項目3驅動電機及控制系統(tǒng)認知項目目標素養(yǎng)目標：1.培養(yǎng)學生的愛國主義精神，弘揚社會主義核心價值觀。2.培養(yǎng)學生的敬業(yè)精神，爭做精益求精的“大國工匠”。3.培養(yǎng)學生的誠信品質，講規(guī)矩、講原則，遵守國家法律法規(guī)。4.培養(yǎng)學生的友善品質，分工協(xié)作、優(yōu)勢互補、相互幫助、共同進步。5.培養(yǎng)學生養(yǎng)成服從管理、規(guī)范作業(yè)、安全工作的良好工作習慣。知識目標：1.掌握純電動汽車驅動系統(tǒng)的功能和基本結構。2.能夠描述驅動電機的作用、類型。3.掌握驅動電機的特點。4.了解驅動電機的性能和要求。5.能夠描述驅動電機及變速驅動單元的結構與工作原理能力目標：1.具備對新能源汽車驅動系統(tǒng)部件識別的能力。2.具有檢索資料，總結純電動汽車各種驅動類型的結構和特點的能力。3.能夠進行驅動電機總成的拆卸與安裝。4.能夠進行驅動電機總成的控制器認知與拆裝。5.具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。任務1驅動系統(tǒng)結構原理認知任務導入一輛2019款比亞迪秦EV拖車進廠維修，客戶反映起動車輛后，汽車無法正常上電，動力系統(tǒng)故障警告燈亮，主告警指示燈亮。你的主管讓你排除故障，假如你是該維修技師，你能完成這個任務嗎？知識準備一、驅動系統(tǒng)的功能目前，驅動系統(tǒng)是電動汽車的三大核心部件之一。驅動系統(tǒng)的任務是在駕駛人的控制下，高效率地將動力蓄電池的電量轉化為車輪的動能，或者將車輪的動能反饋到動力蓄電池中。新能源汽車的驅動電機不僅起電動機的作用，還兼顧發(fā)電機的功能。駕駛車輛時，根據(jù)駕駛人意愿，整車控制器(有些車型不單獨設立該模塊，而是與電機控制器等集成設計)判斷駕駛人意圖，相應輸入前進、倒退、起步、加速制動等信號,并發(fā)出控制指令給驅動電機系統(tǒng)為車輛提供驅動轉矩，以實現(xiàn)對整車的前行、倒車、停車和能量回收，以及駐坡等功能，功能框架簡圖如圖3-1-1所示。圖3-1-1驅動系統(tǒng)的功能架簡圖

二、驅動系統(tǒng)的結構組成驅動系統(tǒng)主要包括驅動電機、電機控制器、變速器以及電機冷卻系統(tǒng)，向驅動車輪提供轉矩，是純電動汽車的唯一驅動裝置。1.驅動電機驅動電機是純電動汽車的唯一動力源，既可以作為電動機又可以作為發(fā)電機。作為電動機可將電能轉換成機械能，向外輸出轉矩，驅動汽車前進后退；同時也可以作為發(fā)電機發(fā)電，在高坡下滑、高速滑行以及制動過程中把勢能或者動能通過電機轉化為電能。應用在新能源汽車（電動汽車）上的驅動電機主要有直流電機、異步電機、永磁同步電機（圖3-1-2）和開關磁阻電機四種形式。。圖3-1-2永磁同步電機2.電機控制器電機控制器通常位于驅動電機的上部，如圖3-1-3所示，是按整車控制器的指令，根據(jù)駕駛人操縱變速桿加速踏板和制動踏板等動作，相應輸入的前進、倒退、起步、加速制動以及各種檢測傳感器反饋的信號，通過運算邏輯判斷、分析比較等適時向功率轉換模塊發(fā)出相應的指令，對驅動電機的轉速、轉矩和旋轉方向進行控制，使整個驅動系統(tǒng)有效運行。圖3-1-3榮威E50驅動電機控制器3.變速器純電動汽車沒有像燃油汽車那樣的多檔變速器或無級變速器，常用驅動電機匹配單檔固定齒輪比變速器，簡稱單檔變速器或單級減速器，如圖3-1-4所示，主要實現(xiàn)對驅動電機的減速增矩作用。圖3-1-4單檔變速器4.電機冷卻系統(tǒng)純電動汽車在驅動與回收能量的工作過程中，驅動電機及其控制器在工作過程中都會產生熱量，會影響工作性能，因此，需要借助電機冷卻系統(tǒng)進行冷卻，以保證電機的安全運行和使用壽命。常見的驅動電機與控制器冷卻系統(tǒng)如圖3-1-5所示。電動汽車冷卻系統(tǒng)的功能是將驅動電機、驅動電機控制器及其他部件（如車載充電機等）產生的熱量及時散發(fā)出去，保證其在要求的溫度范圍內穩(wěn)定高效地工作。圖3-1-5驅動電機與控制器冷卻系統(tǒng)三、比亞迪秦EV驅動系統(tǒng)結構認知比亞迪秦EV是2019年全新一代純電動汽車，搭載了通過33111高集成化系統(tǒng)設計,極限壓縮空間，標準化程度高的e平臺，第一個“3”代表前驅動總成，由驅動電機、驅動電機控制器以及變速器三者集成，稱為“驅動三合一”，如圖3-1-8所示。驅動電機及電機控制器采用直連的方式，可以減少車輛在運行過程中電纜線的能量損耗以及在能量回收過程中的損耗，因此，轉矩密度提升17%，功率密度提升20%，重量降低25%，體積降低30%，總成成本降低33%。圖3-1-8比亞迪秦EV前驅動力總成任務2驅動系統(tǒng)結構原理認知任務導入驅動電機及其控制系統(tǒng)是新能源汽車動力總成系統(tǒng)的核心組件，用于實現(xiàn)電能與機械能的相互轉換，簡稱驅動電機系統(tǒng)，它主要包括驅動電機和電機控制器。從應用角度看，驅動電機系統(tǒng)與變速器、減速器等耦合形成了電驅動系統(tǒng)，電驅動系統(tǒng)已成為發(fā)展的主流。某款搭載永磁同步電機的新能源汽車行駛約60000公里之后，車主到店反映車輛行駛過程中，出現(xiàn)故障，儀表提示請檢查動力系統(tǒng)。經反復試車，維修技術主管判定電機內部驅動電機總成可能存在損壞。假如你是該維修技師，你能完成這個任務嗎？知識準備一、驅動電機的作用電機，也稱為電動機、動力電機或驅動電機，是一種將電能轉化成機械能，用來驅動其他裝置的電氣設備。驅動電機是純電動汽車的唯一動力源，可向外輸出轉矩，驅動汽車前進后退；同時也可以作為發(fā)電機發(fā)電（例如，在高坡下滑、高速滑行以及制動過程中把勢能或者動能通過電機轉化為電能）。如圖3-2-1是驅動電機的示意圖。圖3-2-1驅動電機的示意圖

二、驅動電機的特點新能源汽車采用的驅動電機有以下特點：1.體積小、功率密度大由于新能源汽車的整車空間有限，因此要求驅動電機的結構緊湊、尺寸要小。這就意味著電機系統(tǒng)（驅動電機+電機控制器）的尺寸將受到很大的限制，電機設計廠家必須想盡辦法縮小驅動電機的體積，即提高電機的功率密度和轉矩密度。尤其是民用的乘用車，對電機的體積限制要求很高，因此業(yè)內一般選用高功率密度的永磁同步電機作為驅動電機。2.效率高、高效區(qū)廣、重量輕新能源汽車驅動電機的第二個特點就是效率要高、高效區(qū)要廣、重量要輕。續(xù)駛里程一直是新能源汽車的短板，而提升續(xù)駛里程的方法就是提升驅動電機的效率，保證每一度電都能發(fā)揮最大的用處。驅動電機的高效工況區(qū)要夠廣，保證汽車在大部分工況下的都是處于高效狀態(tài)下。減輕電機重量，也能間接降低整車的功耗，實現(xiàn)續(xù)駛里程提升。3.安全性與舒適度基于汽車用戶的體驗，新能源汽車驅動電機還需關注電機自身的安全性和舒適度。安全性可以理解成電機的可靠性，即電機在惡劣環(huán)境下能否正常工作?？赏ㄟ^高低溫箱試驗來進行安全性能檢測。舒適度，即電機在運行時是否會對駕駛人產生體驗上的不適，關注的是電機運行時的振動和噪聲情況。三、驅動電機的類型電機從很早以前就已經實用化，并且產品種類、形式也越來越豐富。按照電機電源供給進行的分類，新能源電動汽車中驅動電機包括四種類型:直流電機、永磁電機、交流異步電機（感應電機）及開關磁阻電機。1.直流電機直流電機，如圖3-2-2所示，是輸出或輸入為直流電能的旋轉電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉換的電機。直流電動機組成結構如圖3-2-3所示。它主要由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由換向器、主軸、轉子鐵芯和轉子繞組等組成。圖3-2-2永磁直流電動機圖3-2-3直流電機組成結構2.交流異步電機交流異步電機，又稱“感應電動機”。1887年，特斯拉發(fā)明了感應電機。感應電機是將轉子置于旋轉磁場中，在旋轉磁場的作用下，獲得一個轉動力矩，從而轉子轉動的裝置。感應電機沒有換向器和電刷，結構簡單，可靠性較高，無須維護，能較好地保持高速性能。交流異步電機與同功率的直流電機相比質量約減少了一半，而效率更高。在采用矢量控制方法時，可以獲得與直流電機媲美的可控性和調速范圍，適用于高速運轉。在大功率電動汽車上應用廣泛。交流異步電機在高速運轉時，電機轉子發(fā)熱嚴重，工作時要保證電機冷卻，同時感應電機的驅動和控制系統(tǒng)較復雜，運行時需要變頻器提供額外的無功功率來建立磁場，因此感應電機的效率和功率密度偏低，不是能效最優(yōu)化的選擇。交流異步電機在新能源汽車上應用較多的地區(qū)是美國。由于美國高速公路具有一定的規(guī)模，除大城市外，汽車一般以一定的高速持續(xù)行駛，這種工況下使用感應電機能獲得較高的效率。以常見的三相異步電機為例，各類三相異步電動機都由定子和轉子這兩大基本部分組成，其結構示意圖如圖3-2-4所示，在定子與轉子之間具有一定的氣隙。圖3-2-4感應電機示意圖定子是用來產生旋轉磁場的，三相交流異步感應電動機的定子由外殼、定子鐵芯、定子繞組等部分組成；轉子分為繞線形和籠形兩種，對應的電動機分別稱作繞線異步感應電動機與籠形異步感應電動機。另外，還有端蓋、軸承、風扇、風扇罩、接線盒、吊環(huán)等其他附件。交流異步電機的主要特點是轉子與定子磁場變化之間存在轉速差。3.永磁同步電機永磁同步電機是指轉子采用永磁材料勵磁的同步電機，具有較高的功率密度與轉矩密度，相比于其他種類的電機，在相同質量與體積下，永磁同步電機能夠為新能源汽車提供最大的動力輸出與加速度。新能源汽車行業(yè)對空間與自重要求極高，因此新能源汽車企業(yè)優(yōu)先選擇永磁同步電機作為汽車動力源。永磁同步電機屬于交流電機。它的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電機。如圖3-2-5所示為永磁同步電機結構。圖3-2-5永磁同步電機結構永磁同步電機主要由機殼、定子和轉子組成。定子包括定子鐵芯和定子繞組，定子繞組鑲嵌在定子鐵芯中，繞組的作用是通電時可以產生磁場，鐵芯的作用是可以提高磁導率。一般來說，永磁同步電機的最大的特點是它的定子結構與普通的感應電機的結構非常的相似，多為4極形式，三相繞組按3相4極布置，通電產生4極旋轉磁場。主要是區(qū)別于轉子的獨特的結構與其他電機形成了差別。和常用的異步電機的最大不同則是轉子的獨特的結構，在轉子上放有高質量的永磁體磁極。永磁磁極外凸鑲嵌在轉子鐵芯外側，組成若干對磁極。一塊永磁體有一個N極和一個S極。若干個永磁體和鐵芯共同構成了若干條磁路，磁力線方向，這是一個4極轉子。在定子繞組不斷通電產生的磁場吸引下，轉子即隨定子產生的旋轉磁場進行運轉。如圖3-2-6所示為永磁同步電機的定子和轉子的結構。圖3-2-6永磁同步電機的定子和轉子4.開關磁阻電機開關磁阻電動機（SRM）是一種典型的機電一體化電動機，又稱“開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)（SRD）”。開關磁阻電機是采用定轉子凸極且極數(shù)相接近的大步距磁阻式步進電機的結構，利用轉子位置傳感器通過電子功率開關控制各相繞組導通使之運行的電機。開關磁阻電動機，如圖3-2-7所示，本體采用定子、轉子雙凸極結構，單邊勵磁，即只有定子凸極采用集中繞組勵磁，而轉子凸極上既無繞組，也無永磁體。定子、轉子都由硅鋼片疊壓而成。定子繞組徑向相對的極串聯(lián)，構成一相。定子集中繞組，繞組為單方向通電。最常見的組合為6/4極(6個定子凸極與4個轉子凸極)，8/6極或12/8極。圖3-2-7開關磁阻電動機示意圖四、驅動電機的動力總成驅動電機運轉時，輸出的動力經過動力總成（即變速驅動單元，安裝在前機艙內）的齒輪減速機構（即單檔變速器）直接傳遞給傳動軸。如圖3-2-8所示。圖3-2-8比亞迪動力總成（電機及變速器驅動單元）任務3驅動電機控制器的認知與拆裝任務導入一輛純電動汽車無法運行，你的主管初步判斷驅動電機控制器發(fā)生故障，讓你更換驅動電機控制器總成，你能完成這個任務嗎？知識準備一、驅動電機控制器的功能大多數(shù)電動汽車將驅動電機逆變器與控制模塊集成在一起，稱為驅動電機控制器，簡稱MCU。MCU通常位于驅動電機的上部，作用是利用IGBT將動力蓄電池的直流電轉化為交流電，然后輸出給電機，用于控制電機的運轉速度、運轉方向（前進及倒車）以及將電機作為逆變電機發(fā)電（減速及制動時）進行能量回收。MCU是電機的主控制模塊，通過CAN與整車控制器VCU形成通信，接收車輛行駛控制指令，同時利用各種傳感器采集信息，并將運行狀態(tài)的信息通過CAN發(fā)送給整車控制器VCU，間接地控制車上相關系統(tǒng)正常運行。同時，MCU具備自身內部故障的檢測和處理功能。應用在電動汽車上的驅動電機控制器主要有兩種類型：一種是僅用于控制驅動電機（MCU），如圖3-3-1所示為北汽EV200驅動電機控制器MCU。另一種是具有集成控制功能的驅動電機管理模塊，即集成了MCU與DC/DC變換器、車載充電機及高壓配電箱（BDU）集成一體，是目前純電動汽車與混合動力汽車驅動電機控制器發(fā)展的一個趨勢，集成度高的系統(tǒng)既節(jié)省了成本，也利于系統(tǒng)之間信息的共享與車輛部件位置的布置設計。如圖3-3-2為比亞迪e5的“四合一”的高壓電控總成，即將驅動電機控制器、DC/DC變換器、車載充電機及高壓配電箱（BDU）集成一體。圖3-3-1北汽EV200電機控制器MCU圖3-3-2比亞迪e5高壓電控總成二、驅動電機控制器的組成驅動電機控制器主要由接口電路、控件主板、IGBT驅動模塊、超級電容、放電電阻、傳感器、殼體水道等組成。（1）控制主板(中央控制模塊)如圖3-3-3所示，控制主板主要包括控制芯片及外圍電路、A-D采樣電路、IGBT驅動和保護電路、位置檢測電路等幾部分。中央控制模塊，對外，通過對外接口，得到整車上其他部件的指令和狀態(tài)信息；對內，把翻譯過的指令傳遞給逆變器驅動電路，并檢測控制效果。圖3-3-3控制主板（2）IGBT驅動模塊絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）是一種快速切換大電流的半導體器件，也是控制電動汽車(需要較大輸出功率)電機的最佳器件，被認為是電動汽車的核心技術之一。目前在驅動電機控制器中使用IGBT模塊來構成轉換電路，用以實現(xiàn)將電池的直流電轉化為電機需求的電壓、方向和頻率可變的三相交流電，稱為逆變技術(DC/AC)，滿足電機正轉、反轉的需求。同時，在制動能量回收時，可以將電機產生的三相交流電整流成直流電，存入高壓電池，稱為整流技術(AC/DC)。IGBT模塊中IGBT驅動系統(tǒng)采用飽和壓降進行過流檢測和管理，包括軟關斷動作，分別采用不同的門極電阻進行開通和關斷，使IGBT在ON和0FF之間進行切換，從而實現(xiàn)電機轉速的控制。IGBT模塊見圖3-3-4所示。圖3-3-4IGBT模塊（3）超級電容超級電容安裝在電機控制器內一端，其功用是在接通高壓電路時給電容充電，保證電機工作時電壓的穩(wěn)定。（4）放電電阻放電電阻的作用是斷開高壓電路時，通過電阻給高壓電容放電。放電電路發(fā)生故障時，會報放電超時導致高壓下電故障。在電機控制器工作時，放電電阻會一直消耗電容器電能。放電電阻一般在1000～1500Ω。（5）傳感器使用以下傳感器用來提供驅動電機的工作信息，包括:電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、位置傳感器。1）電流傳感器(圖3-3-5)。用以檢測電機工作的實際電流(包括母線電流、三相電流)。圖3-3-5兩種電流傳感器

2）電壓傳感器。用以檢測供給電機控制器工作的實際電壓(包括動力蓄電池電壓、12V蓄電池電壓)。3）溫度傳感器(圖3-3-6)。用以檢測電機的定子繞組溫度，當控制器檢測到溫度過高時，會控制電機降低轉速，避免電機過熱。當電機控制器監(jiān)測到電機溫度傳感器溫度為45℃-50℃,冷卻風扇低速起動；溫度≥50℃,冷卻風扇高速起動；當電機溫度升至120℃40℃時，電機將降功率運行；當電機溫度升至≥140℃時，降功率為0，即停機保護。圖3-3-6溫度傳感器與位置傳感器4）位置傳感器。位置傳