比亞迪E5高壓電控系統(tǒng)功能分析

魏冬至

關(guān)鍵詞：新能源汽車；高壓電控系統(tǒng)；控制策略

中圖分類號(hào)：U472.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，全國(guó)的汽車保有量逐年增長(zhǎng)，2020年末全國(guó)民用汽車保有量28 087萬(wàn)輛，其中新能源汽車產(chǎn)量145.6萬(wàn)輛，2021年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.95億輛，其中新能源汽車784萬(wàn)輛。據(jù)公安部發(fā)布的《2022年上半年全國(guó)機(jī)動(dòng)車和駕駛?cè)虢y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》，截至2022年6月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)4.06億輛，其中汽車3.10億輛，新能源汽車1001萬(wàn)輛，占汽車總量的3.23%。而這其中，純電動(dòng)汽車保有量為810.4萬(wàn)輛，占新能源汽車總量的80.93%。在保有量方面，據(jù)艾媒咨詢預(yù)測(cè)，2025年我國(guó)新能源汽車保有量預(yù)計(jì)達(dá)2 672萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車將達(dá)2324萬(wàn)輛。而據(jù)信達(dá)證券預(yù)計(jì)，2025年，我國(guó)新能源汽車保有量將突破3000萬(wàn)輛。由于國(guó)家法律法規(guī)對(duì)環(huán)保的嚴(yán)格要求，汽車生產(chǎn)企業(yè)乃至用戶對(duì)新能源汽車的認(rèn)可度逐年提升，新能源汽車保有量也逐年增長(zhǎng)，隨之其售后量也日趨增大。新能源汽車有別于傳統(tǒng)燃油汽車，其是依托電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“三電系統(tǒng)”），摒棄內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)展，因此對(duì)于新能源汽車的維修保養(yǎng)也應(yīng)該重新認(rèn)識(shí)，認(rèn)真學(xué)習(xí)，以滿足日趨增長(zhǎng)的新能源汽車維修業(yè)務(wù)量和新要求。

1新能源電動(dòng)汽車的分類

目前，新能源電動(dòng)汽車有3種類型，分別是混合動(dòng)力汽車（油電混動(dòng)）、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車?；旌蟿?dòng)力汽車，顧名思義，車輛動(dòng)力的來(lái)源可以是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以是動(dòng)力電池包，混動(dòng)的形式有串聯(lián)混動(dòng)、并聯(lián)混動(dòng)和混聯(lián)混動(dòng)；按照發(fā)動(dòng)機(jī)參與輸出功率的比例，又可分為弱混動(dòng)、輕混動(dòng)、中混動(dòng)、重混動(dòng)。純電動(dòng)汽車是指車輛的動(dòng)力源只有動(dòng)力電池包，按照電池的類型，可以分為鉛酸電池純電動(dòng)汽車、鎳氫電池純電動(dòng)汽車、鋰電池（三元鋰、磷酸鐵鋰和鈦酸鋰）純電動(dòng)汽車等，目前市場(chǎng)主流的動(dòng)力電池類型是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。燃料電池汽車是電動(dòng)汽車未來(lái)的發(fā)展方向，燃料（氫氣）通過(guò)小型的反應(yīng)堆，實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電壓，給動(dòng)力電池包充電，再驅(qū)動(dòng)車輛行走，并且在車輛整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，排放物只有水，完全實(shí)現(xiàn)零排放。

2純電動(dòng)汽車高壓電控系統(tǒng)的組成

市面上所有的純電動(dòng)汽車的三電系統(tǒng)幾乎都是相同的，本文以2017款比亞迪E5為例簡(jiǎn)要說(shuō)明純電動(dòng)汽車高壓電控系統(tǒng)的組成及工作原理。

2017款比亞迪E5是比亞迪公司旗下的一款純電動(dòng)汽車，長(zhǎng)4680 mm，寬1765 mm，高1500 mm，軸距2660 mm。其最高車速為130 km/h，電動(dòng)機(jī)的最大功率為160 kW，扭矩為310N·m。其E5-450車型采用三元鋰電池，容量為60.48 kW·h，工作電壓為633.6 V，標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航里程為400 km。

2017款比亞迪E5高壓電控系統(tǒng)主要由高壓動(dòng)力電池包、四合一高壓電控總成[高壓直流到低壓直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC）、車載充電機(jī)（OBC）、電機(jī)控制器（MCU）、高壓配電盒]、永磁同步電機(jī)、整車控制器、暖風(fēng)加熱器（ PTC）、空調(diào)壓縮機(jī)等組成。2017款比亞迪E5高壓電控系統(tǒng)組成如圖1所示。

3純電動(dòng)汽車高壓電控系統(tǒng)的工作原理

3.1上電預(yù)充過(guò)程

當(dāng)駕駛員將遙控鑰匙帶入車內(nèi)，踩踏制動(dòng)踏板，按動(dòng)一鍵啟動(dòng)開關(guān)時(shí)，車輛儀表板上“OK”燈點(diǎn)亮的過(guò)程，是一個(gè)上電預(yù)充的過(guò)程。首先，高壓動(dòng)力電池包內(nèi)的正極接觸器和負(fù)極接觸器吸合，四合一高壓電控總成內(nèi)部的預(yù)充接觸器也吸合。其次，高壓動(dòng)力電池包內(nèi)的高壓直流電從正極流出，經(jīng)由霍爾電流傳感器、預(yù)充接觸器和100Ω的預(yù)充電阻，到達(dá)電機(jī)控制器，此時(shí)，電機(jī)控制器內(nèi)的電容開始充電，電容負(fù)極經(jīng)四合一高壓電控總成內(nèi)部的高壓直流母線流回高壓動(dòng)力電池包，經(jīng)由負(fù)極接觸器，回到高壓動(dòng)力電池包負(fù)極，形成回路。預(yù)充開始，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，當(dāng)預(yù)充電容的電壓與高壓電池包的總電壓相差50 V（有資料顯示預(yù)充電容的電壓達(dá)到高壓動(dòng)力電池包電壓的2/3）時(shí)，預(yù)充接觸器斷開，放電主接觸器吸合，高壓動(dòng)力電池包開始對(duì)外放電。同時(shí)，高壓動(dòng)力電池包的電也要供給DC-DC，DC-DC將高壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?4 V左右的低壓電，給低壓鐵電池充電，并且給全車的低壓用電設(shè)備供電。預(yù)充電路（預(yù)充接觸器和預(yù)充電阻）有以下3個(gè)方面的作用：一是防止高壓動(dòng)力電池包的高壓直流電沖擊電機(jī)控制器；二是在上電過(guò)程中，使直流母線的電流緩慢上升，防止大電流燒壞正負(fù)極接觸器的觸點(diǎn)；三是減少大的放電電流對(duì)高壓動(dòng)力電池包的影響。

3.2純電動(dòng)汽車工作狀態(tài)

高壓上電完成后，當(dāng)駕駛員松開制動(dòng)踏板或者踩踏油門踏板時(shí)，高壓動(dòng)力電池包的電經(jīng)由各相關(guān)接觸器、高壓直流母線加載到電機(jī)控制器上，電機(jī)控制器控制6個(gè)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）適時(shí)接通或者斷開，將高壓直流電逆變?yōu)槿囝l率可調(diào)的交流電，供給三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)（MG），三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)減速器、差速器、半軸，使車輪旋轉(zhuǎn)，車輛行駛。同時(shí)，高壓動(dòng)力電池包的電也要供給DC-DC，DC-DC將高壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?4 V左右的低壓電，給低壓鐵電池充電，并且給全車的低壓用電設(shè)備供電。

3.3制動(dòng)能量反饋狀態(tài)

當(dāng)車速大于30 km/h，車輛處于滑行或者制動(dòng)狀態(tài)，并且高壓動(dòng)力電池包的電量在90%以下時(shí)，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)開始起作用。此時(shí)，車輪帶著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，定子被迫切割磁力線發(fā)電，定子U、V、W三相接頭輸出三相交流電到電機(jī)控制器，電機(jī)控制器內(nèi)部的整流器整流后升壓，將所產(chǎn)生的電能回饋到直流母線，給高壓動(dòng)力電池包充電。

3.4漏電狀態(tài)

當(dāng)四合一高壓電控總成內(nèi)部的漏電傳感器監(jiān)測(cè)到直流母線上有漏電時(shí)，立即斷開放電主接觸器、正極接觸器、負(fù)極接觸器，實(shí)施高壓下電。電機(jī)控制器內(nèi)部的預(yù)充電容在5s內(nèi)通過(guò)主動(dòng)泄放電路將電容電量泄放掉，防止電容存有的高電壓造成人員電擊電傷。當(dāng)預(yù)充電容電壓下降到60 V以下時(shí)，泄放結(jié)束。

3.5 PTC工作狀態(tài)

當(dāng)駕駛員有開暖風(fēng)取暖的需求時(shí)，高壓直流電通過(guò)32 A空調(diào)系統(tǒng)保險(xiǎn)給PTC加熱器供電，PTC加熱器加熱循環(huán)水，暖風(fēng)循環(huán)水泵將熱水送至位于儀表臺(tái)內(nèi)部的暖風(fēng)水箱，鼓風(fēng)機(jī)工作，熱風(fēng)通過(guò)相應(yīng)的風(fēng)道翻板，到達(dá)駕駛員選擇的送風(fēng)位置。

3.6空調(diào)壓縮機(jī)工作狀態(tài)

當(dāng)駕駛員有開空調(diào)制冷的需求時(shí)，高壓直流電通過(guò)32 A空調(diào)系統(tǒng)保險(xiǎn)給空調(diào)壓縮機(jī)供電，壓縮機(jī)工作，制冷劑在空調(diào)管路中實(shí)現(xiàn)物態(tài)變換，在蒸發(fā)箱實(shí)現(xiàn)液氣物態(tài)變化，吸熱制冷，鼓風(fēng)機(jī)工作，冷風(fēng)通過(guò)相應(yīng)的風(fēng)道翻板，到達(dá)駕駛員選擇的送風(fēng)位置。

3.7電池加熱器工作狀態(tài)

當(dāng)高壓動(dòng)力電池包內(nèi)的溫度傳感器監(jiān)測(cè)到溫度低于設(shè)定下限時(shí)，電池管理器（BMS）控制電池加熱器的接觸器吸合，高壓直流母線通過(guò)32A空調(diào)系統(tǒng)保險(xiǎn)給電池加熱器供電，電池加熱器加熱循環(huán)水，在水泵作用下，熱水被導(dǎo)入高壓動(dòng)力電池包內(nèi)的加熱水道，使其溫度上升。

3.8交流充電狀態(tài)

當(dāng)車輛停駛，使用家用小型充電樁對(duì)車輛進(jìn)行交流慢充時(shí)，交流充電槍插入車輛交流充電口，完成連接確認(rèn)（CC）和控制確認(rèn)（CP），交流電（220V）被引入車載充電機(jī)，之后在車載充電機(jī)內(nèi)完成升壓、整流，變成高壓動(dòng)力電池包所需的直流電，給高壓動(dòng)力電池包充電。

3.9直流充電狀態(tài)

當(dāng)車輛停駛，使用大功率的直流充電樁對(duì)車輛進(jìn)行直流快充時(shí)，直流充電槍插入車輛直流充電口。先后完成物理連接、低壓輔助上電、充電握手、充電參數(shù)配置，確定電池和充電機(jī)的必要信息后，充電樁合適的直流電從直流充電口進(jìn)入車輛，經(jīng)高壓直流母線，給高壓動(dòng)力電池包充電。

4結(jié)語(yǔ)

純電動(dòng)汽車的高壓電控系統(tǒng)是區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的最重要特征之一，本文以2017款比亞迪E5為例，總結(jié)了純電動(dòng)汽車高壓電控系統(tǒng)的組成，各部分的作用、工作原理，以及整個(gè)系統(tǒng)在9種工作狀態(tài)下的控制策略，有助于了解其他車型的高壓電控系統(tǒng)，掌握電動(dòng)汽車的維護(hù)和保養(yǎng)技巧，加強(qiáng)電動(dòng)汽車領(lǐng)域的技術(shù)研究和創(chuàng)新。