电机控制器结构及作用

电机控制器又称智能功率模块,通常简称MCU,如图4-3-4所示,主要由中央控制模块、驱动控制模块(IGBT)、各种传感器等构成,是电动汽车的核心控制单元。它通过CAN线与BMS、组合仪表等进行通信数据连接,主要用于管理和控制电机的运转速度、方向以及将电机作为逆变电机发电,其通过硬线直接采集加速/减速信号、制动信号、挡位信号,通过CAN总线采集动力电池状态信息,解析驾驶员意图并根据车辆的状态控制电机工作,实现车辆的正常行驶。

图4-3-4

目前使用在纯电动汽车上的电机管理模块主要有两种类型:一种是仅用于控制电机的,即MCU;另一种是更具有集成控制功能的电机管理模块,即MCU与DC/DC转换器功能,这类电机管理模块也称为PCU,如图4-3-5所示。

图4-3-5

1.中央控制模块

中央控制模块包括PWM波生成电路、复位电路、传感器信号处理电路和交互电路。中央控制模块,对外,通过对外接口,得到整车上其他部件的指令和状态信息;对内,把翻译过的指令传递给逆变器驱动电路,并检测控制效果,如图4-3-6所示。

图4-3-6

电机控制器内部有许多电路板和组件层层叠加。控制板在最上层,安装在屏蔽板上。下层是IGBT模块以及驱动模块,驱动模块下方有散热片。最下层是冷却管道,冷却液通过散热片进行散热,其作用是通过冷却液的流动给IGBT模块以及驱动板散热。电机水泵驱动冷却液在电机、电机控制器与散热器之间循环流动。

控制板是弱电电路,用于与其他部件互相通信,接收各种传感器信号,经过计算来控制IGBT模块输出相应的U、V、W三相电,从而控制电机按指令运转。为了减小下部驱动板工作时高频高压的开闭产生的电磁干扰,控制板通过4个螺栓安装在屏蔽板上。控制板上有两根低压线束:一根用来将电机旋变信号、温度信号以及电机开盖信号送给控制板,并使控制板与整车控制器通信;另一根连接下部驱动板,用来控制驱动板工作,控制板上有控制板主芯片、旋变信号解码芯片以及电机控制芯片,如图4-3-7所示。

图4-3-7

驱动板上含有6个IGBT的集成模块,用于产生三相交流电,驱动板上有一根与控制线连接的低压线束用于接收控制板的控制信号,同时将驱动板的工作状态信息传递给控制板。IGBT模块以及驱动板是强电电路,其作用是在控制板的控制下,将高压盒传输过来的高压直流电逆变成U、V、W三相交流电,输出供给电机,使其按指令运转,如图4-3-8所示。

高压直流插接件与来自高压盒的高压直流母线相连接,U、V、W高压插接件与电机控制器的三相高压线相连接,电机控制器低压插接件与电机相连接以接收电机工作状态信息,还与整车控制器连接,接收整车控制器的驱动控制信号并把电机工作状态传送给整车控制器,如图4-3-9所示。

2.逆变器

电机控制器的主体是一部逆变器,对电机电流、电压进行控制。经常选用的功率器件主要有MOSFET、GTO、IGBT等。为了提高电机系统的效率,HEV主要采用交流电机驱动。为了驱动交流电机,从直流电获得交流电力的电力转换装置称为逆变器,如图4-3-10所示。

图4-3-8

图4-3-9

图4-3-10(www.xing528.com)

DC/AC逆变器的工作原理如下:

①直流电可以通过振荡电路变为交流电。

②得到的交流电再通过线圈升压(这时得到的是方形波的交流电)。

③对得到的交流电进行整形进而得到正弦波。

从交流电到直流电的转换器,称为整流器或是“充电器(AC/DC)”,如图4-3-11所示。

图4-3-11

从某一电压的直流电到另一电压的直流电的转换器,称为“斩波器”或“转换器(DC/DC)”。

3.电动状态能量传输线路

在电动状态下,为了产生驱动力,整车控制器根据目标扭矩信号要求,电机控制器传送交流电给电机,以驱动车辆运行,如图4-3-12所示。

图4-3-12

①线路为电池直流电输入电机控制器。

②线路为电机控制器依靠功率器件IGBT将电池的直流电转换为交流电。

③线路为产生驱动扭矩,来自电机控制器的交流电被转换为磁能和磁场。

④线路为来自电机的扭矩被作为动力输出。

4.制动能量回收传输路线

在制动能量回收阶段,根据整车控制器通过整车CAN发送的再生扭矩请求,电机控制器控制电机作为发电机的功能,由车轮旋转产生的动能转换为电能。制动能量回收状态能量传输线路如图4-3-13所示。

图4-3-13

①线路为由车轮旋转产生的动能变换成电能。

②线路为电机旋转产生交流电。

③线路为电机控制器依靠功率器件IGBT将电机的交流电转换为直流电。

④线路为由电机控制器产生的直流电给电池充电。