變頻器調速技術與應用 項目7 變頻器在純電動汽車上的應用- 電子教案

××職業技術學院教案課程名稱變頻器調速技術與應用班級課程章節7.1純電動汽車電路結構7.2純電動汽車的電壓安全設計課次/周授課方法講授+框圖分析+圖文解讀+案例對比教具PPT、整車電氣框圖、高壓標識圖、安全等級對照表教學內容1.燃油汽車與純電動汽車發展、優缺點對比；2.純電動汽車整車電氣架構、各功能模塊作用；3.車載電壓安全等級、高壓區域劃分；4.整車高壓安全設計、防護措施與故障防范教學目標知識目標：了解新能源車發展背景，掌握整車電氣組成，熟記車載電壓安全標準，理解全套高壓安全設計邏輯。能力目標：能讀懂整車電氣框圖，識別高壓部件與警示標識，掌握新能源車輛基礎安全操作規范。重點、難點重點：整車電氣模塊功能、車載電壓安全等級、高壓防護設計；難點：高壓互鎖、預充電回路工作原理，事故狀態下安全保護邏輯。復習提問1.變頻器核心電能變換形式是？2.工業高壓設備安全防護方式有哪些？作業1.簡述純電動汽車相比燃油車的優勢與現存問題。2.說明純電動汽車A、B兩類電壓安全等級劃分標準。授課時長2學時課后小結本節學習純電動汽車整車架構與高壓安全體系。純電動汽車依托鋰電池+變頻驅動技術發展，整車由主控單元、電池系統、驅動變頻系統、輔助電氣系統組成。車輛分為A、B兩大電壓等級，整車直流、交流高壓均屬于B級危險電壓。車輛從線纜、接觸器、預充電、碰撞保護、維修開關等多維度設計安全方案，高壓安全是新能源車輛運維的首要準則。

教案附頁注釋【知識學習】一、課堂導入傳統燃油車技術成熟，但尾氣污染嚴重，純電動汽車憑借零排放、電控精度高的優勢成為主流方向。純電動汽車以動力電池為電源、變頻器（逆變器）+永磁同步電機為核心驅動系統，整車存在數百伏高壓，安全設計至關重要。本節課結合PPT圖文，學習整車結構與全套高壓安全規范。二、知識學習7.1.1燃油汽車和電動汽車比較1.燃油汽車的歷史世界上第1輛燃油汽車誕生于1886年，是由奔馳汽車公司創始人卡爾·本茨發明的。距今已有130多年的歷史。燃油汽車經過1百多年的發展，技術已經非常成熟。乘坐舒適，故障率低，續航能力長，加油時間短，經久耐用。但是燃油汽車排出的尾氣形成空氣污染，由于汽車的主體結構是機械系統，可控性能差。燃油汽車隨著在城市的普及，其燃油產生的尾氣造成了嚴重的城市環境污染，不再適合作為城市的交通工具。在城市中淘汰燃油汽車已經是世界共識。2.電動汽車興起燃油汽車產生的年代正處于第二次工業革命的初期，是第二次工業革命的成果。第二次工業革命是電氣化革命，當時電力技術日趨成熟，1888年在美國出現了有軌電車。因為有軌電車是由電網供電，不能脫離軌道運行，限制了電車的發展。后來出現了電動列車以及現在的動車組列車和高鐵列車，都是軌道電車的延續。值得說明的是現在的動車、高鐵以及地鐵列車驅動電源都是變頻器。電動汽車是隨著可充電電源的進步而異軍突起。電動汽車因為是離線運行，必須要有可移動電源，所以可充電電源解決了電動汽車的根本問題。有了充電移動電源，電動汽車的優點就體現出來，首先沒有空氣污染，在人口稠密的市區是最好的交通工具。電動汽車的動力是電能，電能的可控性是最好的。電能的整流逆變、升壓降壓以及汽車的升速降速，都可以控制在最佳狀態。特別是現在進入智能時代，汽車引進智能控制，要比燃油汽車的機械控制更加方便。電動汽車是新生事物，除了燃油汽車的外殼和車輪可供參考，其它的動力部分都是自成體系。電動汽車有電動汽車的優點，但也出現了新的問題，需要逐步完善。如高壓供電的安全問題、電池充電時間長的問題、充電電池在低溫下工作效率低以及充電電池壽命短成本高等問題，這些問題都屬于發展中的問題，隨著技術的成熟，都可以逐漸得到解決。就像當年的汽車取代蒸汽汽車一樣。7.1.2純電動汽車控制分析1.純電動汽車控制框圖圖7-1是純電動汽車控制框圖，其控制核心是計算機。純電動汽車是智能控制，這就占據了汽車控制的制高點?，F在進入到第4次工業革命，革命的核心就是深化智能制造，我國的純電動汽車制造業彎道超車，進入世界純電動汽車制造強國行列。圖7-1純電動汽車電氣框圖（1）計算機主控制板由圖中可見，“計算機主控制板”是控制核心（MCU芯片），所有功能部件都由主控板控制。圖中的控制線分兩類，一類是電源線，標注“××V”即為電源線，電源線的箭頭一般為單向，由電源指向被供電功能塊。另一類是標注“邏輯控制”、“××通信”的雙向箭頭線。雙向箭頭線是由主控板向被控部件發出指令信號、或被控部件向主板匯報工作，是雙向通信控制線。通信控制是智能部件具有的功能，即具有雙向箭頭線的功能塊也是智能功能塊，內含CPU。（2）操作系統功能塊油門、剎車、轉向，這是汽車運行核心操作；儀表板和各類燈具是汽車行駛中的重要指示部件和照明。現在都和主控板連在一起。這有兩個用途，一是自駕，二是對駕駛進行監控。當出現疲勞駕駛，各個功能部件出現問題，主控板要發出報警信號。因為操作控制系統功能塊內含有CPU，控制線為雙向箭頭。（3）PDB電源分配器PDB是電源分配器的簡稱，負責整車的電能分配?！翱焖俪潆娍凇焙汀败囕d充電口”將外部電能傳輸到PDB，由PDB根據電壓的高低和電流的去向進行分配。分配之前要進行DC/DC變換，由PDB內部的智能控制板控制。由PDB流向“電池包”的電流就是充電電流，由PDB穩定在420V，電壓不穩會使電池壽命縮短。電池包流向PDB、再由PDB流向變頻器的電流就是電動汽車的動力電流，該電流小到幾十安培，大到一百多安培。變頻器到PDB的“回收”指向線，是汽車在降速、下坡或者制動時，慣性能釋放，回饋電流被回收（給電池充電）。PDB模塊由主控板控制，控制電流的分配和變換。（4）變頻器圖中的變頻器是變頻功率模塊，又稱逆變器，其控制部分合并在主控板中（類似G120分體機），“油門”（調速）、“剎車”（制動）等控制信號加在主控板上，主控板通過通訊控制變頻功率模塊調速工作或停機抱閘。（5）BMS電池控制板BMS控制板也是智能管理模塊，主要任務是監控“電池包”的電壓、電流、溫度等物理量。鋰離子電池雖然有很多優點，但是也有缺點，溫度低電量不足，溫度高衰老快。合理控制電池的溫度，延長電池使用壽命。（6）空調控制器空調控制器主要是對空調進行邏輯控制?？照{在工作中制冷、制熱，溫度控制都是由空調控制器給出控制信號?？照{控制器受主板控制，當感受到車內溫度不合適由主板進行設置?？照{的壓縮機由變頻器控制，分檔控制空調的溫度。7.2.1電動汽車的安全要求1.純電動汽車電閾安全級別人體能承受的安全電壓的高低取決于人體允許通過的電流和人體的電阻。人體電阻主要由體內電阻、體表電阻、體表電容組成。人體電阻隨著條件的不同在很大范圍內變化，一般在lkΩ左右。我國民用電網中的安全電壓多采用36V，大體相當于人體電流3.6mA。人體允許通過的電流為10mA，因此是安全的。但當身體潮濕，人體電阻降為120Ω，36V電壓也不安全。依據國家標準GB/T18384.3—2015《電動汽車安全要求第3部分：人員觸電防護》要求，考慮到空氣的濕度和人體在不同工作環境下的電阻，根據不同電壓等級可能對人體產生的傷害和危險程度不同，在純電動汽車中將車輛電壓按照類型和數值分為兩個安全級別，見表7-1。A級是較為安全的電壓等級，在直流電中，最大工作電壓應小于或等于60V；在交流電中，最大工作電壓應低于30V，該電壓下的維護人員不需要采取特殊的防電保護。B級對人體會產生傷害，被認為是高壓。在該電壓下必須采取必要的防護設備對維護人員進行保護。2.純電動汽車高壓類型純電動汽車和混合動力汽車的高壓系統均同時具有直流高壓和交流高壓，屬于B類。高壓部位如圖7-2所示，直流高壓主要分布在動力電池到各個驅動部件的位置。如動力電池到驅動逆變器之間連接的是直流高電壓；動力電池到高壓壓縮機之間連接的是直流高電壓。交流高壓主要分布在變頻器與電動機之間，以及充電接口與車載充電器之間。變頻器與電動機動之間的交流電壓通常在300V左右，而充電接口與車載充電器之間的交流電壓即為外部電網的220V的電壓。圖7-2高電壓車輛的高壓部位3.高壓警示標識為防止意外觸及高壓系統，純電動汽車對高壓部件均采用特殊的標識或顏色，對維修人員或車主給予警示。新能源汽車通常采用兩種形式進行高壓的標識警示。一種是警示圖標（見圖7-3a），一種是警示顏色，將高壓導線做成橙色，用于區別其他導線（見圖7-3b）。（a）（b）圖7-3高壓警示（a）警示圖標（b）橙色警示線7.2.3純電動汽車高壓安全設計純電動汽車相比于傳統內燃機汽車，由于驅動系統存在高電壓，其安全系統設計更為復雜。如果車輛在充電及行駛過程中發生碰撞、翻車等事故，可能造成電力驅動系統的短路、漏電、燃燒、爆炸等，由此可能對乘員造成電傷害、化學傷害、燃燒傷害等。1.純電動汽車高壓存在時間純電動汽車的高壓系統集中在車輛的驅動系統、空調與暖風系統、12V電源系統及帶有插電功能的充電系統。根據高壓存在的時間進行分類，純電動汽車高壓系統的高壓主要有以下3種存在形式，即持續存在、運行期間存在和充電期間存在（見圖7-4）。圖7-4高壓系統存在形式（1）持續存在純電動汽車的動力電池（圖7-5）持續存在高電壓，即使當車輛停止運行期間，由于動力電池始終存儲有電能，因此當滿足動力電池的放電條件后，該部件將繼續對外放電。圖7-5純電動汽車動力電池（2）運行期間存在在運行期間存在高壓的部件，是指當點火開關處于ON、RUN或其他運行狀態時，部件存在高電壓。變頻器、高壓壓縮機、PTC加熱器及DC-DC變換器部件只有在系統運行時，來自動力電池的高電壓才會加載到這些部件上。（3）充電期間存在充電系統部件僅在車輛充電期間存在高電壓，這包括來自外部電網的220V交流高壓，以及車載充電器與動力電池之間的直流高壓，如圖7-6所示。圖7-6充電期間具有高電壓的部件2.高壓電路完全絕緣安全設計高壓電纜是在運行中存在高壓的部件，高壓電流在傳輸中要通過電纜、接頭和觸點，金屬部分不能裸露，要完全密封。（1）電纜為了保證電路安全，電纜與接頭是薄弱環節。純電動汽車電纜屬于特種電纜，普通的高壓電纜不能勝任。汽車電纜具有高電壓、大線徑、彎折多、生熱量大的特點，故需要具備耐高低溫、耐油耐水、阻燃、抗撕裂、絕緣、抗UV（一種抗老化測試方法）老化等性能。常用材料有TPE、TPU、XLPO、NBR+PVC、氯丁橡膠、硅橡膠等。圖7-7是電纜結構圖。圖7-7汽車電纜結構圖（2）電纜接頭電纜接頭是電纜和電動機、變頻器的連接端，因為汽車是在室外工作，接頭的金屬部分不能裸露，要防水防漏電，故采用密封插接式，然后用螺栓固定。圖7-8是不同形式的插頭插座。圖7-9是電纜接頭連接圖，插頭和插座連接后導體被密封。（3）接觸器接觸器是運行中存在的高壓部件，接觸器是觸點導電，觸點要在密封的環境中工作，要防水防漏電。圖7-10是電動汽車電纜接觸器的實體安裝圖，接觸器是在整體密封下工作。圖7-8不同形式的插頭插座。圖7-9接頭插接后導體被密封圖7-10汽車電路實體安裝圖7.2.4純電動汽車的安全隱患防備1.高壓觸電安全對于系統中的高壓元件，假如由于內部破損或者潮濕，有可能會傳遞給外殼一個電動勢。如果形成兩個這樣外殼具有不同電勢的部件，在兩個外殼之間會形成具有危險性的電壓。此時，如果手觸及到這兩個部件，會發生觸電的危險。人體沒有任何感覺的閾值電流是2mA。這就要求人體觸摸到汽車的任何高壓部位到“搭鐵”之間形成的泄漏電流，最壞情況下不能超過2mA；即在下雨涉水等環境下、或在干燥的環境下人體觸摸到汽車的任何部位不應有漏電、靜電放電等觸電感覺，才認為車輛絕緣合格。2.動力電池安全純電動汽車的關鍵部分是動力電池（圖7-11），對于動力電池安全性的研究是分析高壓電類型純電動汽車安全性的前提。近年來，鋰離子電池在純電動汽車和混合動力汽車上得到了廣泛的應用。所以以鋰離子電池為例，來介紹動力電池的安全性。圖7-11純電動汽車電池鋰離子電池在正常使用過程中不會出現安全問題，但電池的濫用會導致電池的熱效應加劇，這是鋰離子電池出現安全問題的導火索，最終表現為電池的“熱失控”，從而引起安全事故。導致熱失控有以下幾種情況。①過充電與過放電；②過電流；③電池過溫?，F在對電池的控制采用專門的智能“BMS電池控制板”控制，并有專門的風冷系統，能夠絕對保證電池的安全工作。3.危險運行工況下的安全純電動汽車由于存在高電壓，因此在行駛中發生事故時，如果沒有很好的安全設計，很容易發生安全隱患事故。安全隱患包括有：①高壓系統短路；②發生碰撞或翻車；③涉水或遭遇暴雨；④充電時車輛的意外移動這些安全隱患在整車的設計中都做了防護設計。高壓線采用防水和防漏電設計，在電纜的外部套上專用防護軟管（見圖7-10）；電池采用整體防水防振和耐沖擊以及防振設計；關于電池充電，具有掉電保護。7.2.5純電動汽車的安全設計從以上的敘述可以看出，純電動汽車存在的安全隱患包括高壓系統短路、高壓系統絕緣故障、高壓系統脫落、高壓充電風險等。根據這些安全隱患以及實際的工作狀況，對純電動汽車主要從以下幾個方面進行設計，如圖7-12所示。圖7-12純電動汽車安全設計1.維修安全維修安全主要包含兩方面：傳統內燃機汽車的維修安全和針對純電動汽車的特殊維修安全。純電動汽車的維修安全主要是防止高壓觸電。因此，維修人員在對高電壓類型汽車進行操作之前應當保證不會有觸電風險，為此大多數汽車在系統上設計有維修開關（圖7-13），當斷開維修開關時，動力電池的動力輸出立即中斷。在操作上應當遵從以下流程：在斷開電池的動力輸出后，需等待5min才能接觸高壓部件。圖7-13純電動汽車上的維修開關2.碰撞安全當車輛發生碰撞時，車輛的安全系統應當滿足以下要求：碰撞過程中以及碰撞后都要保證相關人員的人身安全。對于純電動汽車來說，除了傳統汽車的相關保護要求之外，還應當滿足以下要求：①碰撞過程中避免乘員和行人遭受觸電風險，在保證人員安全的情況下盡量保護關鍵零部件不受損害。②碰撞后保證維護和救援人員沒有觸電風險。為此，有些車輛設計有如圖7-14所示的電路，將“慣性開關”串聯到高壓接觸器的供電回路中，當發生碰撞時慣性開關斷開，從而切斷高壓接觸器的供電電源，此時動力電池的高壓輸出便會被斷開，保證了乘員、行人、維護和救援人員的高壓安全?！皯T性開關”的慣性體可以接受來自任何方向的沖撞力而動作，是一種特殊結構的保護開關。圖7-14慣性開關在電路圖中的位置3.電氣安全（1）防止汽車誤起動動力電池與外部高壓回路之間設計有高壓接觸器（圖7-15），以保證在駕駛人無行駛意圖或充電意圖時，車輛除電池內部之外的高壓系統是不帶高壓電的。只有當駕駛人將車輛鑰匙打到“Start”檔或對動力電池進行充電時，接觸器才可能會閉合。圖7-15高壓接觸器設計方式（2）高壓系統預充電在高壓系統中含有補償電容，電容在充電前阻抗為0，相當于短路，如果不對充電電流進行限制，會損害電容和電池。預充電回路見圖7-16所示，當電路通電前先由“預充電”電阻限流，當電容電壓上升到設定值，KM2閉合，預充電電阻短路。圖7-16高壓預充電回路（3）絕緣電阻檢測系統為保證人員免遭觸電風險，高壓系統應當進行絕緣電阻檢測電路的設計。若絕緣電阻值過小，整車控制器應當發送接觸器斷開指令。（4）短路保護器當高壓系統出現短路等危險情況時，為保護乘員和關鍵零部件，需設計如圖7-15所示的短路保護器。如果流過短路保護器的電流大于設定值，則該保護器便熔斷保護。（5）高壓互鎖回路設計當高壓互鎖回路斷開時（指某一高壓部件的低壓或高壓連接斷開），電池管理單元在檢測到斷開信號之后立即斷開相應的高壓接觸器以切斷高壓輸出。防止乘員或維修人員有可能會接觸到高壓電從而造成觸電傷害。圖7-17是高壓互鎖開關的外形圖（開關封裝在外殼內），當低壓互鎖開關斷開時，系統將切斷高電壓。圖7-17互鎖開關外形圖總之，汽車是人們的交通工具，任務是載人出行，安全是第一位的。汽車在設計時任何不安全因素和隱患都必須消除，人們才能放心出行。三、課堂互動1.思考：為什么純電動汽車高壓導線設計為橙色？2.提問：車輛維修時，斷開維修開關后為何要等待5分鐘？四、能力培養1.能讀懂整車電氣框圖，區分供電線、通信線；2.識別高壓警示標識、高壓線纜，區分A/B級電壓；3.掌握新能源車輛檢修基礎安全流程。五、課堂總結純電動汽車電氣系統模塊分工明確，高壓安全貫穿設計、使用、檢修全流程。B級高壓是運維最大風險，預充電、高壓互鎖、碰撞保護、維修開關等多重防護，構成完整安全體系，下一節課學習核心驅動電機。

××職業技術學院教案課程名稱變頻器調速技術與應用班級課程章節7.3車用永磁同步交流電動機分析，7.4旋轉變壓器課次/周授課方法講授+結構識圖+原理分析+公式講解教具PPT、電機剖面圖、旋轉變壓器實物/模型、機械特性曲線圖教學內容1.車用驅動電機選型要求與各類電機對比；2.三相永磁同步電機結構、工作原理與機械特性；3.功率角θ的含義與失步問題；4.旋轉變壓器結構、工作原理、信號檢測與應用教學目標知識目標：掌握車用電機選型標準，理解永磁同步電機運行原理，熟記旋轉變壓器檢測原理。能力目標：能區分各類車用電機優劣，分析功率角變化規律，看懂旋轉變壓器信號波形。重點、難點重點：永磁同步電機結構、同步轉速原理；旋轉變壓器工作機制；難點：功率角θ與失步原理、旋轉變壓器信號調制與解析。復習提問1.純電動汽車高壓系統分為哪幾類存在形式？2.同步電機與異步電機轉速區別是什么？作業1.簡述純電動汽車對驅動電機的四大要求。2.分析直流電機、無刷直流電機為何不適合車載場景。3.說明旋轉變壓器在永磁同步電機中的作用。授課時長2學時課后小結本節課重點學習車用永磁同步電機與旋轉變壓器。車載電機要求高功率密度、寬調速、高可靠性，永磁同步電機是最優方案。該電機依靠定子旋轉磁場帶動永磁轉子同步運轉，負載變化會產生功率角，過大易引發失步。旋轉變壓器作為角位移傳感器，實時檢測轉子位置，配合變頻器實現閉環矢量控制，是電機穩定運行的核心檢測部件。教案附頁注釋【知識學習】一、課堂導入純電動汽車對驅動電機體積、重量、轉速、轉矩要求遠高于普通工業電機。目前行業主流為三相永磁同步交流電機，同時需要配套位置檢測器件實現精準控制。本節課結合PPT結構圖紙，學習電機本體與旋轉變壓器原理。二、知識學習7.3.1電動機選型1.純電動汽車對電動機的要求純電動汽車的驅動電動機，在功能上要比普通工業電動機具有更高的要求。在滿足汽車運行功能的同時，還要體積小、重量輕、堅固耐用等多方面的要求。純電動汽車的電動機功率在110~160kW之間，表7-2是普通電動機重量與容量對應表，由表中可見，110kW的直流電動機和160kW的交流電動機對應重量為2T，而純電動汽車的總重量在2T以下（指轎車），由此可見，車用電動機必須要大大降低其體積和重量。（1）提高重量/功率比的措施由電動機的機械功率表達式：可見，要想增加電動機的功率，可以提高電動機的轉速，這是增加功率的有效方法；由電動機的電功率表達式：P=UI可見，增加電動機的電壓或增加電動機的電流，都可以增加電動機的功率。因此，汽車電動機是速度高、工作電壓高和工作電流大的特種電動機。（2）電動機的調速范圍寬汽車起動到高速運行，調速范圍很寬。起動時轉速低轉矩大、高速運行時轉矩小轉速高，電動機要有幾倍的過載能力。（3）電動機要有舒適的速度轉矩特性汽車是載人交通工具，應能滿足所需的轉矩特性，以獲得在起動、加速、行駛、減速、制動等各種運行工況下的功率和轉矩要求。驅動電機應具有自動調速功能，減輕駕駛員的操縱強度，提高駕駛的舒適度，并且能夠達到與傳統內燃機汽車同樣的控制響應。（4）電動機要有高可靠性和使用壽命汽車在任何運行工況下都應具有高可靠性，以確保車輛的行駛安全。使用壽命長為降低新能源汽車的使用成本，驅動電機的使用壽命應和車輛保持一致，真正實現節能環保的目標。2.電動機選型（1）選擇直流電動機在項目1中對直流電動機進行了分析，轉矩特性為T=KTΦIa，具有良好的調速性能，應用在電動汽車上是不錯的選擇。但是，電動轎車要求電動機體積小，功率密度大，直流電動機是碳刷導電，在小體積的碳刷上通過上百安的電流，碳刷會發紅燒毀，壽命沒有保證。并且相同功率的直流電動機其體積要比三相交流電動機大，在轎車上應用不適合。（2）選擇永磁無刷直流電動機永磁無刷直流電動機沒有了碳刷導電，轉子為永磁磁極，只需在三相繞組上通上三相直流脈沖電流，電動機轉子就跟隨定子三相直流電流的頻率而旋轉。其轉矩特性優于籠形電動機。但是問題來了，汽車電動機不但要求轉矩特性好，還要求體積小功率大。圖7-18是永磁無刷直流電動機的定子外形圖，由圖中可見，定子結構松散，按要求110kW電動機將2T重量壓縮為68kg（實際要求重量），結構和散熱都無法解決。即永磁無刷直流電動機也不適合汽車應用。進一步的研究表明，永磁無刷直流電動機適應在300W以下的小功率場合應用。（3）選擇三相交流電動機三相交流籠型電動機密封工作，在定子繞組上接通三相交流電就可以工作。當由變頻器驅動，轉速可以任意調整。變頻器采用矢量控制，電動機具有直流電動機的轉矩特性。不足之處是當電動機的體積較小時，轉子繞組中通過的電流大，轉子發熱量大，散熱問題不好解決。轉子中的電損也降低了電動機的效率。圖7-18永磁無刷直流電動機（4）三相永磁同步交流電動機三相永磁同步交流電動機（也簡稱三相永磁同步電動機）的定子結構和三相交流籠型電動機相同，只是轉子是由永磁體構成N、S磁極，工作時轉子由定子旋轉磁場“吸住”同步轉動。永磁轉子因為沒有了感應電流，也就沒有了轉子“電損”引起的發熱，并且提高了電動機效率。三相永磁同步交流電動機保留了三相交流籠型電動機的所有優點，又解決了電動機轉子的發熱問題，是轎車電動機最佳選擇。7.3.2三相永磁同步電動機結構原理1.電動機結構（1）定子結構定子結構與普通交流電動機相同，由鐵心和電樞繞組構成，如圖7-19所示。電樞鐵心一般采用0.35mm厚的低損耗、冷軋無取向硅鋼片沖壓而成。電樞繞組則普遍采用分布、短距繞組。定子電樞繞組分為三相，在空間相差120°機械角，當在繞組中通入三相交流電，在定子表面產生旋轉磁場。旋轉磁場的磁極對數和轉子磁極對數相對應，工作時旋轉磁場“吸住”轉子同步轉動。（2）永磁轉子永磁轉子主要由永磁體、轉子鐵心和轉軸等構成，如圖7-20所示。其中永磁體主要采用釹鐵硼稀土材料制造，具有很強的“剩磁”。轉子鐵心可根據磁極結構的不同，選用實心鋼或硅鋼片沖制后疊壓而成。圖中轉子是4磁極結構，即有2對磁極，相應的定子繞組也為2對磁極繞組。圖7-19三相交流電動機定子圖7-20永磁轉子2.三相永磁同步電動機轉矩特性與控制（1）同步轉速與機械特性電動機通上三相交流電，轉子由旋轉磁場“吸住”同步轉動。同步電動機的轉速表達式為（7-1）式中，f1為電源頻率；pn為電動機磁極對數。即轉子的轉速和電源的頻率同步。在電動機傳動中，將轉速和轉矩之間的關系稱為機械特性。永磁同步電動機的機械特性如圖7-21所示，即轉速和電源的頻率成比例，和轉矩無關。即當電動機的負載發生變化時，轉速不變。具有很硬的機械特性。圖7-21三相永磁同步電動機機械特性（2）“θ”功率角分析圖7-22是三相永磁同步電動機的轉矩分析圖。永磁轉子在跟蹤定子旋轉磁場轉動時，“定子磁場心線”和“轉子磁場心線”之間存在一定的夾角θ，θ稱為功率角。在空載時θ比較小，隨著負載的增加，θ值加大。由于轉子磁極的磁力是一個固定值，當負載轉矩超過了轉子的磁力，轉子會出現失步現象。為了穩定θ角，變頻器必須采用閉環矢量控制，采用旋轉變壓器作為檢測部件，檢測θ角的位移量，進行位移控制。圖7-22三相永磁同步電動機轉矩分析圖3.純電動機汽車三相永磁同步電動機結構圖圖7-23是純電動汽車三相永磁同步電動機剖面圖，圖中電動機由外殼、端蓋、定子、轉子和“水冷管”等組成。外殼和端蓋是由輕型鋁材鑄造，通過機加工達到裝配精度，是電動機定子鐵芯、轉子軸的支撐和密封部件。在外殼內鑄造出“水冷環”，工作中冷卻水在“水冷環”中循環流動，將熱量帶走。圖中的“冷卻水管接頭”就是“水冷環”接通外部水管的接頭。水冷是電動機的重要組成部分，電動機工作時有1~2kW的電損轉化為的熱量需要散掉，否則電動機會過熱損壞。電動機的“定子鐵芯”和外殼內圓是過渡配合，一是定子鐵芯固定定位，二是將熱量傳導到外殼。轉子軸的兩端由滾動軸承支撐，由兩端的端蓋支撐定位，保持轉子鐵芯和定子鐵芯之間的間隙在允許的范圍內，保證轉子和定子之間的磁阻最小、轉子在轉動中又不會出現掃膛。圖7-23永磁同步交流電動機剖面圖7.4.1旋轉變壓器結構原理1.旋轉變壓器（概念引入）旋轉變壓器是根據變壓器原理進行旋轉信號檢測的傳感器。圖7-24（a）是固定鐵心變壓器，通過鐵心中磁通φ傳遞能量，將一次繞組中的能量傳遞到二次繞組。圖7-24（b）是繞線轉子電動機，電動機定子和轉子也是通過磁通φ傳遞能量，也是變壓器原理。但轉子是轉動的，即“旋轉變壓器”。（a）（b）圖7-24變壓器（a）固定變壓器（b）繞線轉子電動機2.旋轉變壓器結構旋轉變壓器又稱同步分解器，是一種電磁式傳感器，主要用來測量旋轉體的轉軸角位移和角速度。是汽車永磁同步交流電動機必須配備的轉矩檢測部件。作為速度及位置傳感器，常用的有光學數字編碼器、和旋轉變壓器。光學數字編碼器的輸出信號是脈沖，由于是天然的數字量，數據處理比較方便，因而得到了廣泛應用。旋轉變壓器由于信號處理電路比較復雜，價格比較貴，應用受到了限制。但旋轉變壓器具有無可比擬的可靠性，特別是在高溫，嚴寒、潮濕、高速、高振等環境場合都可以可靠的工作，在有些場合具有不可代替的地位。電動汽車因為工作中振動、環境多變，光學數字編碼器不能勝任。而旋轉變壓器則可以在此環境下工作，非它莫屬。圖7-25是旋轉變壓器實物圖。圖（a）是轉軸型轉子；圖（b）是孔型轉子；圖（c）是磁阻式旋變，圖（d）是繞線式旋變。（a）（b）（c）（d）圖7-25旋轉變壓器外形圖3.旋轉變壓器內部結構圖圖7-26（a）是轉軸型旋轉變壓器的剖面圖，該旋轉變壓器是繞線式結構。圖中的轉軸上安裝著“電機轉子繞組”，其轉子和“繞線轉子電動機”的轉子類似，將轉子繞組鑲嵌在轉子鐵心中。在轉軸的右端安轉有“變壓器轉子”，在“變壓器轉子”的鐵心上安裝有“轉子勵磁線圈”，該線圈是圍繞著轉軸繞制的環形線圈?！白儔浩鬓D子”和“電機轉子”之間安裝有隔磁材料。圖中“電機定子繞組”和感應電動機的定子繞組繞制方法相同，也是將繞組鑲嵌在定子鐵心中。定子的右端也安轉有“變壓器定子”，在定子鐵心中安裝有“定子勵磁線圈”。該線圈也是圓環形。工作中在“定子勵磁線圈”中通入10kHz的正弦交流信號，根據法拉第電磁感應原理，勵磁繞組電流產生磁通，通過鐵心傳遞，在轉子“勵磁線圈”中產生10kHz的感應電流?！皠畲啪€圈”和“轉子繞組”相連接，轉子繞組中也具有10kHz的感應電流。感應電流在轉子鐵心表面形成磁場。該磁場因為是由定子10kHz正弦交流電流產生的，稱為同步磁場。同步磁場有2個用途，1是轉軸轉動時在定子繞組中產生感應電流；2是感應電流以10kHz為同步信號。（a）（b）圖7-26旋轉變壓器剖面圖圖7-26（b）是定子和轉子繞組，定子有2組繞組，在空間相差90°相位角，正弦函數和余弦函數具有90°相位差，假如定義其中1組輸出正弦波，另一組就輸出余弦波。轉子也是具有2組繞組，在空間相差90°相位角。7.4.2旋轉變壓器波形分析1.旋轉變壓器定子信號分析（1）定子信號波形圖旋轉變壓器在用于三相永磁電動機轉子“θ”角的檢測時，將旋轉變壓器的轉軸和電動機的轉軸連接在一起，同步轉動。旋轉變壓器的轉軸在轉動中，轉子磁極掃過定子繞組，在繞組中產生感應電流。感應電流在時間和相位上與三相永磁電動機轉子“θ”角同步，“θ”角的動態情況即被檢測。轉子勵磁信號是10kHz同步信號，波形如圖7-27（a）所示。為等幅正弦波；圖（b）是定子得到的正弦波調制信號，其波形的包絡線即為被測電動機的轉動軌跡線，理論上是正弦波，實際上是隨著負載的大小而變化的非正弦波，該波形中就包含著永磁電動機轉子“θ”角全部信息。圖（c）是調制余弦波，在相位上落后正弦波90°，功能與正弦波相同。圖7-27定子信號波形圖（2）定子信號表達式圖7-27（a）勵磁信號數學表示式為u=Umsin（ωt）（7-2）式中，Um為電壓最大值。圖7-27（b）定子正弦信號數學表示式為usin=Usmsin（θ）Umsinωt（7-3）式中，Usm是被檢測電動機信號的最大值，θ是正弦波的相位角，圖7-27（c）定子余弦信號數學表示式為ucos=Ucmcos（θ）Umsinωt（7-4）式中Ucm是余弦波的最大值，θ是余弦波的夾角2.旋轉變壓器應用式7-2~7-4是旋轉變壓器的檢測物理量表達式，過去是通過公式變換，通過模擬電路實現檢測控制?，F在已經有了專用智能芯片，將勵磁信號、正弦和余弦信號輸入到智能芯片，由智能芯片輸出標準的數字信號。圖7-28是旋轉變壓器智能芯片連接圖，智能芯片封裝在旋轉變壓器中，輸出信號由標準接口引出。圖7-28旋轉變壓器框圖三、課堂互動1.思考：為什么車載電機優先選用水冷而非風冷？2.辨析：電機失步會造成什么后果？四、能力培養1.對比三類車用電機的優缺點，掌握選型邏輯；2.理解同步電機轉速、功率角變化規律；3.看懂旋轉變壓器信號波形與傳輸流程。五、課堂總結永磁同步電機憑借高功率密度成為車載主流，功率角控制是運行關鍵。旋轉變壓器作為核心檢測元件，配合變頻器閉環控制，保障電機全工況穩定運行，下一節課學習車載變頻器與整車電路、調試技術。

××職業技術學院教案課程名稱變頻器調速技術與應用班級課程章節7.5車載變頻器分析課次/周授課方法講授+電路分析+參數解讀+實操講解教具PPT、車載變頻器結構圖、整車主電路圖、參數表教學內容1.車載變頻器結構、特點與散熱方案；2.電機+減速器三合一驅動總成；3.整車充電、逆變、能量回收電路原理；4.車載變頻器參數設置、整機調試流程；5.項目整體總結與技術拓展教學目標知識目標：掌握車載變頻器結構特點、整車電路工作邏輯，熟記核心參數含義。能力目標：能解讀主電路原理，完成變頻器基礎參數設置，了解車載系統調試規范。重點、難點重點：三合一驅動總成、整車電路、變頻器參數設置；難點：斬波升壓電路、制動能量回收原理。復習提問1.旋轉變壓器的作用是什么？2.永磁同步電機采用哪種控制模式？作業1.簡述車載變頻器的結構與散熱特點。2.說明電動汽車制動能量回收的工作原理。授課時長2學時課后小結完成純電動汽車變頻系統全流程學習。車載變頻器采用分體式水冷結構，配合兩級減速器構成三合一驅動總成。整車電路集成充電、升壓、逆變、能量回收四大功能。變頻器選用閉環矢量控制，按照出廠流程完成參數自學習與整機調試。該系統實現電能雙向利用，變頻技術是新能源汽車的核心支撐，同時可拓展至軌道交通、電動工程車輛等領域。教案附頁注釋【知識學習】一、課堂導入前序課程學習了整車架構、高壓安全、驅動電機與檢測器件，本節課聚焦車載專用變頻器、整車主電路、驅動總成、參數調試，完成整個項目的實操與總結。二、知識學習7.5.1對車載變頻器的要求1.安全要求變頻器是高壓電器，在汽車上應用必須符合特種設備的要求。汽車是行走設備，工作中振動不可避免，電路的連接必須采用防震插頭，不防震的傳感器不能應用于變頻器上，電動機的檢測旋轉編碼器因為是采用光電檢測頭，故障率高，不能用于汽車電動機的轉速檢測。2.體積要求汽車空間小，變頻器體積大了也裝不下。功率為110kW的變頻器體積如圖7-30（a）所示，體積必須要進行較大的壓縮，并且要按照允許的空間進行設計。圖（b）是同功率的汽車專用變頻器，其形狀是按可用空間進行設計，體積比普通變頻器小了很多。（a）（b）圖7-30110kW電動機外形尺寸同款比較（a）普通變頻器（b）汽車專用變頻器7.4.2車載變頻器的結構特點1.金屬密封外盒（1）外殼密封散熱變頻器外殼一是密封，二是散熱，采用模壓鑄鋁工藝，壓鑄的外殼尺寸精度很高，定位孔準確，便于和其他結構件連接。外殼還承擔著散熱功能，變頻器的總效率為86%~96%之間，逆變部分的效率在93%~98%之間。車載變頻器的逆變電路效率最高，為98%，即110kW變頻器損耗為2kW。即車載變頻器外殼內要有2kW的熱量需要散掉。散熱方法采用水冷，在外殼中壓鑄上“管排”，“管排”中通入循環冷卻水，把熱量帶走。（2）逆變器控制電路圖7-31是逆變器驅動電路，圖中由VT1~VT6組成三相逆變電路，驅動永磁同步電動機旋轉。在永磁同步電動機的后軸上連接“旋轉變壓器”，檢測電動機的轉動頻率和相位，用于同步反饋信號，構成閉環位置控制。永磁同步電動機的轉子是被旋轉磁場吸住同步轉動，但是負載發生變化時，“相位角”會發生變化，“旋轉變壓器”檢測到變化的“相位角”，通過閉環反饋，立刻進行糾正，所以“旋轉變壓器”稱為位置檢測器。變頻器采用矢量控制模式，在爬坡、提速時有非常好的快速性。永磁同步交流電動機沒有同步功能，是靠逆變器從0速起動時開始同步的，所以永磁同步交流電動機又稱為專用電動機。是專為變頻器配套的電動機。在起動時變頻器從0速起動，電動機的轉子被旋轉磁場“吸住”同步升速和同步轉動。為了提高電動機的控制性能，變頻器采用矢量控制，通過“位置檢測”傳感器檢測電動機的轉速，進行閉環控制。圖7-32是變頻器閉環控制框圖。圖7-31變頻器逆變電路（3）變頻器CPU主板和逆變器分離變頻器逆變器部分是和電動機安裝在一起，變頻器CPU主板和汽車的操作板在一起，即變頻器為分體結構，便于操作。7.4.3汽車驅動三合一總成1.電動機參數與減速器（1）比亞迪汽車電動機參數比亞迪110kW同步電動機，轉速為0~15000r/min。電動機重量為68kg；最大扭矩為250N·m。高速電動機必須配備齒輪減速器，才能滿足車輪的轉動要求。（2）電動機減速器實體結構圖圖7-32是電動機和減速箱一體結構圖，由圖中可見，汽車電動機和齒輪減速器為一體結構，在轉子軸上安裝小齒數齒輪，將運動傳遞到大齒數齒輪；和大齒數齒輪同軸的小齒數齒輪，又和相鄰的大齒數齒輪嚙合傳動，把運動傳遞到輸出軸輸出。此齒輪減速器為2級減速器，減速比范圍為6.2~11.76之間，不同品牌的車輛有不同的減速比。汽車在運行中通過變頻器進行調速，不再用齒輪換擋。例1比亞迪汽車減速器減速比為11，電動機最大扭矩為250N·m，起動時輸出軸輸出轉矩為多大？解：T2=λT1=11×250N·m=2750N·m例2電動機轉速為0~15000r/min，輸出軸的最高轉速為多少？解：圖7-32電動機與減速箱總成（3）驅動三合一總成圖7-33是變頻器、電動機、齒輪減速器三者合一，為驅動總成。作為一個“部件”安裝在汽車設置的位置上。圖7-34是安置位置圖，是安裝在汽車的前輪軸上，為前驅形。圖7-33驅動部件三合一總成圖7-34驅動總成安裝位置7.5.1電動汽車電源電路圖7-35是電源系統原理圖，純電動汽車的供電電能取自三相交流電網，通過充電電路給充電電池充電，電池充滿電之后再由電池給變頻器供電，驅動電動汽車運行。下面對電路加以分析。圖7-35電源系統原理圖1.充電電路圖中“充電口”是三相、單相兩用充電口。當充電樁為單相交流電，充電電壓為220V，充電時有“快充”和“慢充”兩種模式，快充時S10~S12繼電器閉合，進行快速充電；慢充時S4~S6閉合，由L4~L6限流，進行慢充。在充電時S1~S3繼電器斷開。充電時由逆變電路的D1~D6二極管整流，變為直流電，加到C0電容器兩端，極性上正下負，S15供電繼