電動汽車動力部分結構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極，使用有機電解質的電池。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)、維修開關等部件。

2. 電池管理系統(tǒng)(BMS)

電池管理系統(tǒng)(BMS)能夠對動力電池組總電壓、總電流、每個測點溫度和電池單體的電壓參數(shù)進行實時監(jiān)控，并進行故障診斷、剩余電量比(SOC)計算、短路保護、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)結構

(1)電池單體

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

(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，構成一個電池單元。由數(shù)個電池單元串聯(lián)在一起，構成動力電池總成。

(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極輸出端，由高壓正極繼電器、高壓負極繼電器、預充繼電器、電流傳感器和預充電阻等組成。

(7)維修開關

維修開關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，可操作維修開關。在高壓零部件檢查和維護前，斷開維修開關可以確保切斷高壓。

二、高壓配電系統(tǒng)

1. 任務功能

純電動車有一套高壓供電系統(tǒng)如圖2。高壓供電系統(tǒng)由動力電池給電機控制器、驅動電機、電動壓縮機、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控制器、空調壓縮機和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)對電動壓縮機回路、PTC加熱器回路、交流慢充回路各設有一個熔斷器。當上述回路電流超過90A時，熔斷器會在15s內(nèi)熔斷，當回路電流超過150A時，熔斷器會在1s內(nèi)熔斷，保護相關回路。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，車載充電機將交流電轉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、電機控制器高壓線、電機控制器、電機三相線到達驅動電機，產(chǎn)生驅動力。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 驅動能量傳遞路徑示意圖

三、電機控制系統(tǒng)

1.電機控制器

(1)電機控制器功能

電機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之間能量的傳輸，同時采集電機位置信號和三相電流檢測信號，精確地控制驅動電機運行。

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

車輛制動或滑行階段，電機作為發(fā)電機應用。它可以完成由車輪旋轉的動能到電能的轉換，給電池充電。

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

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

圖7 電機控制器控制路徑原理示意圖

圖8 電機控制系統(tǒng)電氣原理示意圖

(2)電機控制器結構

電機控制器內(nèi)部包含1個DC/AC逆變器和1個DC/DC直流轉換器，逆變器由IGBT、直流母線電容、驅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)之間的轉變。直流轉換器由高低壓功率器件、變壓器、電感、驅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。電機控制器還包含冷卻器(通冷卻液)給電子功率器件散熱。電機控制器結構原理示意圖如圖9，電機控制器結構如圖10。

圖9 電機控制器結構原理示意圖

圖10 電機控制器結構

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

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

圖11 制動踏板開關信號傳遞線路圖

4.轉矩控制模式

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

5.靜態(tài)模式

靜態(tài)模式在電機控制器(PEU)處于被動狀態(tài)(待機狀態(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控制器(PEU)內(nèi)部故障觸發(fā)。

7.DC/DC直流轉換

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

8.系統(tǒng)診斷功能

當故障發(fā)生時，軟件根據(jù)故障級別使PEU 進入安全狀態(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)電機診斷

包括電流調節(jié)故障，電機性能檢查，主動短路或空轉條件不滿足，轉子偏移角診斷等。

(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))