任务1.5 驱动电机拆装（课件）-《汽车构造与拆装》同步教学（北京理工大学出版社）

汽车构造与拆装 任务1.5 驱动电机拆装 1 汽车构造与拆装 学习目标 能了解电动汽车的驱动形式 能够掌握电机的结构及原理 能查找电机了解基本信息 能够描述驱动电机的功用及控制原理 汽车构造与拆装 电驱动的结构形式分类 (a)传统燃油车改造而来 (b)没有离合器和变速档位 (c)在小型电动汽车上应用最普遍 (d)不必选用机械差速器 (e)电动机在轮子里 (f) 是另一种形式的轮毂电动机 汽车构造与拆装 电驱动的结构形式分类 (a)传统燃油车改造而来 由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来， 离合器是用来切断或接通电动机到车轮之 间传动动力的机械装置，变速器是一套具 有不同速比的齿轮机构，驾驶员可以选择 不同的变速比，把力矩传给车轮。 差速器使内外车轮以不同的转速行驶。 (b)没有离合器和变速档位 用固定速比的减速器，去掉离合器，可减 少机械传动装置的质量、缩小其体积。由 电动机、固定速比的减速器和差速器组成 驱动系统。应该由于没有离合器和可选的 的变速挡位，不能提供理想的转矩/转速。 汽车构造与拆装 电驱动的结构形式分类 (c)小型电动汽车上应用普遍 这种结构与发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的布置方式类似，它把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮。 (d)双电动机结构 双电动机结构就是采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮，每个电动机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速。 汽车构造与拆装 电驱动的结构形式分类 (e) 轮毂电动机 电动机装在车轮里面，可进一步缩短从电动机到驱动车轮的传递路径，为了将电动机转速降到理想的车轮转速，采用固定减速比的行星齿轮变速器，它能提供大的减速比，而且输入和输出轴可以布置在同一条轴线上。 另一种形式的轮毂动电机 这种结构采用低速外转子电动机，彻底去掉了机械减速齿轮箱，电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，车轮转速和电动汽车的车速控制完全取决于电动汽车的转速控制。 汽车构造与拆装 汽车构造与拆装 混合动力电动汽车的结构 汽车构造与拆装 １)车载能量源环节的混合。 ２)单一的动力装置。 ３)车载能量源由两个以上的能量联合组成。 串联混合动力汽车 汽车构造与拆装 串联混合动力汽车 汽车构造与拆装 串联混合动力汽车-特点 发动机动力必须通过电机才能传递到车轮 （1）车辆完全靠电机驱动，发动机只负责发电。 （2）结构形式简单。 （3）发动机与电机分别控制，控制简单。 （4）整车加速均匀、平稳 汽车构造与拆装 并联混合动力汽车 １)机械动能的混合。 ２)具有两个或多个动力装置。 ３)每一个动力装置都有自己单独的车载能量源。 汽车构造与拆装 并联混合动力汽车 汽车构造与拆装 并联混合动力汽车-特点 发动机和电机扭矩均可直接传递到车轮 （1）发动机动力传动效率高。 （2）电机功率较小，且整车只需要一个电机，成本低。 （3）动力混合程度可变。 （4）必须使用变速箱。 汽车构造与拆装 混联式混合动力汽车 汽车构造与拆装 混联式混合动力汽车 汽车构造与拆装 混联式混合动力汽车 即可实现发动机与电机分别控制，车辆靠电机驱动，也可实现发动机与电机共同驱动。 （1）兼有串联结构与并联结构的优点。 （2）结构与控制复杂，结构成本较高。 汽车构造与拆装 驱动电机系统是纯电动汽车三大核心部件之一，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、经济性和舒适性。 采用三相交流永磁电动机（DM）、电机控制器 （MCU）可调整输出电流和电动机转速，电机和电机控制器采用水冷方式防止温度过高。 驱动电机系统特点和功能 驱动电机简介 汽车构造与拆装 高效率：电机最高效率97%； 高功率密度、高扭矩密度；低扭矩波动； 高可靠性：设计寿命30万公里，终身免维护。 1）电机外壳体采用铝合金压铸而成，更轻更耐腐蚀； 2）电机平台化设计，兼容A0~A级车; 1 指标项 参数 2 峰值扭矩 300Nm 3 峰值功率 160kW@410V 4 额定扭矩 150Nm 5 额定功率 80kW 6 额定转速 5100rpm ７ 质量 45kg ８ 冷却方式 水冷 汽车构造与拆装 N S 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 驱动电机结构及工作原理 永磁同步 交流异步 汽车构造与拆装 异步电机结构 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 包含转速传感器 22 交流异步电机特点 优点： 成本低，功率覆盖面广； 控制系统要求低。 缺点： 高效区小； 功率密度小。 汽车构造与拆装 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 电机系统主要工作就是实现电能（电压、电流）和机械能（转矩、转速）的转化。当电机系统电动运行的时候，系统输入电功率，输出转矩和转速；当电机系统发电运行的时候，系统输入机械功率，输出电压和电流。 DC -- AC ~ DC/AC -- /~ Tn、v 电机控制器常被称为逆变器（inverter），即主要实现直流电、交流电的转化。 由于车用电机的转速是随时变化的，因此逆变器的主要功能之一也是进行调频、调压控制。 电机（Motor），是实现电能和机械能转化的机构。 电机包括静止的定子和运动的转子，定子和转子在线圈通电后产生磁场，生成电磁转矩驱动车辆运动。 调频调压 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 定子产生旋转磁场 三相交流电机的定子铁心中放有三相对称绕组A、B、C，绕组末端连接为星型。绕组中通入三相对称电流，公式、图形如下所示。当ωt处于0、60、90三个瞬时的时候，根据右手螺旋定则判断，磁场的变化如下图所示。可以看出，随着时间变化，定子产生了旋转磁场。 ωt=0 ωt=60o ωt=90o i ωt iA iB iC 60o 90o 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 电机的转向 在三相电流中，电流出现正幅值的顺序为ABC，因此磁场的旋转方向与这个顺序是一致的，即磁场的转向与通入绕组的三相电流相序相关。对于同样的绕组结构，改变电流相序就可以改变电机转向。 顺时针转动 逆时针转动 电机的极数 电机极数是指旋转磁场的极数，该极数与定子三相绕组和转子排列相关。一对极电机每相绕组只有一个线圈，绕组空间角度相差120o，即角度满足120o/极对数。示例为2对极的定子和转子。 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 N=60f/P 电机的转动原理 以交流异步电机为例来介绍电机转子旋转的原理。其中N、S极表示定子旋转磁场，转子为两根金属导条。当控制电机定子产生顺时针方向的的磁场时，磁力线会切割转子导条。导条中感生出电动势。由于导条闭合，导条中会产生感生电流，在磁场的作用下导条受力并产生运动。 感生电势、感生电流右手定则：磁力线穿入掌心，拇指为运动方向，四指指向即为电流方向。 导条受力左手定则：磁力线穿入掌心，四指指向电流方向，拇指极为运动方向。 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 异步电机工作原理 异步电机为什么要使用转速传感器？ 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 同步电机结构 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 驱动电机结构及工作原理 电机主要有定子、转子、壳体、端盖、旋变、线束等组成。 汽车构造与拆装 驱动电机依靠内置传感器来提供电机的工作信息，这些传感器包括： 旋转变压器：用以检测电机转子位置，控制器解码后可以获知电机转速； 温度传感器：用以检测电机的绕组温度，控制器可以保护电机避免过热。 驱动电机 减速器 PEU 汽车构造与拆装 同步电机特点 交流同步电机特点 优点： 功率密度高，工作效率高； 体积小 缺点： 成本高； 环境适应性较差。 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 驱动电机结构及工作原理 驱动电机控制原理 汽车构造与拆装 IGBT控制 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 转速-转矩特性 电机系统的转速-转矩特性也被称为机械特性、外特性，是指电机在不同转速下输出转矩的变化特性。电动汽车用电机主要是调速电机系统，调速电机的转速-转矩特性根据基速（基频）可以分为恒转矩区和恒功率区。基速以下的恒转矩区，磁通和转矩恒定；基速以上的恒功率区，随着转速上升，电压已经无法随之提升，磁通和转矩就会下降，同时功率保持恒定。 调速电机理想转速-转矩特性 调速电机实际转速-转矩特性 堵转 限功率 驱动电机结构及工作原理 汽车构造与拆装 电机编码所在的位置图 驱动电机维护 汽车构造与拆装 37 正常工况 故障工况 初始工况 正常工况间在满足各工况进入条件时均可以切换，除零过渡工况外，其他工况均设定最小维持时间，故在正常工况间进行工况切换时，需满足该工况设定的最小维持时间。 因整车跛行故障、延迟断高压、立即断高压以及零扭矩故障而需退出当前工况，切入零过渡工况时，可立即切换。 当整车控制器低压上电后，整车工况默认为初始工况，并初始化所有的需求工况标志位及整车各工况计时器，即在Ready之前，默认为初始工况。 待整车Ready之后，根据需求工况标志位，从初始工况向正常工况切换。 故障等级低的处理工况可以向故障等级高的工况切换，但故障等级高的故障工况不能向故障等级低的工况切换，同等级故障工况间可以根据需求工况进行切换 例如：D挡跛行工况和R挡跛行工况间可以直接互相切换； D挡跛行工况和R挡跛行工况可以直接切换到立即断高压工况，反之不可；零扭矩故障工况可直接切换至立即断高压工况，反之不可。 工况判断功能控制逻辑介绍 汽车构造与拆装 驱动扭矩功能控制逻辑介绍 驱动扭矩是驾驶员通过加速踏板实现车辆怠速、加速、匀速行驶的一种功能，该功能计算的扭矩大小、变化快慢等因素直接影响用户的驾驶体验。其输入信号为加速踏板信号、制动信号挡位信号、电机转速信号等，输出信号为目标驱动扭矩。 控制原理简介 如图1和图2所示，当驾驶员将挡位置于D/S/R挡，并踩下加速踏板时，车辆进入驱动工况，根据加速踏板信号和电机转速信号实时计算驱动扭矩，并发送至电机控制器。其中，D挡经济性较好，S挡动力性较强。 如图3所示，停车状态下，驾驶员踩下制动踏板，将挡位置于N挡，即根据驾驶习惯在中控屏上设置蠕行开启状态（P挡时也可设置）。 如图4所示，当仪表显示Ready，且D/S/R挡信息正常显示（即无挂挡失败的鸣叫音），车辆可行驶。 驱动扭矩控制算法可根据最高车速能力、电池最大放电功率、电机最大驱动扭矩、车辆故障等因素限制驾驶员需求扭矩，保证车辆安全。 图1：总体控制原理图 图2：档位器 图3：中控屏怠速开关 图4：Ready信息 驱动电机功能及控制 汽车构造与拆装 蠕行关闭状态：D档松加速踏板的时候车不往前走。倒车的时候生效可以行车。 单踏板功能蠕行必须在P或者N档进行设置。 39 单踏板功能控制逻辑介绍 单踏板驾驶功能是驾驶员仅通过加速踏板实现车辆加速、匀速以及部分制动的一种功能。在该功能启动后，驾驶可以通过部分松开加速踏板控制能量回收（电制动）扭矩，进而实现车辆减速。该功能可减轻驾驶疲劳，提高车辆续驶里程。 控制原理简介 N挡&&停车&&踩制动,或者P挡时,可通过中控屏设置单踏板开启状态 D挡行车过程中部分抬起加速踏板，可控制能量回收强度，实现减速 总体控制原理图 如图所示，停车状态下，驾驶员踩下制动踏板，且将挡位置于N挡，即可通过中控屏幕设置单踏板开启状态（P挡时也可设置）。单踏板开启后，只有挡位置于D挡，单踏板驾驶功能方可使用。 与普通D挡行车相比，单踏板状态下行车，驾驶员抬起加速踏板时，车辆的减速感较强。若蠕行关闭，当完全松开油门后，可依靠能量回收进行减速直至车辆停止。 能量回收强度3>强度2>强度1，可根据驾驶习惯选择不同的回收强度 驱动电机功能及控制 汽车构造与拆装 40 驱动扭矩计算 加速踏板信号 加速踏板 电机控制器 电机最大驱动扭矩 电池管理系统 最大放电功率 制动信号 制动踏板 挡位信号 挡位器 $$