给整车控制器VCU，VCU把驾驶员的操作意图通过CAN线传递给驱动电机控制器MCU，再由驱动电机控制器MCU结合旋变传感器信息(转子位置)，进而向永磁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。

由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速正向旋转。

随着加速踏板行程不断加大，电机控制器控制的6个IGBT导通频率上升，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，起步时基本上拥有最大的转矩。

随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。

在电动汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒定，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这要求在电动机转速增加时，电压保持恒定，其中永磁同步电机输出特性曲线如图8所示。

与此同时，电机控制器也会通过电流传感器和电压传感器，感知电机当前功率、消耗电流大小、电压大小，并把这些信息数据通过CAN网络传送给仪表、整车控制器，其具体工作原理如图9所示。

R挡倒车时

当驾驶员挂R挡时，驾驶员请求信号发给VCU，再通过CAN线发送给MCU，此时MCU结合当前转子位置(旋变传感器)信息，通过改变IGBT模块改变W\V\U通电顺序，进而控制电机反转。

制动时能量回收

驾驶员松开加速踏板时，电机由于惯性仍在旋转，设车轮转速为V轮、电机转速为V电机，设车轮与电机之间固定传动比为K，当车辆减速时，V轮K＜V电机时，电机仍是动力源，随着电机转速下降，当 V轮K＞V电机时，此时电机由于被车辆拖动而旋转，此时驱动电动机变为发电机(图10)。

BMS可以根据电池充电特性曲线(充电电流、电压变化曲线与电池容量的关系)和采集电池温度等参数计算出相应的允许最大充电电流。

MCU根据电池允许最大充电电流，通过控制IGBT模块，使“发电机”定子线圈旋转磁场角速度与电机转子角速度保持到发电电流不超过允许最大充电电流，以调整发电机向蓄电池充电的电流，同时这也控制了车辆的减速度，具体过程如图11所示。

当踩下制动踏板时，MCU输出的电流频率会急剧下降，馈能电流在MCU的调节下充入高压电池，当IGBT全部关闭时在当前的反拖速度和模式下为最大馈能状态，此时MCU对 “发电机”没有实施速度和电流的调整，“发电机”所发的电量全部转移给蓄电池，由于发电机负载较大，此时车辆减速也较快。在此期间能量回收的原则是：

①电池包温度低于5℃时，能量不回收；

②单体电压在4.05～4.12V时，能量回收6.1kW，单体电压超过4.12V时，能量不回收，低于4.05V时，能量满反馈；

③SOC大于95%、车速低于30km/h 时没有能量回收功能，且能量回收及辅助制动力大小与车速和制动踏板行程相关。

E挡行驶时

E挡为能量回收挡，在车辆正常行驶时E挡与D挡的根本区别在于MCU和VCU内部程序、控制策略不同。

在加速行驶时E挡相对于D挡来说提速较为平缓，蓄电池放电电流也较为平缓，目的是尽可能节省电量以延长行驶距离，而D挡提速较为灵敏，响应较快。

在松开加速踏板时，E挡更注重于能量回收，驱动电机被车轮反拖发电时所需的“机械能”牵制了车辆的滑行，从而也起到了一定的制动效果，所以E挡行车时车辆的滑行距离比D挡短。来源：驱动视界