新能源汽車技術原理與維修（10）
——純電動汽車驅動電機系統（下）

文：李宏偉

新能源汽車技術原理與維修（10）
——純電動汽車驅動電機系統（下）

文：李宏偉

驅動電機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監測。電流傳感器用于檢測電機工作實際電流，包括母線電流和三相交流電流。電壓傳感器用于檢測供給電機控制器工作的實際電壓，包括動力電池電壓和12V蓄電池電壓。溫度傳感器用于檢測電機控制系統的工作溫度，包括IGBT模塊的溫度。

驅動電機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.驅動電機系統工作原理

下面我們看一下新能源汽車永磁同步電機控制系統組成框圖（圖8）。在控制方法中，磁場定向控制（FOC）和直接轉矩控制（DTC）作為交流電動機的2種高性能控制策略，在實際中得到了廣泛的應用。最初僅用于異步電機的控制，現在已經被擴展到同步電機、永磁同步電機的控制上，對電機的啟動、加速、運轉、減速及停止進行控制。根據不同類型的電機及對電機的使用場合有不同的要求時，通過控制達到快速啟動、快速響應、高效率、高轉矩輸出及高過載能力的目的。在電機控制中，三相逆變器（圖9）是最重要的部分，它是將輸入的直流電轉換為交流電的裝置，它即屬于主回路部分，也屬于控制執行部分，本文內容主要是講解三相逆變器的工作原理。

接下來我們簡單介紹逆變器的內部結構，也就是主回路電路（圖10），由6個IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）組成，每一相輸出線和正負直流母線之間各連接一只IGBT功率管。連接正極母線的IGBT與輸出端節點為被稱為“上橋臂”，連接負極母線的IGBT與輸出端節點被稱為“下橋臂”，每一相的上、下橋臂統稱為“半橋”。6個IGBT的序號一般為T1～T6（或VD1～VD6），第一相的上橋臂是T1（或VD1），其他的IGBT所對應的位置都可以從PWM的坐標圖里去找。

為了能夠將輸入的直流電變成交流電，6個IGBT會從T1～T6（VD1～VD6）依序循環的導通和關閉，并依次間隔60°順序導通（或關斷）。U/V/W三相的相位差為120°，這也就意味著和第一相（U相）上橋臂導通（或關斷）時刻間隔120°的IGBT為第二相（V相）的上橋臂；和第二相（V相）上橋臂導通（或關斷）時刻間隔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

下橋臂的序號很好辨別。一個周期的正弦交流電所經過的角度是360°（2π），其中正半波經過180°（π）會從第二象限進入第三象限，變為負半波并經過180°（π）。在每一相的上、下橋臂不能同時導通，也不可以有疊加關系。因為上下橋臂中間直接連接并作為這一相的輸出端，如果有同時導通或者是疊加導通，會導致正負母線之間直接跨導，造成短路，顯然這是禁止發生的。

所以當某一相的上橋臂導通區間內，下橋臂是不可以導通的，也就是完全關斷狀態。上橋臂導通180°（π）后立刻關斷。這視為此相的正半波。另外哪一項在上橋臂關斷區間內完全導通并經過180°（π），就為此相的下橋臂（圖11）。每一相間隔120°的循環輸出就會產生交流電了。連接永磁同步電動機后就會建立旋轉磁場，電機轉子就可以旋轉并對外做功了。

圖7 驅動控制器接口

圖8 磁場定向控制（FOC）系統

圖9 逆變器

圖10 電機控制器三相逆變橋

4.驅動電機工作過程

具體驅動電機在車輛上的工作過程和原理又是怎樣呢？可根據駕駛員的意愿將其分為幾種狀態，如在D擋加速行車時、減速制動時以及在R擋倒車時來進行了解。

（1）D擋加速行車

駕駛員換D擋并踩加速踏板，此時擋位信息和加速信息通過信號線傳遞給整車控制器VCU，VCU把駕駛員的操作意圖通過CAN線傳遞給驅動電機控制器MCU，再由驅動電機控制器MCU結合旋變傳感器信息（轉子位置），進而向永磁同步電機的定子通入三相交流電，三相電流在定子繞組的電阻上產生電壓降。由三相交流電產生的旋轉電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切割定子繞組，并在定子繞組中產生感應電動勢；另一方面以電磁力拖動轉子以同步轉速正向旋轉。

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

與此同時，電機控制器也會通過電流傳感器和電壓傳感器，感知電機當前功率、消耗電流大小和電壓大小，并把這些信息數據通過CAN網絡傳送給儀表、整車控制器，其具體工作原理如圖13所示。

圖11 逆變橋功率元件驅動時序

（2）R擋行車

當駕駛員掛R擋時，駕駛員請求信號發給VCU，再通過CAN線發送給MCU。此時MCU結合當前轉子位置（旋變傳感器）信息，通過改變IGBT模塊改變WVU通電順序，進而控制電機反轉。

（3）制動時能量回收

在駕駛員松開加速踏板時，電機在慣性的作用下仍在旋轉，設車輪轉速為V輪、電機轉速為V電機，車輪與電機固定傳動比為K。當車輛減速時，V輪乘以K小于V電機時，電機仍是動力源。隨著電機轉速下降，當 V輪乘以K大于V電機時，此時電機相當于被車輛帶動而旋轉，此時電動機變為發電機。

BMS可以根據電池充電特性曲線（充電電流、電壓變化曲線與電池容量的關系）和采集電池溫度等參數，計算出相應的允許最大充電電流。MCU根據電池允許的最大充電電流，通過控制IGBT模塊使發電機定子線圈旋轉磁場角速度與電機轉子角速度保持到發電電流不超過允許最大充電電流，以調整發電機向蓄電池充電的電流，同時這也控制了車輛的減速度a，具體過程如圖14所示。

當踩下制動踏板時，該過程MCU輸出的電流頻率會急劇下降，饋能電流在MCU的調節下充入高壓電池。當IGBT全部關閉時在當前的反拖速度和模式下為最大饋能狀態，此時MCU對發電機沒有實施速度和電流的調整，發電機所發的電量全部轉移給蓄電池。

圖12 電機機械特性曲線

圖13 D擋工作原理

圖14 反向電流的施加

由于發電機負載較大，因此此時車輛減速也比較快。

（4）能量回收的條件

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

（5）E擋行駛時

E擋為經濟駕駛模式，在車輛正常行駛時，E擋與D擋的根本區別在于MCU和VCU內部程序、控制策略不同。在加速行駛時，E擋相對于D擋來說提速較為平緩，蓄電池放電電流也較為平緩，目的是盡可能節省電量以延長行駛距離，而D擋提速較為靈敏，響應較快。E擋更注重能量回收。松開加速踏板時，驅動電機被車輪反拖發電時所需的“機械能”牽制了車輛的滑行，從而起到了一定的降速、制動的效果，所以E擋位此時的滑行距離比D擋位短。

（待續）

李宏偉，北京匯智慧眾汽車技術研究院研究員、培訓師、電氣工程師，喜歡電氣并以此為樂。原就職于北京人和車合汽車技術服務有限責任公司，2012年進入某軍工企業從事電子電氣產品生產制造，后從事新產品研發與設計。2014年離職后到北京九奔科技發展有限公司擔任培訓師，2015年加盟北京匯智慧眾汽車技術研究院，從事新能源純電動汽車電磁輻射測試、高壓防護研究、教學教具開發及培訓工作。