純電動汽車的驅(qū)動電機系統(tǒng)

驅(qū)動電機系統(tǒng)是電動汽車三大核心系統(tǒng)之一，是車輛行駛的主要驅(qū)動系統(tǒng)，其特性決定了車輛的主要性能指標(biāo)，直接影響車輛動力性、經(jīng)濟性和用戶駕乘感受。本文將以北汽新能源EV200車型所采用的驅(qū)動電機系統(tǒng)為例來介紹相關(guān)技術(shù)。

一、驅(qū)動電機系統(tǒng)介紹

驅(qū)動電機系統(tǒng)由驅(qū)動電機、驅(qū)動電機控制器（MCU）構(gòu)成，通過高低壓線束、冷卻管路與整車其他系統(tǒng)連接，如圖1所示。

整車控制器（VCU）根據(jù)加速踏板、制動踏板、擋位等信號通過CAN網(wǎng)絡(luò)向電機控制器MCU發(fā)送指令，實時調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的扭矩輸出，以實現(xiàn)整車的怠速、加速、能量回收等功能。

電機控制器能對自身溫度、電機的運行溫度、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實時監(jiān)測，并把相關(guān)信息傳遞給整車控制器VCU，進(jìn)而調(diào)節(jié)水泵和冷卻風(fēng)扇工作，使電機保持在理想溫度下工作。

驅(qū)動電機技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，如表1所示，驅(qū)動電機控制器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1　驅(qū)動電機技術(shù)參數(shù)

表2　驅(qū)動電機控制器技術(shù)參數(shù)

1.驅(qū)動電機

永磁同步電機是一種典型的驅(qū)動電機（圖2），具有效率高、體積小、可靠性高等優(yōu)點，是動力系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是電能轉(zhuǎn)化為機械能載體。它依靠內(nèi)置旋轉(zhuǎn)變壓器、溫度傳感器（圖3）來提供電機的工作狀態(tài)信息，并將電機運行狀態(tài)信息實時發(fā)送給MCU。

旋轉(zhuǎn)變壓器檢測電機轉(zhuǎn)子位置，經(jīng)過電機控制器內(nèi)旋變解碼器解碼后，電機控制器可獲知電機當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，從而控制相應(yīng)的IGBT功率管導(dǎo)通，按順序給定子三個線圈通電，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。

溫度傳感器的作用是檢測電機繞組溫度，并提信息供給MCU，再由MCU通過CAN線傳給VCU，進(jìn)而控制水泵工作、水路循環(huán)、冷卻電子扇工作，調(diào)節(jié)電機工作溫度。

驅(qū)動電機上有一個低壓接口和三根高壓線（V、U、W）接口，如圖4所示。

其中低壓接口各端子定義如表3所示，電機控制器也正是通過低壓端口獲取的電機溫度信息和電機轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置信息。

表3　驅(qū)動電機低壓接口定義

2.驅(qū)動電機控制器

驅(qū)動電機控制器MCU結(jié)構(gòu)如圖5所示，它內(nèi)部采用三相兩電平電壓源型逆變器，是驅(qū)動電機系統(tǒng)的控制核心，稱為智能功率模塊，它以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為核心，輔以驅(qū)動集成電路、主控集成電路。MCU對所有的輸入信號進(jìn)行處理，并將驅(qū)動電機控制系統(tǒng)運行狀態(tài)信息通過CAN2.0網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給整車控制器VCU。驅(qū)動電機控制器內(nèi)含故障診斷電路，當(dāng)電機出現(xiàn)異常時，達(dá)到一定條件后，它將會激活一個錯誤代碼并發(fā)送給VCU整車控制器，同時也會儲存該故障碼和相關(guān)數(shù)據(jù)。

驅(qū)動電機控制器主要依靠電流傳感器（圖6）、電壓傳感器、溫度傳感器來進(jìn)行電機運行狀態(tài)的監(jiān)測，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行電壓、電流的調(diào)整控制以及其它控制功能的完成。電流傳感器用于檢測電機工作實際電流，包括母線電流、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、12V蓄電池電壓。溫度傳感器用于檢測電機控制系統(tǒng)的工作溫度，包括IGBT模塊的溫度。

驅(qū)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。

表4　驅(qū)動電機控制器低壓接口定義

二、驅(qū)動電機系統(tǒng)功能

通過驅(qū)動電機工作狀態(tài)可以了解新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的基本功能，根據(jù)駕駛員意愿驅(qū)動電機的工作狀態(tài)：掛D擋加速行駛時、減速制動時、掛R擋倒車時以及E擋行駛時來了解它的工作過程。

1.D擋加速行駛

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(qū)動電機控制器MCU，再由驅(qū)動電機控制器MCU結(jié)合旋變傳感器信息（轉(zhuǎn)子位置），進(jìn)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(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢；另一方面以電磁力拖動轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)。隨著加速踏板行程不斷加大，電機控制器控制的6個IGBT導(dǎo)通頻率上升，電動機的轉(zhuǎn)矩隨著電流的增加而增加，因此，起步時基本上擁有最大的轉(zhuǎn)矩。隨著電動機轉(zhuǎn)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定，即電動機的輸出功率不隨轉(zhuǎn)速增加而變化，這要求在電動機轉(zhuǎn)速增加時，電壓保持恒定，其中永磁同步電機輸出特性曲線如圖8所示。

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(dāng)前功率、消耗電流大小、電壓大小，并把這些信息數(shù)據(jù)通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳送給儀表、整車控制器，其具體工作原理如圖9所示。

2.R擋倒車時

當(dāng)駕駛員掛R擋時，駕駛員請求信號發(fā)給VCU，再通過CAN線發(fā)送給MCU，此時MCU結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)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(jìn)而控制電機反轉(zhuǎn)。

3.制動時能量回收

駕駛員松開加速踏板時，電機由于慣性仍在旋轉(zhuǎn)，設(shè)車輪轉(zhuǎn)速為V輪、電機轉(zhuǎn)速為V電機，設(shè)車輪與電機之間固定傳動比為K，當(dāng)車輛減速時，V輪K＜V電機時，電機仍是動力源，隨著電機轉(zhuǎn)速下降，當(dāng) V輪K＞V電機時，此時電機由于被車輛拖動而旋轉(zhuǎn)，此時驅(qū)動電動機變?yōu)榘l(fā)電機（圖10）。

BMS可以根據(jù)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(guān)系）和采集電池溫度等參數(shù)計算出相應(yīng)的允許最大充電電流。MCU根據(jù)電池允許最大充電電流，通過控制IGBT模塊，使“發(fā)電機”定子線圈旋轉(zhuǎn)磁場角速度與電機轉(zhuǎn)子角速度保持到發(fā)電電流不超過允許最大充電電流，以調(diào)整發(fā)電機向蓄電池充電的電流，同時這也控制了車輛的減速度，具體過程如圖11所示。

當(dāng)踩下制動踏板時，MCU輸出的電流頻率會急劇下降，饋能電流在MCU的調(diào)節(jié)下充入高壓電池，當(dāng)IGBT全部關(guān)閉時在當(dāng)前的反拖速度和模式下為最大饋能狀態(tài)，此時MCU對“發(fā)電機”沒有實施速度和電流的調(diào)整，“發(fā)電機”所發(fā)的電量全部轉(zhuǎn)移給蓄電池，由于發(fā)電機負(fù)載較大，此時車輛減速也較快。在此期間能量回收的原則是：①電池包溫度低于5℃時，能量不回收；②單體電壓在4.05～4.12V時，能量回收6.1kW，單體電壓超過4.12V時，能量不回收，低于4.05V時，能量滿反饋；③SOC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制動踏板行程相關(guān)。

4.E擋行駛時

E擋為能量回收擋，在車輛正常行駛時E擋與D擋的根本區(qū)別在于MCU和VCU內(nèi)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(jié)省電量以延長行駛距離，而D擋提速較為靈敏，響應(yīng)較快。在松開加速踏板時，E擋更注重于能量回收，驅(qū)動電機被車輪反拖發(fā)電時所需的“機械能”牽制了車輛的滑行，從而也起到了一定的制動效果，所以E擋行車時車輛的滑行距離比D擋短。

（供稿：北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院）

北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院作為中國新能源汽車職業(yè)教育先行者，率先在國內(nèi)推廣新能源汽車職業(yè)教育，并開展職業(yè)院校師資培訓(xùn)。2105年該院與北京新能源汽車股份有限公司達(dá)成職業(yè)教育戰(zhàn)略合作關(guān)系，其后與多家汽車檢測設(shè)備和教具開發(fā)公司合作成立新能源汽車教學(xué)課程體系開發(fā)聯(lián)盟，響應(yīng)國家新能源戰(zhàn)略發(fā)展計劃，常年開設(shè)新能源技術(shù)多媒體培訓(xùn)班向廣大師生傳授、分享電動車技術(shù)知識及經(jīng)驗。