北汽EC180電動汽車主要部件原理簡介及故障排除

廣州歐緯德教學(xué)設(shè)備技術(shù)有限公司 黃顯祥

“比燃油車更經(jīng)濟(jì)，比低速電動車更安全”，北汽新能源汽車股份有限公司推出的新能源EC180電動汽車，在動力方面由峰值高達(dá)30 kW的電機(jī)和容量為20.3 kW·h的三元鋰動力電池模塊構(gòu)成，輔以北汽新能源自主研發(fā)的e-Motion Drive超級電驅(qū)技術(shù)，通過對電池、電機(jī)、電控“三電”系統(tǒng)的高度集成和技術(shù)創(chuàng)新，使得該車在整車電動化方面具備了高集成、高效率、高安全及低能耗、低輻射“三高兩低”的特點(diǎn)。

為了讓維修人員對北汽EC180電動汽車有更多的了解，本文簡單介紹了北汽EC180電動汽車的主要部件和控制原理，并例舉了1例故障案例，讓維修人員初步了解北汽EC180電動汽車的常規(guī)維護(hù)和故障診斷方法。

1 北汽EC180電動汽車主要部件及工作原理

北汽EC180電動汽車電動控制部件主要由驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器（MCU）、高壓控制盒、電力轉(zhuǎn)換單元（PCU）、PTC加熱元件、動力電池模塊（BMS）、動力電池組、電動空調(diào)壓縮機(jī)等組成（圖1、圖2）。

圖1 北汽EC180電動汽車電機(jī)室的主要部件

圖2 北汽EC180電動汽車各部件的分布

1.1 三相異步電機(jī)

北汽EC180電動汽車采用的是風(fēng)冷式三相異步電機(jī)（圖3），電機(jī)最大功率為30 kW，最大轉(zhuǎn)矩為140 N·m。三相異步電機(jī)由電機(jī)控制器控制，電機(jī)具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)矩輸出、能量回收功能。

圖3 三相異步電機(jī)

三相異步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和殼體組成。當(dāng)電機(jī)的三相定子繞組（相位差120゜）通入三相對稱交流電（圖4）后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路）；載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下產(chǎn)生電磁力，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。由于三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場以相同的方向、不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，存在轉(zhuǎn)差率，所以叫三相異步電機(jī)。當(dāng)導(dǎo)體在磁場內(nèi)切割磁力線時，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，故此種電機(jī)也稱三相感應(yīng)電機(jī)。

圖4 三相異步電機(jī)工作原理

為了降低電機(jī)的故障率，目前裝備在北汽EC180電動汽車上的驅(qū)動電機(jī)采用的是無炭刷電機(jī)。電機(jī)上安裝有霍爾傳感器和64齒的信號盤（圖5），當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，霍爾傳感器采集電機(jī)信號盤產(chǎn)生的脈沖信號，并將該信號傳遞給驅(qū)動電機(jī)控制器。

電機(jī)繞組內(nèi)安裝有溫度傳感器，溫度傳感器的作用是檢測電機(jī)繞組溫度，當(dāng)電機(jī)繞組溫度超過150 ℃時，電機(jī)控制器控制電機(jī)減小功率，以避免電機(jī)過熱，從而達(dá)到延長電機(jī)使用壽命的目的。

1.2 電機(jī)控制器

電機(jī)控制器（圖6）由雙極晶體管模塊（IGBT）和主控集成電路組成。如圖7所示，電機(jī)控制器內(nèi)集成有電壓傳感器（S3）和電流傳感器（S1、S2）。電壓傳感器檢測供給電機(jī)控制器的實(shí)際工作電壓，電流傳感器檢測電機(jī)的實(shí)際工作電流，電機(jī)控制器由低壓蓄電池供電（12 V）。當(dāng)接通電源控制開關(guān)時，BMS向電機(jī)控制器供電，喚醒電機(jī)控制器。

1.3 高壓控制盒

圖5 霍爾傳感器與電機(jī)信號盤

圖6 電機(jī)控制器

圖7 主控集成電路

高壓控制盒的作用是將動力電池組輸入的高壓直流電分配給全車各高壓電器使用。高壓控制盒（圖8）內(nèi)有熔絲、加熱繼電器，可實(shí)現(xiàn)對高壓用電器的保護(hù)及空調(diào)制熱控制。

圖8 高壓控制盒

如圖9所示，當(dāng)駕駛?cè)私油娫纯刂崎_關(guān)或充電喚醒信號發(fā)出時，車輛上電，BMS喚醒，BMS觸發(fā)預(yù)充繼電器閉合，電池組電流經(jīng)預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻、高壓控制盒、電機(jī)控制器后回到電池組負(fù)極。BMS控制器接收到電機(jī)控制器的預(yù)充完成信號后，確認(rèn)高壓系統(tǒng)無故障，觸發(fā)主正繼電器閉合，主電源接通，電池組開始充放電，高壓系統(tǒng)上電完成。

圖9 高壓控制原理

預(yù)充電阻的作用是為防止高壓電接通瞬間大電流產(chǎn)生電弧燒蝕繼電器觸點(diǎn)，同時，減小通電時電流對用電設(shè)備的沖擊，保護(hù)車載用電設(shè)備的安全。

1.4 電力轉(zhuǎn)換單元（PCU）

電力轉(zhuǎn)換單元（圖10）集成了車載充電機(jī)和直流直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC）。該車動力電池組額定電壓為113.1 V，為保證車輛的正常使用，車輛在充電時，充電樁的充電槍連接至車輛慢充連接口時，車載充電機(jī)將充電樁輸進(jìn)的220 V交流電先降壓，再整流為130 V的直流電為動力電池組充電。

圖10 電力轉(zhuǎn)換單元

1.5 直流直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC）

電動汽車取消了傳統(tǒng)汽車的發(fā)電機(jī)，由直流直流轉(zhuǎn)換器將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換成低壓12 V直流電，保證全車12 V用電設(shè)備的用電并為12 V蓄電池充電，直流直流轉(zhuǎn)換器的工作由動力電池模塊（BMS）控制。

1.6 動力電池組

圖11 動力電池組及相關(guān)配置

EC180電動汽車動力電池組結(jié)構(gòu)方式為“7并21串”（電芯單體為3.65 V），額定電壓為113.1 V，動力電池組安裝在車內(nèi)的底板上（圖11），動力電池組相關(guān)參數(shù)見表1所列。

表1 北汽EC180電動汽車動力電池組相關(guān)參數(shù)

1.7 動力電池模塊（BMS）

動力電池模塊（BMS）主要功能是通過對動力電池組的工作電壓、工作電流及工作溫度進(jìn)行檢測（圖12），對動力電池組過壓、欠壓、過流、過高溫和過低溫進(jìn)行保護(hù)，同時，具有對供電繼電器控制、SOC（電量）估算、充放電管理、電量均衡控制及故障報(bào)警和處理等功能。此外，動力電池模塊（BMS）還具有對高壓回路絕緣進(jìn)行檢測和對動力電池加熱的控制功能。

圖12 動力電池模塊（BMS）的作用

1.8 動力電池模塊（BMS）輔助元器件

動力電池模塊（BMS）輔助元器件包括有預(yù)充繼電器、電池加熱繼電器、電池加熱熔絲、分流器、電流傳感器、接插件等（圖13）。

1.9 PTC加熱元件

PTC加熱元件由陶瓷發(fā)熱元件和鋁管組成（圖14），PTC加熱元件通電后產(chǎn)生熱量，由鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)經(jīng)過PTC芯體后加熱空氣，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)制暖。

1.10 電動渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)

圖13 動力電池模塊（BMS）輔助元器件

圖14 PTC加熱元件

圖15 電動渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)工作原理

北汽EC180電動汽車空調(diào)制冷采用的是電動渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)。電動渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)是由一個固定的漸開線渦旋盤（靜盤）、一個呈偏心回旋平動的漸開線運(yùn)動渦旋盤（動盤）和三相電機(jī)組成。如圖15所示，在吸氣、壓縮、排氣工作過程中，靜盤固定在機(jī)架上，動盤由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制約的偏心軸驅(qū)動，圍繞靜盤基圓中心作小半徑轉(zhuǎn)動。管路中的氣態(tài)制冷劑（制冷劑為R134a）被吸入靜盤外圍，隨著偏心軸的旋轉(zhuǎn)，在動靜盤噬合所組成的若干個月牙形壓縮腔內(nèi)被壓縮，然后由靜盤中心部件的軸向孔排出，再通過蒸發(fā)箱實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空氣的冷熱交換。

該車除空調(diào)壓縮機(jī)與傳統(tǒng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)不一樣外，空調(diào)系統(tǒng)其他部件及制冷原理均與傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)基本一致。在空調(diào)控制上，電動渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)可根據(jù)駕駛?cè)嗽O(shè)定的溫度自動調(diào)整目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)制冷量，以便節(jié)約電能。

2 2017款北汽EC180電動汽車儀表盤充電指示燈長亮故障

故障現(xiàn)象一輛2017款北汽EC180電動汽車，行駛里程僅為341 km，因最高行駛車速為10 km/h，且儀表盤上充電指示燈長亮而進(jìn)店維修。

故障診斷接車后，維修人員路試進(jìn)行故障驗(yàn)證，故障現(xiàn)象確實(shí)存在。連接專用故障檢測儀（BDS）進(jìn)行快速檢測，讀取到動力電池模塊（BMS）存儲有故障代碼“P0A9409 DC-DC故障”。查看數(shù)據(jù)流，低壓12 V蓄電池顯示電壓為11.79 V，偏低，動力電池電壓顯示為123.26 V，正常。

查閱維修手冊得知，當(dāng)蓄電池電壓低于12 V并持續(xù)到60 s時，動力電池模塊會觸發(fā)并生成故障代碼P0A9409。使用蓄電池檢測儀檢測蓄電池，未見異常。目視檢查電機(jī)室內(nèi)各導(dǎo)線連接、高壓線束，均正常。根據(jù)故障現(xiàn)象分析，故障原因可能有：高壓電路故障；DC-DC故障；低壓電路故障。

分析該車高壓電與低壓電控制原理（圖16），當(dāng)BMS接收到電源控制開關(guān)接通信號時，BMS隨即向DC-DC發(fā)出指令信號，DC-DC開始工作，將高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電14 V，供全車12 V用電設(shè)備使用和為12 V蓄電池充電。如果控制電路或DC-DC出現(xiàn)故障，DC-DC則不工作，同時儀表盤上的充電指示燈被點(diǎn)亮，車輛繼續(xù)使用會導(dǎo)致蓄電池虧電。

圖16 高壓電與低壓電控制原理（DC-DC被集成在PCU內(nèi)）

使用充電機(jī)給12 V蓄電池充電，用BDS讀取蓄電池?cái)?shù)據(jù)流（圖17），接通電源控制開關(guān)，蓄電池電壓為12.1 V（正常應(yīng)為13.5 V～14 V），說明蓄電池未在充電狀態(tài)。

用萬用表測量PCU的12 V電源輸出端子的電壓，為12.12 V（圖18），異常，說明DC-DC未工作或損壞。

關(guān)閉電源控制開關(guān)，拔下PCU低壓線束導(dǎo)線連接器，根據(jù)維修手冊提示，分別測量端子4和端子12與車身之間的電阻（圖19），均為0 Ω，正常；接通電源控制開關(guān)，測量端子5的電壓，為11.76 V（圖20），正常，說明BMS指令信號已經(jīng)發(fā)出。

拆下蓄電池負(fù)極并等待5 min（電容放電），帶上絕緣手套，拆下高壓控制盒，檢查DC-DC熔絲和高壓電路，正常。檢查至此，初步判斷為DC-DC損壞，需更換PCU。

圖17 讀取蓄電池電壓數(shù)據(jù)流（截屏）

圖18 測量PCU的12 V電源輸出電壓

圖19 PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子標(biāo)示

為了確診，維修人員采取了互換方式，將另外一輛正常同款車的PCU裝到故障車上，故障依舊，而將故障車的PCU裝到另一臺同款車上，測量PCU的12 V電源輸出端子的電壓，為14.12 V，表明DC-DC工作正常，由此說明故障車的DC-DC并沒有問題。

圖20 測量PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子5的電壓

重新調(diào)整診斷思路，再次對PCU各連接導(dǎo)線和導(dǎo)線連接器進(jìn)行檢查，當(dāng)拆下導(dǎo)線連接器橡膠保護(hù)套時，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線連接器端子5有退針現(xiàn)象（圖21）。由此推斷，該車故障是由于PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子5退針，導(dǎo)致DC-DC無法接收到BMS的指令信號，DC-DC不工作所致；再就是，當(dāng)蓄電池電壓低于12 V時，全車用電設(shè)備無法正常工作，車輛進(jìn)入跛行模式，且最高車速被限定在10 km/h。

圖21 PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子5退針

故障排除恢復(fù)并固定PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子5，用BDS清除故障代碼；接通電源控制開關(guān)，再次測量12 V蓄電池電壓，為13.7 V，說明DC-DC工作，路試時一切正常，故障排除。