純電動汽車學習入門(八)
——驅動電機系統(下)

◆文/北京 李玉茂

(1)輸入/輸出接口電路，負責外部輸入信號與控制主板轉換連接，負責控制主板輸出信號與外部轉換連接。

(2)控制主板，與VCU通信，對旋變傳感器供電，對旋變信號分析，控制IGBT，監測高壓直流母線電流，監測IGBT模塊溫度，監測高壓插頭連接情況。

(3)驅動主板，接受控制主板指令，控制每只IGBT導通或斷開。

(4)IGBT，將直流電轉換成三相交流電并且變頻，控制電機轉速和轉動方向，車輛減速時回收能量，將三相交流電轉換成高壓直流電，對動力電池充電。

(5)超級電容，如圖13所示，超級電容與高壓直流母線并聯，作用是在電機啟動時保持電壓穩定。

(6)放電電阻，當斷開高壓直流時，消耗掉超級電容放出的電流。新款車在高壓下電后，電機控制器指令IGBT短暫工作，消耗掉超級電容放出的電流。

(7)電壓傳感器，包括動力電池電壓傳感器、12V電壓傳感器，用以檢測供給電機控制器的直流高壓和弱電工作電壓。

(8)電流傳感器，包括直流母線排電流傳感器、三相交流輸出電流傳感器，用以檢測實際電流。

(9)溫度傳感器，包括IGBT模塊溫度傳感器和電路板溫度傳感器，用以監測IGBT模塊和電路板的溫度。

電機控制器又稱智能功率模塊(IPM)，是驅動電機系統的控制中心，以IGBT為核心，輔以控制電路、驅動電路。IGBT譯成中文是“絕緣柵雙極型晶體管”，如圖14所示，該模塊包含6個IGBT，搭成三相橋式逆變電路。

如圖15所示，IGBT內部包含2個IGBT，是一種用小電流控制大電流的開關元件，綜合了電力晶體管和電力場效應晶體管的優點。IGBT是三端器件，包括柵極、集電極、發射極，柵極無觸發信號，集電極與發射極之間不導通；驅動電路對柵極發送觸發信號，集電極與發射極之間導通。

如圖16所示，電機定子上繞有三相繞組，每相繞組的尾端連接在一起稱作中性點，首端引出U相、V相、W相。三相橋式逆變器/整流器由6個IGBT和與之并聯的6個二極管構成，IGBT的編號為VD1～VD6。正極母線排、負極母線排之間串聯兩個IGBT，集電極與正極母線排相連的IGBT稱上橋臂，發射極與負極母線排相連的IGBT稱下橋臂。3個上、下橋臂之間的節點，分別連接U相、V相、W相。

為了能夠將動力電池的直流電轉變為驅動電機的三相交流電，6個IGBT模塊在驅動電路的觸發信號驅動下，依次間隔60°順序導通或關斷，三相繞組的相位差120°。三相繞組產生的旋轉電磁場，與轉子的永久磁場相互作用，轉子在電磁力作用下旋轉并對外做功。

IGBT工作過程如圖17所示，驅動電路對VD1、VD6的柵極觸發使之導通，電流由正極母線排流過VD1進入U相，然后從W相流出，再流過VD6回到負極母線排。

如圖18所示，驅動電路對VD2、VD4的柵極觸發使之導通，電流由正極母線排流過VD2進入V相，然后從U相流出，再流過VD4回到負極母線排。

如圖19所示，驅動電路對VD3、VD5的柵極觸發使之導通，電流由正極母線排流過VD3進入W相，然后從V相流出，再流過VD5回到負極母線排。

以上說的在每個瞬間，只有一個正橋臂和一個負橋臂導通，只有兩相繞組流過電流，這是為了理解容易。實際在每個瞬間，三相繞組均有電流流過(電壓過零點的瞬間除外)，如圖20所示，每個瞬間有兩個正橋臂和一個負橋臂導通，或有一個正橋臂和兩個負橋臂導通，每60°變換一次。

逆變器輸出三相交流電波形如圖21所示，橫坐標是時間t，縱坐標是電壓U。橫坐標在0～60°,W相與U相的正橋臂導通，這兩相電流流出，電壓為正；V相的負橋臂導通，該相電流流入，電壓為負。

如圖22所示，6個整流二極管的序號為D1～D6，D1、D2、D3稱作正向二極管，D4、D5、D6稱作反向二極管。二極管導通原則，哪相電壓最高哪相的正向二極管導通，哪相電壓最低哪相的反向二極管導通。當車輛進行能量回收時，電機工作在發電狀態，D2、D6因受到正向電壓而導通，此時電流由V相流過D2進入正極母線排，流過動力電池對其充電，然后流回到負極母線排，再流過D6回到W相形成回路。整流原理如同燃油汽車交流發電機的三相橋式整流電路。

電機控制器監測充電電流，不得大于動力電池允許的最大充電電流。如果大于，電機控制器執行IGBT工作狀態，控制定子線圈磁場的旋轉角速度，轉子轉速同時降低。停止回收能量，這樣就保證不大于最大充電電流。

當電池溫度過低時，不能回收能量；當電池電量很少時，能夠正常回收能量；當電池電量大于90%或95%，不能回收能量；當電池電量在很少和很多之間時，限制能量回收不大于最大充電電流。一般認為在車輛非緊急制動的普通制動情況下，約20%的能量可以回收；但是實際上，回收能量整個過程中也會產生損耗，能夠回收的能量大約有續航里程的8～15%。

掛入D位，擋位信息和加速踏板位置信息送給VCU，VCU將駕駛員操作意圖通過CAN(新能源CAN)總線傳給電機控制器，電機控制器結合旋變傳感器信息，向電機輸入三相交流電，三相繞組產生旋轉磁動勢，與轉子的永久磁場作用，轉子正方向旋轉。IGBT將高壓直流逆變成高壓三相交流電，通過調整頻率來控制電機轉速。保持電壓不變，就可以使電機功率恒定。VCU將電機當前功率、電流、電壓通過CAN送到儀表控制單元，儀表顯示當前電機功率數值。

掛入E位，加速時提速比較平緩，盡可能節省電量。當松開加速踏板，回收的能量更多，感覺降速強烈，滑行距離比D位短。不同車型的E位設有2級或3級，級數越高節省電量越多。

當駕駛人松開加速踏板，此時車輪拖動電機轉動，電機變為發電機。BMS計算最大充電電流，電機控制單元通過IGBT將三相交流電整流成高壓直流電，對動力電池充電，饋能電流必須小于BMS計算的最大充電電流。當踩下制動踏板，VCU指令電機控制器，更多的電流充入動力電池。

掛入D位，VCU通知電機控制器改變電機旋轉方向，即由U-V-W，變為W-V-U通電順序，電機反轉。

四、北汽EV200驅動電機系統

驅動電機系統框圖如圖23所示，VCU根據駕駛員意圖發出各種指令，電機控制器響應并反饋，實時調整驅動電機輸出，以實現整車的爬行、前行、能量回收、倒車、停車，以及駐坡等功能。電機控制器另一個重要功能是通信和保護，實時進行狀態和故障檢測，保護驅動電機系統和整車安全可靠運行。

如圖24所示，電機控制器將輸入的直流電逆變成電壓、頻率可調的三相交流電，供給配套的三相交流永磁同步電機使用。

驅動電機19針插座如圖25所示，端子定義見表3。

電機控制器35針插座如圖26所示，端子定義見表4。

如圖27所示，余弦繞組高壓+與高壓-連接DC+與DC-。12V正極經過熔絲7.5A和電機繼電器進入MCU的1針供給工作正電，24針連接12V負極。MCU的33、12、11、23、35、34接收旋變傳感器信號(12-11勵磁繞組，23-22正弦繞組，35-34余弦繞組)，15、16針連接開蓋開關，10-9針接收溫度傳感器1信號，21-20接收溫度傳感器2信號。31、32針連接新能源CAN總線，29針是CAN總線的金屬屏蔽，30針與29針相連是CAN地線。電機控制器輸出三相變頻交流電U、V、W供給驅動電機。

減速器功能是將整車驅動電機的轉速降低、扭矩升高，以實現整車對驅動電機的扭矩、轉速需求。EV200減速器總成是一款前置前驅減速器，采用左、右殼體，減速器和主減速器兩級傳動結構，總減速比7.793。具有體積小、結構緊湊的特點，采用前進擋和倒擋共用結構進行設計，整車倒擋通過電機反轉實現，技術參數見表5，外形如圖28所示。

減速器動力傳動機械部分是依靠兩級齒輪副來實現減速增扭，其按功用和位置分為五大組件，如圖29所示，包括左殼體、右殼體、輸入軸組件、中間軸組件、差速器組件。動力傳遞路線為：驅動電機→輸入軸→輸入軸齒輪→中間軸齒輪→主減速器主動齒輪→主減速器被動齒輪→差速器半軸齒輪→左、右半軸→左、右車輪。