新能源汽车驱动电机与控制技术-模块四-新能源汽车驱动电机与控制技术.ppt

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建议16学时.知识目标：

了解新能源车电机控制系统的结构及工作原理；熟悉电机控制系统高压电路的组成；了解电机控制系统上下电的控制策略及故障检测的基本流程和方法。

3.技能目标：

能够对照资料进行电机控制系统的认知及冷却系维护;能够独立进行系统的外观目视检查；根据维修规范利用专业设备能够对电机电控系统进行基本测试；,学习目标,一、电机控制系统的结构及特点,

（一）电机控制系统组成及功用驱动电机控制系统是电动汽车三大核心之一，是车辆行驶的主要执行机构，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。

电机控制系统由动力总成（驱动电动机（DM）、高压配电设备、电机控制器（MCU）、高低压线束和相关传感器等组成。

电机控制系统组成及功用,

（一）电机控制系统组成及功用整车控制器（VCU）根据驾驶员意图发出各种指令，电机控制器响应并反馈，实时调整驱动电机输出。

电机控制器主要功能如下：

怠速控制（爬行）；前进；倒车；交流转直流；驻坡；通信和保护,一、电机控制系统的结构及特点,电机控制系统组成及功用,驱动电机控制器是电机系统的控制中心（智能功率模块），以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路，故障诊断电路。

驱动电机控制器内含传感器用来提供驱动电机系统的工作信息，包括：

电流传感器；电压传感器；温度传感器。

一、电机控制系统的结构及特点,电机控制系统组成及功用,驱动电机系统工作必须满足以下条件：

高压电源输入正常（一般绝缘性能大于20M）；低压12V电源供电正常（电压范围916V）；与整车控制器通讯正常；电容放电正常；旋变传感器信号正常；三相交流输出电路正常电机及电机控制器温度正常，开盖保持开关信号正常。

一、电机控制系统的结构及特点,电机控制系统组成及功用,电机控制器的主要参数由技术指标和技术参数组成。

技术指标包括输入电压、工作电压范围、控制电源（912V）、标称容量、防护等级、尺寸等。

一、电机控制系统的结构及特点,电机控制系统组成及功用,电机控制器主要由：

接口电路、控制主板、IGBT模块（驱动）、超级电容、放电电阻、电流感应器、壳体水道等组成。

一、电机控制系统的结构及特点,电机控制器铭牌,电机控制系统组成及功用,

（1）控制主板与整车控制器通讯监测直流母线电流，控制IGBT模块工作状态，监控高压线束的绝缘和工作连接情况并反馈。

IGBT模块的温度信号、旋变传感器信号经过处理反馈给电机控制单元。

一、电机控制系统的结构及特点,电机控制系统组成及功用,

（2）超级电容和放电电阻超级电容是一种以电场形式储存能量的无源器件。

在有需要电机启动时的时候，电容能够把储存的能量释出至电路。

在电机启动时保持电压的稳定。

放电电阻断开高压电路时，通过电阻给电容放电放电电阻通常和电容器并联。

电源波动时,电容器会随之充放电。

当控制器带动的电机或其他感性负载在停机的时候，可采用能耗制动的方式来实现的，当供电停止后，控制器的逆变电路就反向导通，把这些剩余电能反馈到变频器的直流母线上来，母线上的电压会因此而升高，当升高到一定值的时候，电阻就投入运行，使这部分电能通过电阻发热的方式消耗掉，同时维持母线上的电压为保持一个正常值。

放电电路故障时，有可能会导致高压断电。

一、电机控制系统的结构及特点,电机控制系统组成及功用,（3）电枢铁心电枢铁心即是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组嵌放在电枢铁心的槽内。

（4）IGBT模块IGBT模块，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET和GTR的优点，是电机控制器电压变换与传输的核心器件。

GTR优点是：

饱和压降低，载流密度大。

MOSFET优点是：

驱动功率很小，开关速度快。

一、电机控制系统的结构及特点,电机控制系统组成及功用,（5）旋变传感器旋变传感器又叫旋转变压器。

主要用以检测电机转子位置。

传感器线圈固定在壳体上，信号齿圈固定在转子上传感器线圈。

有励磁、正弦、余弦三组线圈组成一个传感器。

一、电机控制系统的结构及特点,电机控制系统组成及功用,2.电机控制系统高压电路通常纯电动汽车整车共分为5段高压线束。

1）动力电池高压电缆：

连接动力电池到高压盒之间的线缆。

2）电机控制器电缆：

连接高压盒到电机控制器之间的线缆图。

3）快充线束：

连接快充口到高压盒之间的线束。

4）慢充线束：

连接慢充口到车载充电机之间的线束。

5）高压附件线束。

一、电机控制系统的结构及特点,电机控制系统组成及功用,

（一）电机控制器结构电机控制器结构包括功率电路、驱动与保护、控制电路三大部分。

功率电路用于进行能量的变换；驱动与保护电路，用于实现对功率模块的驱动控制与故障保护；控制电路用于实现电机的转矩和转速控制与整车通信等功能。

二、电机控制器的工作原理,

（一）电机控制器结构,一、驱动电机系统在驱动电机系统中，驱动电机的输出动作主要是靠控制单元给定命令执行，即控制器输出命令。

控制器主要是将输入的直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电，供给配套的驱动电机使用；其通过有效的控制策略，控制动力总成以最佳方式协调工作。

二、电机控制器的工作原理,

（一）电机控制器结构,二、旋转变压器旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。

当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正、余弦函数关系，这种旋转变压器又称为正余弦旋转变压器。

旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。

二、电机控制器的工作原理,

（一）电机控制器结构,

（二）电力电子器件在电机控制系统的应用电子技术在新能源汽车的应用主要体现在电力电子器件和变流器技术两个方面。

电力电子器件的性能与可靠性直接关系到新能源汽车的安全运行，变流器技术直接影响新能源汽车的能量变换与运行效率，对于电动汽车运行至关重要。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,电力电子器件通常按开关控制性能分为：

不控型器件：

这是无控制端口的二端器件，如功率二极管。

半控型器件：

这是有控制端口的三端器件，但其控制端在器件导通后即失去控制能力，即无关断能力，关断器件必须借助外部条件。

晶闸管及其大部分派生器件均属这一类。

全控型器件：

这也是有控制端口的三端器件，但其控制端具有控制器件导通和关断的双重功能，故称自关断器件，如GTO、GTR、IGBT等第二代器件均属这一类。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,1）功率二极管功率二极管结构和原理简单，工作可靠，大量应用于电气设备。

特别是快速恢复二极管和肖特基二极管，在中、高频整流和逆变中，具有不可替代的位置。

功率二极管以半导体PN结为基础。

功率二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。

功率二极管早期主要有螺栓型和平板型两种封装，现都已采用模块化封装。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.1.1功率二极管的基本特性

（1）静态特性功率二极管的静态特性主要指其伏安特性。

当功率二极管承受的正3向电压达到一定值（门槛电压UTO），正向电流IA才开始明显增加，处于稳定导通状态。

与正向电流IA对应的功率二极管两端的电压UA即为其正向导通压降。

当功率二极管承受反向电压UB时，只有少子引起的微小而数量恒定的反向漏电流。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.1.1功率二极管的基本特性

（2）动态特性因为结电容的存在，功率二极管在零偏置（外加电压为零）、正向偏置和反向偏置三种状态之间转换的时候，经历一个过渡过程。

在这些过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其带电状态，因而其电压-电流特性不能用前面的伏安特性来描述，而是随时间变化的，这就是功率二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.1.2功率二极管的主要参数

（1）正向平均电流IA（AV）正向平均电流是指功率二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用Tc表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

（2）正向压降UA正向压降是指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

（3）反向重复峰值电压URRM反向重复峰值电压是指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿带电压UB的23。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.1.2功率二极管的主要参数（4）最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。

最高工作结温是指在PN结不损坏的前提下所能承受的最高平均温度，用TJM表示。

TJM通常在125175。

（5）浪涌电流IFSM浪涌电流是指功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个周期的过电流。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.2.1IGBT的工作原理绝缘栅双极晶体管简称IGBT，是一种发展很快、应用很广的复合型电力电子器件。

在新能源汽车应用领域，IGBT电压等级通常为600V或1200V，电流等级为400900A，少数达到1200A及以上，IGBT是电动汽车中的核心器件之一。

IGBT主要应用于以下两个子系统中：

（1）电机控制系统：

大功率直流交流（DCAC）逆变后驱动汽车电机；

（2）车载空调控制系统：

小功率直流交流（DCAC）逆变，使用电流较小的IGBT元件。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.2.1IGBT的工作原理IGBT的层状结构其相当于一个由场效应管MOSFET、驱动的厚基区GTR，简化的等效电路。

IGBT是以MOSFET为驱动器件、GTR为主导器件的达林顿电路结构器件。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.2.1IGBT的工作原理IGBT的图形符号如图，图中漏极D用集电极C表示，源极S用发射极E表示，漏极电流ID改用集电极电流IC表示。

对于P-IGBT型器件，图形符号中的箭头方向相反。

（a）简化等效电路（b）两种图形符号（c）实际等效电路,二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.3.2IGBT的基本特性

（1）伏安特性伏安特性即输出特性，IGBT与GTR的伏安特性，不同之处是控制参数是栅极G与发射极E之间的电压UGE，而不是基极电流。

伏安特性的纵坐标为集电极电流IC，横坐标是集电极与发射极电压UCE。

IGBT的伏安特性分：

（I）截止区（）放大区或线性区（）饱和区由于结构上的原因，IGBT的反向阻断电压只能达到数十伏的水平。

目前模块化封装的IGBT都装有反并联功率二极管，成为逆导型器件。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.3.2IGBT的基本特性

（2）转移特性在横坐标上作一条垂直线（即保持UCE为恒值）与各条伏安特性相交，可获得转移特性。

这是集电极电流与栅极电压UGE之间的关系曲线。

当栅射电压UGE小于开启电压UGE（th）时，IGBT处于关断状态。

最高栅射电压受最大集电极电流的限制，一般取15V左右。

在IGBT关断时，实际应用中在栅极加一定的负偏压，通常为-5-10V。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.3.2IGBT的基本特性（3）动态特性IGBT的开通和关断过程波形，UGE是作为控制信号的栅极电压波形，IC是集电极电流波形。

IGBT在开通过程中，tfv2段电压下降过程变缓，只有在tfv2结束时，IGBT才完全进入饱和开通状态。

IGBT的开通时间由开通延迟时间td（on）和电流上升时间tr组成，通常为0.20.5us。

在IGBT关断过程中，因为MOSFET关断后，PNP晶体管中存储的电荷难以迅速消除，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，造成IC下降缓慢，这个下降时间称为拖尾时间tf2。

关断时间由关断延迟时间td（off）和电流下降时间tf组成，为12us。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.3.4IGBT的主要参数

（1）最高集电极一发射极电压（UCEM）最高集电极一发射极电压电压由内部的PNP型晶体管的击穿电压确定（IGBT两端的电压绝对不能超过这个额定电压值）

（2）最高栅极一发射极电压（UGEM）栅极电压受栅极氧化层的厚度和特性限制。

（3）最大集电极电流（ICM）最大集电极电流包括直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP，该电流值与结温有关，随结温的升高而下降。

（选择器件时应注意不同厂家之间的差异）,二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.3.4IGBT的主要参数（4）最大集电极功耗（PCM）IGBT的最大集电极功耗PCM为正常工作温度下所允许的最大功耗。

表介绍了应用于新能源汽车650V800AIGBT的主要特性，其中UCE是集电极一发射极电压，IC是集电极额定直流电流，ICM是集电极最大重复峰值电流。

这种IGBT具有最优开关特性，它能在1us内开通和关断。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.3.5IGBT的擎住效应由于IGBT结构上的原因，内部存在一只NPN型寄生晶体管。

当集电极电流大于规定的临界值ICM时，该寄生晶体管因有过高的正偏置被触发导通，使PNP管也饱和导通，导致IGBT的栅极失去控制作用，这种现象称为擎住效应。

IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，造成过高的功耗，导致器件损坏。

这种集电极电流超过ICM引起的擎住效应称静态擎住效应。

（在IGBT关断的动态过程中，若duCEdt过大，同样会引起上述寄生晶闸管的开通，使IGBT栅极失控，形成动态擎住效应）擎住效应曾经是限制IGBT电流容量的主要因素之一，现已得到很好的解决。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.1.3.6IGBT的安全工作区IGBT开通时的正向偏置安全工作区FBSOA由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。

最大集电极电流ICM是按避免擎住效应而由厂方确定的；最高集电极一发射极电压UCEM是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压规定的；最高功耗则由最高允许结温所规定。

如流过直流、发热严重，因而安全工作区变窄；若为脉冲电流，导电时间短，工作区变宽，脉冲越窄，工作区越宽；在应用IGBT的时候要注意的是，IGBT有较大的极间电容，使IGBT的输入端显示出较强的容性特点，在输入脉冲作用下，将出现充放电现象。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）MOS门极关断晶闸管（MCT）是晶闸管和MOSFET组合而成的复合器件，它的主导元件是SCR，控制元件是MOSFET。

MCT具有SCR和MOSFET的共同优点，是一种理想的电力电子开关器件。

目前，MCT的产品正在系列化，其电压等级为5001000V，电流容量为50100A。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）1、MCT的结构MCT将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率与快速的开关速度和SCR的高电压、大电流特性结合在一起。

MCT的典型结构如图，它是在SCR结构中集成了一对MOSFET，通过MOSFET来控制SCR的导通和关断。

使MCT导通的P沟道MOSFET称为ON-FET，使其关断的N沟道MOSFET称为OFF-FET。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）2、MCT的工作原理在结构上MCT需要用双门极控制，这一点与SCR和GTO不同；门极信号以阳极为基准而不是以阴极为基准。

MCT是一种电压控制器件，使MCT触发导通的门极负脉冲幅值一般为-5-15V，使其关断的门极正脉冲电压幅值一般为+10V。

MCT是一种电压控制器件。

3、MCT的特性

（1）静态正向特性静态时，担负开通和关断控制的内部MOSFET不起作用，MCT相当于晶闸管，阻断时能承受较高的正向电压，导通时具有很低的通态压降。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）

（2）MCT无正向偏置的安全工作区当工作电压超出MCT的安全工作区电压范围时，MCT可能会失效；但是当峰值可控电流超出MCT安全工作区时，MCT不易损坏。

这一性能特点说明MCT可简单地使用熔断器进行短路保护。

由图可以看出MCT关断时的电压和电流的极限容量与结温、电流和工作周期有关。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）4、电机控制器

（1）变流器技术电机控制器实际是电力电子变流器技术的应用。

包括四大类：

当电动车或混合动力汽车车辆将交流电变换为直流电为动力电池充电，称为整流技术；将动力电池的高压电转换成低压电源12V，为低压电路系统提供工作电源和为辅助电池充电；一种直流电变换为另一种直流电称为直流斩波或直流-直流变换；车辆正常行驶时动力电池高压直流电转换成供驱动电机工作的高压交流电；将一种交流电变换为另一种交流电称为交一交变流技术。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）2）逆变电路将直流电转换为交流电，向驱动电机提供工作电源，逆变电路输出的频率和电压的大小，取决于负载的实际需要，可以是定压定频的负载，也可以是调压调频的负载。

逆变器是将直流转换为交流的装置，反之可将电流从交流转换为直流。

通过相应改变开关的ON/OFF时间，可将频率切换至所需频率，这种能调压调频的逆变器通常称为变频器。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,直流转交流,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）检测到所需输出电压（Vi）持续极短的一段时间（Ts）。

通过控制“Ton”（Ton，开关ON时间）时间，“VixTs”的面积和“VdxTon”（电源电压x开关ON时间）的面积相同，且有效电压变为Vi。

通过此方式控制开关的ON-OFF时间，使产生的电压持续改变，从而产生正弦交流电压。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）如果把三相负载ZA、ZB、ZC看成电机的的三个绕组。

那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相桥式二极管整流电路的反并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能量的续流或反馈，因此与IGBT并联的六个二极管VD1VD6称为续流二极管或反馈二极管。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）丰田普锐斯的逆变器电路，用于驱动电机MG1和MG2的逆变器使用。

此电路由2个3相桥式电路（各包含6个IGBT）组成将直流转换为3相交流电。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）IPM（智能电源模块）将IGBT、操作IGBT的电路以及电压、电流和温度的保护和自诊断功能结合在一个电源模块中。

根据转子的位置接通IGBT。

根据转子的位置产生3相交流电以产生相应的磁场来转动转子。

IGBT（绝缘栅双极晶体管）是控制混合动力车辆电动机的最佳半导体。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）3）再生制动电路电动汽车的再生制动发电系统的组成。

电动汽车安装此能量回收系统，能够有效发挥电动汽车的特点，回收车轮制动、下坡滑行、高速运行及减速运行等状态下的部分能量，将其转化为电能并给蓄电池充电，充分地使用能源，从而提高电动汽车的续驶里程。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,2.2.1MOS门极关断晶闸管（MCT）（3）再生制动的基本原理通常情况下，蓄电池电压都比制动能量回馈过程中开始工作的比较特殊的发电系统发电电压高，所以通过特殊的控制系统，将该回馈系统产生的电能给蓄电池充电，从而让电机在再生制动模式下工作。

RG为电阻，Rb为制动限流电阻，U为蓄电池的电压，E为电动机的感应电势，L为电动机电枢的电感。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,工作时，将电动机电柜驱动电流断开，电枢两端接入一个开关电路。

由于电动机为感性器件，感应电势与感应电流随时间的变化率有如下关系：

E=-Ldi/dt当闭合开关时，工作回路由电动机感应电势引起的感应电流经开关K构成，此时的制动电流为感应电流，其大小为：

i1=-E/（RG+Rb）当断开开关K时，的绝对值快速增大，使得感应电势快速上升，直至时，能量反馈实现。

设是电流回馈电路中的等效电阻，则制动电流是回馈电流，即：

i2=（E-U）/（RG+Rd）,二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,图通过发动机或车轮使转子（永久磁铁）旋转时，通过电磁感应在定子线圈（U、V和W相）内产生3相交流电。

将产生的交流电压（流经IPM二极管）进行整流（转换为直流），然后对HV蓄电池充电。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,控制电路零扭矩控制时（未操作电动机且未进行再生制动的情况下）根据行驶状态，电动机扭矩可能减至零。

例如，由于车辆使用前轮驱动，因此在水平路面上平稳行驶时，E-four系统的MGR既不驱动车轮也不发电。

然而，MGR仍旋转。

由于MGR旋转而产生电压，从而使电流开始流动。

为使MGR产生的电压偏置，IGBT切换至ON以产生电压，从而防止电流流动。

V1来自HV电池，电脑控制算出多大的电压，V2再生发电。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,（4）升降压斩波电路又称升降压斩波器（Buck-boostchopper），是一种既可以升压，又可以降压的变换器，其原理如图。

电路中电感L值很大，电容C值也很大，使电感电流iL和电容电压即负载电压U0基本为恒定。

升降压斩波电路的基本工作原理是：

当可控开关VT处于导通状态时，电源经VT向电感L供电使其储存能量，此时电流为i1。

同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。

此后，使VT关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为i2。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,（4）升降压斩波电路丰田普锐斯驱动电机1和驱动电机2的工作情况，增压转换器将直流电压201.6V的HV蓄电池公称电压最高升至直流电压650V。

转换器也可将MG1和MG2产生的电压从直流电压650V（最高电压）降至直流电压201.6V以对HV蓄电池充电。

由于“电功率=电压X电流”，因此可使用高电压提高功率输出以驱动车辆。

同时，为使功率相同，可使用较高的电压和较小的电流。

从而，减少电路以热能的形式损失能量并使逆变器更为紧凑。

二、电机控制器的工作原理,电力电子器件在电机控制系统的应用,（5）直流电源转换电路车辆的电气零部件和各ECU使用直流电压12V作为其电源。

在常规车辆中，交流发电机（使用发动机电源）用于为12V蓄电池充电并为电气零部件供电。

混合动力车辆不使用交流发电机。

DC/DC转换器将HV蓄电池