能力模塊一 新能源汽車驅動電機及驅動控制系統的認知

任務一 調研分析驅動電機控制系統的結構

學習目標

知識目標

●掌握驅動電機控制系統的定義及作用。

●了解比亞迪驅動三合一的集成方案。

●掌握秦EV前驅電動總成的內部結構。

技能目標

●能夠正確認知前驅電動總成的結構。

●能夠正確認知永磁同步電機的結構。

素養目標

●認真嚴謹、積極主動，安全生產、文明施工。

●獲得多途徑檢索知識、分析解決問題以及多元化思考解決問題的方法，形成創新意識。

●嚴格執行各項規章制度及6S現場管理，培養精益求精的工匠精神。

知識索引

情境導入

比亞迪弗迪動力的三合一電驅動總成自2018年量產發布以來，除了在自家的車型全面配套使用外，也已經對外配套在東風柳汽S50、開沃汽車的一款純電動汽車、國機智駿的一款純電動汽車、新一代長城歐拉iQ及四川野馬的幾款車型上，目前比亞迪與豐田合作的車型也都會采用弗迪動力的三合一電驅動總成，另外有歐洲車企已經在和比亞迪商談純電動力總成及基于DM-i的混合動力技術合作方案。驅動電機控制系統與三合一電驅動總成密切相關，作為一名助理工程師，你被你的主管要求給新員工講解驅動電機控制系統的結構。

獲取信息

引導問題1

請查閱相關資料，簡述驅動電機控制系統的作用。

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競賽指南

2022年全國職業院校技能大賽——汽車技術賽項里的純電動汽車技術模塊就是圍繞純電動汽車“三電”系統的“低壓上電異常”“高壓上電異常”“車輛無法正常行駛”“車輛無法（交流）充電”現象設置故障來對參賽選手進行綜合考查的。

若想要在競賽中取得優異的成績，對新能源汽車驅動電機及控制系統的深入學習就是必不可少的。

驅動電機控制系統的定義及作用

1.定義

驅動電機控制系統是電動汽車的三大核心系統之一，也是車輛行駛的主要動力系統。驅動電機控制系統的特性決定了車輛的主要性能指標，直接影響車輛動力性、經濟性和用戶駕乘感受。

電動汽車的動力通過柔性的電纜傳輸，因此驅動電機和變速器的布置方案相對多樣化。由于大多數電動汽車省去了聯軸器和中央傳動軸等裝置，所以電動汽車的結構也比較簡單。不論驅動系統采用哪種布置方案，從結構上來說，純電動汽車一般都包括整車控制系統、電源系統、驅動電機控制系統、輔助系統這幾部分，由此可見驅動電機控制系統的重要性。

2.作用

驅動電機控制系統就如同電動汽車的神經中樞，將驅動電機、動力電池和其他輔助系統連接并且加以控制。整車控制器（vehicle control unit，VCU）會根據獲取到的加速、制動、檔位、旋變、溫度等輸入信號，向電機控制器發出相應的控制指令，從而控制驅動電機進行起動、加速、減速、制動能量回饋。本書將主要以比亞迪2019款秦EV（下文統稱“秦EV”）車型所采用的驅動電機控制系統為例來介紹相關技術，其外觀如圖1-1-1所示。

該車型是采用比亞迪e平臺的核心技術—“33111”（圖1-1-2）所生產的純電動乘用車。其中，第一個“3”代表的是驅動電機、電機控制器和減速器三合一。e平臺讓純電動汽車的結構更簡單、更安全、更可靠。通過對原本繁雜、分立的零部件進行標準化、集成化設計，讓純電動汽車的核心零部件體積變小、質量變小，滿足現代新能源汽車輕量化的目的。

引導問題2

請查閱相關資料，簡述秦EV的驅動電機控制系統的組成。

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引導問題3

請查閱相關資料，簡述秦EV的驅動電機控制系統的安裝位置。

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驅動電機控制系統的組成及主要部件介紹

1.結構組成

秦EV的驅動電機控制系統又稱前驅電動總成或三合一驅動系統，主要由驅動電機控制器（motor control unit，MCU）、驅動電機、單檔變速器組成，如圖1-1-3所示。

2.安裝位置

秦EV的前驅電動總成位于前艙中部，在充配電總成的下方，如圖1-1-4所示。充配電總成安裝位置如圖1-1-5所示。

3.集成方案

本著“高品質、高電壓、高集成、高轉速、高性能、低成本”的開發理念，在秦EV的設計中，驅動電機及電機控制器采用了直連的方式，減少了三相電纜，驅動電機和電機控制器共用冷卻系統（通過VCU控制電動水泵、電動風扇進行循環冷卻），成本降低了33%，體積減小了30%，質量也減小了25%，功率密度增加20%，轉矩密度增加17%，其集成方案見表1-1-1。

除了秦EV，在比亞迪的眾多車型中，例如唐EV、宋Pro及相關混動車型搭載的也都是三合一驅動總成。

4.主要部件介紹

（1）驅動電機

1）定義。作為新能源汽車的“動力心臟”，驅動電機是一種將電能轉化為動能，并用來驅動其他裝置的電氣設備，是與汽車加速性、最高車速、爬坡度（一般車輛的最大爬坡度不超過40%）等重要指標及行車體驗直接相關的核心部件。

2）組成。在秦EV中，采用的驅動電機為永磁同步電機，下面以此為例簡要介紹驅動電機的結構組成。永磁同步電機主要由電機的轉子、定子、電機外殼、旋轉變壓器（又稱旋變傳感器，簡稱旋變）、轉子前/后軸承、電機前/后端蓋以及三相繞組等部件組成，如圖1-1-6所示。

各部件安裝位置見表1-1-2。

其中，旋轉變壓器如同永磁同步電機的“眼睛”，可精確檢測轉子的位置、方向、速度，用來對驅動電機（或回收能量時的發電機）進行方向、轉速的控制。

（2）旋轉變壓器

1）定義。旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。在秦EV中，當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正、余弦函數關系，因此這種旋轉變壓器又稱正余弦旋轉變壓器。

2）作用。旋轉變壓器主要負責檢測電機的轉速、旋轉方向（正轉或反轉）、電機位置（旋轉角度）。如果旋變信號失效或丟失，車輛將無法上“OK”電，旋變信號相當于發動機上的曲軸位置傳感器信號，旋變信號通過硬線信號傳輸到電機控制器后解碼轉換成車速。

3）安裝位置。旋轉變壓器安裝在電機后端蓋處，如圖1-1-7所示。

4）組成。旋轉變壓器由旋變定子和旋變轉子組成，其定子固定于電機定子或端蓋上，以檢測和輸出轉子位置信號；其轉子由多個硅鋼片組成，與電機同軸，以跟蹤電機轉子的位置，如圖1-1-8所示。

旋變轉子上有一個盤，它是用透磁通的金屬制成的，其形狀特殊，非圓形，像凸輪盤。該盤被一個固定在殼體上的電磁繞組環所包圍著，該電磁繞組環起著定子作用。

電磁繞組環由勵磁線圈A、正弦線圈S以及余弦線圈C三個單線圈構成，S、C兩線圈互成90°安裝，如圖1-1-9所示。其中，勵磁線圈A負責輸入，正弦線圈S與余弦線圈C負責輸出。

5）工作原理。勵磁線圈通入正弦曲線的勵磁電壓后，勵磁線圈周圍產生的交變磁場作用在轉子盤上，轉子盤將交變磁場的磁通引向接收線圈，接收線圈將感應到一個交變電壓，如圖1-1-10所示。該交變電壓與轉子盤的位置成一定的關系，與勵磁電壓存在相位差，如圖1-1-11所示。

6）控制策略。當電機轉子與旋轉變壓器轉子一同轉動時，旋轉變壓器轉子轉過定子繞組，改變了定子繞組與轉子之間的磁通，使得正弦線圈和余弦線圈收到勵磁繞組感應，輸出信號幅值產生一定變化，呈正弦和余弦波形，如圖1-1-12所示。波形的幅值和相位隨著旋轉變壓器轉子位置的變化而變化，因此可以準確判斷出電機轉子的位置、轉速以及方向。

（3）驅動電機控制器

1）定義。驅動電機控制器是一種用于控制動力電池與驅動電機之間能量傳輸的裝置。其作為動力電池和電機之間的能量轉換單元，是電驅動系統的控制中心，又稱智能功率模塊（intelligent power module，IPM）。

2）組成。驅動電機控制器主要組成部分包括智能功率模塊、絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）模塊、信號數據采集模塊、關聯電路等硬件以及電機控制算法與邏輯保護等軟件。

IGBT是一種由MOS場效應晶體管（MOSFET）和雙極結晶體管（BJT）組合成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，被認為是電動汽車的核心技術之一。

IPM把功率開關器件（IGBT）和驅動電路集成在一起，而且內有過電壓、過電流和過溫等故障檢測電路，并可將檢測信號傳輸到中央處理器（CPU）。

3）功能。驅動電機控制器的功能如下：

①具有采集轉矩請求、旋變等信號，控制電機正向、反向驅動以及正、反轉發電的功能。

②具有高壓輸出電壓和電流限制的功能。

③具有電壓跌落保護、過流保護、過溫保護、IPM過溫保護、IGBT過溫保護、功率限制、轉矩限制等功能。

④具有能量回饋控制、主動泄放、被動泄放控制的功能。

4）工作原理。旋轉變壓器檢測轉子位置并判斷其狀態，接通電機控制器內相應的IGBT，此時高壓直流電經電機控制器內的IGBT進行逆變后流入定子繞組線圈，通電產生旋轉的磁場（電能轉換成磁能，即電感），利用右手法則判定磁極，同性相斥、異性相吸，使轉子的永磁體隨之轉動。W相晶體管導通，V相晶體管通過脈沖寬度調制（PWM）控制電流的大小和頻率，實現電機的調速。其控制原理如圖1-1-13所示。

當車輛在減速或滑行時，驅動電機會利用旋轉磁場切割導線，將汽車的部分動能轉化為電能，進行能量回饋。旋轉磁場來自轉子，被切割的導線是定子繞組。轉子旋轉產生變化磁場（機械能轉化成磁能），定子繞組線圈產生電能（磁能轉換成電能，即電磁感應）；每轉動180°產生的電壓方向（極性）改變一次（進去低電位，出來高電位），從而產生交流電。最后經過電機控制器內的IGBT模塊整流變成直流電輸出給動力電池包充電。

注意：當電動汽車（EV）電池組的荷電狀態（SOC）＞95%或插電式混合動力汽車（PHEV）的SOC＞90%時，能量回饋的電能不會給動力電池充電。當動力電池有故障時，能量回饋的電能也不會給動力電池充電。

（4）單檔變速器

1）定義。單檔變速器又稱單級減速器，也稱單檔固定齒比變速箱，是采用固定傳動比將電機轉速降低并增大轉矩的裝置，不同車型，傳動比不同。

2）組成。比亞迪秦EV車型前驅動力總成采用單檔變速器，如圖1-1-14所示。其單檔變速器由輸入軸和輸出軸組成，輸入軸一端與驅動電機轉軸相連，另一端則由殼體提供支承，中間裝有一個主動齒輪與輸出軸從動齒輪相嚙合。輸出軸上有大、小兩個齒輪，大齒輪為從動齒輪，與輸入軸齒輪相嚙合，小齒輪為主減速器主動齒輪，與主減速器大齒圈相嚙合，驅動差速器總成旋轉。輸出軸兩端用圓錐滾子軸承進行支承。變速器具有固定的傳動比，總減速比是10.7。

變速器潤滑油采用殼牌S3 ATF MD3，加注量為（0.65±0.05）L。

3）功能。變速器主要是實現對驅動電機的減速增矩作用。比亞迪秦EV車型前驅動力總成采用單檔變速器，通過電機的正轉或反轉使汽車前進或倒退，動力由電機傳給變速器，變速器將動力直接傳給兩個車輪，減小了動力損失，且結構簡單、易于制造、生產成本低。

任務分組

進行任務分工，填入表1-1-3中。

工作計劃

按照前面所了解的知識內容和小組內部討論的結果，制訂工作方案，落實各項工作負責人，如任務實施前的準備工作、實施中的主要操作及協助支持工作、實施過程中相關要點及數據的記錄工作等，并將結果填入表1-1-4中。

進行決策

1）各組派代表闡述資料查詢結果。

2）各組就各自的查詢結果進行交流，并分享技巧。

3）教師對各組的計劃方案進行點評。

4）各組長對組內成員進行任務分工，教師確認分工是否合理。

任務實施

引導問題4

掃描二維碼觀看視頻，了解如何認知驅動電機控制系統，并簡述操作要點。

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參考操作視頻，按照規范作業要求完成操作步驟，完成數據采集并在表1-1-5和表1-1-6中進行記錄。

評價反饋

1）各組代表展示匯報PPT，介紹任務的完成過程。

2）以小組為單位，對各組的操作過程與操作結果進行自評和互評，并將結果填入表1-1-7中的小組評價部分。

3）教師對學生工作過程與工作結果進行評價，并將評價結果填入表1-1-7中的教師評價部分。