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【修车宝典】蔚来ET5T电驱系统的功能,电机结构系统关系解析

2024-09-10 11:07
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概述

EDS(电驱系统)负责车辆的动力输出,能够将高压电池包的直流能量用可控的方式转化为机械扭矩,传递给车轮以驱动车辆,另外,还可以在车辆制动状态下,回收制动能量向高压电池包充电,以及实现反转倒车等功能。车辆配备了2个 EDS(电驱系统),前电驱系统安装在前副车架上,采用150KW异步感应电机;后电驱系统安装在后副车架上,采用210kW永磁同步电机。EDS(电驱系统)防护等级满足IP6K9K 和 IP67。

正常行驶时,80% 的工况下都只会用后210永磁同步电机的,所以车辆大部分情况下都是后驱,操控性能更好。150KW异步感应电机主要为助力作用,所以异步电机使用的工况会相对小些。维修资料库系统 点这里

EDS(电驱系统)由三个主要部件组成,分别是逆变器、驱动电机和齿轮箱。150KW和210KW电机采用了三合一的中间壳体设计,逆变器、驱动电机和齿轮箱均安装在三合一中间壳体上,无法单独更换逆变器总成、驱动电机总成和齿轮总成,需开盖才可维修。电机和逆变器需要从车辆热管理系统获取冷却液进行散热,逆变器和电机在冷却回路上串联,冷却液先通过逆变器,然后通过电机。此外,在电池系统在低温下需要加热时,EDS(电驱系统)还可以通过冷却系统主动对电池系统进行加热,前后电机最大可提供约4KW的加热功率。

双电机的设计,能提高行驶安全性,在一个电机出现故障的情况下,另一个电机仍能够保证车辆行驶至安全区域。当一个电机出现三级故障时,此电机将会被限制功率,另一个电机仍能正常工作,车辆能正常行驶。当一个电机被禁用时,另一个电机仍能正常工作,车辆将会被限速85km/h行驶。

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逆变器(150kW)

逆变器是电驱系统的控制接口,它同 VCU(车辆控制器)进行通讯,来控制需要的转矩。它还对电机的状态进行检测、管理,将相应的电机状态,如母线电压、电流、温度、故障状态以及电机当前许用扭矩等信息,通过 CAN(控制器局域网)网络发送给 VCU(车辆控制器)。同时,逆变器也是电驱系统的逆变单元,负责把电池的直流能量转变成交流能量并提供给电机,或者相反把交流能量转变为直流能量并提供给动力电池包。在逆变器上有高压插头,分别接入高压正极和高压负极。逆变器和驱动电机之间通过AC铜排进行高压电气连接,交流母排通过螺栓安装在电机和逆变器中间的壳体上。

150kW电驱系统的逆变器,集成安装在电驱系统三合一中间壳体的一侧,形成了一个单独的腔体,在拆装或更换腔体内零件之后,为确保防护等级和气密性能,须进行逆变器的气密测试。腔体内主要包含如下零件:

  1. 上盖
  2. 逆变核
  3. 低压连接器 - PEU至整车
  4. 平衡阀
  5. 接线端子盖板
  6. AC铜排
  7. 低压连接器 - PEU至EM
  8. 高压直流连接器
  9. 屏蔽板

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逆变核是逆变器中最核心的零件,包含控制板、功率模块、滤波电容等零件,具体结构如下:

  1. 控制板
  2. 防护板
  3. IGBT硅基功率模块
  4. 放电电阻
  5. 冷却器总成
  6. 滤波直流母线电容

当车辆启动后,动力电池包向电驱系统供电,高压直流电源通过高压连接器,经过滤波给母线电容充电,电容将电流输送到功率模块总成,根据控制板的控制信号,功率模块将输入的高压直流电转换为可驱动电机运转的交流电,电机开始运转,实现将电能转换为机械能。

当车辆减速并进行能量回收时,三相电机将发出相交流电,经IGBT中的二级管进行整流,再通过母线电容滤波,转换为直流电并给电池包充电。

控制板

整个EDS的大脑,负责与整车控制模块通讯,同时控制电机的正常运转。

放电电阻

在整车下电后,泄放母线电容中的电,防止在检修PEU内部时产生触电风险。在PEU内部检修时,为防止放电电阻的失效,都需先确认滤波直流母线电容中有无残余电压,再进行相关维修操作。

冷却器总成维修资料库系统 点这里

冷却器总成主要用来冷却功率模块在工作过程中产生的热量。

滤波直流母线电容

包括X电容,Y电容、磁环、母线电容等,其中X电容,Y电容、磁环主要是为了滤除电路中的高频波,抑制电磁干扰;母线电容主要是起到稳压和放电的功能,母线电容相当于电量的蓄水池,如急加速时,电机所需电量突然增加很多,母线电容就可临时放电,起到稳定电路电压的作用。

功率模块

150kW电驱系统的功率模块采用IGBT功率模块,通过控制板发出的信号控制IGBT工作,通过IGBT的高频通断,使其输出一系列脉冲,用以得到等效的正弦波或所需要的波形,控制电流在三个电路中的方向及通断时间,从而将直流电源转化为三相交流电,使电机进行运转。

驱动电机(150kW)

此驱动电机为三相交流异步电机。异步是指三相异步电动机转子的转速总是略高于或低于旋转磁场的转速,即不同步。因为其转子绕组因与磁场间存在着相对运动而才感生电动势和电流,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。

当定子的对称三相绕组连接到三相电源上时,绕组内将通入对称三相电流,并在空间产生旋转磁场,磁场沿定子内圆周方向旋转,当磁场旋转时,转子绕组的导体切割磁通将产生感应电动势E,由于电动势E的存在,转子绕组中将产生转子电流I。根据安培电磁力定律,转子电流与旋转磁场相互作用将产生电磁力F该力在转子的轴上形成电磁转矩,且转矩的作用方向与旋转磁场的旋转方向相同,转子受此转矩作用,便按旋转磁场的旋转方向旋转起来。

150KW电机主要由定子、转子、旋变定子和旋变转子组成,具体如下图:

  1. 旋变定子
  2. 旋变转子
  3. 电机转子
  4. 电机定子

电机定子

150kW电机定子包含定子铁芯、圆铜线、NTC温度传感器等主要零件,定子铁芯采用B35AV1700无取向硅钢片加工制成,与壳体之间采用热套安装,硅钢片有48槽,槽内采用0.83mm的圆铜线,每槽9匝,绕成三相绕组,每两相绕组间的线电阻在23°C时为16.5mΩ±3%,对地绝缘电阻大于100兆欧(@1000V,持续5s)。绕组内部预埋了两个NTC温度传感器,用于检测电机内部的温度信号,NTC电阻为40.95~71.22千欧。

电机转子

150kW电机转子为笼型铸铝转子,包含转子轴和铁芯组成,其中转子轴为一体式齿轮轴,采用20MnCrS5表面渗碳合金钢制成,齿轮为25齿的左旋式渐开线斜齿轮。铁芯采用铸铝和无取向硅钢片制成,转子轴和铁芯之间,通过热套结合。电机转子具有较高的动平衡精度要求,当转子组装完成后,通过在铁芯轴端去重打孔的方式来进行动平衡调定,在2000rpm转速下,单侧不平衡量小于0.19克。

旋变定/转子

150kW电机的转子轴端,设置有4极对数磁阻式旋转变压器,用于监测电机转子的位置和转速,并将采集信号发送给电机控制器。旋变转子由多层冲压钢片叠制而成,通过平键槽与电机转子轴进行定位连接,旋转速度与电机转子轴一致。旋变定子通过螺栓安装在电机侧端盖上,内部具备3个感应线圈,分别为励磁线圈、正弦线圈和余弦线圈,正弦线圈与余弦线圈彼此相差90度电位角。在电机工作时,励磁线圈(R1/R2)被持续施加电压,产生磁场,正、余弦两个感应线圈将依据旋变转子和定子的位置关系,调制出正弦和余弦的输出信号(S1/S3,S2/S4),电机控制器接收信号后,解析出电机转子的位置和速度。正常工况下,旋变定子各线圈相应的阻值如下图所示:

旋变定子通过12针接插件与车辆线束相关,接插件信息如下:

针脚号线色功能定义1——2白R13蓝S44黑S35——6绿温度传感器27绿R28黄S29红S110红温度传感器111白温度传感器1接地12蓝温度传感器2接地

齿轮箱(150kW)

齿轮箱采用传动比为9.787的单挡常啮合传动齿轮,不具备物理空挡功能,主要实现降低转速,增加扭矩的功能,并把驱动电机的扭矩传递到驱动半轴和车轮。

齿轮箱内主要包含差速器总成、差速器支承板、中间轴总成、以及锥轴承等主要零件。差速器及中间轴的轴端设置有调节垫片,垫片具有多挡规格,在维修过程中,须根据实际测量结果,进行不同厚度垫片的选配。

  1. 差速器支承板
  2. 差速器总成
  3. 中间轴总成

差速器

差速器壳体采用D500球墨铸铁铸造制成,外部套压20MnCrS5表面渗碳合金钢制成的减速齿圈,齿圈采用左旋的渐开线斜齿,共计67齿。差速器壳体内部具有2个小齿轮和2个侧齿轮,其中侧齿轮分别为25齿和27齿,采用SCM 820H渗碳合金钢材料,均为锥齿轮,用于传动力矩至车轮驱动轴,并可使左右车轮有轮速差。

中间轴

中间轴总成为一体式齿轮轴,用于将电机转子轴输出的力矩传递至差速器,中间轴上具有两个斜齿轮,分别为与电机转子轴啮合的84齿,和与差速器外齿圈啮合的23齿,中间轴齿轮均为右旋的渐开线斜齿。

齿轮箱内部有润滑油,通过齿轮旋转和导油槽,对齿轮进行飞溅润滑。

电机在通电运行过程中,电机转子轴旋转,通过齿轮将运动传递至中间轴大齿轮,并同时进行3.36(84/25)速比的降速,中间轴大齿轮带动同轴的小齿轮同步旋转,将运动传递至差速器大齿圈,并同时进行2.913(67/23)速比的降速,差速器齿圈带动壳体旋转,并将运动传递至差速器内部的侧齿轮,驱动轴将旋转运动传递至车辆,带动车辆前进或后退。此外,电机转子与输出轴同轴线,使得150 EDS的整体结构更加紧凑

逆变器(210kW)

逆变器是电驱系统的控制接口,它同 VCU(车辆控制器)进行通讯,来控制需要的转矩。它还对电机的状态进行检测、管理,将相应的电机状态,如母线电压、电流、温度、故障状态以及电机当前许用扭矩等信息,通过 CAN(控制器局域网)网络发送给 VCU(车辆控制器)。同时,逆变器也是电驱系统的逆变单元,负责把电池的直流能量转变成交流能量并提供给电机,或者相反把交流能量转变为直流能量并提供给动力电池包。在逆变器上有高压插头,分别接入高压正极和高压负极。逆变器和驱动电机之间通过3根交流母排进行高压电气连接,交流母排通过螺栓安装在电机和逆变器中间的壳体上。

210kW电驱系统的逆变器,集成安装在电驱系统三合一中间壳体的一侧,形成了一个单独的腔体,在拆装或更换腔体内零件之后,为确保防护等级和气密性能,须进行逆变器的气密测试。腔体内主要包含如下零件:

  1. 高压连接器底座
  2. 上盖板
  3. 逆变核
  4. 低压连接器
  5. AC铜排
  6. 后端盖板
  7. 低压连接器 - PEU至EM

逆变核是逆变器中最核心的零件,包含控制板、功率模块、滤波电容等零件。当车辆启动后,动力电池包向电驱系统供电,高压直流电源通过高压连接器,经过滤波给母线电容充电,电容将电流输送到功率模块总成,根据控制板的控制信号,功率模块将输入的高压直流电转换为可驱动电机运转的三相交流电,电机开始运转,实现将电能转换为机械能。

  1. 控制板
  2. 防护板
  3. SiC碳化硅功率模块
  4. 放电电阻
  5. 冷却器总成
  6. 滤波电容

控制板

整个EDS的大脑,负责与整车控制模块通讯,同时控制电机的正常运转。

放电电阻

在整车下电后,泄放母线电容中的电,防止在检修PEU内部时产生触电风险。在PEU内部检修时,为防止放电电阻的失效,都需先确认滤波直流母线电容中有无残余电压,再进行相关维修操作。

冷却器总成

冷却器总成主要用来冷却功率模块在工作过程中产生的热量。

滤波直流母线电容

包括X电容,Y电容、磁环、母线电容等,其中X电容,Y电容、磁环主要是为了滤除电路中的高频波,抑制电磁干扰;母线电容主要是起到稳压和放电的功能,母线电容相当于电量的蓄水池,如急加速时,电机所需电量突然增加很多,母线电容就可临时放电,起到稳定电路电压的作用。

功率模块

210kW电驱系统的功率模块采用SiC功率模块,通过控制板发出的信号控制功率模块工作,通过高频通断,使其输出一系列脉冲,用以得到等效的正弦波或所需要的波形,控制电流在三个电路中的方向及通断时间,从而将直流电源转化为三相交流电,使电机进行运转。

210kW电驱系统的功率模块采用SiC碳化硅功率模块,相较于硅基IGBT模块,SiC碳化硅模块更耐高温,同等体积下最大电流能力提升30%以上,适合更宽电压范围工作,扩展兼容性更好,同时,开关通断速度更快,综合损耗大幅降低,可有效提升续航。

驱动电机(210kW)

此驱动电机为永磁同步电机,磁场发生改变的瞬间能够马上产生跟随的趋势以及力量。此电机组成部分中,定子为3相绕组,转子为永磁。

转子是类似多根条形磁铁组装而成的一个SN极间隔的磁铁。线圈的磁场会因为断电而消失,但是转子却是磁性很强的磁铁组成,磁场并不会消失,因此他的磁场理论上可以长久存在,因此称之为永磁。

线圈通电后,产生一磁场,永磁转子相当于一个条形磁铁,根据同性相斥,异性相吸的原理,驱动转子转动。

210KW电机主要由电机定子、电机转子、旋变定子和转子组成,具体如下图:

  1. 旋变定子
  2. 旋变转子
  3. 电机转子
  4. 电机定子

电机定子

210kW电机定子包含定子铁芯、扁铜线、NTC温度传感器、三相引出线等主要零件,定子铁芯采用B27AHV1400无取向硅钢片旋转叠压加工制成,与壳体之间采用热套安装。硅钢片有48槽,槽内采用扁铜线,每槽8匝,通过对铜线端部的焊接组成三相绕组,每两相绕组间的线电阻在23°C时为16.5mΩ±3%,对地绝缘电阻大于100兆欧(@1000V,持续5s)。绕组内部预埋了两个NTC温度传感器,用于检测电机内部的温度信号,NTC电阻为40.95~71.22千欧。

电机转子

210kW电机转子包含转子轴、铁芯、挡板和压圈等组成,永磁体内置于铁芯内部,其中转子轴为一体式齿轮轴,采用20MnCrS5表面渗碳合金钢制成,齿轮为26齿的左旋式渐开线斜齿轮。铁芯采用6叠B35AV1700无取向硅钢片制成,转子轴和铁芯之间,通过热套结合,两端设置铝合金压板和钢制压环,用于限定铁芯和转子轴的位置。电机转子具有较高的动平衡精度要求,当转子组装完成后,通过在铁芯轴端去重打孔的方式来进行动平衡调定,在2000rpm转速下,单侧不平衡量小于188毫克。

旋变定/转子

210kW电机的转子轴端,设置有4极对数磁阻式旋转变压器,用于监测电机转子的位置和转速,并将采集信号发送给电机控制器。旋变转子由多层冲压钢片叠制而成,通过平键槽与电机转子轴进行定位连接,旋转速度与电机转子轴一致。旋变定子通过螺栓安装在电机侧端盖上,内部具备3个感应线圈,分别为励磁线圈、正弦线圈和余弦线圈,正弦线圈与余弦线圈彼此相差90度电位角。在电机工作时,励磁线圈(R1/R2)被持续施加电压,产生磁场,正、余弦两个感应线圈将依据旋变转子和定子的位置关系,调制出正弦和余弦的输出信号(S1/S3,S2/S4),电机控制器接收信号后,解析出电机转子的位置和速度。正常工况下,旋变定子各线圈相应的阻值如下图所示:

对应永磁电机而言,电机转子具有磁性,磁极方向为其固有属性。电机定子感应磁场方向与电机转子永磁场方向的夹角会影响电机的输出扭矩、工作效率和NVH等,需控制其在一个较优值。当电机定子初始感应磁场方向与电机转子永磁场方向相同时,此时旋变传感器测量出的角度值,即为旋变初始角。电机在生产下线测试时,会测量旋变初始角并写入到控制程序中。在售后维修的过程中,如电机定/转子,旋变定/转子,发生过拆装或更换,旋变初始角相对于出厂时候的值会发生变更,需通过诊断仪中的旋变初始角自学习功能完成相应的角度重新标定。

齿轮箱(210kW)

齿轮箱采用传动比为10.543的单挡常啮合传动齿轮,不具备物理空挡功能,主要实现降低转速,增加扭矩的功能,并把驱动电机的扭矩传递到驱动半轴和车轮。

齿轮箱内主要包含差速器总成、中间轴总成、以及锥轴承等主要零件。差速器及中间轴的轴端设置有调节垫片,垫片具有多挡规格,在维修过程中,须根据实际测量结果,进行不同厚度垫片的选配。

  1. 差速器总成
  2. 中间轴总成

差速器

差速器壳体采用D500球墨铸铁铸造制成,外部套压20MnCrS5表面渗碳合金钢制成的减速齿圈,齿圈采用左旋的渐开线斜齿,共计89齿。差速器壳体内部具有2个小齿轮和2个侧齿轮,采用SCM 820H渗碳合金钢材料,均为锥齿轮,用于传动力矩至车轮驱动轴,并可使左右车轮有轮速差。

中间轴

中间轴总成包含中间齿轮轴和大齿轮,两者之间通过花键热压连接,中间轴总成用于将电机转子轴输出的力矩传递至差速器,中间轴上具有两个斜齿轮,分别为与电机转子轴啮合的77齿,和与差速器外齿圈啮合的25齿,中间轴齿轮均为右旋的渐开线斜齿。

齿轮箱内部有润滑油,通过齿轮旋转和导油槽,对齿轮进行飞溅润滑。

电机在通电运行过程中,电机转子轴旋转,通过齿轮将运动传递至中间轴大齿轮,并同时进行2.962(77/26)速比的降速,中间轴大齿轮带动同轴的小齿轮同步旋转,将运动传递至差速器大齿圈,并同时进行3.56(89/25)速比的降速,差速器齿圈带动壳体旋转,并将运动传递至差速器内部的侧齿轮,驱动轴将旋转运动传递至车辆,带动车辆前进或后退。

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