纯电动汽车学习入门(八)——驱动电机系统(下)

◆文/北京 李玉茂

(1)输入/输出接口电路，负责外部输入信号与控制主板转换连接，负责控制主板输出信号与外部转换连接。

(2)控制主板，与VCU通信，对旋变传感器供电，对旋变信号分析，控制IGBT，监测高压直流母线电流，监测IGBT模块温度，监测高压插头连接情况。

(3)驱动主板，接受控制主板指令，控制每只IGBT导通或断开。

(4)IGBT，将直流电转换成三相交流电并且变频，控制电机转速和转动方向，车辆减速时回收能量，将三相交流电转换成高压直流电，对动力电池充电。

(5)超级电容，如图13所示，超级电容与高压直流母线并联，作用是在电机启动时保持电压稳定。

(6)放电电阻，当断开高压直流时，消耗掉超级电容放出的电流。新款车在高压下电后，电机控制器指令IGBT短暂工作，消耗掉超级电容放出的电流。

(7)电压传感器，包括动力电池电压传感器、12V电压传感器，用以检测供给电机控制器的直流高压和弱电工作电压。

(8)电流传感器，包括直流母线排电流传感器、三相交流输出电流传感器，用以检测实际电流。

(9)温度传感器，包括IGBT模块温度传感器和电路板温度传感器，用以监测IGBT模块和电路板的温度。

电机控制器又称智能功率模块(IPM)，是驱动电机系统的控制中心，以IGBT为核心，辅以控制电路、驱动电路。IGBT译成中文是“绝缘栅双极型晶体管”，如图14所示，该模块包含6个IGBT，搭成三相桥式逆变电路。

如图15所示，IGBT内部包含2个IGBT，是一种用小电流控制大电流的开关元件，综合了电力晶体管和电力场效应晶体管的优点。IGBT是三端器件，包括栅极、集电极、发射极，栅极无触发信号，集电极与发射极之间不导通；驱动电路对栅极发送触发信号，集电极与发射极之间导通。

如图16所示，电机定子上绕有三相绕组，每相绕组的尾端连接在一起称作中性点，首端引出U相、V相、W相。三相桥式逆变器/整流器由6个IGBT和与之并联的6个二极管构成，IGBT的编号为VD1～VD6。正极母线排、负极母线排之间串联两个IGBT，集电极与正极母线排相连的IGBT称上桥臂，发射极与负极母线排相连的IGBT称下桥臂。3个上、下桥臂之间的节点，分别连接U相、V相、W相。

为了能够将动力电池的直流电转变为驱动电机的三相交流电，6个IGBT模块在驱动电路的触发信号驱动下，依次间隔60°顺序导通或关断，三相绕组的相位差120°。三相绕组产生的旋转电磁场，与转子的永久磁场相互作用，转子在电磁力作用下旋转并对外做功。

IGBT工作过程如图17所示，驱动电路对VD1、VD6的栅极触发使之导通，电流由正极母线排流过VD1进入U相，然后从W相流出，再流过VD6回到负极母线排。

如图18所示，驱动电路对VD2、VD4的栅极触发使之导通，电流由正极母线排流过VD2进入V相，然后从U相流出，再流过VD4回到负极母线排。

如图19所示，驱动电路对VD3、VD5的栅极触发使之导通，电流由正极母线排流过VD3进入W相，然后从V相流出，再流过VD5回到负极母线排。

以上说的在每个瞬间，只有一个正桥臂和一个负桥臂导通，只有两相绕组流过电流，这是为了理解容易。实际在每个瞬间，三相绕组均有电流流过(电压过零点的瞬间除外)，如图20所示，每个瞬间有两个正桥臂和一个负桥臂导通，或有一个正桥臂和两个负桥臂导通，每60°变换一次。

逆变器输出三相交流电波形如图21所示，横坐标是时间t，纵坐标是电压U。横坐标在0～60°,W相与U相的正桥臂导通，这两相电流流出，电压为正；V相的负桥臂导通，该相电流流入，电压为负。

如图22所示，6个整流二极管的序号为D1～D6，D1、D2、D3称作正向二极管，D4、D5、D6称作反向二极管。二极管导通原则，哪相电压最高哪相的正向二极管导通，哪相电压最低哪相的反向二极管导通。当车辆进行能量回收时，电机工作在发电状态，D2、D6因受到正向电压而导通，此时电流由V相流过D2进入正极母线排，流过动力电池对其充电，然后流回到负极母线排，再流过D6回到W相形成回路。整流原理如同燃油汽车交流发电机的三相桥式整流电路。

电机控制器监测充电电流，不得大于动力电池允许的最大充电电流。如果大于，电机控制器执行IGBT工作状态，控制定子线圈磁场的旋转角速度，转子转速同时降低。停止回收能量，这样就保证不大于最大充电电流。

当电池温度过低时，不能回收能量；当电池电量很少时，能够正常回收能量；当电池电量大于90%或95%，不能回收能量；当电池电量在很少和很多之间时，限制能量回收不大于最大充电电流。一般认为在车辆非紧急制动的普通制动情况下，约20%的能量可以回收；但是实际上，回收能量整个过程中也会产生损耗，能够回收的能量大约有续航里程的8～15%。

挂入D位，挡位信息和加速踏板位置信息送给VCU，VCU将驾驶员操作意图通过CAN(新能源CAN)总线传给电机控制器，电机控制器结合旋变传感器信息，向电机输入三相交流电，三相绕组产生旋转磁动势，与转子的永久磁场作用，转子正方向旋转。IGBT将高压直流逆变成高压三相交流电，通过调整频率来控制电机转速。保持电压不变，就可以使电机功率恒定。VCU将电机当前功率、电流、电压通过CAN送到仪表控制单元，仪表显示当前电机功率数值。

挂入E位，加速时提速比较平缓，尽可能节省电量。当松开加速踏板，回收的能量更多，感觉降速强烈，滑行距离比D位短。不同车型的E位设有2级或3级，级数越高节省电量越多。

当驾驶人松开加速踏板，此时车轮拖动电机转动，电机变为发电机。BMS计算最大充电电流，电机控制单元通过IGBT将三相交流电整流成高压直流电，对动力电池充电，馈能电流必须小于BMS计算的最大充电电流。当踩下制动踏板，VCU指令电机控制器，更多的电流充入动力电池。

挂入D位，VCU通知电机控制器改变电机旋转方向，即由U-V-W，变为W-V-U通电顺序，电机反转。

四、北汽EV200驱动电机系统

驱动电机系统框图如图23所示，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，以实现整车的爬行、前行、能量回收、倒车、停车，以及驻坡等功能。电机控制器另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障检测，保护驱动电机系统和整车安全可靠运行。

如图24所示，电机控制器将输入的直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电，供给配套的三相交流永磁同步电机使用。

驱动电机19针插座如图25所示，端子定义见表3。

电机控制器35针插座如图26所示，端子定义见表4。

如图27所示，余弦绕组高压+与高压-连接DC+与DC-。12V正极经过熔丝7.5A和电机继电器进入MCU的1针供给工作正电，24针连接12V负极。MCU的33、12、11、23、35、34接收旋变传感器信号(12-11励磁绕组，23-22正弦绕组，35-34余弦绕组)，15、16针连接开盖开关，10-9针接收温度传感器1信号，21-20接收温度传感器2信号。31、32针连接新能源CAN总线，29针是CAN总线的金属屏蔽，30针与29针相连是CAN地线。电机控制器输出三相变频交流电U、V、W供给驱动电机。

减速器功能是将整车驱动电机的转速降低、扭矩升高，以实现整车对驱动电机的扭矩、转速需求。EV200减速器总成是一款前置前驱减速器，采用左、右壳体，减速器和主减速器两级传动结构，总减速比7.793。具有体积小、结构紧凑的特点，采用前进挡和倒挡共用结构进行设计，整车倒挡通过电机反转实现，技术参数见表5，外形如图28所示。

减速器动力传动机械部分是依靠两级齿轮副来实现减速增扭，其按功用和位置分为五大组件，如图29所示，包括左壳体、右壳体、输入轴组件、中间轴组件、差速器组件。动力传递路线为：驱动电机→输入轴→输入轴齿轮→中间轴齿轮→主减速器主动齿轮→主减速器被动齿轮→差速器半轴齿轮→左、右半轴→左、右车轮。