比亞迪E6純電動汽車系統(tǒng)結構原理(一)

◆文/吉林 李偉

一、比亞迪E6純電動汽車動力系統(tǒng)

比亞迪E6純電動汽車動力系統(tǒng)主要由控制模塊、動力模塊及高壓輔助模塊三大模塊組成，其結構原理如圖1所示。電動車的控制模塊由電機控制器、DC-DC、動力配電箱、主控ECU、擋位控制器、加速踏板及電池管理單元組成；動力模塊由電動機總成、電池包體總成組成；高壓輔助模塊由車載慢充、漏電保護器、車載充電口及應急開關等組成。

圖1 比亞迪E6純電動汽車動力系統(tǒng)結構原理

二、動力控制系統(tǒng)的工作原理

1.充電過程

高壓充電樁或者市用電源通過車載充電器升壓后輸電給車上的配電箱，配電箱經(jīng)過應急開關后對HV電池組充電。在充電過程當中，電源管理器始終監(jiān)控HV電池組的溫度和電壓，如果HV電池組內(nèi)部某單體溫度或電壓過高，電源管理器會切斷配供電。

2.放電過程

HV電池組在電源管理器和漏電保護器的監(jiān)控下，通過應急開關輸電給配電箱，配電箱根據(jù)車輛的實際用電情況分配電量。一部分電量流向電機控制器，另一部分電量流向DC-DC交換器。主控ECU根據(jù)駕駛員操作信息(接收加速踏板角度傳感器和擋位控制器的信號)控制電機控制器的工作，電機控制器則主要控制流向電機電量大小以及驅動車輛前進或后退。

另一部分從配電箱流向DC-DC交換器的電量，經(jīng)過DC-DC交換器將高壓直流電轉化為低壓直流電，為車輛電動液壓助力轉向系統(tǒng)提供42V的電源，同時還為整車用電設備提供12V的電源。

三、驅動電機控制器

1.結構

驅動電機控制器類型為電壓型逆變器，利用IGBT將直流電轉換為交流電，額定電壓為330V，主要功能是根據(jù)不同工況控制電機的正反轉、功率、扭矩、轉速等，即控制電機的前進、倒退、維持電動車的正常運轉。其關鍵零部件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)實際為大電容，作用為控制電流工作，保證能夠按意愿輸出合適的電流參數(shù)。

驅動電機控制器總成包含上中下三層，上層和下層為電動機控制單元，中層為水道冷卻控制單元，總成還包括信號接收插件、12V電源、CAN線、擋位、加速踏板、剎車、旋變、電機溫度信號線、預充滿信號線等，2根動力電池正負極接插件，3根電機三相線接插件和2個水套接頭及其他周邊附件，如圖2所示。

圖2 電機驅動器的結構

2.功能

(1)控制電機正反向驅動、正反轉發(fā)電；

(2)控制電機的動力輸出，同時對電機進行保護；

(3)通過CAN與其他控制模塊通訊，接收并發(fā)送相關的信號，間接地控制車上相關系統(tǒng)正常運行；

(4)制動能量加饋控制；

(5)自身內(nèi)部故障的檢測和處理；

(6)最高工作轉速：在額定電壓，運行所能達到的最高轉速為7 500r/min；

(7)半坡起步功能；

(8)防止電機飛車、防止IPM受損害；

(9)采集P、R、N、D擋位信號；

(10)采集油門深度傳感器和剎車深度傳感器信號。

3.IGBT控制原理

IGBT被認為是電動車的核心技術之一。它可將交流電和直流電進行轉換，同時還承擔電壓的高低轉換功能。另外也可將電動機回收的交流電流轉換成可供蓄電池充電的電流。IGBT的結構如圖3所示。

動力電池組和電動機的正負極分別與IGBT模塊的輸入端和輸出端連接，IGBT的輸出電壓由主控制器向其輸入的PWM信號控制。在控制器運行過程中，主控制器通過采集分析加速踏板、制動踏板、車速等傳感器信號來進行電機電壓的輸出控制，輸出方式是將PWM信號傳遞到IGBT模塊，通過采集電機電壓、電流、電機和IGBT模塊的溫充等反饋信號業(yè)進行系統(tǒng)的過流、過壓、過熱保護。

圖3 IGBT結構

4.驅動系統(tǒng)控制策略

電動汽車行駛過程中，駕駛員根據(jù)實際行駛工況的需要，通過操作加速踏板、制動踏板、變速器操縱桿來控制電動汽車的車速。在不考慮換擋的情況下，加速踏板的信號就代表駕駛員的指令。因此電動汽車實際上是通過駕駛員來實現(xiàn)車速閉環(huán)控制的，控制系統(tǒng)可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)、電流閉環(huán)控制系統(tǒng)和車速-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制系統(tǒng)就是用加速踏板信號代表主控制器向IGBT模塊輸入PWM占空比信號，其特點是線路簡單、成本低，但是當電池電壓參數(shù)變化時，沒有自動調(diào)節(jié)作用，抗干擾能力差，起步加速和動力指示不高。

電流單閉環(huán)控制系統(tǒng)就是用加速踏板信號代表電機電樞電流，即電機的輸出扭矩。電流單閉環(huán)車速控制系統(tǒng)的主要特點是響應時間短、控制準確，且具有自調(diào)節(jié)能力，但是此系統(tǒng)容易出現(xiàn)過流現(xiàn)象，可能導致電機或者控制器損壞。車速單閉環(huán)控制系統(tǒng)直接根據(jù)速度偏差計算需要的電壓，在整個控制過程中不能精確地控制電機轉矩。而雙閉環(huán)控制系統(tǒng)則具有比較滿意的動態(tài)性能，加速踏板位置直接代表駕駛員期望車速，直觀便于理解，啟動加速好、動力性好。

電動力系統(tǒng)中采用了“再生制動器”，它通過電動機的發(fā)電再次利用動能。電動機通常在通電后開始轉動，但讓外界力量帶動電動機旋轉時，它又可作為發(fā)電機來發(fā)電。因此，利用驅動輪的旋轉力帶動電動機發(fā)電給蓄電池充電的同時，又可利用發(fā)電時的電阻來減速。該系統(tǒng)在制動時與液壓制動器同時控制再生制動器，完美的將原來在減速中作為摩擦熱散失的動能回收為行駛用能量。城市中行駛時反復進行的調(diào)速操作具有較高的能量回收效果，所以在低速帶優(yōu)先使用再生制動器。例如，在城市中行駛100km，即可再生約1L汽油的能量。

5.預充滿信號回路控制

預充電目的是在沒有進行預充的情況下，主接觸器吸合可能引起電流過大而燒結主接觸器和擊穿電容。

鑰匙打到ON擋時，為緩解高壓電池的沖擊，電池管理器先吸合預充接觸器控制繼電器。來自動力電池的高壓電經(jīng)過預充接觸器與兩個并聯(lián)的限流電阻，加載到母線正極上。驅動電機控制器檢查母線正極上的電壓達到動力電池額定電壓的2/3時，向電池管理器反饋一個預充滿信號。此后組合儀表OK燈點亮。從而電池管理器控制正極放電接觸器控制器吸合，斷開預充接觸器控制器。預充滿信號回路如圖4所示。

如有故障用診斷儀檢查預充情況顯示預充失敗，則可以檢查電池管理器是否進行預充，先從電池管理器K05連接器后端引線，檢查線束端子M33-25(鑰匙ON擋)與車身正常值小于1V，如果更換了電池管理器，可再檢查高壓電源電路。

圖4 預充滿信號回路

6.驅動電機控制器故障碼

驅動電機控制器故障碼列于表1。

表1 驅動電機控制器故障碼

四、DC-DC變換器

1.作用及參數(shù)

DC-DC變換器負責將電池316.8V高壓電轉換成12V電源。DC-DC變換器在主接觸吸合時工作，輸出的12V電源供給整車用電器工作(包括EHPS電機)，并且在低壓電池虧電時給低壓電池充電?？照{(diào)驅動器接收空調(diào)控制器信息來控制空調(diào)壓縮機和PTC。

比亞迪E6的DC-DC變換器總成包含兩個12VDC-DC變換器，外部連接如圖5所示。1號DC-DC變換器輸入電壓值為200～400V，輸出為13.8V/100A，最大值為110A；2號DC-DC變換器輸入電壓值為200～400V，輸出值為13.8V/70A，最大值為100A。

圖5 外部連接

2.工作原理

(1)預充完成時，DC-DC變換器開始工作(由于DC-DC變換器工作時需給電容充電，同時可能會導致預充失敗，因此反復重啟幾次即可)。

(2)DC-DC變換器通過CAN接收正極接觸器吸合信號，如果收不到該信號會延遲5s啟動(在有316.8V高壓的情況下正常工作，DC故障警告燈不會報警)。DC-DC變換器的電路如圖6所示，其檢測正常值列于表2。

圖6 DC-DC變換器的電路

表2 DC-DC檢測正常值

五、高壓配電箱

高壓配電箱通過繼電器的吸合來控制電流通斷、分流等，并以此實現(xiàn)對電池中巨大能量的控制。繼電器為關鍵零部件，為了控制強大的電流通過整車，繼電器需要多個進行并聯(lián)工作才可辦到，這也對繼電器工作一致性和可靠性提出了苛刻要求，繼電器系統(tǒng)結構如圖7所示，外部連接如圖8所示，高壓配電箱示意圖如圖9所示。

圖7 繼電器系統(tǒng)結構圖

圖8 外部連接圖

圖9 高壓配電箱示意圖

高壓配電箱終端診斷如圖10所示，其測時值列于表3。

圖10 高壓配電箱端子

表3 測量值

六、電池管理單元

1.作用

電池管理單元也稱為電源管理器系統(tǒng)(Battery Management System，簡稱BMS)，它是電動汽車電池系統(tǒng)的參數(shù)測試及控制裝置，具有安全預警與控制、剩余電量估算與指示、充放電能量管理與過程控制、信息處理與通訊等主要功能。電池管理單元端子測量值列于表4。

2.電源管理系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及電池故障診斷

電源管理系統(tǒng)可對電源系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)控，較為重要的狀態(tài)參數(shù)有SOC、總電池、每節(jié)電池溫度值及漏電信號(通過對硬件信號的采樣)等。SOC為電池荷電狀態(tài)，電源管理器系統(tǒng)可在運行過程中采用電流積分的方法實現(xiàn)SOC的計算，并且還能實現(xiàn)對電池系統(tǒng)的故障診斷，其電池故障列于表5，故障碼列于表6。

表4 電池管理單元端子測量

表5 電池故障

表6 故障碼