《電動汽車工程手冊 第五卷 驅動電機與電力電子》從電動汽車應用需求出發(fā)，系統(tǒng)梳理了車用驅動電機與電力電子變換器的設計理論與工程方案。本卷結合案例分析，從驅動電機系統(tǒng)的關鍵材料和零部件、永磁電機、異步電機、電機控制器的功率電路、驅動與控制電路、驅動電機調速原理及控制方法、軟件設計與功能安全等進行了全面的闡述；同時對電動汽車的高速減速器和DC/DC 變換器兩個專用零部件進行了介紹，對電驅動總成振動噪聲和電磁兼容做了專題分析。本卷總結了編者和編寫團隊多年來在電動汽車驅動電機及其控制系統(tǒng)領域的設計、工程開發(fā)及應用經驗，突出驅動電機及其控制系統(tǒng)在電動汽車中的應用解決方案，為廣大工程技術人員提供工程參考。
第 1 篇 基 礎 知 識
第1章概述
1.1 電動汽車驅動電機系統(tǒng) ………………………………………… 3
1.2 驅動電機系統(tǒng)的設計要求 ……………………………………… 4
1.2.1 電動汽車對驅動電機系統(tǒng)的設計需求 ………………… 4
1.2.2 驅動電機系統(tǒng)的主要類型 ……………………………… 6
1.3 車用驅動電機系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 ………………………… 7
1.3.1 我國車用驅動電機系統(tǒng)產業(yè)總體發(fā)展概況 …………… 7
1.3.2 我國車用驅動電機系統(tǒng)總體技術進展概況 …………… 9
1.3.3 國外車用驅動電機系統(tǒng)技術發(fā)展概況 ………………… 19
1.3.4 輪轂電機發(fā)展概況 ……………………………………… 24
1.3.5 我國電動汽車驅動電機系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢 …………… 31
參考文獻 ……………………………………………………………… 32
第 2 篇 驅 動 電 機
第2章 零部件 關鍵材料和 驅動電機的
2.1 無取向硅鋼材料 ………………………………………………… 35
2.1.1 性能要求 ………………………………………………… 35
2.1.2 材料特性 ………………………………………………… 36
2.1.3 影響因素分析 …………………………………………… 40
2.1.4 典型產品 ………………………………………………… 42
2.2 稀土永磁材料 …………………………………………………… 44
2.2.1 性能要求 ………………………………………………… 44
2.2.2 主要成分 ………………………………………………… 45
2.2.3 制備工藝 ………………………………………………… 47
2.2.4 典型產品 ………………………………………………… 49
2.3 絕緣系統(tǒng) ………………………………………………………… 50
2.3.1 漆包線 …………………………………………………… 51
2.3.2 絕緣材料 ………………………………………………… 53
2.4 高速軸承 ………………………………………………………… 56
2.4.1 性能要求 ………………………………………………… 56
2.4.2 主要類型及結構 ………………………………………… 56
2.4.3 選型及關鍵指標 ………………………………………… 57
2.4.4 壽命校核 ………………………………………………… 58
2.5 位置傳感器 ……………………………………………………… 60
2.5.1 旋轉變壓器 ……………………………………………… 60
2.5.2 磁編碼器 ………………………………………………… 63
參考文獻 ……………………………………………………………… 68
第3章永磁同步電機
3.1 概述 ……………………………………………………………… 71
3.2 主要結構及零部件 ……………………………………………… 73
3.2.1 基本結構 ………………………………………………… 73
3.2.2 定子總成 ………………………………………………… 74
3.2.3 轉子總成 ………………………………………………… 81
3.2.4 冷卻結構 ………………………………………………… 84
3.3 永磁同步電機穩(wěn)態(tài)工作特性 …………………………………… 87
3.3.1 電壓方程式和相量圖 …………………………………… 87
3.3.2 功率和轉矩 ……………………………………………… 89
3.4 永磁同步電機的變頻調速特性 ………………………………… 90
3.4.1 電壓極限橢圓和電流極限圓 …………………………… 90
3.4.2 恒轉矩曲線和最大轉矩電流比曲線 …………………… 91
3.4.3 弱磁控制與最大轉矩電壓比曲線 ……………………… 92
3.4.4 定子電流最佳控制運行 ………………………………… 93
3.5 永磁同步電機多領域集成與多層面協(xié)同設計方法 …………… 96
3.5.1 基本設計準則 …………………………………………… 96
3.5.2 永磁同步電機多領域集成設計方法 …………………… 97
3.5.3 永磁同步電機多層面協(xié)同仿真 ……………………… 103
3.5.4 樣機設計及驗證 ……………………………………… 107
參考文獻 ……………………………………………………………… 111
第4章 動電機 異步驅
4.1 概述 ………………………………………………………………113
4.2 異步驅動電機結構 ………………………………………………115
4.2.1 基本結構 …………………………………………………115
4.2.2 轉子 ………………………………………………………116
4.2.3 測速系統(tǒng) …………………………………………………118
4.3 異步驅動電機穩(wěn)態(tài)工作特性 ……………………………………119
4.3.1 運行原理 …………………………………………………119
4.3.2 穩(wěn)態(tài)運行特性 ………………………………………… 120
4.4 異步驅動電機變頻運行 ……………………………………… 123
4.4.1 恒磁通區(qū)的運行特性 ………………………………… 124
4.4.2 恒電壓區(qū)驅動電機的運行特點 ……………………… 124
4.5 基于多領域集成與多層面協(xié)同的異步驅動電機設計方法 … 125
4.5.1 設計任務 ……………………………………………… 125
4.5.2 設計流程 ……………………………………………… 126
4.5.3 設計方法 ……………………………………………… 133
參考文獻 …………………………………………………………… 138
第5章高速減速器
5.1 概述 …………………………………………………………… 139
5.1.1 高速減速器的工作原理 ……………………………… 139
5.1.2 基本類型 ……………………………………………… 139
5.2 主要結構及零部件 ………………………………………………141
5.2.1 減速機構 ……………………………………………… 142
5.2.2 駐車機構 …………………………………………………151
5.2.3 箱體 …………………………………………………… 160
5.2.4 差速器 ……………………………………………………161
5.2.5 密封 …………………………………………………… 162
5.3 減速器的特性（高速性）及設計 …………………………… 162
5.3.1 減速器的特性 ………………………………………… 162
5.3.2 減速器設計 …………………………………………… 162
5.4 典型高速減速器產品 ………………………………………… 164
5.4.1 橫置減速器 …………………………………………… 164
5.4.2 縱置減速器 …………………………………………… 166
5.4.3 兩檔減速器 …………………………………………… 166
參考文獻 …………………………………………………………… 169
第6章電驅動總成振動噪聲
6.1 電驅動總成振動噪聲分類 ………………………………………171
6.1.1 電驅動總成振動噪聲概述 ………………………………171
6.1.2 機械振動噪聲 ………………………………………… 172
6.1.3 氣動噪聲 ……………………………………………… 174
6.1.4 電流諧波噪聲 ………………………………………… 175
6.1.5 電磁振動噪聲 ………………………………………… 176
6.1.6 減速器噪聲 …………………………………………… 177
6.2 電驅動總成振動模態(tài) ………………………………………… 179
6.2.1 電機振動模態(tài) ………………………………………… 180
6.2.2 減速器振動模態(tài) …………………………………………181
6.3 電機徑向電磁力 ……………………………………………… 182
6.4 齒輪動態(tài)嚙合力 ……………………………………………… 184
6.4.1 齒輪嚙合剛度激勵 …………………………………… 184
6.4.2 齒輪嚙合誤差激勵 …………………………………… 186
6.4.3 齒輪嚙合沖擊激勵 …………………………………… 188
6.4.4 減速器殼體輻射噪聲 ………………………………… 188
6.5 電驅動總成噪聲的評價 ……………………………………… 188
6.5.1 基本聲學參數 ………………………………………… 189
6.5.2 聲品質參數 …………………………………………… 190
6.6 電驅動總成噪聲的測量方法 ………………………………… 196
6.6.1 測量要求 ……………………………………………… 196
6.6.2 聲功率級的測定 ……………………………………… 196
6.6.3 表面聲壓級的測定 …………………………………… 197
參考文獻 …………………………………………………………… 199
第 3 篇 電 力 電 子
第7章電機控制器的關鍵零部件
7.1 功率器件 ……………………………………………………… 203
7.1.1 IGBT 功率器件 ……………………………………… 203
7.1.2 SiC 功率器件 ………………………………………… 207
7.2 支撐電容 …………………………………………………………211
7.2.1 直流電容器參數需求 ……………………………………211
7.2.2 膜電容器技術特點 …………………………………… 212
7.2.3 膜電容器關鍵技術 …………………………………… 214
7.3 傳感器 ………………………………………………………… 216
7.3.1 電流傳感器 …………………………………………… 216
7.3.2 溫度傳感器 …………………………………………… 218
7.4 濾波器 ………………………………………………………… 219
7.4.1 濾波器基本需求 ……………………………………… 219
7.4.2 車用濾波器設計 ……………………………………… 220
參考文獻 …………………………………………………………… 223
第8章功率電路集成
8.1 電力電子集成設計方法 ……………………………………… 227
8.1.1 電力電子集成設計概念 ……………………………… 227
8.1.2 電力電子集成設計實現(xiàn) ……………………………… 228
8.2 電力電子集成設計實例 ……………………………………… 232
8.2.1 單電機控制器 ………………………………………… 232
8.2.2 DC/AC+DC/DC 集成控制器 ………………………… 234
8.2.3 雙電機控制器 ………………………………………… 236
參考文獻 …………………………………………………………… 239
第9章控制與驅動電路
9.1 微控制器 ……………………………………………………… 241
9.1.1 恩智浦 MPC5643L …………………………………… 241
9.1.2 恩智浦 MPC5744P …………………………………… 245
9.1.3 英飛凌 TC275 ………………………………………… 248
9.2 MCU 控制電路設計 ………………………………………… 251
9.2.1 MCU 供電電源配置 ………………………………… 251
9.2.2 MCU 外圍電路配置 ………………………………… 252
9.3 開關電源設計 ………………………………………………… 256
9.3.1 開關電源的主要拓撲結構 …………………………… 256
9.3.2 反激式開關電源設計 ………………………………… 262
9.4 信號處理電路設計 …………………………………………… 266
9.4.1 溫度采樣電路 ………………………………………… 266
9.4.2 電壓采樣電路 ………………………………………… 267
9.4.3 電流采樣電路 ………………………………………… 267
9.4.4 旋變解碼電路 ………………………………………… 268
9.5 驅動電路設計 ………………………………………………… 271
9.5.1 典型驅動電路的隔離方式 …………………………… 271
9.5.2 驅動電路參數設計 …………………………………… 273
參考文獻 …………………………………………………………… 275
第 10 章驅動電機系統(tǒng)控制算法及軟件架構
10.1 永磁同步電機控制方法 …………………………………… 277
10.1.1 永磁同步電機矢量控制方法 ……………………… 277
10.1.2 永磁同步電機直接轉矩控制方法 ………………… 282
10.1.3 永磁同步電機兩種控制方法的比較 ……………… 287
10.2 交流異步電機控制方法 …………………………………… 288
10.2.1 基本控制方法 ……………………………………… 288
10.2.2 交流異步電機動態(tài)數學模型 ……………………… 289
10.2.3 交流異步電機矢量控制系統(tǒng) ……………………… 291
10.2.4 交流異步電機直接轉矩控制系統(tǒng) ………………… 293
10.3 AUTOSAR 軟件架構 ……………………………………… 295
10.3.1 基礎軟件層 ………………………………………… 299
10.3.2 應用軟件層 ………………………………………… 306
10.4 電機軟件設計方法及流程 ………………………………… 312
10.4.1 CMMI 和 ASPICE 模型 …………………………… 312
10.4.2 MCU 軟件開發(fā)流程 ………………………………… 313
10.4.3 MISRA-C 規(guī)范 ……………………………………… 315
參考文獻 …………………………………………………………… 316
第 11 章 統(tǒng)功能安全 驅動電機系
11.1 功能安全標準………………………………………………… 317
11.2 概念階段的功能安全開發(fā) ………………………………… 321
11.3 系統(tǒng)功能安全開發(fā) ………………………………………… 322
11.4 硬件功能安全開發(fā) ………………………………………… 323
11.5 軟件功能安全開發(fā)…………………………………………… 326
11.6 功能安全產品生產發(fā)布 …………………………………… 329
參考文獻 …………………………………………………………… 330
第 12 章 DC/DC 變換器
12.1 分類及原理 ………………………………………………… 333
12.2 DC/DC 降壓變換器………………………………………… 334
12.2.1 電路結構 …………………………………………… 334
12.2.2 工作原理 …………………………………………… 335
12.2.3 工作模式 …………………………………………… 335
12.2.4 CCM 降壓變換器的輸出電壓 ……………………… 336
12.2.5 CCM 降壓變換器的電感紋波電流 ………………… 337
12.2.6 CCM 降壓變換器的電容紋波電壓 ………………… 338
12.2.7 CCM 與 DCM 的邊界 ……………………………… 339
12.2.8 DCM 電路的輸出電壓 ……………………………… 340
12.3 DC/DC 升壓變換器………………………………………… 341
12.3.1 電路結構 …………………………………………… 341
12.3.2 工作原理 …………………………………………… 342
12.3.3 CCM 升壓變換器的輸出電壓 ……………………… 342
12.3.4 CCM 升壓變換器的電感紋波電流 ………………… 343
12.3.5 CCM 升壓變換器的電容紋波電壓 ………………… 344
12.3.6 CCM 和 DCM 的邊界 ……………………………… 344
12.3.7 DCM 電路的輸出電壓 ……………………………… 345
12.4 DC/DC 變換器組合電路…………………………………… 346
12.4.1 半橋 DC/DC 變換器電路 …………………………… 346
12.4.2 H 橋 DC/DC 變換器電路 …………………………… 346
12.5 DC/DC 隔離變換器………………………………………… 347
12.5.1 單端正激式 DC/DC 隔離變換器電路 ……………… 347
12.5.2 H 橋式 DC/DC 隔離變換器電路 …………………… 348
12.6 諧振式 DC/DC 變換器 …………………………………… 349
12.7 DC/DC 變換器車載應用…………………………………… 350
12.7.1 電驅動系統(tǒng)雙向 DC/DC 變換器 …………………… 351
12.7.2 高低壓變換隔離 DC/DC 變換器 …………………… 352
12.7.3 48V 混合動力系統(tǒng) DC/DC 變換器 ………………… 352
參考文獻 …………………………………………………………… 353
第 13 章 驅動電機系統(tǒng)的電磁兼容
13.1 車用驅動電機系統(tǒng)電磁兼容機理 ………………………… 355
13.1.1 電磁干擾分類 ……………………………………… 355
13.1.2 差模干擾與共模干擾 ……………………………… 357
13.1.3 車用驅動電機系統(tǒng)干擾源分析 …………………… 358
13.1.4 車用驅動電機系統(tǒng)干擾傳輸路徑分析 …………… 358
13.2 車用驅動電機系統(tǒng)電磁干擾防治 ………………………… 362
13.2.1 電路 EMC 設計準則 ………………………………… 362
13.2.2 電磁干擾濾波器 …………………………………… 367
13.2.3 優(yōu)化驅動電路設計 ………………………………… 372
13.2.4 改進高頻調制策略 ………………………………… 373
13.2.5 改進電路拓撲 ……………………………………… 376
13.2.6 應用舉例 …………………………………………… 378
參考文獻 …………………………………………………………… 381
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