電動汽車動力部分結(jié)構(gòu)的原理及維修注意事項(一)

◆文/河北 周曉飛

周曉飛

汽車維修工，市青年崗位能手；1998年從事汽車維修行業(yè)至今，出版汽車相關(guān)圖書多部。

一、動力電池

1. 三元電池

三元電池是以鈷酸鋰、錳酸鋰或鎳酸鋰等化合物為正極，以可嵌入鋰離子的碳材料為負(fù)極，使用有機(jī)電解質(zhì)的電池。動力電池總成安裝在車體下部，動力電池的組成部件包括：各模組總成、CSC采集系統(tǒng)、電池控制單元(BMU)、電池高壓分配單元(B-BOX)、維修開關(guān)等部件。

2. 電池管理系統(tǒng)(BMS)

電池管理系統(tǒng)(BMS)能夠?qū)恿﹄姵亟M總電壓、總電流、每個測點(diǎn)溫度和電池單體的電壓參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，并進(jìn)行故障診斷、剩余電量比(SOC)計算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測、報警顯示、充放電模式選擇等。BMS可以將動力電池相關(guān)參數(shù)上報電動汽車整車控制器(VCU)由VCU控制動力電池的充電和放電功率。

3. 動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)電池單體

電池單體是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的基本單元裝置，包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼和端子等，并被設(shè)計成可充電。

(2)電池模組

電池模組是將一個以上的電池單體按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組合，且只有一對正負(fù)極輸出端子，并作為電源使用的組合體，如圖1。

(3)電池單元

電池單元由數(shù)十個電池單體或電池組串聯(lián)在一起，構(gòu)成一個電池單元。由數(shù)個電池單元串聯(lián)在一起，構(gòu)成動力電池總成。

(4)CSC采集系統(tǒng)

每一個電池單元有多個CSC采集系統(tǒng)，以監(jiān)測其中每個電池單體或電池組單體電壓和溫度信息。CSC采集系統(tǒng)將相關(guān)信息上報電池控制單元(BMU)并根據(jù)BMU的指令執(zhí)行單體電壓均衡。

圖1 動力電池(比亞迪秦)

(5)電池控制單元(BMU)

電池控制單元安裝于動力電池總成內(nèi)部，是電池管理系統(tǒng)核心部件，電池控制單元(BMU)將單體電壓、電流、溫度及整車高壓絕緣等信息上報整車控制器(VCU)并根據(jù)VCU 的指令完成對動力電池的控制。

(6)電池高壓分配單元

電池高壓分配單元安裝在動力電池總成的正負(fù)極輸出端，由高壓正極繼電器、高壓負(fù)極繼電器、預(yù)充繼電器、電流傳感器和預(yù)充電阻等組成。

(7)維修開關(guān)

維修開關(guān)位于動力電池總成中間表面位置，打開駕駛室內(nèi)副儀表手套箱開關(guān)，可操作維修開關(guān)。在高壓零部件檢查和維護(hù)前，斷開維修開關(guān)可以確保切斷高壓。

二、高壓配電系統(tǒng)

1. 任務(wù)功能

純電動車有一套高壓供電系統(tǒng)如圖2。高壓供電系統(tǒng)由動力電池給電機(jī)控制器、驅(qū)動電機(jī)、電動壓縮機(jī)、PTC加熱器等高壓部件提供能量。此外動力電池還有一套直流快充充電系統(tǒng)和一套交流慢充充電系統(tǒng)。這些所有的高壓部件都由高壓配電系統(tǒng)連接輸送電能。

圖2 前艙高壓電器(比亞迪秦)

2. 高壓配電系統(tǒng)系統(tǒng)原理

高壓配電系統(tǒng)主要包括以下部件：分線盒、直流充電接口、交流充電接口、直流母線及電機(jī)三相線。高壓配電系統(tǒng)原理示意圖如圖3。

圖3 高壓配電系統(tǒng)電氣原理圖

(1)分線盒

分線盒也叫高壓配電箱，是將動力電池總成輸送的電能分配給電機(jī)控制器、空調(diào)壓縮機(jī)和PTC加熱器。此外，交流慢充時，充電電流也會經(jīng)過分線盒流入動力電池為其充電。

分線盒內(nèi)對電動壓縮機(jī)回路、PTC加熱器回路、交流慢充回路各設(shè)有一個熔斷器。當(dāng)上述回路電流超過90A時，熔斷器會在15s內(nèi)熔斷，當(dāng)回路電流超過150A時，熔斷器會在1s內(nèi)熔斷，保護(hù)相關(guān)回路。分線盒電器原理圖如圖4。

(2)直流充電接口

直流充電接口能接收直流充電樁的電能，并通過高壓線束將電能輸送給動力電池總成，為其充電。

(3)交流充電接口(如配備)、直流母線

交流充電接口能接收交流充電樁的電能，并通過高壓線束將電能輸送給車載充電機(jī)，車載充電機(jī)將交流電轉(zhuǎn)化成直流電再傳遞給分線盒，分線盒經(jīng)過直流母線將直流電傳遞到動力電池，為其充電。能量傳遞路徑示意圖如圖5。

圖4 分線盒原理示意圖(帝豪EV)

圖5 能量傳路徑示意圖

(4)電機(jī)三相線

車輛行駛時，電流從動力電池依次經(jīng)過直流母線、分線盒、電機(jī)控制器高壓線、電機(jī)控制器、電機(jī)三相線到達(dá)驅(qū)動電機(jī)，產(chǎn)生驅(qū)動力。能量傳遞路徑示意圖如圖6，能量回收時傳遞路線相反。

圖6 驅(qū)動能量傳遞路徑示意圖

三、電機(jī)控制系統(tǒng)

1.電機(jī)控制器

(1)電機(jī)控制器功能

電機(jī)控制器安裝在前艙內(nèi)，采用CAN通訊控制，控制著動力電池組到電機(jī)之間能量的傳輸，同時采集電機(jī)位置信號和三相電流檢測信號，精確地控制驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。

電機(jī)控制器是一個既具備將動力電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電以驅(qū)動電機(jī)，同時具備將車輪旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換為電能(交流電轉(zhuǎn)換為直流電)給動力電池充電的設(shè)備。

車輛制動或滑行階段，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)應(yīng)用。它可以完成由車輪旋轉(zhuǎn)的動能到電能的轉(zhuǎn)換，給電池充電。

DC/DC集成在電機(jī)控制器內(nèi)部，其功能是將電池的高壓電轉(zhuǎn)換成低壓電，提供整車低壓系統(tǒng)供電。

電機(jī)控制器控制路徑原理示意圖如圖7，電機(jī)控制系統(tǒng)電氣原理示意圖如圖8。

圖7 電機(jī)控制器控制路徑原理示意圖

圖8 電機(jī)控制系統(tǒng)電氣原理示意圖

(2)電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)

電機(jī)控制器內(nèi)部包含1個DC/AC逆變器和1個DC/DC直流轉(zhuǎn)換器，逆變器由IGBT、直流母線電容、驅(qū)動和控制電路板等組成，實現(xiàn)直流(可變的電壓、電流)與交流(可變的電壓、電流、頻率)之間的轉(zhuǎn)變。直流轉(zhuǎn)換器由高低壓功率器件、變壓器、電感、驅(qū)動和控制電路板等組成，實現(xiàn)直流高壓向直流低壓的能量傳遞。電機(jī)控制器還包含冷卻器(通冷卻液)給電子功率器件散熱。電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖9，電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)如圖10。

圖9 電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)原理示意圖

圖10 電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)

2.加速踏板位置傳感器

如帝豪EV的加速踏板位置傳感器設(shè)計成雙輸出傳感器。兩個傳感器的輸出電壓信號都隨加速踏板的位置增加而增加。

3.制動踏板開關(guān)

當(dāng)駕駛員踩下制動踏板，表現(xiàn)制動或減速意圖時，制動踏板開關(guān)將踏板位置信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過硬線傳遞給VCU。制動踏板開關(guān)內(nèi)部有兩組開關(guān)，一組為常閉開關(guān)，一組為常開開關(guān)。VCU通過兩組開關(guān)輸出電壓的變化判斷駕駛員的制動或減速意圖。制動踏板開關(guān)信號傳遞路線如圖11。

圖11 制動踏板開關(guān)信號傳遞線路圖

4.轉(zhuǎn)矩控制模式

電機(jī)控制系統(tǒng)控制電機(jī)軸向四象限的轉(zhuǎn)矩。由于沒有轉(zhuǎn)矩傳感器，轉(zhuǎn)矩指令(由整車控制器發(fā)送)被轉(zhuǎn)換成為電流指令，并進(jìn)行閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩控制模式只有在獲得正確的初始偏移角度時才能進(jìn)行。

5.靜態(tài)模式

靜態(tài)模式在電機(jī)控制器(PEU)處于被動狀態(tài)(待機(jī)狀態(tài))或故障狀態(tài)時被激活。

6.主動放電模式

主動放電用于高壓直流端電容的快速放電。主動放電指令來自整車控制器的指令或由電機(jī)控制器(PEU)內(nèi)部故障觸發(fā)。

7.DC/DC直流轉(zhuǎn)換

電機(jī)控制器(PEU)中的DC/DC轉(zhuǎn)換器將高壓直流端的高壓轉(zhuǎn)換成指定的直流低壓(12V低壓系統(tǒng))，低壓設(shè)定值來自整車控制器指令。

8.系統(tǒng)診斷功能

當(dāng)故障發(fā)生時，軟件根據(jù)故障級別使PEU 進(jìn)入安全狀態(tài)或限制狀態(tài)。

(1)傳感器診斷

包括電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、位置傳感器等故障診斷。

(2)電機(jī)診斷

包括電流調(diào)節(jié)故障，電機(jī)性能檢查，主動短路或空轉(zhuǎn)條件不滿足，轉(zhuǎn)子偏移角診斷等。

(3)CAN通信診斷

包括CAN內(nèi)存檢測，總線超時，報文長度、Checksum校驗，收發(fā)計數(shù)器的診斷。

(4)硬件安全關(guān)診斷

包括相電流過流診斷、直流母線電壓過壓診斷，高/低壓供電故障診斷，處理器監(jiān)控等。 (未完待續(xù))