電子課件新能源汽車驅(qū)動電機與控制技術(shù)學(xué)習(xí)情境二新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)

學(xué)習(xí)情境二新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)學(xué)習(xí)情景描述大家都知道新能源汽車依靠電機驅(qū)動，那么它的電機驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車相比會有哪些不一樣的地方呢？作為一種新車型，新能源汽車到底有哪些方面的優(yōu)勢呢？目標(biāo)和任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解電機驅(qū)動系統(tǒng)的特點和技術(shù)參數(shù)；2.掌握新能源汽車的傳動系統(tǒng)的種類；3.了解電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略；4.掌握轉(zhuǎn)子位置傳感器的工作原理。工作任務(wù)1.在教師的指導(dǎo)下，制訂新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)的認(rèn)知計劃；2.根據(jù)認(rèn)知計劃對新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)知。學(xué)習(xí)內(nèi)容一、課前任務(wù)單根據(jù)查找的資料，完成下列課前任務(wù)單（見表2-1）。表2-1新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)課前任務(wù)單1.電機驅(qū)動系統(tǒng)的特性直接影響（）、（）和（）。2.電機控制器的主要功能有哪些？3.整車控制器根據(jù)車輛運行的不同情況，包括（）、（）、（），來決定電機輸出轉(zhuǎn)矩/功率。資訊一新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介1.電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成電機驅(qū)動系統(tǒng)是新能源汽車車輛行駛系統(tǒng)中的主要執(zhí)行機構(gòu)，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，直接影響車輛的動力性、經(jīng)濟性和舒適性，它是新能源汽車的重要部件。電機驅(qū)動系統(tǒng)基本組成框圖如圖2-1所示。二、相關(guān)資訊新能源汽車的驅(qū)動系統(tǒng)包括電機驅(qū)動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)兩個部分。圖2-1電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖資訊一新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介（1）電機。電機一般要求具有電動、發(fā)電兩項功能，按類型可選用直流電機、交流電機、永磁無刷電機或開關(guān)磁阻電機等幾種。（2）功率變換器。功率變換器按所選電機類型，有DC/DC（直流/直流）功率變換器、DC/AC（直流/交流）功率變換器等形式。（3）控制器?？刂破髦饕鸬秸{(diào)節(jié)電機運行狀態(tài)的作用，以滿足整車不同的運行要求。針對不同類型的電機，控制的原理與方式有很大差別?？刂破鞯牧硪粋€重要功能是通信和保護，實時進(jìn)行狀態(tài)和故障檢測，保護電機驅(qū)動系統(tǒng)和實現(xiàn)故障反饋。資訊一新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介2.電機驅(qū)動系統(tǒng)的特點新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的特點如下。（1）采用三相永磁交流電機（DM）、電機控制器（MCU）可調(diào)整輸出電流和電機轉(zhuǎn)速，電機和電機控制器采用水冷方式以防止溫度過高。（2）整車控制器（VCU）根據(jù)駕駛員意圖發(fā)出各種指令，電機控制器響應(yīng)并反饋，實時調(diào)整驅(qū)動電機輸出。資訊一新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介3.電機驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)以北汽新能源EV200車型為例，其驅(qū)動電機技術(shù)參數(shù)見表2-2，驅(qū)動電機控制器技術(shù)參數(shù)見表2-3。資訊一新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介3.電機驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)資訊二新能源汽車傳動系統(tǒng)簡介與內(nèi)燃機驅(qū)動的傳統(tǒng)汽車相比，電機驅(qū)動的電動汽車可方便地布置電機驅(qū)動單元，可以用一臺電機進(jìn)行集中驅(qū)動，也可以用多臺電機分布于汽車的不同位置實現(xiàn)分布式驅(qū)動。電動汽車結(jié)構(gòu)布置靈活多變，概括起來分為電機中央驅(qū)動和電動輪驅(qū)動兩種形式。電機中央驅(qū)動形式借用了內(nèi)燃機汽車的驅(qū)動方案，將內(nèi)燃機換成電機及其相關(guān)器件。目前純電動汽車驅(qū)動電機分為傳統(tǒng)驅(qū)動布置形式、電機與驅(qū)動橋組合驅(qū)動布置形式、電機與驅(qū)動橋集成驅(qū)動布置形式、輪邊電機驅(qū)動布置形式、輪轂電機驅(qū)動布置形式等。1.傳統(tǒng)驅(qū)動布置形式傳統(tǒng)驅(qū)動布置形式如圖2-2所示，該布置形式與傳統(tǒng)汽車的布置形式基本相同，通常是在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上改裝而成，把電機放在原燃油發(fā)動機的位置。這種布置形式可以提高純電動汽車的起動轉(zhuǎn)矩，增加低速時純電動汽車的后備功率。這種驅(qū)動系統(tǒng)布置形式有電機前置-驅(qū)動橋前置、電機前置-驅(qū)動橋后置等驅(qū)動模式。資訊二新能源汽車傳動系統(tǒng)簡介圖2-2傳統(tǒng)驅(qū)動布置形式2.電機與驅(qū)動橋組合驅(qū)動布置形式電機與驅(qū)動橋組合驅(qū)動布置形式如圖2-3所示，這種驅(qū)動系統(tǒng)布置形式即在驅(qū)動電機端蓋的輸出軸處加裝減速器和差速器等，電機、固定速比減速器、差速器的軸互相平行，一起組合成一個驅(qū)動整體。它通過固定速比減速器來放大驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩，但沒有可選的變速擋位，也就省掉了離合器。這種布置形式的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率較高，便于安裝。資訊二新能源汽車傳動系統(tǒng)簡介圖2-3電機與驅(qū)動橋組合驅(qū)動布置形式3.電機與驅(qū)動橋集成驅(qū)動布置形式把電機、固定速比減速器和差速器集成為一個整體，并與驅(qū)動軸同軸，通過兩根半軸驅(qū)動車輪，稱為電機與驅(qū)動橋集成驅(qū)動系統(tǒng)，其布置形式如圖2-4所示。把集成系統(tǒng)組成后驅(qū)動橋，安裝在后車軸位置。這種布置形式有同軸式和雙聯(lián)式兩種。資訊二新能源汽車傳動系統(tǒng)簡介圖2-4電機與驅(qū)動橋集成驅(qū)動布置形式資訊二新能源汽車傳動系統(tǒng)簡介同軸式驅(qū)動系統(tǒng)的電機軸是一種特殊制造的空心軸，在電機左端輸出軸處的裝置有減速器和差速器，再由差速器帶動左右半軸，左半軸直接帶動，而右半軸則通過電機的空心軸來帶動。雙聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)也稱為雙電機驅(qū)動系統(tǒng)，由左右兩臺永磁電機直接通過固定速比減速器分別驅(qū)動車輪，左右兩臺電機由中間的電控差速器控制，每個驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速可以獨立地調(diào)節(jié)控制，便于實現(xiàn)電子差速，不必選用機械差速器。4.輪邊電機驅(qū)動布置形式輪邊電機驅(qū)動布置形式是一種雙電機驅(qū)動形式，如圖2-5所示，由左右兩臺電機直接通過固定速比減速器分別驅(qū)動兩個車輪。電機直接連接輪轂，這種電機稱為輪邊電機。兩個車輪轉(zhuǎn)動沒有直接連接。每個電機的轉(zhuǎn)速可以獨立地調(diào)節(jié)控制，通過電子差速器來解決左右半軸的差速問題，使得電動汽車更加靈活，在復(fù)雜的路況上可以獲得更好的整車動力性能。資訊二新能源汽車傳動系統(tǒng)簡介圖2-5輪邊電機驅(qū)動布置形式5.輪轂電機驅(qū)動布置形式把電機設(shè)計成餅狀，直接安裝在車輪的輪轂中，這種電機稱為輪轂電機。輪轂電機驅(qū)動布置形式如圖2-6所示，電機一端直接與車輪轂固定，另一端直接安裝在懸架上。此種布置形式進(jìn)一步縮短了電機和車輪之間的機械傳動距離，節(jié)省了空間。資訊二新能源汽車傳動系統(tǒng)簡介圖2-6輪轂電機驅(qū)動布置形式1.電機驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動模式整車控制器根據(jù)車輛運行的不同情況，包括車速、擋位、電池SOC（電量）值，來決定電機輸出轉(zhuǎn)矩/功率。當(dāng)電機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)動電機輸出轉(zhuǎn)矩，通過機械傳動來驅(qū)動車輛，如圖2-7所示。資訊三電機驅(qū)動系統(tǒng)控制策略圖2-7電機驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動模式二、相關(guān)資訊2.電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)電模式當(dāng)車輛在滑行或制動時，整車控制器檢測到滿足一定條件則發(fā)出能量回收指令，IGBT（insulate-gatebipolartransistor，絕緣柵雙極型晶體管）模塊輸出為0，電機停止工作，驅(qū)動車輪通過傳動系統(tǒng)使電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，此時電動機就成了發(fā)電機，輸出三相正弦交流電，IGBT模塊將交流電轉(zhuǎn)換成直流電向動力電池充電，如圖2-8所示。資訊三電機驅(qū)動系統(tǒng)控制策略圖2-8電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)電模式01020304（1）加速踏板開度為0或制動。（3）動力電池溫度小于45℃。（2）電池電量小于95%。（4）各系統(tǒng)無故障。啟動能量回收條件如下。1.霍爾傳感器霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強得多，利用這一現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。資訊四轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器安裝在驅(qū)動電機內(nèi)部，起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置、為逆變器提供正確換向信息的重要作用。轉(zhuǎn)子位置傳感器主要包括磁敏式（霍爾傳感器）、光電式（光電編碼器）和電磁式（旋轉(zhuǎn)變壓器）。資訊四轉(zhuǎn)子位置傳感器1）霍爾效應(yīng)當(dāng)放在磁場中的半導(dǎo)體基片中通過與磁場垂直的電流時，半導(dǎo)體基片中的電子將受到電磁力（洛倫茲力）的作用，使電子聚集于半導(dǎo)體基片的一側(cè)成為負(fù)極，而半導(dǎo)體基片的另一側(cè)則因為失去電子而成為正極。2）霍爾電壓霍爾電壓可用下式表達(dá)：UH=RH式中，RH為霍爾常數(shù)；I為控制電流；B為磁感應(yīng)強度；d為霍爾元件的厚度。教學(xué)視頻霍爾效應(yīng)3）霍爾傳感器的工作原理霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為工作基礎(chǔ)，一般是由霍爾元件和其附屬電路組成的集成傳感器，用它可以檢測磁場變化。永磁同步電機的轉(zhuǎn)子為永磁體。通過霍爾傳感器可以檢測轉(zhuǎn)子磁場強度，確定轉(zhuǎn)子位置。霍爾傳感器在永磁交流電機上的應(yīng)用如圖2-9所示。資訊四轉(zhuǎn)子位置傳感器圖2-9霍爾傳感器在永磁交流電機上的應(yīng)用教學(xué)視頻霍爾傳感器霍爾電壓隨磁感應(yīng)強度的變化而變化：磁場越強，電壓越高；磁場越弱，電壓越低?；魻栯妷褐岛苄?，通常只有幾毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號?；魻杺鞲衅鞯妮敵霾ㄐ螢榫匦蚊}沖，是一種數(shù)字信號，因此霍爾傳感器表現(xiàn)為具有開關(guān)特性的磁開關(guān)?；魻杺鞲衅鞯墓ぷ髟砑拜敵霾ㄐ稳鐖D2-10所示。資訊四轉(zhuǎn)子位置傳感器圖2-10霍爾傳感器的工作原理及輸出波形2.光電編碼器光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的編碼器。光電編碼器由光柵盤和光電檢測轉(zhuǎn)子組成。光電編碼器的結(jié)構(gòu)組成及輸入、輸出波形如圖2-11所示。資訊四轉(zhuǎn)子位置傳感器圖2-11光電編碼器的結(jié)構(gòu)組成及輸入、輸出波形3.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)角變化的器件。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)角呈余弦函數(shù)關(guān)系，或保持一定比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系。旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)組成及輸出波形如圖2-12所示。資訊四轉(zhuǎn)子位置傳感器圖2-12旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)組成及輸出波形教學(xué)視頻變壓器的基本介紹教學(xué)視頻變壓器的示意圖教學(xué)視頻變壓器的工作原理教學(xué)視頻變壓器的空載運行教學(xué)視頻變壓器的負(fù)載運行旋轉(zhuǎn)變壓器的功用主要是檢測電機轉(zhuǎn)子位置，控制器編碼后可以獲知電機轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)變壓器的構(gòu)造如圖2-13所示，傳感器線圈固定在殼體上，信號齒圈固定在轉(zhuǎn)子上。其傳感器線圈由勵磁線圈、正弦線圈、余弦線圈三組線圈組成一個傳感器。資訊四轉(zhuǎn)子位置傳感器圖2-13旋轉(zhuǎn)變壓器的構(gòu)造教學(xué)視頻旋轉(zhuǎn)變壓器三、決策與計劃結(jié)合以上內(nèi)容，分析對新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)的認(rèn)知，組織學(xué)生分組，每個小組各自查資料、討論，制訂實訓(xùn)計劃，見表2-4。四、實施小組分工合作，按照所制訂的新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)的認(rèn)知計劃，對新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)知。五、檢測與評估綜合整個學(xué)習(xí)過程，對學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行成績評定?？刹捎脤W(xué)生互評、教師評價相結(jié)合的方式。情景小結(jié)本情境主要介紹了電機驅(qū)動系統(tǒng)的特點和組成，介紹了新能源汽車傳動系統(tǒng)，介紹了電機驅(qū)動系統(tǒng)控制策略，介紹了轉(zhuǎn)子位置傳感器的工作原理等內(nèi)容。一、判斷題1.傳統(tǒng)驅(qū)動布置形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低，可以充分發(fā)揮驅(qū)動電機的性能。（）2.電機與驅(qū)動橋組合驅(qū)動布置形式的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率較高，便于安裝。（）3.位置傳感器安裝在驅(qū)動電機內(nèi)部，起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置、為逆變器提供正確換向信息的重要作用。（）思考與練習(xí)二、選擇題1.下列部件中，不屬