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

任務一電機控制器檢測與故障診斷

任務二電驅控制系統故障診斷項目三新能源汽車電驅控制系統一、任務引入新能源汽車電驅系統主要由電控、電機、變速器、電驅冷卻系統等組成，電機控制器MCU是電驅系統的控制中心。深入了解電機控制器MCU的內部結構及工作原理，有利于提高維修人員新能源車電驅控制系統的故障診斷和維修的技能水平。二、學習目標

知識目標：了解電機控制器MCU的內部結構及工作原理。掌握電機控制器MCU的故障現象分析。技能目標：具有電機控制器MCU的故障進行診斷、分析和維修的基本能力。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控制器分為高壓控制器和低壓控制器，低壓控制器電路上不連接高壓，如電池管理器BMS、整車控制器VCU、車身控制器BCM等；而高壓控制器電路上連接有高壓，故稱為高壓控制器，如電機控制器MCU、車載充電機OBC、DC/DC變換器、空調控制器HVAC、高壓加熱PTC等。高壓控制器內部的控制電路、驅動電路、監測保護電路等等仍屬于低壓電路。在高壓控制器內部高低壓電路之間有嚴格的隔離措施，以防高電壓竄入低壓電路而導致危險發生。三、知識空間目前，無論是純電動汽車還是混動汽車，驅動電機均采用三相交流電機，電機控制器的主要作用就是給驅動電機提供三相交流電來驅動車輛，盡管不同廠家控制器內部電路設計不同，但基本功能是相同的。本任務不再區分純電動汽車還是混動汽車，僅以驅動電機控制器為例，介紹電機控制器的結構原理。三、知識空間電機控制器總成

多合一電驅總成1.電機控制器的基本組成電機控制器MCU是電驅系統的控制中心，以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊為核心，輔以驅動集成電路（也稱作驅動板，比亞迪稱作智能功率模塊IPM）、主控集成電路（也稱作控制板）。簡單來說，電機控制器MCU是由控制板、驅動板和IGBT模塊三部分組成。1.電機控制器的基本組成電機控制器控制原理簡圖1.電機控制器的基本組成上層為控制板

下層為驅動板

驅動板背面的IGBT模塊電機控制器基本組成實例2.電機控制器主要功能采集扭矩請求信號、旋變信號等控制電機正向驅動、反驅發電功能；具有高壓輸出電壓和電流限制功能，具有電壓跌落、過流、驅動電路過溫保護、IGBT過溫保護、電機過溫保護、功率限制、扭矩控制限制等功能；同時具備能量回饋控制、主動泄放、被動泄放控制。3.電機控制器的結構原理

電機控制器MCU是電驅系統的控制中心。控制板接收各種信號經過運算向驅動板輸出PWM信號作為控制信號；驅動板接收到控制板的PWM信號后，對信號進行電壓放大和功率放大等處理，驅動IGBT導通和關斷；IGBT接受驅動，按照控制單元的PWM指令要求，通過不斷導通和關斷，實現逆變與整流、變壓變頻，給驅動電機提供波形近似（實際為等效）正弦波、相差120°的三相交流電，驅動電機運轉。3.1逆變電路

逆變電路由六只IGBT構成，六只IGBT分成三組構成三支橋臂，每支橋臂又由兩只IGBT構成，分別稱作上橋和下橋，這種電路被稱作三相橋式全波逆變電路，簡稱全橋。逆變與整流電路電氣原理圖3.1逆變電路（1）逆變與整流原理電路工作時總是有一支橋臂的上橋和另一支橋臂的下橋同時導通，則會有電流沿某一方向流經電機的一相定子繞組。在控制模塊MCU的PWM信號控制下，六只IGBT成對輪番導通，通過三相定子繞組的電流就會是相差120°的三相交流電流。逆變原理3.1逆變電路并聯在IGBT集電極和發射極之間的二極管有兩個主要主作用：①續流二極管：起保護作用；②整流作用：當驅動電機用作發電機進行能量回收。整流原理3.1逆變電路（2）正弦交流電的產生原理以正半周為例，當電機在某一轉速時，脈沖周期Ts為一個固定值，這個周期Ts隨電機轉速（或交流電的頻率）改變而改變，Ton為IGBT導通時間，D=Ton/Ts即為占空比。在電壓上升階段，占空比D逐漸增大，IGBT導通時間Ton越來越長，則一個脈沖周期內電壓或電流的平均值也越來越大，如圖中藍色線段；在電壓下降階段，占空比D逐漸減小，IGBT導通時間Ton越來越短，則一個脈沖周期內電壓或電流的平均值也越來越小，這樣在半個周期內由藍色線段構成了近似正弦波正半周的波形。IGBT模塊正弦波模擬原理3.1逆變電路正弦波負半周原理相同。這樣在一個周期內，控制模塊MCU通過PWM信號控制全橋的IGBT成對輪番導通，就能夠產生近似正弦波的正弦交流電。正弦波模擬原理3.1逆變電路實際上前圖的波形我們使用示波器是看不到的，下圖為使用示波器采集的電機控制器輸出的實際波形，與我們使用示波器觀察工頻交流電所看到的波形是不同的。電機控制器輸出三相交流電實采波形3.1逆變電路IGBT模塊變壓與變頻原理（3）變壓與變頻原理3.1逆變電路變壓原理：在等效（或有效）正弦交流電的頻率（或Ts）不變的情況下，若增大IGBT導通頻率，即Ts會變短，再減小占空比，IGBT的導通時間會變得更短，使得電壓瞬時有效值變小，等效正弦交流電的電壓幅值變小，電機控制器輸出的電壓降低。變壓原理3.1逆變電路變頻原理：上述變壓原理的前提條件是等效正弦交流電的頻率不變，通過改變IGBT導通頻率和占空比能夠使電壓發生改變。同樣的道理，若等效正弦交流電的電壓有效值不變，通過改變IGBT導通頻率和占空比也能夠使等效交流電的頻率發生改變，這就是變頻原理。變頻原理3.1逆變電路通過以上分析可以得出結論，電機控制器變頻和變壓的根本原因就是改變IGBT導通頻率和占空比。電機控制器通過控制PWM信號，就能夠實現逆變、整流、變壓、變頻，輸出近似正弦交流電，而且還能實現三相正弦交流電彼此相差120°；能改變三相交流電的相序，實現電機正反轉控制；又在能量回收時確保IGBT可靠關斷；在高壓下電后，還要進行泄放，把薄膜電容及電路中儲存的高壓電能泄放掉，避免出現高壓觸電事故。3.2驅動電路電機控制器的驅動電路主要由驅動芯片、推挽電路和低壓電源三部分組成。控制板向驅動板輸出PWM脈寬調制信號；驅動芯片對PWM信號進行電壓放大，經過電壓放大的PWM信號送至推挽電路；推挽電路的對信號進行放大，以滿足IGBT柵極導通和關斷所需的電壓和電流；低壓電源的作用是為驅動芯片和推挽電路提供工作電源電壓。驅動電路3.2驅動電路驅動板實例3.2驅動電路電氣隔離：電氣隔離是保證安全IGBT可靠地導通和關斷重要措施之一，以防止高壓串入，電氣隔離包括信號隔離和電源隔離。信號隔離主要包括電磁隔離（即變壓器隔離）、光電隔離和電容隔離。IGBT驅動信號隔離電路3.2驅動電路推挽電路：推挽電路的作用是為IGBT柵極提供導通和關斷電壓。IGBT驅動通常采用雙電源驅動技術，供電電源采用雙電壓進行供電，一般限定為+20V/-20V之間一種常見的互補對稱單通道推挽電路3.3控制電路控制電路（控制板）主要包括：主控制芯片、電源電路、CAN網絡、旋變電路和各種采樣電路，是電機控制器MCU的控制中樞。控制板3.3控制電路主控制芯片：主控制芯片一般為控制板上最大的芯片，主要有MCU、DSP、FPGA三種。MCU即微處理器（單片機），是把CPU、內存、I/O接口等集成到一片超大規模的集成電路芯片上，通常側重于I/O接口的數量和可編程存儲器的大小，適用于有大量的I/O操作的場合，數據處理能力有限；DSP即數字信號處理器，芯片內部集成了模/數轉換、數字輸入/輸出、串口通信、電機控制PWM信號輸出等接口，比較擅長高速運算；FPGA即現場可編程邏輯門陣列，由邏輯單元、RAM、乘法器等組成，具有可無限重新編程、響應快速、多軸同時處理、靈活多樣的外設接口、多種工業總線的支持等優點。3.3控制電路電源電路：電源電路主要將12V或24V電轉變成控制模塊MCU和部分電路所需的電壓，主要由電源芯片、變壓器、電解電容、大體積瓷片電容、大體積電感等元件組成。CAN網路：主要由解碼IC和共模電感組成，用于CAN網絡通信。旋變電路：主要由旋變解碼芯片、共模電感和推挽電路等組成，旋變解碼芯片對旋變信號進行解碼，用于計算判斷轉子的位置和轉速進行電機矢量控制。各種采樣電路：包括電流采樣、電壓采樣、溫度采樣等。4.IGBT模塊絕緣柵雙極型晶體管IGBT是電機控制器的核心部件，在電路中作為開關使用，能夠承受較高的電壓和電流，為高壓功率電力電子器件，在電機控制器內部通常使用IGBT模塊。4.1IGBT模塊的基本組成

IGBT模塊芯片IGBT模塊內部電路IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品，也稱為IGBT芯片，是電機控制器的核心器件。4.2IGBT的結構原理

IGBT是絕緣柵雙極型晶體管的縮寫，IGBT相當于一個場效應管MOSFET和一個雙極型晶體管的組合，常用作高壓功率電力電子器件，從幾十伏到上萬伏，電流能達到幾千安培，非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。4.2IGBT的結構原理IGBT內部結構、內部電路及符號4.2IGBT的結構原理隨著第三代半導體技術的日臻成熟，更具潛力的第三代半導體全面替代常見車用硅基功率器件的已日趨明朗。SiC是最被看好能取代硅基器件（主要是IGBT）的材料，已開始在新能源汽車電控系統中應用。4.3IGBT模塊好壞判斷IGBT模塊的好壞判斷主要是對IGBT模塊內的續流二極管的判斷。對于IGBT模塊還需判斷在有觸發信號的情況下能否導通和關斷。逆變器IGBT模塊檢測：將數字萬用表撥到二極管測試檔,測試IGBT模塊C1E1、C2E2之間以及G1與E1、G2與E2之間正反向二極管特性,來判斷IGBT模塊是否完好。4.3IGBT模塊好壞判斷將負載側U、V、W相的導線拆除，使用二極管測試檔，紅表筆接T+(C1)，黑表筆依次測U、V、W，萬用表顯示數值為最大；將表筆反過來，黑表筆接T+(C1)，紅表筆測U、V、W，萬用表顯示數值為400左右。再將紅表筆接T-(E2)，黑表筆測U、V、W，萬用表顯示數值為400左右；黑表筆接T-(E2)，紅表筆測U、V、W，萬用表顯示數值為最大。IGBT模塊內部電路IGBT模塊檢測正常值對照表4.3IGBT模塊好壞判斷紅、黑兩表筆分別測柵極G與發射極E之間的正反向特性,萬用表兩次所測的數值都為最大，這時可判定IGBT模塊柵極正常。如果有數值顯示,則柵極性能變差，此模塊應更換。當正反向測試結果為零時,說明所檢測的一相柵極已被擊穿短路。柵極損壞時電路板保護柵極的穩壓管也將擊穿損壞。5.預充電容器薄膜電容器，也稱為預充電容，動力電池提供的高壓電在提供到驅動電機控制模塊前須經過電容器預充。預充電容除具有緩解高壓沖擊作用外，還具有濾波作用，避免尖峰電壓對電機控制器電子元件的損害。在高壓下電或分離安全插頭時，需進行泄放。泄放包括主動泄放和被動泄放，通過電機控制器內的泄放控制電路控制。泄放的方式包括通過電機引導泄放和通過泄放電阻泄放兩種，均是把電容器儲存的電能消耗掉。因電容器放電需要一段時間，維修時必須要等電容器完全放電完畢后才可以操作。6.電機控制器的常見故障電機控制器內含故障診斷電路，當診斷出異常時，它將會激活一個故障代碼，發送給整車控制器，同時也會存儲該故障代碼和數據。6.1電機控制器的故障分類電機控制器的故障一般分為以下幾類：1）電流故障：與三相交流電流相關的故障，包括不同級別的過流、電流變化率故障、三相不均衡故障等。2）電壓故障：包括直流母線電壓欠壓、過壓，12V/24V控制電壓欠壓、過壓，驅動電路欠壓，芯片供電欠壓等。3）速度故障：包括不同級別的電機超速。4）溫度故障：與電機、控制器的溫度相關的故障，包括控制器電路板溫度、IGBT溫度、電機溫度、冷卻液溫度的過溫等。6.1電機控制器的故障分類5）傳感器故障：與電流傳感器、速度傳感器（包括旋轉變壓器解碼芯片上報的故障代碼）、溫度傳感器、電壓傳感器等傳感器模塊本身功能相關的故障，例如傳感器對地短路、傳感器超出量程、傳感器失效等。6）通信故障：包括CAN通信以及其他使用的通信方式相關的各種故障。7）內存故障：在進行EEPROM等的讀寫以及校驗時的故障。8）電機本體故障：缺相故障，繞組匝間短路故障。9）其他故障：主動放電、高壓HVIL故障、時鐘故障、轉矩安全、自學習故障等。6.2電機控制器的故障的等級及控制策略電機控制器的故障等級一般可以分為3-5級，不同的故障等級采取的控制策略也不同（以5級為例）。一級：報警，將報警信息傳遞給駕駛員，性能輸出不影響。二級：輕微故障，降功率運行。故障條件不成立時自動恢復。三級：一般故障，進入故障模式停機，故障條件不成立時通過通信或其他方式恢復。四級：一般故障，進入故障模式停機，故障條件不成立時重新上鑰匙才能恢復。五級：嚴重故障，立即停機（開路或短路），斷開高壓快速放電，需停車。6.2電機控制器的故障的等級及控制策略電機控制器故障包括軟件故障和硬件故障，轉件故障通常是由軟件程序損壞或數據丟失造成，需要通過專業設備進行軟件編程和數據更新來解決，但這類故障較少不易發生。一般電機控制器的故障主要發生在硬件部分，即控制器內部的電子元器件損壞，這類硬件故障的維修專業性較強，需要維修人員具備較扎實的電子知識和維修技能基礎，這也是目前制約從業人員新能源汽車維修技術水平的關鍵因素。四、任務實施----1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢1.任務準備安全防護：做好安全防護與場地隔離(車內外三件套、車輪擋塊、警示標志及隔離帶等)。工具設備：舉升機、人身安全防護套裝、絕緣工具套裝、常規工具套裝、萬用表。車輛臺架：比亞迪秦EV分控聯動示教臺或教學版整車。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。作業人員要穿防靜電服，作業場地要求要設置防靜電和放電設施，作業臺臺面使用木質臺面，不得使用橡膠和塑料臺布，作業過程人體不得帶靜電，必要時人體要進行放電并佩戴手套。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（1）拆掉電機控制器高低壓連接線束、冷卻水管及固定螺栓，將電機控制器取下。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（2）松開電機控制器上蓋固定螺栓并將上蓋取下，觀察內部部件有無異常現象。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（3）拔掉控制板與驅動板連接線束插頭，松開控制板固定螺栓并將控制板取出，觀察控制板有無異常情況。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（4）松開驅動板固定螺栓并將驅動板取出，觀察驅動板有無異常情況。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（5）使用數字萬用表二極管檢測檔位分別檢測U相IGBT模塊上下管并聯二極管的正向導通壓降。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（6）使用數字萬用表二極管檢測檔位分別檢測V相IGBT模塊上下管并聯二極管的正向導通壓降。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（7）使用數字萬用表二極管檢測檔位分別檢測W相IGBT模塊上下管并聯二極管的正向導通壓降。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（8）數字萬用表交換黑紅表筆，使用二極管檢測檔位再分別檢測各相IGBT模塊上下管并聯二極管的反向截止情況。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（9）也可將IGBT模塊從驅動板下面取下進行獨立檢測，使用數字萬用表二極管檢測檔位分別檢測各相IGBT模塊上下管并聯二極管的正向導通壓降。1.比亞迪秦EV驅動電機控制器IGBT故障拆檢（10）使用數字萬用表二極管檢測檔位分別檢測各相IGBT模塊上下管并聯二極管的反向截止情況。2.比亞迪秦EV驅動電機控制器故障診斷1.任務準備安全防護：做好安全防護與場地隔離(車內外三件套、車輪擋塊、警示標志及隔離帶等)。工具設備：舉升機、人身安全防護套裝、絕緣工具套裝、常規工具套裝、萬用表。車輛臺架：比亞迪秦EV分控聯動示教臺或教學版整車。輔助資料：教材、維修手冊、任務工單、記號筆。2.操作步驟2.比亞迪秦EV驅動電機控制器故障診斷序號診斷流程操作方法檢測標準1車輛進入車間做好各項防護措施2檢查蓄電池電壓使用萬用表測量9～16V3讀取電機控制器故障碼插入診斷儀，進行終端診斷后，讀取并記錄所有故障碼4清除故障碼清除所有故障碼，退到off檔清除歷史碼5重新上ON電等待3分鐘，重新上ON電，讀取并再次記錄所有故障碼故障碼為當前故障6查閱故障碼表查閱故障碼表，故障現象是否在故障碼表中7上OK電若現象在故障碼表中，檢查高壓直流母線是否加載高壓。OK燈亮，正常值250V～510V若現象不在故障碼表中，檢查充配電三合一或動力蓄電池。OK燈亮，正常值250V～510V8維修或更換電機控制器9測試確認10結束2.比亞迪秦EV驅動電機控制器故障診斷參考：比亞迪秦EV電機控制器故障碼表序號故障碼故障定義可能故障模塊1P1BB000前驅動電機過流電機控制器、驅動電機2P1BB200前驅動電機一般過溫告警電機控制器、驅動電機、冷卻系統3P1BB298前驅動電機嚴重過溫告警電機控制器、驅動電機、冷卻系統4P1BB300前驅動電機控制器IGBT-NTC一般過溫告警電機控制器、冷卻系統5P1BAC00前驅動電機控制器IGBT核心溫度一般過溫告警電機控制器、冷卻系統.6P1BB319前驅動電機控制器IGBT-NTC嚴重過溫告警(關波)電機控制器、冷卻系統7P1BAC19前驅動電機控制器IGBT核心溫度嚴重過溫告警(關波)電機控制器、冷卻系統8P1BB500前驅動電機控制器高壓欠壓動力蓄電池、電機控制器2.比亞迪秦EV驅動電機控制器故障診斷9P1BB600前驅動電機控制器高壓過壓故障動力蓄電池、電機控制器10P1BB700前驅動電機控制器電壓采樣故障電機控制器11P1BB800前驅動電機控制器碰撞信號故障網關、SRS模塊、低壓線束、電機控制器12P1BB900(預留)前驅動電機控制器開蓋保護13P1BBA00前驅動電機控制器EEPROM錯誤電機控制器14P1BBC00前驅動電機控制器DSP復位故障電機控制器15P1BBD00前驅動電機控制器主動泄放故障電機控制器16P1BBF00前驅動電機旋變故障信號丟失電機控制器、旋變、低壓線束17P1BC000前驅動電機旋變故障角度異常電機控制器、旋變、低壓線束18P1BC100前驅動電機旋變故障信號幅值減弱電機控制器、旋變、低壓線束2.