新能源汽車電驅與控制技術

項目一新能源汽車高壓供電控制系統

項目二新能源汽車電驅系統

項目三新能源汽車電驅控制系統

項目四新能源汽車電驅熱管理系統與整車控制策略

任務一驅動電機檢測

任務二變速器檢測項目二

新能源汽車電驅系統一、任務引入新能源汽車作為傳統燃油汽車的替代品，“三電”（即電池、電機、電控）已經成為新能源汽車的核心技術。新能源汽車電機驅動系統簡稱電驅。驅動電機作為新能源汽車的三大核心部件之一，相比傳統工業電機，有著更高的技術要求。目前，絕大多數新能源汽車驅動電機采用永磁同步電機，異步感應電機應用較少，直流電機基本上已被淘汰，開關磁阻電機應用更少，本任務重點介紹異步感應電機和永磁同步電機。二、任務目標知識目標：掌握三相交流感應異步電機的結構原理。掌握三相交流永磁同步電機的結構原理。掌握旋轉變壓器的結構原理。技能目標：具有三相交流感應異步電機拆裝與檢修的能力。具有三相交流永磁同步電機拆裝與檢修的能力。具有旋變的檢修能力。職業素養目標：嚴格執行新能源汽車檢修操作規范，養成科學嚴謹的工作態度。養成總結訓練過程和結果的習慣，為下次訓練積累經驗。虛心向他人學習，尊重他人勞動。養成團結協作精神。嚴格執行7S現場管理。三、知識空間新能源汽車電驅系統相當于傳統油車的動力系統，主要由電控、電機、減速器組件、電驅冷卻系統等組成，主要功能是驅動汽車行駛和能量回收。新能源汽車作為傳統燃油汽車轉型的替代品，主要體現在能源供給方式和驅動方式的不同，驅動電機是將電能轉換成機械能為車輛行駛提供驅動力的電氣裝置。絕大多數混合動力汽車和純電動汽車使用的都是永磁同步電機，其效率高達98％，只有少數混合動力汽車和純電動汽車使用異步感應電機。異步感應電機通過部件的相對運動，利用電磁感應原理驅動轉子轉動；而永磁同步電機是利用定子的磁場對轉子電流的作用來驅動轉子轉動的。1.異步感應電機的結構原理新能源汽車使用的異步感應電機，根據結構原理，其全稱應為三相交流鼠籠異步感應電機。三相交流是指電源為三相交流電源而不是單相電源或直流電源，鼠籠是指其轉子導體部分形似鼠籠，異步感應是指轉子與定子旋轉磁場之間由于存在轉速差，會使轉子導體產生感應電動勢和感應電流。異步感應電機主要由定子和轉子兩部分組成。1.異步感應電機的結構原理異步感應電機結構1.1定子電機的固定部分稱為定子，由定子繞組和定子鐵芯組成。定子繞組由絕緣銅導線繞制而成，三個定子線圈（也稱作繞組）分別稱為U、V和W，三個繞組的連接端子通常命名為U1、U2、V1、V2和W1、W2。大多數新能源汽車驅動電機定子采用圓線繞組，而特斯拉驅動電機定子采用扁線繞組，目前扁線電機在國產品牌中正在普及推廣。1.1定子定子圓線繞組定子扁線繞組1.1定子三個定子繞組有“△”型和“Y”型接法。定子繞組三相線圈的尾端都連接匯聚于同一點，稱作中性點。因為這種類型的接法看上去與字母Y相似，此連接方式被稱作星形連接或“Y”形連接。“△”型接法是三個繞組首尾相接，被稱作三角形接法，不存在中性點。電機繞組的接線端通常都會固定在與電機殼體絕緣的接線板上，并且通過三相高壓電纜與汽車的變頻器相連。定子鐵芯由薄硅鋼片組裝而成，用于固定定子繞組，構成定子磁路，能夠增強電流的磁場。1.1定子定子繞組星形接法定子繞組三角形接法1.2轉子電機中轉動的部分稱為轉子，轉子主要由轉子鐵芯和轉子導體（即轉子繞組）組成。大多數的異步感應電機使用籠型轉子（形似鼠籠），由相互平行的導體和兩端的短路環構成一個整體。轉子導體通常由鋁棒或者銅棒制成，每根導體被兩端的圓環短路而互成回路。實際上，定子繞組產生旋轉磁場，由于所有導體被兩端的短路環短路，轉子導體之間彼此互成回路，電磁感應就會使轉子導體內產生感應電流，所以轉子不需要電刷或者滑環將電流從外部電源引入至轉子，轉子轉動時轉子是懸浮在定子腔內的，與定子沒有接觸，減少了故障發生。1.2轉子籠型轉子1.2轉子為減小磁滯損耗和渦流損耗，定子和轉子鐵芯都由薄硅鋼片疊加而成。硅鋼片屬軟磁性材料，剩磁非常弱，受到高溫和振動易退磁，主要作用是用于構成磁路，增強電流的磁場。若利用轉子的剩磁磁場來發電，其磁場強度是遠遠不夠的，故鼠籠式異步感應電機不能直接用作發電機。1.2轉子定子與轉子鐵芯1.3工作原理三相交流異步感應電機的工作原理可以簡單歸納為四步：1）三相定子繞組接通電源后，由于三相交流電源存在120°的相位差，會在定子腔內產生一個旋轉磁場；2）由于轉子導體在轉動過程中總是比旋轉磁場慢（異步），轉子導體就會切割磁感線，使得轉子導體產生感應電動勢；3）由于轉子所有導體均被兩端的圓環短路，轉子導體之間彼此互成回路，所以轉子導體內就會產生感應電流；4）轉子導體內的感應電流受到定子旋轉磁場的磁場力作用，于是旋轉磁場就拉動轉子轉動起來。1.3工作原理驅動電機的調速、反轉、扭矩等均由電機控制系統控制。電機控制器即變頻器或逆變器，通過脈寬調制（PWM）實現高壓直流到三相交流的電源變換，通過改變三相交流電的頻率來實現電機調速，并采用矢量控制或轉矩控制實現轉矩控制的快速響應，滿足負載變化特性的要求。新能源汽車驅動電機采用的三相交流電機并不是通過機械換相（交換電源線）的方式來實現反轉控制，而是通過改變三相交流電的相位差進行換相，讓定子旋轉磁場反轉來實現轉子反轉的。在定子繞組中輸入三相交流電，定子繞組中的勵磁電流在定子鐵芯中產生旋轉磁場，轉子導體中就會有感應電流通過并拉動轉子作旋轉運動。改變定子繞組的電流的大小就能夠控制電機的輸出功率和扭矩。當轉子帶有機械負載時，轉子電流會增加，由于電磁感應作用，定子繞組中的勵磁電流也增加。2.永磁同步電機的結構原理永磁同步電機是目前新能源汽車廣泛采用的驅動電機。永磁電機也是由轉子與定子兩部分組成。其定子部分結構原理與感應電機沒有區別，故在此不再重述。也是由變頻器提供三相交流電源，與感應電機一樣屬于三相交流電機的范疇，電機控制系統的結構原理也基本相同。2.1轉子永磁同步電機的轉子包括永磁體、轉子鐵芯、轉軸、軸承等。根據永磁體在轉子鐵芯中的位置可以分為表面式（外置式）和嵌入式（內置式）。表面式的轉子永磁體貼在轉子圓形鐵芯外側，永磁體直接暴露在氣隙磁場中，容易退磁。由于制造工藝簡單、成本低，應用較廣泛，尤其適宜于永磁同步電機。嵌入式的轉子永磁體埋于轉子鐵芯內部，其表面與氣隙之間有鐵磁物質極靴保護，轉子結構更加牢固，易于提高電動機高速旋轉的安全性，目前新能源汽車驅動電機多采用嵌入式永磁同步電機。2.1轉子表面式永磁轉子嵌入式永磁轉子2.2工作原理三相定子繞組接通三相交流電源后，會在定子腔內產生一個旋轉磁場，這個旋轉磁場與轉子永磁體的磁場之間相互作用，會對轉子產生扭矩，從而拉動轉子轉動起來。由于旋轉磁場的磁極對數與轉子磁場的磁極對數相同，電機的轉動原理是由于磁場與磁場的相互吸引，永磁電機轉動過程中轉子的轉速與旋轉磁場的轉速相同，此種電機為同步電機，通過控制三相交流電的頻率就能精準地控制電機的轉速。由此可以看出，永磁同步電機的轉動原理與異步感應電機是不同的。2.2工作原理電機包括以下幾種工作狀態：停止工作：電機內部沒有接入三相交流電，定子中無旋轉磁場產生，電動機處于靜止狀態。正轉：當轉子位置確定后，通過給三相繞組提供一定相序的交流電，電機實現正轉。反轉：當轉子位置確定后，通過改變三相繞組的相序進行供電，即可實現電機反轉。改變轉速：變頻器通過改變供電的頻率來調整電機轉速。發電：車輛在制動或滑行時，永磁電動機就相當于一個三相交流發電機。轉子轉動提供旋轉磁場，定子內的三相繞組切割磁力線就會發電，發出的電能通過電機控制器內的整流器整流，輸送給動力蓄電池充電。3.旋變旋變是旋轉變壓器的簡稱，也稱為旋變傳感器，為磁感應型位置傳感器，其主要作用是檢測電機轉子的磁極位置、旋轉方向和轉速，提供給電機控制器MCU用于驅動電機的控制，相當于傳統油車的發動機曲軸位置傳感器。3.旋變旋轉變壓器3.1旋變的結構旋變就是基于變壓器原理設計的，旋變除只有轉子隨電機軸一起轉動外，其余部分均不轉動，也可稱為定子。旋變定子由鐵芯和繞線圈組成，鐵芯也是由硅鋼片疊加而成，主要作用是構成磁路；線圈包括勵磁線圈、正弦線圈和余弦線圈三組線圈。勵磁線圈相當于變壓器初級線圈，其作用是接通一定頻率的交流電流使磁路中產生交變磁通；正弦線圈和余弦線圈相當于變壓器次級線圈,根據法拉第電磁感應原理，當穿過次級線圈的磁通量發生變化時，次級線圈會輸出電壓信號，因為轉子轉動時輸出電壓分別為正弦SIN與余弦COS波形，有90°的電角相位差，兩線圈因此得名。3.1旋變的結構旋變結構原理圖3.2旋變的工作原理當電機未啟動旋變轉子不轉時，給勵磁線圈輸入一個固定頻率（10000HZ）的交流電流，勵磁線圈就會產生一個固定頻率的交變磁場（這個磁場不是一個旋轉的磁場，其頻率不會隨著轉子的轉動而改變），利用電磁感應原理，正弦線圈和余弦線圈分別產生與勵磁線圈輸入電流同相位（或反相）、同頻率、幅值不變的正弦（或余弦）電壓信號。因為轉子并未轉動，這個波形稱為靜態波形，可以看出，因為幅值相等，這些幅值的連線所形成的邊沿線（或稱為包絡線）是一條平直的直線。3.2旋變的工作原理旋變靜態波形3.2旋變的工作原理當電機啟動旋變轉子轉動時，勵磁線圈輸入的固定頻率的交流電流仍然不變，兩個線圈也仍然會產生同樣頻率的交流電壓信號，但與靜態波形不同的是，兩個線圈電壓信號由于轉子轉動會導致穿過兩個線圈的磁通發生了變化，導致幅值不再相等，這些幅值的連線所形成的包絡線信號波形不再是一條平直的直線，也是一條正弦曲線或余弦曲線。因為轉子隨電機軸一起在轉動，這個波形稱為動態波形。3.2旋變的工作原理旋變工作波形3.3旋變的作用旋變的作用是檢測電機的轉速、旋轉方向（正轉或反轉）、電機轉子磁極位置，如果旋變信號失效或丟失，電機將無法啟動，它相當于發動機上的曲軸位置傳感器。不論轉子的速度是多少，旋轉的方向是哪邊，旋轉變壓器都能精確測量電機的轉子位置。4.驅動電機故障診斷與檢測驅動電機的故障類型與診斷思路從以下幾個方面入手：電機定子線圈阻值檢查：利用毫歐表電阻檔測量電機三相定子繞組之間的電阻，也叫相間電阻，來判斷定子線圈的好壞。當驅動電機定子線圈阻值異常時，需要更換新定子或新電機。電機絕緣性能檢查：利用絕緣表分別測量電機輸入三相電引入端子對殼體之間的絕緣性能，標準值根據1伏電壓大于500歐姆計算。當驅動電機的絕緣電阻異常時，需要更換新的驅動電機。4.驅動電機故障診斷與檢測電機工作噪音：電機工作噪音主要分為電磁噪音和機械噪音。機械噪聲可能是來自減速器、懸置，電機本體（軸承）。確定電機內部出現軸承或轉子與定子摩擦，只能更換電機總成來解決。電機轉速位置傳感器故障診斷：出現旋變故障時，一般分為兩種情況：一種是電機旋轉變壓器故障，另一種為控制器旋變解碼電路故障。電機轉速位置傳感器的初始化學習：更換電機、MCU時需要進行電機轉速位置傳感器的初始化學習。四、任務實施1.任務準備安全防護：做好安全防護與場地隔離。工具設備：人身安全防護套裝、絕緣工具套裝、常規工具套裝、萬用表、示波器等。車輛臺架：比亞迪e5驅動橋臺架（行云新能INW-EV-E5-FL）。輔助資料：教材、維修手冊、任務工單、記號筆。2.操作步驟注意：在操作前應首先做好場地安全防護、車輛安全防護、人身安全防護等各種防護措施，并執行進行高壓下電程序，在等待5分鐘后再進行動手操作。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（1）清潔并檢查電驅總成外觀，松開放油螺塞，用接油盤泄放變速器油。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（2）使用合適的套筒扳手拆卸電機與驅動橋總成連接螺栓，并分解電機與驅動橋總成。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（3）因轉子與定子之間有很強的磁場吸引力，需使用專用工具將定子與轉子分離。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（4）檢查轉子外觀，檢查電機轉子軸承。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（5）檢查定子外觀。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（6）檢查旋變信號輪外觀。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（7）檢查旋變定子外觀。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（8）電機復裝，上臺架，連接好高壓電路，進行復檢。（9）拆下電機接線盒蓋，拆掉連接器固定螺栓，拆下與電機控制器連接高壓線束，檢查高壓線束及固定連接端子。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（10）使用毫歐表120mΩ檔，分別測量各相間電阻。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（11）佩戴絕緣手套，使用兆歐表測量各繞組的絕緣阻值。1.2017款比亞迪e5驅動電機拆檢（12）使用短路線將任一繞組與殼體短接進行放電。復裝。1.2017款比亞迪e5