纯电动汽车的类型、结构及维护操作常识(六)

◆文/北京 王新旗

(接上期)

6.驱动电机控制——IGBT的结构及控制

在前面文章中，我提到过新能源汽车的三大电，电机控制是其中之一，由于动力电池输出的是直流电，而电机控制需要的是交流电，因此电机控制器需要对直流电进行交流转换，这就涉及到逆变电路的控制及工作，针对这些变换的概念给大家梳理一下，方便大家理解。

(1)交流-直流变换(AC/DC变换)：整流；

(2)直流-交流变换(DC/AC变换)：逆变；

(3)直流-直流变换(DC/DC变换)：斩波；

(4)交流-交流变换(AC/AC变换)：变频；

交流-直流-交流变换(AC/DC/AC变换)。

可知，直流变交流称为逆变过程，关于逆变的详细工作原理有兴趣的读者可以看相关电子电工学的资料文献，但本文还是需要提一下IGBT的控制，也就是新能源汽车电机控制器主要用到的逆变电路。

图56 IGBT控制模块

新能源驱动电机控制器采用三相两电平电压源型逆变器，又称智能功率模块，以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块(图56)为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态的信息通过CAN2.0网络发送给整车控制器。图57所示为绝缘栅双极型晶体管IGBT分类。

图57 绝缘栅双极型晶体管IGBT分类

绝缘栅双极晶体管的结构如图58所示，I16用IGBT的集电极电流最大可做到3 600A，集射极电压可达到4 500V以上，中小容量IGBT的开关工作频率在20～40kHz，大容量IGBT的开关工作频率通常在5kHz左右，IGBT是目前应用最为广泛的电力电子器件，使用功率范围从几百瓦到数百千瓦。

图58 IGBT基本结构

7.驱动电机控制————位置控制

位置传感器将转子的位置信号电平反馈给控制芯片，控制芯片经过电流采样和数学变换，并根据反馈的位置信息经过闭环运算，重新按新的PWM占空比输出，来触发功率器件。图59所示为电动汽车的驱动控制系统原理图。

驱动时：整车控制器根据车辆运行的不同情况，包括车速、挡位、踏板开合程度和电池SOC值来决定电机输出转矩/功率。

当电机控制器从整车控制器处得到转矩输出命令时，将动力电池提供的直流电转化成三相正弦交流电，驱动电机输出转矩，通过减速箱来驱动车辆运行。

动力电池提供直流电，经高压分配器到电机控制器，电机控制器中的逆变器将直流电转换为电压频率可调的三相交流电，供给驱动电机，驱动电机将电能变为动能输出转矩驱动车轮运行。

再生制动(能量回馈)时：当车辆在溜车或刹车制动的时候，电机控制器从整车控制器得到发电命令后，电机控制器将电机置于发电状态。此时电机会将车子动能转化成电能。然后，三相正弦交流电通过电机控制器转化为直流电，存储到电池中。

图59 电动汽车的驱动控制系统

电机永磁转子磁场的轴线超前于定子旋转磁场的轴线一定角度，转子拖着定子旋转磁场转，电磁吸力方向发生变化，即与旋转方向相反起制动作用，同时电机做发电机运行，把动能变成电能产生三相交流电，逆变器处于整流工作状态，将三相交流电变为直流电，经高压分配器反馈回蓄电池。既节约了电能又减少了制动片的磨耗。

(1)旋转变压器

旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。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。图60为旋变的内部工作原理示意图。

(2)解角传感器

为了满足电机静止启动和全转速范围内转矩波动的控制目的，需要利用解角传感器精确地测量永磁转子磁极位置和速度。解角传感器是采用电磁感应原理制成的旋转型感应传感器，它由定子和转子组成。椭圆型转子与电机永磁转子相连接，同步转动。椭圆型转子外圆曲线代表着永磁转子磁极位置。定子包括1个励磁线圈和2个检测线圈，2个检测线圈S和C轴线在空间坐标上正交，MCU按预定频率的交流电流输入励磁线圈A，随着椭圆型转子的旋转，转子和定子间的间隙发生变化，就会在检测线圈S和C上感应出相位差90°正弦、余弦感应电流，MCU根据检测线圈S和C感应电流的波形相位和幅值，以及波形的脉冲次数，计算出电机永磁转子的磁极位置和转速值信号，作为MCU对电机矢量控制的基础信号。

图60 旋变的内部工作原理

8.制动馈能控制

前文已对此内容做过说明，考虑到文章的完整性，此处我再简单说明一下。制动馈能控制根据驾驶员意愿分为几种状态，如挂D挡加速行车时、减速制动时，挂R挡倒车时等。

(1)D挡加速行车

驾驶员挂D挡并踩加速踏板，此时挡位信息和加速信息通过信号线传递给整车控制器VCU，VCU把驾驶员的操作意图通过CAN线传递给驱动电机控制器MCU，再由驱动电机控制器MCU结合旋变传感器信息(转子位置)，进而向永磁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速正向旋转。随着加速踏板行程不断加大，电机控制器控制的6个IGBT导通频率上升，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在电动汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒功率，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这就要求在电动机转速增加时，电压保持恒定，与此同时，电机控制器也会通过电流传感器和电压传感器，感知电机当前功率、消耗电流大小、电压大小，并把这些信息数据通过CAN网络传送给仪表、整车控制器。

(2)R挡加速行车

当驾驶员挂R挡时，驾驶员请求信号发给VCU，再通过CAN线发送给MCU，此时MCU结合当前转子位置(旋变传感器)信息，通过改变IGBT模块改变WVU通电顺序，进而控制电机反转。

(3)制动时能量回收

在驾驶员松开加速踏板时，电机在惯性的作用下仍在旋转，设车轮转速为V轮、电机转速为V电机，车轮与电机固定传动比为K，当车辆减速时，V轮乘以K小于V电机时，电机仍是动力源，随着电机转速下降，当V轮乘以K大于V电机时，此时电机相当于被车辆带动而旋转，此时电动机变为发电机，BMS可以根据电池充电特性曲线(充电电流、电压变化曲线与电池容量的关系)和采集电池温度等参数计算出相应的允许最大充电电流。MCU根据电池允许最大充电电流，通过控制IGBT模块使“发电机”定子线圈旋转磁场角速度与电机转子角速度保持到发电电流不超过允许最大充电电流，以调整发电机向蓄电池充电的电流，同时这也控制了车辆的减速度。

当踩下制动踏板时，该过程MCU输出的电流频率会急剧下降，馈能电流在MCU的调节下充入高压电池，当IGBT全部关闭时在当前的反拖速度和模式下为最大馈能状态，此时MCU对“发电机”没有实施速度和电流的调整，“发电机”所发的电量全部转移给蓄电池，由于发电机负载较大，此时车辆减速也较快。

能量回收的条件主要包括：电池包温度低于5℃时，能量不回收；单体电压在4.05～4.12V时，能量回收；单体电压超过4.12V时，能量不回收；低于4.05V时，能量满反馈SOC大于95%、车速低于30km/h时没有能量回收功能，且能量回收及辅助制动力大小与车速和踩下制动踏板行程相关。

另外北汽新能源的E挡为能量回收挡位，在车辆正常行驶时E挡与D挡的根本区别在于MCU和VCU内部程序、控制策略不同。在加速行驶时E挡相对于D挡来说提速较为平缓，蓄电池放电电流也较为平缓，目的是尽可能节省电量以延长行驶距离，而D挡提速较为灵敏，响应较快。E挡更注重能量回收。松开加速踏板时，驱动电机被车轮反拖发电时所需的“机械能”牵制了车辆的滑行，从而起到了一定的降速、制动的效果，所以E挡位此时的滑行距离比D挡位短。

八、纯电动汽车的日常操作与养护

1.纯电动汽车的日常充电

下面，我将用一些文字介绍电动车日常操作及养护，这些内容对于广大车主和汽修人员还是有些实际意义的。

电动车的充电和涉水安全等问题是广大车主比较关注的，且由于笔者日常驾驶电动车上下班，因此对此深有体会。笔者一次驾驶途中电动车中控屏所显示的剩余续航电量与里程，如图61所示，晚上到家时余电里程就剩9km，心里很担忧，也害怕车辆电量耗尽，停在半路。

图61 剩余续航电量与里程显示

电动车的充电通常有两种方式：快充和慢充，顾名思义，一种方式充电快，另一种方式充电慢。如果大家还记得，我前面文章在讲电动车基本结构时的六小电里包括的车载充电机，慢充就是外接电源需要通过车载充电机进行交直流转换，同时电压、电流进行适当调节后再给电动车动力电池进行充电，到充满电往往需要4～5个小时；而快充主要是充电桩直接将交流电转为高压直流电给动力电池充电，从而解决车辆在行驶过程中快速充电的问题，目前主流的车型基本可以做到30～60min充电80%的水平。

在说充电之前，关于浅充浅放的概念和原理我认为有必要跟读者分享一下。在前面讲动力电池内容时我曾介绍过，现在电动车大部分使用锂离子电池，而锂离子电池的使用寿命与反复充、放电的次数，即“充电周期”的完成次数有关。目前，市场上主流动力电池的寿命为300～500个充电周期，但是“充电周期”却并不完全等同于“充电次数”。

举例：一块800mA的锂离子电池，它累计充电至800mA的完整过程才是一个充电周期。比如从满电状态使用，当电量完全耗尽才开始充电，第一次由0mA充电到400mA，然后用掉NmA；第二次又充电150mA，再用掉NmA；第三次充电200mA，再用掉NmA；当再次充电至800mA时，这4次充电的总量为800mA，这块电池才完成了一个充电周期。这就是说，一次充满电和多次充满电虽然结果一样，但是对电池寿命的影响却不同。很明显，如果每次都满充满放，那么充电一次确实就等于完成了一个充电周期，而浅充浅放则要充电多次才能完成一个充电周期。从实际使用经历来看，“一次完全充电再一次性用尽电量”的情况不符合实际需要，因此浅充浅放的充电使用方式既方便，又能尽量延长锂电池的寿命。在条件允许的情况下，推荐电动车做到浅充浅放，且尽可能在20%～80%的电量范围内进行车辆的充放电。特别是冬季天气寒冷，最好在下班后第一时间给电动车充电，因为此时动力电池的温度比较高，更有利于提高充电效率(图62)。但是，全新电动车在第一次投入使用时最好先满充满放3次，以求把电池的蓄电性能激发到最佳，然后再浅充浅放。

图62 浅充浅放——回家就充电

2.充电注意事项

(1)随车充电工具

所有电动车都会配置家用或随车充电枪，同时配备充电宝/器作为充电桩与车辆的连接装置，图63、64所示为北汽配备的充电宝和充电枪。注意充电宝需与充电枪配合使用，且充电枪的两端是有不同定义的，分为与充电桩连接的桩端和与车辆连接的车端，车端的枪口上面有一个机械按钮，这个机械按钮根据充电协议，是判断充电枪是否连接可靠的信号。

图63 北汽配备的充电宝

图64 北汽配置的充电枪

图66 北汽提供的充电桩(壁挂式)

图65 江淮电动车的快、慢压充电口

图67 江淮提供的充电桩(壁挂式)

不同车型的充电口位置及外形可以千变万化，图65所示为江淮电动车的充电口布置：高、低压充电并排，左侧为快充口，右侧为慢充口，但不管充电端口的位置及外形如何变化，充电端口的定义目前已基本统一，所以不同厂家的充电桩完全具备给非本厂家车辆进行充电的能力。笔者就曾在亲戚家附近用比亚迪的充电桩给自己的北汽电动车进行充电，同时各电动车厂家为了销售纯电动车，在销售车辆的同时往往承诺赠送充电桩，并可免费上门安装，当然这需要车主所在生活小区物业部门批准，尤其是需要占用公共区域安装落地充电桩的车主更需要经过物业同意。图66、67所示为不同厂家的充电桩，其功能大同小异，且家庭装的都是慢充桩。

近些年国家为了促进纯电动车销售与普及，除了国家及销售城市给予车主购买车辆费用补贴以外，北京市政府还推出了纯电动车不限号、不限行的鼓励销售政策，并且将新车购买政策中传统燃油车的摇号调整为新能源汽车的排号，近两年随着电动车的普及及被广大消费者认可，目前北京市排号等待购买电动车的家庭或个人已经排到7年以后。除国家政策以外，各地方、各省市政府的鼓励及销售政策也不同，上海市就是上海市民(名下没有车牌的)就可以直接购买混合动力汽车或者纯电动汽车，但所购买的车辆在报废后车牌也将作废，这点与北京市排号获得新能源汽车购买指标的含义就很不同了。