任务一
调研分析驱动电机控制系统的结构

学习目标

知识目标

●掌握驱动电机控制系统的定义及作用。

●了解比亚迪驱动三合一的集成方案。

●掌握秦EV前驱电动总成的内部结构。

技能目标

●能够正确认知前驱电动总成的结构。

●能够正确认知永磁同步电机的结构。

素养目标

●认真严谨、积极主动，安全生产、文明施工。

●获得多途径检索知识、分析解决问题以及多元化思考解决问题的方法，形成创新意识。

●严格执行各项规章制度及6S现场管理，培养精益求精的工匠精神。

知识索引

情境导入

比亚迪弗迪动力的三合一电驱动总成自2018年量产发布以来，除了在自家的车型全面配套使用外，也已经对外配套在东风柳汽S50、开沃汽车的一款纯电动汽车、国机智骏的一款纯电动汽车、新一代长城欧拉iQ及四川野马的几款车型上，目前比亚迪与丰田合作的车型也都会采用弗迪动力的三合一电驱动总成，另外有欧洲车企已经在和比亚迪商谈纯电动力总成及基于DM-i的混合动力技术合作方案。驱动电机控制系统与三合一电驱动总成密切相关，作为一名助理工程师，你被你的主管要求给新员工讲解驱动电机控制系统的结构。

获取信息

引导问题1

请查阅相关资料，简述驱动电机控制系统的作用。

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竞赛指南

2022年全国职业院校技能大赛——汽车技术赛项里的纯电动汽车技术模块就是围绕纯电动汽车“三电”系统的“低压上电异常”“高压上电异常”“车辆无法正常行驶”“车辆无法（交流）充电”现象设置故障来对参赛选手进行综合考查的。

若想要在竞赛中取得优异的成绩，对新能源汽车驱动电机及控制系统的深入学习就是必不可少的。

驱动电机控制系统的定义及作用

1.定义

驱动电机控制系统是电动汽车的三大核心系统之一，也是车辆行驶的主要动力系统。驱动电机控制系统的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。

电动汽车的动力通过柔性的电缆传输，因此驱动电机和变速器的布置方案相对多样化。由于大多数电动汽车省去了联轴器和中央传动轴等装置，所以电动汽车的结构也比较简单。不论驱动系统采用哪种布置方案，从结构上来说，纯电动汽车一般都包括整车控制系统、电源系统、驱动电机控制系统、辅助系统这几部分，由此可见驱动电机控制系统的重要性。

2.作用

驱动电机控制系统就如同电动汽车的神经中枢，将驱动电机、动力电池和其他辅助系统连接并且加以控制。整车控制器（vehicle control unit，VCU）会根据获取到的加速、制动、档位、旋变、温度等输入信号，向电机控制器发出相应的控制指令，从而控制驱动电机进行起动、加速、减速、制动能量回馈。本书将主要以比亚迪2019款秦EV（下文统称“秦EV”）车型所采用的驱动电机控制系统为例来介绍相关技术，其外观如图1-1-1所示。

该车型是采用比亚迪e平台的核心技术—“33111”（图1-1-2）所生产的纯电动乘用车。其中，第一个“3”代表的是驱动电机、电机控制器和减速器三合一。e平台让纯电动汽车的结构更简单、更安全、更可靠。通过对原本繁杂、分立的零部件进行标准化、集成化设计，让纯电动汽车的核心零部件体积变小、质量变小，满足现代新能源汽车轻量化的目的。

引导问题2

请查阅相关资料，简述秦EV的驱动电机控制系统的组成。

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引导问题3

请查阅相关资料，简述秦EV的驱动电机控制系统的安装位置。

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驱动电机控制系统的组成及主要部件介绍

1.结构组成

秦EV的驱动电机控制系统又称前驱电动总成或三合一驱动系统，主要由驱动电机控制器（motor control unit，MCU）、驱动电机、单档变速器组成，如图1-1-3所示。

2.安装位置

秦EV的前驱电动总成位于前舱中部，在充配电总成的下方，如图1-1-4所示。充配电总成安装位置如图1-1-5所示。

3.集成方案

本着“高品质、高电压、高集成、高转速、高性能、低成本”的开发理念，在秦EV的设计中，驱动电机及电机控制器采用了直连的方式，减少了三相电缆，驱动电机和电机控制器共用冷却系统（通过VCU控制电动水泵、电动风扇进行循环冷却），成本降低了33%，体积减小了30%，质量也减小了25%，功率密度增加20%，转矩密度增加17%，其集成方案见表1-1-1。

除了秦EV，在比亚迪的众多车型中，例如唐EV、宋Pro及相关混动车型搭载的也都是三合一驱动总成。

4.主要部件介绍

（1）驱动电机

1）定义。作为新能源汽车的“动力心脏”，驱动电机是一种将电能转化为动能，并用来驱动其他装置的电气设备，是与汽车加速性、最高车速、爬坡度（一般车辆的最大爬坡度不超过40%）等重要指标及行车体验直接相关的核心部件。

2）组成。在秦EV中，采用的驱动电机为永磁同步电机，下面以此为例简要介绍驱动电机的结构组成。永磁同步电机主要由电机的转子、定子、电机外壳、旋转变压器（又称旋变传感器，简称旋变）、转子前/后轴承、电机前/后端盖以及三相绕组等部件组成，如图1-1-6所示。

各部件安装位置见表1-1-2。

其中，旋转变压器如同永磁同步电机的“眼睛”，可精确检测转子的位置、方向、速度，用来对驱动电机（或回收能量时的发电机）进行方向、转速的控制。

（2）旋转变压器

1）定义。旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。在秦EV中，当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正、余弦函数关系，因此这种旋转变压器又称正余弦旋转变压器。

2）作用。旋转变压器主要负责检测电机的转速、旋转方向（正转或反转）、电机位置（旋转角度）。如果旋变信号失效或丢失，车辆将无法上“OK”电，旋变信号相当于发动机上的曲轴位置传感器信号，旋变信号通过硬线信号传输到电机控制器后解码转换成车速。

3）安装位置。旋转变压器安装在电机后端盖处，如图1-1-7所示。

4）组成。旋转变压器由旋变定子和旋变转子组成，其定子固定于电机定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号；其转子由多个硅钢片组成，与电机同轴，以跟踪电机转子的位置，如图1-1-8所示。

旋变转子上有一个盘，它是用透磁通的金属制成的，其形状特殊，非圆形，像凸轮盘。该盘被一个固定在壳体上的电磁绕组环所包围着，该电磁绕组环起着定子作用。

电磁绕组环由励磁线圈A、正弦线圈S以及余弦线圈C三个单线圈构成，S、C两线圈互成90°安装，如图1-1-9所示。其中，励磁线圈A负责输入，正弦线圈S与余弦线圈C负责输出。

5）工作原理。励磁线圈通入正弦曲线的励磁电压后，励磁线圈周围产生的交变磁场作用在转子盘上，转子盘将交变磁场的磁通引向接收线圈，接收线圈将感应到一个交变电压，如图1-1-10所示。该交变电压与转子盘的位置成一定的关系，与励磁电压存在相位差，如图1-1-11所示。

6）控制策略。当电机转子与旋转变压器转子一同转动时，旋转变压器转子转过定子绕组，改变了定子绕组与转子之间的磁通，使得正弦线圈和余弦线圈收到励磁绕组感应，输出信号幅值产生一定变化，呈正弦和余弦波形，如图1-1-12所示。波形的幅值和相位随着旋转变压器转子位置的变化而变化，因此可以准确判断出电机转子的位置、转速以及方向。

（3）驱动电机控制器

1）定义。驱动电机控制器是一种用于控制动力电池与驱动电机之间能量传输的装置。其作为动力电池和电机之间的能量转换单元，是电驱动系统的控制中心，又称智能功率模块（intelligent power module，IPM）。

2）组成。驱动电机控制器主要组成部分包括智能功率模块、绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）模块、信号数据采集模块、关联电路等硬件以及电机控制算法与逻辑保护等软件。

IGBT是一种由MOS场效应晶体管（MOSFET）和双极结晶体管（BJT）组合成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，被认为是电动汽车的核心技术之一。

IPM把功率开关器件（IGBT）和驱动电路集成在一起，而且内有过电压、过电流和过温等故障检测电路，并可将检测信号传输到中央处理器（CPU）。

3）功能。驱动电机控制器的功能如下：

①具有采集转矩请求、旋变等信号，控制电机正向、反向驱动以及正、反转发电的功能。

②具有高压输出电压和电流限制的功能。

③具有电压跌落保护、过流保护、过温保护、IPM过温保护、IGBT过温保护、功率限制、转矩限制等功能。

④具有能量回馈控制、主动泄放、被动泄放控制的功能。

4）工作原理。旋转变压器检测转子位置并判断其状态，接通电机控制器内相应的IGBT，此时高压直流电经电机控制器内的IGBT进行逆变后流入定子绕组线圈，通电产生旋转的磁场（电能转换成磁能，即电感），利用右手法则判定磁极，同性相斥、异性相吸，使转子的永磁体随之转动。W相晶体管导通，V相晶体管通过脉冲宽度调制（PWM）控制电流的大小和频率，实现电机的调速。其控制原理如图1-1-13所示。

当车辆在减速或滑行时，驱动电机会利用旋转磁场切割导线，将汽车的部分动能转化为电能，进行能量回馈。旋转磁场来自转子，被切割的导线是定子绕组。转子旋转产生变化磁场（机械能转化成磁能），定子绕组线圈产生电能（磁能转换成电能，即电磁感应）；每转动180°产生的电压方向（极性）改变一次（进去低电位，出来高电位），从而产生交流电。最后经过电机控制器内的IGBT模块整流变成直流电输出给动力电池包充电。

注意：当电动汽车（EV）电池组的荷电状态（SOC）＞95%或插电式混合动力汽车（PHEV）的SOC＞90%时，能量回馈的电能不会给动力电池充电。当动力电池有故障时，能量回馈的电能也不会给动力电池充电。

（4）单档变速器

1）定义。单档变速器又称单级减速器，也称单档固定齿比变速箱，是采用固定传动比将电机转速降低并增大转矩的装置，不同车型，传动比不同。

2）组成。比亚迪秦EV车型前驱动力总成采用单档变速器，如图1-1-14所示。其单档变速器由输入轴和输出轴组成，输入轴一端与驱动电机转轴相连，另一端则由壳体提供支承，中间装有一个主动齿轮与输出轴从动齿轮相啮合。输出轴上有大、小两个齿轮，大齿轮为从动齿轮，与输入轴齿轮相啮合，小齿轮为主减速器主动齿轮，与主减速器大齿圈相啮合，驱动差速器总成旋转。输出轴两端用圆锥滚子轴承进行支承。变速器具有固定的传动比，总减速比是10.7。

变速器润滑油采用壳牌S3 ATF MD3，加注量为（0.65±0.05）L。

3）功能。变速器主要是实现对驱动电机的减速增矩作用。比亚迪秦EV车型前驱动力总成采用单档变速器，通过电机的正转或反转使汽车前进或倒退，动力由电机传给变速器，变速器将动力直接传给两个车轮，减小了动力损失，且结构简单、易于制造、生产成本低。

任务分组

进行任务分工，填入表1-1-3中。

工作计划

按照前面所了解的知识内容和小组内部讨论的结果，制订工作方案，落实各项工作负责人，如任务实施前的准备工作、实施中的主要操作及协助支持工作、实施过程中相关要点及数据的记录工作等，并将结果填入表1-1-4中。

进行决策

1）各组派代表阐述资料查询结果。

2）各组就各自的查询结果进行交流，并分享技巧。

3）教师对各组的计划方案进行点评。

4）各组长对组内成员进行任务分工，教师确认分工是否合理。

任务实施

引导问题4

扫描二维码观看视频，了解如何认知驱动电机控制系统，并简述操作要点。

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参考操作视频，按照规范作业要求完成操作步骤，完成数据采集并在表1-1-5和表1-1-6中进行记录。

评价反馈

1）各组代表展示汇报PPT，介绍任务的完成过程。

2）以小组为单位，对各组的操作过程与操作结果进行自评和互评，并将结果填入表1-1-7中的小组评价部分。

3）教师对学生工作过程与工作结果进行评价，并将评价结果填入表1-1-7中的教师评价部分。