來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)

近年來(lái)，新型功率開(kāi)關(guān)器件IGBT(圖1)已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件(圖2)，IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫(xiě)形式，是絕緣柵雙極型晶體管。與以前的各種電力電子器件相比，IGBT具有以下特點(diǎn)：

①高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路；

②高速開(kāi)關(guān)特性，導(dǎo)通狀態(tài)低損耗。

IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單講，是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān)，IGBT沒(méi)有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看作導(dǎo)線(xiàn)，斷開(kāi)時(shí)當(dāng)作開(kāi)路。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。

IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，是一種適合于中、大功率應(yīng)用的電力電子器件，IGBT在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

一、IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域及現(xiàn)狀

1.IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域

圖2 IGBT在電力半導(dǎo)體器件分類(lèi)中的位置

IGBT是能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，是電力電子裝置的“CPU”。IGBT是一種大功率的電力電子器件，是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān)，IGBT沒(méi)有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看作導(dǎo)線(xiàn)，斷開(kāi)時(shí)當(dāng)作開(kāi)路。三大特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。它是電力電子領(lǐng)域非常理想的開(kāi)關(guān)器件，不同公司的IGBT如圖3所示。

采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是解決能源短缺問(wèn)題和降低碳排放的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如工業(yè)領(lǐng)域中的變頻器，家用電器領(lǐng)域的變頻空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱，軌道交通領(lǐng)域的高鐵、地鐵、輕軌，軍工航天領(lǐng)域的飛機(jī)、艦艇以及新能源領(lǐng)域的新能源汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電等都有非常廣泛的應(yīng)用。

IGBT模塊在電動(dòng)汽車(chē)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動(dòng)汽車(chē)及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件。IGBT模塊占電動(dòng)汽車(chē)成本將近10%，占充電樁成本約20%。IGBT主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中以下幾個(gè)方面：

①電動(dòng)控制系統(tǒng)：大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅(qū)動(dòng)汽車(chē)電機(jī)(圖4),車(chē)載空調(diào)控制系統(tǒng)；

②小功率直流/交流(DC/AC)逆變(圖5)，使用電流較小的IGBT和FRD；

③充電樁：智能充電樁中IGBT模塊被作為開(kāi)關(guān)元件使用(圖6)。

圖4 HEV中的應(yīng)用

圖5 IGBT在電動(dòng)汽車(chē)逆變器中的應(yīng)用

圖6 IGBT在混合動(dòng)力(HEV)/純電動(dòng)(EV)汽車(chē)中的相關(guān)應(yīng)用

IGBT模塊按封裝工藝來(lái)看主要可分為焊接式(圖7)與壓接式(圖8)兩類(lèi)。焊接式IGBT的結(jié)構(gòu)及封裝過(guò)程見(jiàn)圖9。高壓IGBT模塊一般以標(biāo)準(zhǔn)焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現(xiàn)了很多新技術(shù)，如燒結(jié)取代焊接，壓力接觸取代引線(xiàn)鍵合的壓接式封裝工藝。

模塊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：無(wú)焊接、無(wú)引線(xiàn)鍵合及無(wú)襯板/基板封裝技術(shù)；內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

圖7 焊接式IGBT

圖8 壓接式IGBT

圖9 焊接式IGBT的結(jié)構(gòu)及封裝過(guò)程

2.目前市場(chǎng)現(xiàn)狀

國(guó)外研發(fā)IGBT器件的公司主要有英飛凌、ABB、三菱、西門(mén)康(圖10)、東芝、富士等。中國(guó)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)占世界市場(chǎng)的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場(chǎng)上，相對(duì)較弱。國(guó)外企業(yè)如英飛凌、ABB、三菱等廠(chǎng)商研發(fā)的IGBT器件產(chǎn)品規(guī)格涵蓋電壓600～6 500V，電流2～3 600A，已形成完善的IGBT產(chǎn)品系列。

二、IGBT在電動(dòng)汽車(chē)直流電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用

1.直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

在電源電路上，直流電動(dòng)機(jī)可以采用較少的控制元件，一般用斬波器來(lái)控制。最常采用的有IGBT電子功率開(kāi)關(guān)的斬波器，IGBT斬波器是在直流電源與直流電動(dòng)機(jī)之間的一個(gè)周期性的通斷開(kāi)關(guān)裝置。斬波器根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的需要，脈沖輸出和變換直流電動(dòng)機(jī)所需電壓從0到最高電壓，與直流電動(dòng)機(jī)輸出的功率相匹配，來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。IGBT斬波器已經(jīng)商品化，可供用戶(hù)選用。

直流斬波控制方式由于體積小、重量輕、效率高、可控制性好，而且根據(jù)所選的加速度，能平穩(wěn)加速到理想的速度，所以該控制方式在電力驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如圖11所示為用于直流電動(dòng)機(jī)速度控制的一象限直流斬波控制。四象限運(yùn)行是指用二軸表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，y軸表示電流，第一象限就是電動(dòng)狀態(tài)。四象限是指正向電動(dòng)、正向發(fā)電、反向電動(dòng)、反向發(fā)電。

一象限直流斬波控制的工作原理是電流經(jīng)蓄電池正極輸出，經(jīng)絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)的集電極C和發(fā)射極E，再經(jīng)電刷進(jìn)入電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)子，電動(dòng)機(jī)的定子S可以是線(xiàn)圈也可能是永磁體。駕駛?cè)颂は录铀偬ぐ鍟r(shí)，實(shí)際上就是電路在控制IGBT管的門(mén)極G的PWM波占空比加大，汽車(chē)減速時(shí)，若定子S為永磁體，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)發(fā)電，但發(fā)出的電流無(wú)法經(jīng)IGBT將電流充入蓄電池。要想在第二象限工作，則可在IGBT的G和E間反加一個(gè)大功率二極管，這時(shí)電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)的能量就可以返回蓄電池了。

圖11 用于直流電動(dòng)機(jī)速度控制的一象限直流斬波控制

2.IGBT的使用與檢測(cè)

(1)IGBT使用注意事項(xiàng)

由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般僅能承受到20～30V，所以因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。因此，使用中要注意以下幾點(diǎn)。

①在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后再觸摸；在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線(xiàn)未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊，在良好接地的情況下操作。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒(méi)有超過(guò)柵極最大額定電壓，但柵極連線(xiàn)的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線(xiàn)來(lái)傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線(xiàn)中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。

②在柵極發(fā)射極間開(kāi)路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過(guò)，柵極電位升高，集電極則有電流流過(guò)。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。

③在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正常或柵極回路損壞時(shí)(柵極處于開(kāi)路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞。為防止此類(lèi)故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一個(gè)10kΩ左右的電阻。

④在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂，安裝時(shí)應(yīng)受力均勻，避免用力過(guò)度而損壞。

⑤一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞，散熱片散熱不良時(shí)，將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，從而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)報(bào)警或停止IGBT模塊工作。

(2)IGBT管極性測(cè)量

判斷極性，首先將萬(wàn)用表撥在R×1k擋，用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，若某一極與其他兩極阻值為無(wú)窮大，調(diào)換表筆后該極與其他兩極的阻值仍為無(wú)窮大，則判斷此極為柵極G。其余兩極再用萬(wàn)用表測(cè)量，若測(cè)得阻值為無(wú)窮大，調(diào)換表筆后測(cè)量阻值較小，則在測(cè)量阻值較小的一次中，紅表筆接的為集電極C，黑表筆接的為發(fā)射極E。

(3)檢測(cè)判斷IGBT管的好壞

IGBT管的好壞可用指針式萬(wàn)用表的R×1k擋來(lái)檢測(cè)，或用數(shù)字式萬(wàn)用表的“二極管”擋來(lái)測(cè)量PN結(jié)正向壓降進(jìn)行判斷。檢測(cè)前先將IGBT管三個(gè)引腳短路放電，避免影響檢測(cè)的準(zhǔn)確度；然后用指針式萬(wàn)用表的兩支表筆正反測(cè)G、E兩極及G、C兩極的電阻。正常G、C兩極與G、E兩極間的正反向電阻均為無(wú)窮大；內(nèi)含阻尼二極管的IGBT管正常時(shí)，E、C極間均有4kΩ的正向電阻。

最后用指針式萬(wàn)用表的紅筆接C極，黑筆接E極，若所測(cè)值在3.5kΩ左右，則所測(cè)管為含阻尼二極管的IGBT管，若所測(cè)值在50kΩ左右，則所測(cè)IGBT管內(nèi)不含阻尼二極管。對(duì)于數(shù)字式萬(wàn)用表，正常情況下，IGBT管的C、E極間正向壓降約為0.5V。

綜上所述，內(nèi)含阻尼二極管的IGBT管檢測(cè)，除紅黑表筆連接C、E阻值較大，反接阻值較小外，其他連接檢測(cè)的讀數(shù)均為無(wú)窮大。測(cè)得IGBT管三個(gè)引腳間電阻均很小，則說(shuō)明該管已擊穿損壞，維修中IGBT管多為擊穿損壞。若測(cè)得IGBT管三個(gè)引腳間電阻均為無(wú)窮大，說(shuō)明該管已開(kāi)路損壞。

三、IGBT在永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用

1.永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)是將永久磁鐵取代他勵(lì)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，形成同步旋轉(zhuǎn)的磁極。電動(dòng)機(jī)的定子與普通同步電動(dòng)機(jī)兩層六極永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子一樣，如圖12所示，轉(zhuǎn)子上不再用勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和電刷等來(lái)為轉(zhuǎn)子輸入勵(lì)磁電流，輸入定子的是三相正弦波電流，這種電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)。

圖12 不同層數(shù)的永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子

2.永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)采用了帶有矢量變換電路的逆變器系統(tǒng)來(lái)控制，其控制系統(tǒng)由直流電源、電容器、三相絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器、永磁同步電動(dòng)機(jī)(PSM)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)器(PS)、速度傳感器、電流檢測(cè)器、驅(qū)動(dòng)電路和其他一些元件等共同組成。微處理器控制模塊中包括乘法器、矢量變換電路、弱磁控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)系統(tǒng)、速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電流控制系統(tǒng)、PWM發(fā)生器等主要電子器件，PWM逆變器的作用是將直流電經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制變?yōu)轭l率及電壓可變的交流電，電壓波形有正弦波或方波。

①轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器根據(jù)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)和矢量變換電路發(fā)出的控制信號(hào)，共同通過(guò)電流分配信號(hào)發(fā)生器來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生電流分配信號(hào)，將信號(hào)分別輸入A、B乘法器中。

②速度傳感器、速度變換電路和速度調(diào)節(jié)器，對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別和處理，將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)分別輸入A、B乘法器中。

③控制驅(qū)動(dòng)器采用不同的控制方法，由電流分配信號(hào)發(fā)生器和速度調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)提供信號(hào)，經(jīng)過(guò)乘法器邏輯控制單元的計(jì)算后產(chǎn)生控制信號(hào)，并與電流傳感器輸入的電流信號(hào)，共同保持轉(zhuǎn)子磁鏈與定子電流之間的確定關(guān)系，將電流頻率和相位變換信號(hào)分別輸入各自獨(dú)立的電流調(diào)節(jié)器中，然后輸出到PWM發(fā)生器中，控制逆變器換流IGBT開(kāi)關(guān)元件的通斷，完成脈寬調(diào)制，為永磁同步電動(dòng)機(jī)提供正弦波形的三相交流電，同時(shí)控制定子繞組的供電頻率、電壓和電流的大小，使永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩和對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)如圖13所示。

圖13 永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

3.永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

高永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)在牽引控制中采用矢量控制方法，在額定轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使定子電流相位領(lǐng)先一個(gè)β角，這樣，一方面可增加電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，另一方面由于β角領(lǐng)先產(chǎn)生的弱薄作用，使電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)增高，從而增大了電動(dòng)機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的調(diào)速范圍，如β角繼續(xù)增加，電動(dòng)機(jī)將運(yùn)行在恒功率狀態(tài)。永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)反饋制動(dòng)。圖14所示為永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的力學(xué)特性曲線(xiàn)。

四、IGBT在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用

1.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以看作是一臺(tái)用電子換向裝置取代機(jī)械換向的直流電動(dòng)機(jī)，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)主要由永磁電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向電路組成。無(wú)論是結(jié)構(gòu)或控制方式，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)都有很多相似之處：用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極；用具有多相繞組的定子取代電樞；用由固態(tài)逆變器和軸位置檢測(cè)器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷。

圖14 永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的力學(xué)特性曲線(xiàn)

2.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本控制系統(tǒng)由直流電源、電容器、三相絕緣柵雙極晶體管逆變器、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(PMBDC)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)器(PS)、邏輯控制單元120°導(dǎo)通寬脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路和其他一些電子器件共同組成。

轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)軸位置的信號(hào)，經(jīng)過(guò)位置信號(hào)處理，將信號(hào)輸送到邏輯控制單元，碼盤(pán)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)速度反饋單元和速度調(diào)節(jié)器對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別，將信號(hào)輸送到邏輯控制單元，經(jīng)過(guò)邏輯控制單元計(jì)算后，將控制信號(hào)傳送到PWM發(fā)生器。

電流檢測(cè)器按照閉環(huán)控制方式，將反饋電流進(jìn)行綜合，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器調(diào)控，也將電流信號(hào)輸入PWM發(fā)生器。

由轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)器根據(jù)轉(zhuǎn)角θ和速度調(diào)節(jié)器，對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別，共同發(fā)出轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)DA、DB、DC，以及電流檢測(cè)器對(duì)電流的調(diào)控信號(hào)，共同輸入PWM發(fā)生器后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制的信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)換流來(lái)改變定子繞組的供電頻率和電流的大小，控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通規(guī)律。如圖15所示，逆變器的功率開(kāi)關(guān)由上半橋開(kāi)關(guān)元件S1～S3和下半橋開(kāi)關(guān)元件S4～S6組成，在同一時(shí)刻只有處于不同橋臂上的一個(gè)開(kāi)關(guān)元件IGBT被導(dǎo)通(例如S1和S6)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的電流成正比。

五、IGBT在驅(qū)動(dòng)變速系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作狀態(tài)可以了解新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本功能，根據(jù)駕駛員意愿驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)：掛D擋加速行駛時(shí)、減速制動(dòng)時(shí)、掛R擋倒車(chē)時(shí)以及E擋行駛時(shí)來(lái)了解它的工作過(guò)程。

1.D擋加速行駛

駕駛員掛D擋并踩加速踏板，此時(shí)擋位信息和加速信息通過(guò)信號(hào)線(xiàn)傳遞給整車(chē)控制器VCU，VCU把駕駛員的操作意圖通過(guò)CAN線(xiàn)傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU，再由驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU結(jié)合旋變傳感器信息(轉(zhuǎn)子位置)，進(jìn)而向永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子通入三相交流電，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動(dòng)勢(shì)及建立的電樞磁場(chǎng)，一方面切割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一方面以電磁力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)。隨著加速踏板行程不斷加大，電機(jī)控制器控制的6個(gè)IGBT導(dǎo)通頻率上升，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著電流的增加而增加，因此，起步時(shí)基本上擁有最大的轉(zhuǎn)矩。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電動(dòng)機(jī)的功率也增加，同時(shí)電壓也隨之增加。在電動(dòng)汽車(chē)上，一般要求電動(dòng)機(jī)的輸出功率保持恒定，即電動(dòng)機(jī)的輸出功率不隨轉(zhuǎn)速增加而變化，這要求在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電壓保持恒定。

與此同時(shí)，電機(jī)控制器也會(huì)通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器，感知電機(jī)當(dāng)前功率、消耗電流大小、電壓大小，并把這些信息數(shù)據(jù)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳送給儀表、整車(chē)控制器，其具體工作原理如圖16所示。

2.R擋倒車(chē)時(shí)

當(dāng)駕駛員掛R擋時(shí)，駕駛員請(qǐng)求信號(hào)發(fā)給VCU，再通過(guò)CAN線(xiàn)發(fā)送給MCU，此時(shí)MCU結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置(旋變傳感器)信息，通過(guò)改變IGBT模塊改變W/V/U通電順序，進(jìn)而控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖15 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制策略

圖16 D擋工作原理

3.制動(dòng)時(shí)能量回收

駕駛員松開(kāi)加速踏板時(shí)，電機(jī)由于慣性仍在旋轉(zhuǎn)，設(shè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速為V輪、電機(jī)轉(zhuǎn)速為V電機(jī)，設(shè)車(chē)輪與電機(jī)之間固定傳動(dòng)比為K，當(dāng)車(chē)輛減速時(shí)，V輪K＜V電機(jī)時(shí)，電機(jī)仍是動(dòng)力源，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)V輪K＞V電機(jī)時(shí)，此時(shí)電機(jī)由于被車(chē)輛拖動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)(圖17)。

BMS可以根據(jù)電池充電特性曲線(xiàn)(充電電流、電壓變化曲線(xiàn)與電池容量的關(guān)系)和采集電池溫度等參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的允許最大充電電流。MCU根據(jù)電池允許最大充電電流，通過(guò)控制IGBT模塊，使“發(fā)電機(jī)”定子線(xiàn)圈旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度保持到發(fā)電電流不超過(guò)允許最大充電電流，以調(diào)整發(fā)電機(jī)向蓄電池充電的電流，同時(shí)這也控制了車(chē)輛的減速度，具體過(guò)程如圖18所示。

圖17 驅(qū)動(dòng)電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)

當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，MCU輸出的電流頻率會(huì)急劇下降，饋能電流在MCU的調(diào)節(jié)下充入高壓電池，當(dāng)IGBT全部關(guān)閉時(shí)在當(dāng)前的反拖速度和模式下為最大饋能狀態(tài)，此時(shí)MCU對(duì)“發(fā)電機(jī)”沒(méi)有實(shí)施速度和電流的調(diào)整，“發(fā)電機(jī)”所發(fā)的電量全部轉(zhuǎn)移給蓄電池，由于發(fā)電機(jī)負(fù)載較大，此時(shí)車(chē)輛減速也較快。在此期間能量回收的原則是：①電池包溫度低于5℃時(shí)，能量不回收；②單體電壓在4.05～4.12V時(shí)，能量回收6.1kW，單體電壓超過(guò)4.12V時(shí)，能量不回收，低于4.05V時(shí)，能量滿(mǎn)反饋；③SOC大于95%、車(chē)速低于30km/h時(shí)沒(méi)有能量回收功能，且能量回收及輔助制動(dòng)力大小與車(chē)速和制動(dòng)踏板行程相關(guān)。

圖18 反向電流的施加

4.E擋行駛時(shí)

E擋為能量回收擋，在車(chē)輛正常行駛時(shí)E擋與D擋的根本區(qū)別在于MCU和VCU內(nèi)部程序、控制策略不同。在加速行駛時(shí)E擋相對(duì)于D擋來(lái)說(shuō)提速較為平緩，蓄電池放電電流也較為平緩，目的是盡可能節(jié)省電量以延長(zhǎng)行駛距離，而D擋提速較為靈敏，響應(yīng)較快。在松開(kāi)加速踏板時(shí)，E擋更注重于能量回收，驅(qū)動(dòng)電機(jī)被車(chē)輪反拖發(fā)電時(shí)所需的“機(jī)械能”牽制了車(chē)輛的滑行，從而也起到了一定的制動(dòng)效果，所以E擋行車(chē)時(shí)車(chē)輛的滑行距離比D擋短。

審核編輯：湯梓紅