項目1新能源汽車驅動電機及控制系統認知任務3新能源汽車驅動電機控制系統認知任務導入新能源汽車的驅動電機控制系統不同于工業用的電機控制系統，由于受到車輛空間限制和使用環境的約束，應用于普通的電機控制系統中的電力電子技術、電機技術已經不能適應其需求。那么當前新能源汽車領域的驅動電機控制系統開發呈現了怎樣的發展趨勢呢？新能源汽車驅動電機及控制系統檢修1.了解驅動電機控制系統的定義、作用、現狀、困境及結構組成。2.掌握新能源汽車對驅動電機控制系統的性能要求。3.能夠準確識別秦EV前驅電動總成的內部結構和說出秦EV前驅電動總成主要部件的作用。4.能夠正確認知前驅電動總成的結構。5.掌握永磁同步電機的結構。6.與小組成員、同學之間能合作交流，協調工作。7.獲得分析問題和解決問題的基本方法。任務目標01/02/驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹驅動電機控制系統的定義及作用CONTENT03/新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境目錄04/新能源汽車驅動電機控制系統的發展趨勢05/新能源汽車對驅動電機控制系統的性能要求新授Newlesson01PARTONE一、驅動電機控制系統的定義及作用驅動電機控制系統是電動汽車的三大核心系統之一，也是車輛行駛的主要驅動系統。驅動電機控制系統的特性決定了車輛的主要性能指標，直接影響車輛動力性、經濟性和用戶駕乘感受。定義1一、驅動電機控制系統的定義及作用驅動電機控制系統就像電動汽車的神經中樞，它將驅動電機、動力電池和其他輔助系統相互連接并且加以控制。整車控制器（VCU）會根據其獲取到的的輸入信號（例如加速、制動、檔位、旋變、溫度等），向電機控制器發出相應的控制指令，從而控制驅動電機進行起動、加速、減速和制動能量回收。2作用比亞迪全新秦EV外觀圖一、驅動電機控制系統的定義及作用比亞迪全新秦EV車型采用比亞迪e平臺的核心技術——33111所生產的全新一代純電動轎車。其中，第一個“3”代表的是驅動電機、電機控制器和減速器三合一。e平臺讓純電動汽車的結構更簡單、更安全、更可靠。通過對原本繁雜、分立的零部件進行標準化、集成化設計，讓純電動汽車的核心零部件體積變小，重量變輕，滿足現代新能源汽車輕量化的目的。2作用比亞迪全新秦EV外觀圖二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹秦EV的驅動電機控制系統，也稱前驅電動總成或三合一驅動系統，主要由驅動電機控制器（MotorControlUnit，MCU）、驅動電機、單檔變速器組成，如圖所示。結構組成1二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹秦EV的前驅電動總成位于前艙中部，在充配電總成的下方，如圖所示。安裝位置2二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹秦EV的配電總成位置如圖所示。安裝位置2二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹集成方案3成本降低了33%，體積減少了30%，重量也減輕了25%，功率密度增加20%，NEDC續航里程效率提升1%，扭矩密度增加17%。本著“高品質、高電壓、高集成、高轉速、高性能、低成本”的開發理念，在秦EV的設計中，驅動電機及電機控制器采用了直連的方式，減少三相電纜、驅動電機和控制器共用冷卻系統（通過整車控制器（VCU）控制電子水泵、電子風扇進行循環冷卻）。二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹集成方案3集成內容示圖集成目的電機、電控端子直連，取消三相線

降低成本電機、電控水道直連，取消水管

降低成本比亞迪驅動三合一集成方案二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹集成方案3比亞迪驅動三合一集成方案電機轉子軸和減速器輸入軸共用

提高同軸度，減少噪音電機殼體和減速器殼體共用

降低成本，提高同軸度，提高裝配精度二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹41）定義作為新能源汽車的“動力心臟”，驅動電機是一種將電能轉化為動能，并用來驅動其他裝置的電氣設備，是與汽車加速度、最高車速、爬坡坡度（一般車輛最大的爬坡坡度不超過40%）等重要指標及行車體驗直接相關的核心部件。（1）驅動電機2）組成在秦EV中，采用的驅動電機為永磁同步電機永磁同步電機主要由電機的轉子、定子、電機外殼、旋轉變壓器（也稱旋變傳感器，簡稱旋變）、前后轉子軸承、電機前后端蓋以及三相電纜等部件組成。二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹4永磁同步電機爆炸圖二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹4永磁同步電機主要部件安裝位置說明部件說明旋變定子安裝在后端蓋上，用于檢測電機轉子位置、轉速信號旋變轉子安裝在電機轉軸上，與旋變轉子總成配合反應轉子角度位置轉子布置在定子內部，用于磁能向動能的轉換三相繞組安裝在定子鐵芯上，用于接入三相交流電產生磁場定子安裝在殼體內部，用于增強通電線圈的磁性二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹41）定義旋轉變壓器（簡稱旋變）是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。在秦EV中，當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子轉角成正、余弦函數關系，因此這種旋轉變壓器又稱為正余弦旋轉變壓器。（2）旋轉變壓器2）作用旋轉變壓器主要負責檢測電機的轉速、旋轉方向（正轉或反轉）、電機位置（旋轉角度），如果旋變信號失效或丟失，車輛將無法上“OK”電，旋變信號相當于發動機上的曲軸位置傳感器信號，旋變信號通過硬線信號到電機控制后解碼轉換成車速。二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹43）安裝位置旋變傳感器安裝在電機后端蓋處如下圖所示。（2）旋轉變壓器二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹44）組成如下圖所示，旋轉變壓器由旋變定子和旋變轉子組成，其定子固定于電機定子或端蓋上，以檢測和輸出轉子位置信號；其轉子也是由多個硅鋼片組成，與電機同軸，以跟蹤電子轉子的位置。轉子上有一個盤，它是用透磁通的金屬制成的。這個轉子盤的形狀特殊，非圓形，像凸輪盤。（2）旋轉變壓器二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹4（2）旋轉變壓器該線圈環由勵磁線圈A、正弦線圈S以及余弦線圈C三個單線圈構成，S、C兩線圈互成90°安裝，如圖所示。其中，勵磁線圈A負責輸入，正弦線圈S與余弦線圈C負責輸出。二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹45）工作原理如圖所示，勵磁線圈通入正弦曲線的勵磁電壓后，勵磁線圈周圍產生的交變磁場作用在轉子盤上，轉子盤將交變磁場的磁通引向接收線圈，接收線圈將感應到一個交變電壓，該電壓與轉子盤的位置成一定的比例，與勵磁電壓存在相位差。（2）旋轉變壓器二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹46）控制策略當電機轉子與旋轉變壓器轉子一同轉動時，旋轉變壓器轉子轉過定子線圈，改變了定子線圈與轉子之間的磁通，使得正弦繞組和余弦繞組收到勵磁繞組感應，信號幅值產生一定變化，呈正弦和余弦波形。波形的幅值和相位隨著旋轉變壓器轉子（與電機轉子同轉）的變化而變化。（2）旋轉變壓器二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹41）定義驅動電機控制器是一種用于控制動力電池與驅動電機之間能量傳輸的裝置。其為動力電池和電機之間的能量轉換單元，是驅動電機驅動系統的控制中心，又稱智能功率模塊。（3）驅動電機控制器2）組成驅動電機控制器主要組成包括智能功率（IPM）模塊、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊、信號數據采集模塊、關聯電路等硬件，以及電機控制算法與邏輯保護等軟件部分。下面簡要介紹IGBT模塊與IPM模塊。二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹43）功能①具有采集扭矩請求、旋變等信號，控制電機正向、反向驅動以及正、反轉發電的功能；②具有高壓輸出電壓和電流控制限制的功能；③具有電壓跌落保護、過流保護、過溫保護、IPM過溫保護、IGBT過溫保護、功率限制、扭矩控制限制等功能。④具有能量回饋控制、主動泄放、被動泄放控制的功能。（3）驅動電機控制器二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹44）工作原理旋轉變壓器檢測轉子位置并判斷其狀態，接通電機控制器內相應的IGBT，此時高壓直流電經電機控制器內的IGBT進行逆變后流入定子繞組線圈，通電產生旋轉的磁場（電轉磁-電感），利用右手法則判定磁極，同性相斥，異性相吸使轉子的磁鐵隨之轉動。W三極管導通，V三極管PWM控制電流的大小和頻率，實現電機的調速。（3）驅動電機控制器二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹41）定義單檔變速器，也稱單級減速器，或稱為單檔固定齒比變速箱，是采用固定傳動比將電機轉速降低并增大轉矩裝置，不同車型傳動比不同。（4）單檔變速器2）組成比亞迪秦EV車型前驅動力總成采用單檔變速器。其單檔變速器由輸入軸和輸出軸組成，輸入軸一端與驅動電機轉軸相連，另一端則為殼體提供支撐，中間裝有一個主動齒輪與輸出軸從動齒輪相嚙合。二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹4（4）單檔變速器輸出軸上有大小兩個齒輪，大齒輪為從動齒輪與輸入軸齒輪相嚙合，小齒輪為主減速器主動齒輪與減速器大齒圈相結合，作為變速器驅動差速器總成旋轉。輸出軸兩端用圓錐滾珠軸承進行支撐。變速器具有固定的傳動比，總減速比是10.7。二、驅動電機控制系統的結構組成及主要部件介紹主要部件介紹43）功能變速器主要是實現對驅動電機的減速增扭作用。（4）單檔變速器比亞迪秦EV車型前驅動力總成采用單級變速器，通過電機的正轉或反轉使汽車前進或倒退，動力直接由電機傳給變速器，變速器將動力直接傳給兩個車輪，減少了動力損失，且具有結構簡單、易于制造、生產成本低。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境發展歷史1（1）驅動電機控制系統在國外的發展歷史國外驅動電機控制系統的研發、生產、流程化和標準化等方面的完善程度很高，相關領域的研究起步較早，依靠長期的研發和經驗積累，其整體技術水平領先于國內。該標準使得控制系統軟件的開發更高效，便于軟件間的交互和版本更新，同時降低了開發成本，被越來越多的汽車主機廠、零部件廠和科研院校所采用。博世、戴姆勒和寶馬等汽車主機廠及零部件廠一同建立了汽車開放系統架構（簡稱AUTOSAR）的標準。200320032003三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境發展歷史1（1）驅動電機控制系統在國外的發展歷史日本豐田公司早在1997年就發布了當時首款混合動力量產車型第一代Prius，該車采用了豐田研發的新型混動系統THS。在2003年推出了第二代Prius，該車搭載的驅動電機控制系統增設了Boost變換電路，外形如圖1-3-15所示。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境發展歷史1（1）驅動電機控制系統在國外的發展歷史2009年，德國博世公司基于英飛凌功率半導體封裝技術，自主研發了一款新型IGBT模塊并設立工廠進行生產。2017年博世推出了電驅動系統eAxle，eAxle實現了“三合一”，即將變速器、電機及控制系統集成一體，這使其生產成本降低的同時，總體積也降低了超過20%。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境發展歷史1（1）驅動電機控制系統在國外的發展歷史在2007年，豐田公司宣布今后研發的混合動力車型中使用基于SiC功率器件的電機控制系統。2014年，豐田中央研究所聯合電裝公司開發出了應用SiC功率器件的電機控制系統，如圖所示，其體積降低為右側采用硅基功率器件同功能控制系統的五分之一，并可使混動車型燃油經濟性提高10%。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境發展歷史1（2）驅動電機控制系統在國內的發展歷史“八五”到“十三五”的新能源汽車發展規劃體現出了我國對該領域研究的重視。總體上來看，我國已經基本實現了驅動電機控制系統甚至是電驅動系統的國產化，能自主開發產品，并應用于純電動汽車整車上。但國內電機控制系統在散熱、功率密度、標準化和產品化等方面與國外同期產品都存在一定差距。能實現產品化電機控制系統、電驅動系統或功率器件的國內廠商主要有天津松正、精進電動和比亞迪等。國內國內國內三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境發展歷史1（2）驅動電機控制系統在國內的發展歷史天津松正研發出了一款“五合一”電機控制系統，如圖所示，其系統集成度較高，驅動電機類型為永磁同步電機，可應用于純電動物流車，采用了輕量化設計，使得整機質量降低至30kg。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境發展歷史1（2）驅動電機控制系統在國內的發展歷史精進電動在2017年實現了電驅動“二合一”，2018年發布了一款“三合一”純電驅動系統JJE-EDM3000F，包括其自主電機、減速器和電機控制系統，如圖所示。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境發展歷史1（2）驅動電機控制系統在國內的發展歷史比亞迪自主研發出了SiCMOSFET模塊，如圖所示，將在旗下所有電動汽車車型中實現SiC基功率器件對硅基器件的全面換代，相關車型的性能在加速和續航等指標上將會提升。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境現狀2（2）驅動電機控制系統在國內的發展歷史比亞迪自主研發出了SiCMOSFET模塊，如圖所示，將在旗下所有電動汽車車型中實現SiC基功率器件對硅基器件的全面換代，相關車型的性能在加速和續航等指標上將會提升。目前，各大主機廠已經將電驅系統的深度集成化作為三電系統重要發展方向之一。在當前進行量產的純電動汽車的領域中，三合一電驅已成為主流。添加標題電動汽車的驅動電機控制系統已經有了多種集成方式，從最初的電機+減速器的“二合一”驅動總成發展至大規模使用的電機+電機控制器+減速器的“三合一”驅動總成再到最新“八合一”驅動總成。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境現狀2比亞迪自主研發出了SiCMOSFET模塊，如圖所示，將在旗下所有電動汽車車型中實現SiC基功率器件對硅基器件的全面換代，相關車型的性能在加速和續航等指標上將會提升。

二合一驅動總成

三合一驅動總成

八合一驅動總成

三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境現狀2如圖所示的是搭載在比亞迪海豚車型上的八合一驅動總成，融合集成了電機控制器、單檔變速器、驅動電機、DC-DC電源變換器、雙向車載充電機（OBC）、高壓配電系統、動力域控制器（VBU），其中VBU包含了整車控制器（VCU）和電池管理器（BMS）的部分功能。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境現狀2如圖所示的是雪佛蘭Bolt所搭載的二合一驅動系統，其將永磁電機和減速器集成在一起，再與車橋結合形成一體式電驅動橋，雖然該系統的連接部分仍然比較復雜，但是至少實現了二合一的設計，縮短了各部件之間的距離，使得電驅動系統整體結構更加緊湊。三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境現狀2隨著電驅動集成技術的不斷發展，三合一電驅動系統出現，如圖所示。隨后，國外的特斯拉、日本電產、BMW、麥格納、吉凱恩、博世、ZF，國內的比亞迪、上海電驅動、巨一、匯川、精進電動、上汽等均推出了三合一電驅動總成系統。比亞迪三合一驅動總成特斯拉ModelS三合一驅動總成蔚來三合一EDS集成化電驅動系統三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境集成度高的驅動總成系統具備的優勢主要有：總成體積縮小，系統總質量降低，一定程度上也降低了汽車能耗、提升了續航里程；（1）不僅使機艙變得更加簡潔，汽車各系統布局更加靈活，也使乘坐及儲物空間能夠被最大化地利用；（2）通過集成化設計，多合一驅動總成系統也能夠降低接口復雜度及成本。（3）三、新能源汽車驅動電機控制系統的發展歷史、現狀與困境高集成度也確實是帶來了一些難題多合一驅動總成的集成化設計需要多維度開發和能力驗證，如圖所示。其中總成系統導致各部件與空氣接觸面積減少，為保證各部件處于正常工作溫度區間，整個散熱系統需要重新設計優化。同時，NVH（噪聲振動）、EMC（電磁兼容測試）、安全等性能指標的控制，以及零部件開發協同都是目前整車廠和供應商需要重點攻克的難題。四、新能源汽車驅動電機控制系統的發展趨勢大眾、沃爾沃、克萊斯勒等驅動電機的最高轉速不斷提升，最高達到14000～16000r/min，特斯拉Model3電機轉速達到17900r/min，目前面市的轉速超過16000r/min的高速電機主要應用于中高端的純電動車型中。高轉速電機能夠提高功率密度，同時減小體積、降低成本，對于提高電動車動力性能來說尤為重要。當前市場上，電驅動系統的電機最高轉速一般在12000r/min以上。隨著新技術、新材料的不斷發展及應用，加上消費者對驅動效率、加速體驗的重視及追求，采用更高速的驅動電機成為集成電驅發展的必然趨勢。電機高速化1四、新能源汽車驅動電機控制系統的發展趨勢汽車產品平臺化設計能夠有效地縮短上市周期、降低研發成本。根據不同轉矩、功率的需求以及不同級別的車型，可以規劃不同的系列化平臺電驅動產品，如下表所示為永磁同步平臺化集成電驅動系統。平臺化設計2項目小功率平臺中等功率平臺大功率平臺定子直徑/mm160180～220>220峰值功率/kw30～12080～160160～340峰值扭矩/N·m40～200180～300300～400四、新能源汽車驅動電機控制系統的發展趨勢多檔化設計能使整車獲得更好的動力性和經濟性，使電機盡量工作在高效率的轉速區間，獲得更高的極限車速、更少的百公里加速時間和更大最大爬坡度；特別是在極速狀態以及低負荷條件下，高速檔和低速檔之間的切換，可以使電機盡量工作在高效率區間。下圖為精進電動混合動力四檔EMAT驅動總成（未量產）。多檔減速器3四、新能源汽車驅動電機控制系統的發展趨勢這樣從結構設計的角度減少了零部件的數量，縮小了體積，減少了重量，從而降低了成本。高度集成化就是從一開始的全分體結構，逐步變化為電機與減速器共殼體，直到電機、控制器和減速器共殼體的集成模式。高度集成化4四、新能源汽車驅動電機控制系統的發展趨勢同時同軸結構可使結構緊湊性最大化，整車布置適應性好。目前減速器基本是平行軸結構，輸入輸出同軸化相比平行軸齒輪系，同軸采用的行星齒輪系在結構緊湊性方面優勢明顯，有助于系統功率密度和扭矩密度的最大化。輸入輸出同軸化5五、新能源汽車對驅動電機控制系統的性能要求對新能源汽車驅動電機控制系統和工業電機控制系統而言，它們的分類及控制的理論和方法大致是相同的。但由于應用場景的不同，新能源汽車對驅動電機控制系統的性能要求更加嚴格，具體差別可參考下表。類型項目電動汽車應用工業應用功率密度/（kW/kg）>10.2~0.5電機效率η/%>9585~90系統高效區（η>80%的區域）>70局部最優動態控制高動態性能控制-工作環境-20~105℃，振動，最大加速度>10g-20~40℃，靜止系統成本/（美元/kW）200~400五、新能源汽車對驅動電機控制系統的性能要求電動汽車對于驅動電機控制系統的要求可以歸納為以下幾點：1.為滿足車輛對于低速爬坡、頻繁起停及起動初始加速度等復雜工況的要求，其應具有低速高扭的特性；2.基于新能源汽車對于高速行駛和高速超車的需要，其應具有基速以上（即高速）具有較寬的恒