第二节　驱动电动机

驱动电动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、经济性和用户驾乘感受。可见，驱动电动机系统是纯电动汽车中十分重要的部件。

驱动电动机系统由驱动电动机（DM）和驱动电动机控制器（MCU）构成，通过高低压线束及冷却管路，与整车其他系统作电气和散热连接，如图4-33所示。

整车控制器（VCU）根据驾驶员意图发出各种指令，电动机控制器响应并反馈，实时调整驱动电动机输出，以实现整车的怠速、前行、倒车、停车、能量回收及驻坡等功能。电动机控制器的另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障检测，保护驱动电动机系统和整车安全可靠运行。驱动电动机系统技术指标参数如表4-2所示。

一、驱动电动机的结构

C33DB驱动电动机采用永磁同步电动机（PMSM），其结构如图4-34所示。 具有效率高、体积小、重量轻及可靠性高等优点。它是动力系统的重要执行机构，是电能与机械能转化的部件，且自身的运行状态等信息可以被采集到驱动电动机控制器。

依靠内置传感器来提供电动机的工作信息，这些传感器如下。

（1）旋转变压器　用以检测电动机转子位置，控制器解码后可以获知电动机转速；

（2）温度传感器　用以检测电动机的绕组温度，控制器可以保护电动机避免过热，如图4-35所示。

旋转变压器检测电动机转子位置，经过电动机控制器内旋变解码器解码后，电动机控制器可获知电动机当前转子位置，从而控制相应的IGBT功率管导通，按顺序给定子的3个线圈通电，驱动电动机旋转。温度传感器是检测电动机绕组温度信息，并提供给MCU，再由MCU通过CAN线传给整车控制器VCU，进而控制水泵工作、水路循环和冷却电子扇工作，调节电动机温度。驱动电动机上有1个低压接口和3个高压线（V、U、W）接口，如图4-36所示，其中低压接口各端子定义如表4-3所示。电动机控制器也正是通过低压端口获取电动机温度信息和电动机转子当前位置信息的。

二、驱动电动机控制器

驱动电动机控制器结构及控制电路图如图4-37和图4-38所示，其内部采用三相两电平

电压源型逆变器，是驱动电动机系统的控制核心，又称为智能功率模块，又以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。它对所有的输入信号进行处理，并将驱动电动机控制系统运行状态信息通过CAN2.0网络发送给整车控制器。驱动电动机控制器内含故障诊断电路，当电动机出现异常时，达到一定条件，它将会激活一个错误代码并发送给整车控制器，同时也会储存该故障码和相关数据。

使用以下传感器来提供驱动电动机系统的工作信息。

（1）电流传感器　用以检测电动机工作的实际电流，包括母线电流、三相交流电流，如图4-39所示。

（2）电压传感器　用以检测供给电动机控制器工作的实际电压，包括动力电池电压、12V蓄电池电压。

（3）温度传感器　用以检测电动机控制系统的工作温度，包括IGBT模块温度、电动机控制器板载温度。

驱动电动机控制器上分为低压接口和高压接口，如图4-40及图4-41所示，低压接口端子定义如表4-4所示。动力电池的直流电通过高压盒提供给驱动电动机控制器，在驱动电动机控制器上布置有2个安菲诺高压连接插座。

驱动电动机控制器提供三相交流电到驱动电动机，主要依靠规格35mm2的三根电缆及高压连接器，除大洋的驱动电动机在C30DB上采用安菲诺独立插头外（对应的控制器上布置有3个安菲诺高压连接插座），其余的都是LS整体式插头。上述高压连接器均具备防错差功能。

三、驱动电动机系统的工作原理

在驱动电动机系统中，驱动电动机的输出动作主要是靠控制单元给定命令执行，即控制器输出命令。控制器主要是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动机使用，其工作原理如图4-42所示。

电动汽车永磁同步电动机控制系统组成框图如图4-43所示。在控制方法中，磁场定向控制FOC和直接转矩控制DTC作为交流电动机的2种高性能控制策略，在实际中得到了广泛的应用。最初仅用于异步电动机的控制，现在已经被扩展到同步电动机、永磁同步电动机的控制上，对电动机的启动、加速、运转、减速及停止进行控制。根据不同类型的电动机及对电动机的使用场合有不同的要求时，通过控制达到快速启动、快速响应以及高效率、高转矩输出和高过载能力的目的。在电动机控制中，三相逆变桥如图4-44所示，它是最重要的部分，是将输入的直流电转换为交流电的装置，既属于主回路部分，也属于控制执行部分，以下主要介绍三相逆变器的工作原理。

逆变器的内部结构，也就是主回路电路，如图4-45所示，由6个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）组成，每一相输出线和正负直流母线之间各连接一个IGBT功率管。连接正极母线的IGBT与输出端节点为被称为“上桥臂”，连接负极母线的IGBT与输出端节点被称为“下桥臂”，每一相的上、下桥臂统称为“半桥”。6个IGBT的序号一般为T1～T6（或VD1～VD6），第一相的上桥臂是T1（或VD1），其他的IGBT所对应的位置都可以从PWM的坐标图里去找。

为了能够将输入的直流电变成交流电，6个IGBT会从T1～T6（VD1～VD6）依序循环地导通和关闭，并依次间隔60°顺序导通（或关断）。U/V/W三相的相位差为120°，这也就意味着和第一相（U相）上桥臂导通（或关断）时刻间隔120°的IGBT为第二相（V相）的上桥臂；和第二相（V相）上桥臂导通（或关断）时刻间隔120°的IGBT为第三相（W相）的上桥臂。下桥臂的序号很好辨别，一个周期的正弦交流电所经过的角度是360°（2π），其中正半波经过180°（π）会从第二象限进入第三象限，变为负半波并经过180°（π）。在每一相的上、下桥臂不能同时导通，也不可以有叠加关系。因为上下桥臂中间直接连接并作为这一相的输出端，如果有同时导通或者是叠加导通，会导致正负母线之间直接跨导，造成短路，显然这是禁止发生的。

所以当某一相的上桥臂导通区间内，下桥臂是不可以导通的，也就是完全关断状态。上桥臂导通180°（π）后立刻关断，这视为此相的正半波。另外哪一项在上桥臂关断区间内完全导通并经过180°（π），就为此相的下桥臂，如图4-46所示。每一相间隔120°的循环输出就会产生交流电。连接永磁同步电动机后就会建立旋转磁场，电动机转子就可以旋转并对外做功。

四、驱动电动机的工作过程

驱动电动机在车辆上的工作过程和原理可根据驾驶员的意愿为几种状态，对在D挡加速行车、减速制动以及在R挡倒车时进行介绍。

1．D挡加速行车

驾驶员换D挡并踩加速踏板，此时挡位信息和加速信息通过信号线传递给整车控制器（VCU），VCU把驾驶员的操作意图通过CAN线传递给驱动电动机控制器（MCU），再由驱动电动机控制器（MCU）结合旋变传感器信息（转子位置），进而向永磁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速正向旋转。

随着加速踏板行程不断加大，电动机控制器控制的6个IGBT导通频率上升，电动机的转矩随着电流的增加而增加，

因此，基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在电动汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒定，即电动机的输出功率不随转速的增加而变化。这就要求在电动机转速增加时，电压保持恒定，如图4-47所示。

与此同时，电动机控制器也会通过电流传感器和电压传感器感知电动机当前功率、消耗电流大小和电压大小，并把这些信息数据通过CAN网络传送给仪表、整车控制器，其具体工作原理如图4-48所示。

2．R挡行车

当驾驶员挂R挡时，请求信号发给VCU，再通过CAN线发送给MCU。此时MCU结合当前转子位置（旋变传感器）信息，通过改变IGBT模块改变W/V/U的通电顺序，进而控制电动机反转。

3．制动时能量回收

在驾驶员松开加速踏板时，电动机在惯性的作用下仍在旋转，设车轮转速为v轮、电动机转速为v电动机、车轮与电动机固定传动比为K。当车辆减速，v轮乘以K小于v电动机时，电动机仍是动力源。随着电动机转速下降，当v轮乘以K大于v电动机时，电动机相当于被车辆带动而旋转，此时电动机变为发电机。

BMS可以根据电池充电特性曲线（充电电流、电压变化曲线与电池容量的关系）和采集电池温度等参数计算出相应的允许最大充电电流。MCU根据电池允许的最大充电电流，通过控制IGBT模块使发电机定子线圈旋转磁场角速度与电动机转子角速度保持到发电电流不超过允许最大充电电流，以调整发电机向蓄电池充电的电流，同时这也控制了车辆的减速度a，具体过程如图4-49所示。

当踩下制动踏板时，该过程MCU输出的电流频率会急剧下降，馈能电流在MCU的调节下充入高压电池。当IGBT全部关闭时在当前的反拖速度和模式下为最大馈能状态，此时MCU对发电机没有实施速度和电流的调整，发电机所发的电量全部转移给蓄电池。由于发电机负载较大，因此此时车辆减速也比较快。

4．能量回收的条件

电池包温度低于5℃ 时，能量不回收。单体电压在4.05～4.12V时，能量回收6.1kW。单体电压超过4.12V时，能量不回收。单体电压低于4.05V时，能量满反馈SOC大于95%、车速低于30km/h时，没有能量回收功能，且能量回收及辅助制动力大小与车速和踩下制动踏板行程相关。

5．E挡行驶时

E挡为经济驾驶模式，在车辆正常行驶时，E挡与D挡的根本区别在于MCU和VCU内部程序、控制策略不同。在加速行驶时，E挡相对于D挡来说提速较为平缓，蓄电池放电电流也较为平缓，目的是尽可能节省电量以延长行驶距离，而D挡提速较为灵敏，响应较快。E挡更注重能量回收。松开加速踏板时，驱动电动机被车轮反拖发电时所需的“机械能”牵制了车辆的滑行，从而起到了一定的降速、制动的效果，所以E挡此时的滑行距离比D挡短。