純電動汽車電力驅動系統組成與控制原理

洋浦技工學校/張祖華

純電動汽車電力驅動系統組成與控制原理

洋浦技工學校/張祖華

純電動汽車，顧名思義就是單純靠車載電源為汽車提供符合汽車動力要求驅動力的汽車。純電動汽車沒有發動機，電能的補充依賴外接電源。由此可見，純電動汽車的電動機等同于傳統汽車的發動機，蓄電池相當于原來的油箱。如圖1所示。

純電動汽車的組成由電力驅動主模塊、車載電源模塊和輔助模塊三大部分組成。電力驅動及控制系統是電動汽車的核心，也是區別于內燃機汽車的最大不同點。電機驅動系統是電動汽車的心臟，它由電機、功率轉化器、控制器、各種檢測傳感器和電源（蓄電池）組成。如圖2所示。

驅動電機的作用是將電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置。驅動電機可分為交流電機和直流電機。如奇瑞純電動汽車使用的三相交流異步電機，安裝于前艙位置，如圖3所示。

圖3 三相交流異步電機

圖4 電機調速控制裝置圖

電機調速控制裝置MCU（如圖4所示）是為電動汽車的變速和方向變換等設置的，其作用是控制電機的電壓或電流，完成電機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。當采用交流異步電機驅動時，電機轉向的改變只需變換磁場三相電流的相序即可，可使控制電路簡化。奇瑞純電動汽車的電機控制器（MCU）采用直流輸入，三相交流輸出。

電機驅動控制原理。由圖5可知，電機要運轉，必須接通HV蓄電池和電機之間的電路，在電路中有電機控制器和功率轉化器兩個關鍵設備，電機控制器受電池管理系統BMS控制；而功率轉化器由電機控制器MCU進行控制。因此，要實現電機驅動，首先要對VMS整車控制器、BMS電池控制器和MCU電機控制器進行低壓通電，保證各種控制器的正常運行。然后由BMS電池管理系統對電池的荷電狀態進行判斷，完成對電極的控制；最后電機控制器MCU和整車控制器VMS根據車速信號、擋位信號、加速踏板信號、制動信號和電機運行信號，完成對功率轉化器的控制，功率轉化器決定著流向電機電流的大小，調整電機的轉速。

電源是純電動汽車的能源中心，為電動汽車的驅動電機和全車用電設備提供電能，電源在電動汽車上分為低壓電源（DC）和高壓電源（HV）。當前，低壓電源主要是鉛酸蓄電池為低壓用電設備供電，如燈光照明、信號系統、音響等。高壓電源有鈉硫電池、鎳鎘電池、鋰電池、燃料電池等新型電源，主要為電力驅動系統、空調驅動系統等提供電能。如奇瑞電動車高壓電源是由單格3.2V串聯成19.2V電池組，然后將19.2V再次串聯形成320V電池系統，對全車用電設備進行供電，如圖6所示。

圖2 純電動汽車的組成

圖5 電機驅動系統的基本組成原理圖

圖6 單格電池(19.2V)

電池管理系統（BMS），也叫電池組控制器，主要實現對電池電壓、溫度、電流信號的采集，預測電池當前的荷電狀態（SOC），預測電池在充放電過程中電池本身所允許的充放電電壓限值和充放電電流限值；BMS功能模塊還實現對高壓系統的管理：預充電過程實現高壓的安全接通、環路互鎖以及絕緣監測功能實現對高壓系統的有效檢測和診斷，從而實現動力的安全使用。同時BMS功能模塊還具有過壓、欠壓、過溫、低溫、過流等系統故障診斷功能。CAN通信模塊實現CAN消息的接收與發送。與整車控制器VMS和車載充電器CM通信。BMS具有集成化程度高、功能穩定的特點。BMS電池組控制器還起著連接電池本體和整車控制器的橋梁作用。結構如圖7和圖8所示。

圖7 BMS電壓溫度信號采集板

圖8 BMS信息處理控制板

HV電池控制原理。HV電池的控制原理分為儲存能源和提供能源控制。動力電池模組放置在一個密封并且屏蔽的動力電池箱里面，動力電池系統使用可靠的高低壓接插件與整車進行連接。系統內的BMS實時采集各電芯的電壓值、各溫度傳感器的溫度值、電池系統的總電壓值和總電流值、電池系統的絕緣電阻值等數據，并根據BMS中設定的閥值判定電池系統工作是否正常，并對故障實時監控。動力電池系統通過BMS使用CAN與VCU或充電機之間進行通信，對動力電池系統進行充放電等綜合管理。然后實現對HV電池正極和負極接觸器繼電器的控制，實現線路的接通和斷開，從而完成對HV電池的控制管理。具體控制如圖9所示。

整車控制器（VMS）及其控制原理（如圖10所示）的主要功能有：（1）識別駕駛員意圖的識別；（2）電動轎車啟動和停止控制的實施；（3）再生制動能量回收的實現；（4）對整車狀態進行監測，并實現在線診斷功能；（5）整車安全監控和安全策略的實現；（6）控制DC/DC變化期，維持12V低壓網絡電量的平衡；（7）與車載其他控制器進行通信和發送數據；（8）采集電動轎車運行所必需的傳感器信號，驅動控制電動空調壓縮機、真空制動泵、助力轉向電機、電子水泵和風扇等設備的運行狀態。

純電動汽車的上電原理，包括低壓系統上電和高壓系統上電兩個過程。

（1）低壓上電:當點火鑰匙由OFF到ON時，VMS、BMS、MCU低壓上電，所有控制器被激活，對系統進行初始化檢查和檢測。

（2）高壓上電:車鑰匙位于ON擋，BMS、MCU當前狀態正常且在之前一次上下電過程中整車無嚴重故障。①BMS、MCU初始化完成，VMS確認狀態；②閉合電池繼電器；③閉合主繼電器；④MCU高壓上電；⑤如擋位在N擋，儀表顯示Ready燈點亮。

圖9 HV電池控制系統

圖10 整車控制原理