純電動汽車的類型、結構及維護操作常識(六)

◆文/北京 王新旗

(接上期)

6.驅動電機控制——IGBT的結構及控制

在前面文章中，我提到過新能源汽車的三大電，電機控制是其中之一，由于動力電池輸出的是直流電，而電機控制需要的是交流電，因此電機控制器需要對直流電進行交流轉換，這就涉及到逆變電路的控制及工作，針對這些變換的概念給大家梳理一下，方便大家理解。

(1)交流-直流變換(AC/DC變換)：整流；

(2)直流-交流變換(DC/AC變換)：逆變；

(3)直流-直流變換(DC/DC變換)：斬波；

(4)交流-交流變換(AC/AC變換)：變頻；

交流-直流-交流變換(AC/DC/AC變換)。

可知，直流變交流稱為逆變過程，關于逆變的詳細工作原理有興趣的讀者可以看相關電子電工學的資料文獻，但本文還是需要提一下IGBT的控制，也就是新能源汽車電機控制器主要用到的逆變電路。

圖56 IGBT控制模塊

新能源驅動電機控制器采用三相兩電平電壓源型逆變器，又稱智能功率模塊，以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊(圖56)為核心，輔以驅動集成電路、主控集成電路。對所有的輸入信號進行處理，并將驅動電機控制系統運行狀態的信息通過CAN2.0網絡發送給整車控制器。圖57所示為絕緣柵雙極型晶體管IGBT分類。

圖57 絕緣柵雙極型晶體管IGBT分類

絕緣柵雙極晶體管的結構如圖58所示，I16用IGBT的集電極電流最大可做到3 600A，集射極電壓可達到4 500V以上，中小容量IGBT的開關工作頻率在20～40kHz，大容量IGBT的開關工作頻率通常在5kHz左右，IGBT是目前應用最為廣泛的電力電子器件，使用功率范圍從幾百瓦到數百千瓦。

圖58 IGBT基本結構

7.驅動電機控制————位置控制

位置傳感器將轉子的位置信號電平反饋給控制芯片，控制芯片經過電流采樣和數學變換，并根據反饋的位置信息經過閉環運算，重新按新的PWM占空比輸出，來觸發功率器件。圖59所示為電動汽車的驅動控制系統原理圖。

驅動時：整車控制器根據車輛運行的不同情況，包括車速、擋位、踏板開合程度和電池SOC值來決定電機輸出轉矩/功率。

當電機控制器從整車控制器處得到轉矩輸出命令時，將動力電池提供的直流電轉化成三相正弦交流電，驅動電機輸出轉矩，通過減速箱來驅動車輛運行。

動力電池提供直流電，經高壓分配器到電機控制器，電機控制器中的逆變器將直流電轉換為電壓頻率可調的三相交流電，供給驅動電機，驅動電機將電能變為動能輸出轉矩驅動車輪運行。

再生制動(能量回饋)時：當車輛在溜車或剎車制動的時候，電機控制器從整車控制器得到發電命令后，電機控制器將電機置于發電狀態。此時電機會將車子動能轉化成電能。然后，三相正弦交流電通過電機控制器轉化為直流電，存儲到電池中。

圖59 電動汽車的驅動控制系統

電機永磁轉子磁場的軸線超前于定子旋轉磁場的軸線一定角度，轉子拖著定子旋轉磁場轉，電磁吸力方向發生變化，即與旋轉方向相反起制動作用，同時電機做發電機運行，把動能變成電能產生三相交流電，逆變器處于整流工作狀態，將三相交流電變為直流電，經高壓分配器反饋回蓄電池。既節約了電能又減少了制動片的磨耗。

(1)旋轉變壓器

旋轉變壓器簡稱旋變，是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。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。圖60為旋變的內部工作原理示意圖。

(2)解角傳感器

為了滿足電機靜止啟動和全轉速范圍內轉矩波動的控制目的，需要利用解角傳感器精確地測量永磁轉子磁極位置和速度。解角傳感器是采用電磁感應原理制成的旋轉型感應傳感器，它由定子和轉子組成。橢圓型轉子與電機永磁轉子相連接，同步轉動。橢圓型轉子外圓曲線代表著永磁轉子磁極位置。定子包括1個勵磁線圈和2個檢測線圈，2個檢測線圈S和C軸線在空間坐標上正交，MCU按預定頻率的交流電流輸入勵磁線圈A，隨著橢圓型轉子的旋轉，轉子和定子間的間隙發生變化，就會在檢測線圈S和C上感應出相位差90°正弦、余弦感應電流，MCU根據檢測線圈S和C感應電流的波形相位和幅值，以及波形的脈沖次數，計算出電機永磁轉子的磁極位置和轉速值信號，作為MCU對電機矢量控制的基礎信號。

圖60 旋變的內部工作原理

8.制動饋能控制

前文已對此內容做過說明，考慮到文章的完整性，此處我再簡單說明一下。制動饋能控制根據駕駛員意愿分為幾種狀態，如掛D擋加速行車時、減速制動時，掛R擋倒車時等。

(1)D擋加速行車

駕駛員掛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)，進而向永磁同步電動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，電動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，一般要求電動機的輸出功率保持恒功率，即電動機的輸出功率不隨轉速增加而變化，這就要求在電動機轉速增加時，電壓保持恒定，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、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。

(2)R擋加速行車

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。

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，由于發電機負載較大，此時車輛減速也較快。

能量回收的條件主要包括：電池包溫度低于5℃時，能量不回收；單體電壓在4.05～4.12V時，能量回收；單體電壓超過4.12V時，能量不回收；低于4.05V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。

另外北汽新能源的E擋為能量回收擋位，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。

八、純電動汽車的日常操作與養護

1.純電動汽車的日常充電

下面，我將用一些文字介紹電動車日常操作及養護，這些內容對于廣大車主和汽修人員還是有些實際意義的。

電動車的充電和涉水安全等問題是廣大車主比較關注的，且由于筆者日常駕駛電動車上下班，因此對此深有體會。筆者一次駕駛途中電動車中控屏所顯示的剩余續航電量與里程，如圖61所示，晚上到家時余電里程就剩9km，心里很擔憂，也害怕車輛電量耗盡，停在半路。

圖61 剩余續航電量與里程顯示

電動車的充電通常有兩種方式：快充和慢充，顧名思義，一種方式充電快，另一種方式充電慢。如果大家還記得，我前面文章在講電動車基本結構時的六小電里包括的車載充電機，慢充就是外接電源需要通過車載充電機進行交直流轉換，同時電壓、電流進行適當調節后再給電動車動力電池進行充電，到充滿電往往需要4～5個小時；而快充主要是充電樁直接將交流電轉為高壓直流電給動力電池充電，從而解決車輛在行駛過程中快速充電的問題，目前主流的車型基本可以做到30～60min充電80%的水平。

在說充電之前，關于淺充淺放的概念和原理我認為有必要跟讀者分享一下。在前面講動力電池內容時我曾介紹過，現在電動車大部分使用鋰離子電池，而鋰離子電池的使用壽命與反復充、放電的次數，即“充電周期”的完成次數有關。目前，市場上主流動力電池的壽命為300～500個充電周期，但是“充電周期”卻并不完全等同于“充電次數”。

舉例：一塊800mA的鋰離子電池，它累計充電至800mA的完整過程才是一個充電周期。比如從滿電狀態使用，當電量完全耗盡才開始充電，第一次由0mA充電到400mA，然后用掉NmA；第二次又充電150mA，再用掉NmA；第三次充電200mA，再用掉NmA；當再次充電至800mA時，這4次充電的總量為800mA，這塊電池才完成了一個充電周期。這就是說，一次充滿電和多次充滿電雖然結果一樣，但是對電池壽命的影響卻不同。很明顯，如果每次都滿充滿放，那么充電一次確實就等于完成了一個充電周期，而淺充淺放則要充電多次才能完成一個充電周期。從實際使用經歷來看，“一次完全充電再一次性用盡電量”的情況不符合實際需要，因此淺充淺放的充電使用方式既方便，又能盡量延長鋰電池的壽命。在條件允許的情況下，推薦電動車做到淺充淺放，且盡可能在20%～80%的電量范圍內進行車輛的充放電。特別是冬季天氣寒冷，最好在下班后第一時間給電動車充電，因為此時動力電池的溫度比較高，更有利于提高充電效率(圖62)。但是，全新電動車在第一次投入使用時最好先滿充滿放3次，以求把電池的蓄電性能激發到最佳，然后再淺充淺放。

圖62 淺充淺放——回家就充電

2.充電注意事項

(1)隨車充電工具

所有電動車都會配置家用或隨車充電槍，同時配備充電寶/器作為充電樁與車輛的連接裝置，圖63、64所示為北汽配備的充電寶和充電槍。注意充電寶需與充電槍配合使用，且充電槍的兩端是有不同定義的，分為與充電樁連接的樁端和與車輛連接的車端，車端的槍口上面有一個機械按鈕，這個機械按鈕根據充電協議，是判斷充電槍是否連接可靠的信號。

圖63 北汽配備的充電寶

圖64 北汽配置的充電槍

圖66 北汽提供的充電樁(壁掛式)

圖65 江淮電動車的快、慢壓充電口

圖67 江淮提供的充電樁(壁掛式)

不同車型的充電口位置及外形可以千變萬化，圖65所示為江淮電動車的充電口布置：高、低壓充電并排，左側為快充口，右側為慢充口，但不管充電端口的位置及外形如何變化，充電端口的定義目前已基本統一，所以不同廠家的充電樁完全具備給非本廠家車輛進行充電的能力。筆者就曾在親戚家附近用比亞迪的充電樁給自己的北汽電動車進行充電，同時各電動車廠家為了銷售純電動車，在銷售車輛的同時往往承諾贈送充電樁，并可免費上門安裝，當然這需要車主所在生活小區物業部門批準，尤其是需要占用公共區域安裝落地充電樁的車主更需要經過物業同意。圖66、67所示為不同廠家的充電樁，其功能大同小異，且家庭裝的都是慢充樁。

近些年國家為了促進純電動車銷售與普及，除了國家及銷售城市給予車主購買車輛費用補貼以外，北京市政府還推出了純電動車不限號、不限行的鼓勵銷售政策，并且將新車購買政策中傳統燃油車的搖號調整為新能源汽車的排號，近兩年隨著電動車的普及及被廣大消費者認可，目前北京市排號等待購買電動車的家庭或個人已經排到7年以后。除國家政策以外，各地方、各省市政府的鼓勵及銷售政策也不同，上海市就是上海市民(名下沒有車牌的)就可以直接購買混合動力汽車或者純電動汽車，但所購買的車輛在報廢后車牌也將作廢，這點與北京市排號獲得新能源汽車購買指標的含義就很不同了。