◆文/北京 王新旗

(接上期)

6.驅(qū)動電機(jī)控制——IGBT的結(jié)構(gòu)及控制

在前面文章中，我提到過新能源汽車的三大電，電機(jī)控制是其中之一，由于動力電池輸出的是直流電，而電機(jī)控制需要的是交流電，因此電機(jī)控制器需要對直流電進(jìn)行交流轉(zhuǎn)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(guān)于逆變的詳細(xì)工作原理有興趣的讀者可以看相關(guān)電子電工學(xué)的資料文獻(xiàn)，但本文還是需要提一下IGBT的控制，也就是新能源汽車電機(jī)控制器主要用到的逆變電路。

圖56 IGBT控制模塊

新能源驅(qū)動電機(jī)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(qū)動集成電路、主控集成電路。對所有的輸入信號進(jìn)行處理，并將驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息通過CAN2.0網(wǎng)絡(luò)發(fā)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(jié)構(gòu)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(dá)到4 500V以上，中小容量IGBT的開關(guān)工作頻率在20～40kHz，大容量IGBT的開關(guān)工作頻率通常在5kHz左右，IGBT是目前應(yīng)用最為廣泛的電力電子器件，使用功率范圍從幾百瓦到數(shù)百千瓦。

圖58 IGBT基本結(jié)構(gòu)

7.驅(qū)動電機(jī)控制————位置控制

位置傳感器將轉(zhuǎn)子的位置信號電平反饋給控制芯片，控制芯片經(jīng)過電流采樣和數(shù)學(xué)變換，并根據(jù)反饋的位置信息經(jīng)過閉環(huán)運(yùn)算，重新按新的PWM占空比輸出，來觸發(fā)功率器件。圖59所示為電動汽車的驅(qū)動控制系統(tǒng)原理圖。

驅(qū)動時：整車控制器根據(jù)車輛運(yùn)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩/功率。

當(dāng)電機(jī)控制器從整車控制器處得到轉(zhuǎn)矩輸出命令時，將動力電池提供的直流電轉(zhuǎn)化成三相正弦交流電，驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，通過減速箱來驅(qū)動車輛運(yùn)行。

動力電池提供直流電，經(jīng)高壓分配器到電機(jī)控制器，電機(jī)控制器中的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為電壓頻率可調(diào)的三相交流電，供給驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)將電能變?yōu)閯幽茌敵鲛D(zhuǎn)矩驅(qū)動車輪運(yùn)行。

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

圖59 電動汽車的驅(qū)動控制系統(tǒng)

電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子磁場的軸線超前于定子旋轉(zhuǎn)磁場的軸線一定角度，轉(zhuǎn)子拖著定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)，電磁吸力方向發(fā)生變化，即與旋轉(zhuǎn)方向相反起制動作用，同時電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，把動能變成電能產(chǎn)生三相交流電，逆變器處于整流工作狀態(tài)，將三相交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)高壓分配器反饋回蓄電池。既節(jié)約了電能又減少了制動片的磨耗。

(1)旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件。當(dāng)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系。圖60為旋變的內(nèi)部工作原理示意圖。

(2)解角傳感器

為了滿足電機(jī)靜止啟動和全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁極位置和速度。解角傳感器是采用電磁感應(yīng)原理制成的旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)傳感器，它由定子和轉(zhuǎn)子組成。橢圓型轉(zhuǎn)子與電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子相連接，同步轉(zhuǎn)動。橢圓型轉(zhuǎn)子外圓曲線代表著永磁轉(zhuǎn)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(biāo)上正交，MCU按預(yù)定頻率的交流電流輸入勵磁線圈A，隨著橢圓型轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子間的間隙發(fā)生變化，就會在檢測線圈S和C上感應(yīng)出相位差90°正弦、余弦感應(yīng)電流，MCU根據(jù)檢測線圈S和C感應(yīng)電流的波形相位和幅值，以及波形的脈沖次數(shù)，計算出電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子的磁極位置和轉(zhuǎn)速值信號，作為MCU對電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)信號。

圖60 旋變的內(nèi)部工作原理

8.制動饋能控制

前文已對此內(nèi)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(jù)駕駛員意愿分為幾種狀態(tài)，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(qū)動電機(jī)控制器MCU，再由驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(jī)控制器控制的6個IGBT導(dǎo)通頻率上升，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著電流的增加而增加，因此，基本上擁有最大的轉(zhuǎn)矩。隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電動機(jī)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(jī)的輸出功率保持恒功率，即電動機(jī)的輸出功率不隨轉(zhuǎn)速增加而變化，這就要求在電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加時，電壓保持恒定，與此同時，電機(jī)控制器也會通過電流傳感器和電壓傳感器，感知電機(jī)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。

(2)R擋加速行車

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(jī)反轉(zhuǎn)。

(3)制動時能量回收

在駕駛員松開加速踏板時，電機(jī)在慣性的作用下仍在旋轉(zhuǎn)，設(shè)車輪轉(zhuǎn)速為V輪、電機(jī)轉(zhuǎn)速為V電機(jī)，車輪與電機(jī)固定傳動比為K，當(dāng)車輛減速時，V輪乘以K小于V電機(jī)時，電機(jī)仍是動力源，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)V輪乘以K大于V電機(jī)時，此時電機(jī)相當(dāng)于被車輛帶動而旋轉(zhuǎn)，此時電動機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，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(jī)”定子線圈旋轉(zhuǎn)磁場角速度與電機(jī)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(jī)向蓄電池充電的電流，同時這也控制了車輛的減速度。

當(dāng)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(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(jī)”沒有實施速度和電流的調(diào)整，“發(fā)電機(jī)”所發(fā)的電量全部轉(zhuǎn)移給蓄電池，由于發(fā)電機(jī)負(fù)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(guān)。

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(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。E擋更注重能量回收。松開加速踏板時，驅(qū)動電機(jī)被車輪反拖發(fā)電時所需的“機(jī)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(yǎng)護(hù)

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(yǎng)護(hù)，這些內(nèi)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(guān)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(xù)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(dān)憂，也害怕車輛電量耗盡，停在半路。

圖61 剩余續(xù)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(jié)構(gòu)時的六小電里包括的車載充電機(jī)，慢充就是外接電源需要通過車載充電機(jī)進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，同時電壓、電流進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)后再給電動車動力電池進(jìn)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(zhuǎn)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(guān)于淺充淺放的概念和原理我認(rèn)為有必要跟讀者分享一下。在前面講動力電池內(nèi)容時我曾介紹過，現(xiàn)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(fù)充、放電的次數(shù)，即“充電周期”的完成次數(shù)有關(guān)。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(shù)”。

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(tài)使用，當(dāng)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(dāng)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(jié)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(jīng)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(nèi)進(jìn)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(fā)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(jī)械按鈕，這個機(jī)械按鈕根據(jù)充電協(xié)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?nèi)f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(cè)為快充口，右側(cè)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(tǒng)一，所以不同廠家的充電樁完全具備給非本廠家車輛進(jìn)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(jìn)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(fèi)上門安裝，當(dāng)然這需要車主所在生活小區(qū)物業(yè)部門批準(zhǔn)，尤其是需要占用公共區(qū)域安裝落地充電樁的車主更需要經(jīng)過物業(yè)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(jìn)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(fèi)用補(bǔ)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(tǒng)燃油車的搖號調(diào)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(fèi)者認(rèn)可，目前北京市排號等待購買電動車的家庭或個人已經(jīng)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(biāo)的含義就很不同了。