江淮同悅純電動轎車電動管理系統(tǒng)

付華山，陳呈程

（佳木斯職教集團交通學院汽車電氣工作室，黑龍江 佳木斯 154002）

江淮同悅純電動轎車電動管理系統(tǒng)

付華山，陳呈程

（佳木斯職教集團交通學院汽車電氣工作室，黑龍江 佳木斯 154002）

從整車控制器、直流轉換器、永磁無刷直流牽引電機控制器、國軒電池系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)和充電系統(tǒng)等方面，簡述江淮同悅純電動轎車電動管理系統(tǒng)。

江淮同悅；純電動；電動管理系統(tǒng)

江淮同悅純電動轎車經過多次產品升級改進，其技術結構共分為X1020、X1021和X1022三種類型。現在市場上主要是升級型X1022。X1022的電動管理系統(tǒng)主要包括整車控制器VCU、直流轉換器DC/DC、CAN通信系統(tǒng)、永磁無刷直流牽引電機控制器、國軒電池系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)和充電系統(tǒng)7個部分。

1 整車控制器VCU

1.1 基本功能

VCU的職能就是對整車各個子系統(tǒng)反饋的信息進行采集、分析和處理，從而實現整車控制策略。VCU的電源支持是車載蓄電池提供的12 V低壓直流電，由低壓配電控制器對VCU供給。VCU的輸入信號為低電平或12 V電壓，驅動輸出信號也是低電平或12V電壓。

1.2 安全防護功能

1.2.1 電源電壓保護

1）12 V電源欠壓保護 當整車控制器VCU工作電壓低于9 V（相應的AD通道測到1.6 V）時，即可判定整車控制器VCU工作異常，系統(tǒng)將持續(xù)測試25 ms，若電壓仍然異常，則斷開整車高壓。

2）12 V電源過壓保護 當整車控制器VCU工作電壓超過16 V（相應的AD通道測到4.7 V）時，即可判定整車控制器VCU工作異常，系統(tǒng)將持續(xù)測試3 min，若電壓仍然異常，則斷開整車高壓。

3）5 V電源欠壓保護 當整車控制器VCU工作電壓在3 min內低于4.5 V時，即可判定整車控制器VCU工作異常，存在安全風險，系統(tǒng)將持續(xù)測試3 min，若電壓仍然異常，則斷開整車高壓。

4）12 V電源過壓保護 當整車控制器VCU工作電壓3 min內超過5.8 V時，即可判定整車控制器VCU工作異常，存在安全風險，系統(tǒng)將持續(xù)測試3 min，若電壓仍然異常，則斷開整車高壓。

1.2.2 整車安全保護

當電池溫度高于55 ℃，已經切斷高壓，關閉電池安全門，整車控制器VCU對電池管理系統(tǒng)BMS溫度報文適時采集，檢測時間為3 s，預防由于電池高溫引起的整車失火不良。

1.3 接線

整車控制器VCU與整車系統(tǒng)各外圍功能模塊的硬件連接框圖如1所示。車載局域網連接框圖如圖2所示。

圖1 整車控制器VCU與整車系統(tǒng)各外圍功能模塊的硬件連接框圖

圖2 車載局域網連接框圖

VCU的電源供給由低壓配電控制器提供，且其12 V電源的通斷通過VCU對低壓配電的SSO控制器，能夠實現整車低壓系統(tǒng)的延時下電功能。

1.4 保護措施

1）冷卻方式為自然風冷。

2）防水防塵等級為IP54，汽車級耐溫和抗震動。

3）安裝牢固、不潮濕。

4）不發(fā)生低壓電源正極與車身搭鐵故障。

5）連接的插接器要在斷電條件下插拔，插裝要可靠。

2 直流轉換器DC/DC

2.1 概況

直流轉換器就是一種將某一電壓等級的直流電轉換為目的電壓等級直流電的一種裝置。升級型X1022的直流轉換器采用TDC-320-12HG型車載直流轉換器，安裝于發(fā)動機艙后側中部，如圖3所示。

圖3 直流轉換器在車上的位置

2.2 功能

向整個車輛除驅動以外的電器設備供電，并對輔助電源充電，直流轉換器DC/DC輸入為320 V直流電，輸出為13.8 V的直流電。直流轉換器還具有如下4個功能。

1）輸入低壓保護功能 當直流轉換器DC/DC輸入電壓低于200 V時，直流轉換器DC/DC就會鎖死輸出，同時故障指示燈點亮，提示輸入電壓太低，需要對電池組進行檢測與維護；當電壓高于220 V時，直流轉換器DC/DC會自動解除輸出閉鎖，恢復正常工作，故障指示燈熄滅。

2）輸入反接保護功能 如果直流轉換器DC/DC輸入端接反，直流轉換器進入反接保護鎖死輸入，直流轉換器DC/DC不會損壞，反接消除后直流轉換器DC/DC恢復正常工作。

3）輸出短路保護功能 直流轉換器DC/DC具有輸出短路保護功能，在輸出端的負載存在短路時，直流轉換器DC/DC會自動進入短路保護狀態(tài)，不再向外輸出電量；當短路故障排除后，直流轉換器會自動恢復輸出功能。

4）溫度過高保護功能 直流轉換器工作溫度不允許超過363 K。在工作溫度超過353 K時，直流轉換器DC/DC首先自動降低功率進行自身降溫；達到363 K時就會自動關閉，不再工作；當溫度降到353 K時，直流轉換器DC/DC又恢復工作。

2.3 接線

直流轉換器DC/DC的線路連接如圖4所示。直流轉換器的高壓直流輸入直接與動力電池組的正負極相連接，連接方式采用專用的高壓插件連接，型號為C10514N1-02-3-1G001，其直流輸出端采用16 mm2線并套上黑色波紋管，接到后備低壓電池上，然后輸送到全車低壓電器上。

為防電磁干擾，所有CAN通信系統(tǒng)的雙絞股線在每25 mm內至少有一個擰絞點，并且與模塊連接的250 mm范圍內必須擰絞，不允許與高、低壓導線及線束并行或捆綁，長度盡可能短，布局合理。

3 永磁無刷直流牽引電機控制器

驅動電機采用永磁無刷直流電機，其控制器冷卻方式為強制風冷，控制器的控制方式有2種：一個是模擬量控制，另一個是CAN總線通信控制。

3.1 功能

3.1.1 系統(tǒng)控制功能

系統(tǒng)控制功能是控制器的基本功能，主要控制項目有電動機的啟動、停止、正反轉等操作。系統(tǒng)采用轉矩控制模式，油門輸入信號與電機輸出轉矩的大小相對應。

3.1.2 預充電完成控制功能

在永磁無刷直流牽引電機控制器中的直流母線并聯一個容量很大的電容。在供電時，主接觸器閉合瞬間有很大的電容充電電流，在主接觸器觸點之間產生電弧，會燒蝕主接觸器觸點，影響主接觸器的使用壽命，嚴重的還會使主接觸器觸點燒結在一起，使主接觸器失去控制功能。另外，主接觸器觸點閉合剎那間還會產生電壓較高的浪涌電壓，可能超過控制器內部功率模塊的耐壓，將會燒毀控制器內部功率模塊。為了防止以上情況的發(fā)生，需要在控制器供電時對控制器進行預充電。在給控制器供電時，在其母線上串聯一個電阻，當控制器兩端電壓充到一定數值時，閉合主接觸器，此時將預充電串聯的電阻短路，完成供電過程。這個功能就是在供電時檢測控制器母線端電壓，當達到母線電壓的70 %時，接觸器觸點閉合信號被輸出，完成了預充電功能。

3.1.3 CAN總線通信及控制功能

江淮同悅純電動轎車X1022配有CAN通信接口，將牽引電機的運行狀態(tài)、報警信息等內容傳送到儀表進行顯示，告知駕駛人；或者傳送到整車控制器VCU，使VCU對當前車輛的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和統(tǒng)一調度。另外也可以通過CAN總線控制牽引電機的運行，包括牽引電機的啟停、換向、電機輸出轉矩的控制等。尤其在駕駛控制臺距離牽引電機控制器較遠的情況下，CAN總線控制在抗干擾和控制信號衰減方面，要優(yōu)于模擬量傳輸控制信號。

3.1.4 系統(tǒng)保護功能

在出現故障時，為了使電機及控制器能夠保障系統(tǒng)安全可靠運行以及保護部件不會損壞，特設置7個保護功能。

1）位置傳感器信號錯誤保護功能 永磁無刷直流電動機BLDC位置傳感器的信號十分重要，電機的換相控制都是依據位置傳感器信號而進行的。如果位置信號出現錯誤，會導致牽引電機工作不正常，嚴重的會使牽引電機控制器損壞，這是一個致命性的故障。因此，檢測到位置信號出錯則立即鎖死牽引電機控制器的輸出，系統(tǒng)將停止運行。

2）過流保護 流過牽引電機的電流超過牽引電機控制器最大限制電流，或者發(fā)生短路時產生較大電流，會有故障信號輸出，同時鎖死牽引電機控制器輸出。

3）牽引電機控制器過溫保護 當檢測到牽引電機控制器散熱器的溫度超過353 K時，整車控制器VCU開始執(zhí)行限功率功能。如果牽引電機控制器繼續(xù)升溫，達到363 K時，VCU鎖死牽引電機控制器輸出。牽引電機控制器過溫保護是在工作溫度353～363 K之間進行線性降功率調節(jié)。

4）欠壓保護 輸入給牽引電機控制直流母線的電壓低于260 V時，整車控制器將提供欠壓報警信號，此時牽引電機控制器并不鎖死輸出，只是提醒電池處于欠壓狀態(tài)。當牽引電機在運行過程中被檢測到母線電壓低于220 V時，將輸出極低電壓報警信號，并鎖死牽引電機控制器的輸出。因為母線電壓低到一定程度牽引電機控制器內的控制部分的電壓輸出將出現不穩(wěn)定的現象，有可能使功率器件錯誤工作，造成牽引電機控制器的損壞。

5）單體電池過溫保護 單體電池溫度超過使用設定值時，牽引電機控制器會自行降低功率運行，單體電池溫度超過極限值時，電池會自動停止輸出，以免對電池造成損害。

6）通信故障報警 在使用CAN總線方式進行電機控制的時候，如果牽引電機控制器在3s內沒有收到整車控制器VCU的指令，將被判斷為通信故障，此時停止牽引電機控制器的輸出，即使通信又恢復正常，那么牽引電機控制器仍然處于鎖定狀態(tài)，除非對牽引電機控制器進行人工操作復位。

7）誤掛倒擋保護 當車輛在正常行進中錯誤掛入倒擋會帶來十分嚴重的后果，為此設置了反方向擋位無效的程序。當檢測到反方向輸入信號，會自動棄之不予采納，仍然維持原有的運行模式，只有當車輛完全靜止，才能進入反方向運行。

3.2 線路連接

3.2.1 接口針腳定義（表1、表2）

表2 16PIN航空插座針腳定義

3.2.2 線路連接說明

圖5為線路連接原理圖。

1）預充電系統(tǒng) 預充電系統(tǒng)位于電池管理系統(tǒng)BMS內部，通過預充電繼電器和限流電阻對電機控制器內部電容進行預充電，待電容電壓上升到設置值后再接通主接觸器。此系統(tǒng)可有效防止蓄電池主回路上電瞬間的電流過沖，延長蓄電池及主接觸器觸點的使用壽命，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）電機旋向信號的接入 CCW、CW為電機旋向信號（23PIN插頭6、7腳），CCW為牽引電機逆時針旋轉，CW為牽引電機順時針旋轉。這里需要說明的是電機的旋轉方向是從電機的軸伸方向進行判斷。旋轉信號是開關量輸入，當信號線與12 V相接時，信號為高電平（有效），當信號線懸空則為低電平（無效），牽引電機旋轉方向信號必須是相異的信號，同時置高或置低都視為空擋，此時牽引電機將不運轉。

3）運行信號（RUN） 運行信號為開關信號，該信號是控制器的使能信號，若要使系統(tǒng)運行此信號必須置高電平，否則系統(tǒng)將不工作。運行信號也可以作為閉鎖信號使用。

4）CAN總線通信 通過CANH、CANL兩線即可實現控制器與儀表或VCU等其他部件進行通信。控制器控制模式配置成數字通信，就可以通過CAN總線接收控制指令，實現電機控制。通信發(fā)送的信息主要有4個內容，分別是：牽引電機當前運行狀態(tài)、轉速信息、報警信息和電流等數據。控制器數據幀采用廣播方式發(fā)送，每間隔50 ms發(fā)送一幀數據幀，控制器內CAN 總線上已接120 Ω端電阻。

5）復位（REST） 復位信號的作用是在控制器出現保護時控制器被鎖死輸出，通過復位信號可使控制器恢復到初始狀態(tài)，否則需要關斷主電源，等待30 s后重新上電才能復位。復位信號（REST）由23PIN插頭第9腳提供。當該腳與12V碰一下即可完成復位操作，因此復位開關要接非保持類型的開關。

6）油門踏板的接入 油門踏板有霍爾型和電位器型2種，油門踏板的輸出電壓為0～5 V，不能高于5 V。油門踏板供電電源霍爾型油門有5 V和15 V2種電壓可供用戶選用，電位器型油門踏板供電電壓只能選擇5 V。控制器認可的油門輸出電壓在0.8～4.5 V，如果油門踏板輸出電壓低于0.8 V，控制器發(fā)出指令使牽引電機輸出零轉矩，油門踏板輸出電壓在4.5 V時控制器發(fā)出指令使牽引電機輸出最大轉矩，油門踏板輸出電壓高于4.5 V，控制器將執(zhí)行油門踏板輸出4.5 V的指令。

圖5 線路連接原理圖

7）轉速信號脈沖輸出（REV） 轉速脈沖信號輸出采用的是集電極開路輸出，因此需要接上拉電阻到儀表控制電源正，集電極開路過電流10 mA，上拉電阻的阻值根據儀表供電電壓匹配，一般在1～101 kΩ之間。轉速信號在電機每旋轉一周輸出4個脈沖，輸出脈沖的高低電平各占50 %。

4 電池系統(tǒng)

電池系統(tǒng)以國軒高科提供的單體容量12.5Ah的磷酸鐵鋰電池為基礎部件，通過5并聯95串聯構成電池系統(tǒng)的基礎構架。電池系統(tǒng)還包括了管理子系統(tǒng)，管理子系統(tǒng)由核心芯片BCU、2個電池管理系統(tǒng)（BMS）從板、1個電池自動切斷BDU和1個高壓管理控制單元HMU等組成，完成系統(tǒng)自檢、故障預警和充電管理等功能。電池安裝于后備廂內，如圖6所示。

圖6 電池組

4.1 電池系統(tǒng)功能及組成

4.1.1 電池系統(tǒng)功能

電動汽車用動力電池的主要功能是為驅動電機提供電能，并通過充電裝置存儲外部電網及車載發(fā)電裝置的電能，回收整車制動能量，同時配備電池管理系統(tǒng)，保證電池系統(tǒng)的可靠性與安全性。

4.1.2 電池系統(tǒng)的組成

主要由電池模塊、電池箱體、冷卻風扇、冷卻風道等組成。其中電池模塊是由單體12.5 Ah的磷酸鐵鋰電池通過串并聯方式組合而成。電池箱體是電池模塊的載體，其內部還包括電池管理系統(tǒng)、數據采集裝置、電池自動切斷等。

4.2 電池系統(tǒng)的結構

圖7為電池系統(tǒng)結構。電池組為304 V/62.5Ah電池組，由國軒高科單體容量12.5 Ah的磷酸鐵鋰電池經過5并聯95串聯組合而成，其中每個62.5 Ah電池由5個12.5 Ah的單體并聯組成。

圖7 電池系統(tǒng)結構

電源管理系統(tǒng)設計成分布式串聯結構，共有2個從板BMU，1個BMS，其中2個BMU控制55個串聯電池單體和40個串聯電池單體。2個BMU通過CAN總線進行級聯，主機同樣通過CAN總線實現對2個從機的通信及控制。BMS可以通過對BDU內的高壓直流接觸器的控制，實現對電池的充放電控制。

4.3 電池組性能參數（表3）

表3 電池組參數

5 高壓電氣系統(tǒng)

5.1 功能

1）為電動汽車前艙的高壓用電設備分配高壓接口，實現電能從動力電池到電機的控制器、PTC、AC的傳輸。

2）安裝高壓熔斷絲，實現對與之相連的用電設備和電纜的保護。

3）安裝PTC高壓繼電器，實現對PTC的兩擋控制。4）提供高壓系統(tǒng)的檢修接口。

5.2 系統(tǒng)原理與結構

高壓系統(tǒng)原理框圖如圖8所示。高壓系統(tǒng)包括高壓接線盒總成、高壓接線盒配電電纜總成、高壓接線盒主電纜總成。其中高壓接線盒為全密封防水防塵結構，并且經過耐高溫和抗振動試驗，高壓電纜上使用的所有插接件均能達到IP67的防水等級。

圖8 高壓系統(tǒng)原理框圖

高壓接線盒如圖9所示。高壓接線盒殼體分為箱體、頂蓋、后蓋3部分，頂蓋和后蓋均可單獨打開。接線盒有5個電纜接口，加工好的電纜組件通過這5個接口與內部電路連接。PCU+和PCU-電纜所壓端子由相應的接口進入高壓接線盒內部，用螺釘擰在銅排的相應位置，在接口的堵頭處用簧片將電纜的屏蔽層擠住以實現電磁屏蔽。高壓主電纜總成BDU+和BDU- 的正負極通過相應接口接入高壓接線盒的內部，并用螺釘擰在銅排的相應位置，在接口的堵頭處用簧片將電纜的屏蔽層擠住以實現電磁屏蔽。

圖9 高壓接線盒

高壓線束均為橘黃色波紋管包裹。高壓線束在底盤下的布置，除用橘黃色波紋管包裹外，還另加一層高壓護套管包裹。

6 充電系統(tǒng)與蓄電池充電

6.1 充電系統(tǒng)的主要功能

充電系統(tǒng)功能主要是駐車狀態(tài)下為電動汽車動力電池組提供車載充電。充電系統(tǒng)將市用電網交流電轉換為直流電，按照電動汽車電池管理系統(tǒng)的要求，對電池組充電。充電系統(tǒng)具備自檢、故障診斷、過溫保護、過壓保護基本功能。

6.2 充電系統(tǒng)的通信

充電系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)進行CAN通信，充電系統(tǒng)按照電池管理系統(tǒng)指令實現充電啟停、充電電壓和電流控制。

6.3 充電系統(tǒng)的主要構成

充電系統(tǒng)主要由車載充電器、普通充電插頭總成、充電樁專用充電插頭總成、充電插座總成組成，如圖10所示。6.4 充電注意事項

圖10 充電插頭與插座

動力電池充電是純電動汽車必不可少的一項重要維護工作，該項工作做的品質高低直接影響電動汽車的使用性能。為了安全，在充電過程中一定要注意以下幾點：①車輛必須在干燥場所充電；②車輛充電時，確保充電插頭與插座無開裂和松散，插接可靠不可松曠；③在充電之前必須撥出鑰匙，充電中嚴禁打開鑰匙，不得有任何用電設備工作；④充電期間，嚴禁有各類維修作業(yè)；⑤車輛充電時，確保動力電池維修開關處于接通狀態(tài)；⑥車輛充電時，確保220 V交流電源有電；⑦車輛充電時，電池最高溫度不允許超過50 ℃，達到臨界點應及時斷電，當溫度降到35 ℃以下時方可繼續(xù)充電；⑧車輛充電如遇意外火災，應及時切斷充電電源，必須使用干粉滅火器進行滅火，嚴禁采用其他滅火手段；⑨充電結束，應先關閉充電電源，然后收裝好充電插頭與插座。

6.5 充電設備與充電方法

6.5.1 電池組整體充電

充電設備：320 V/2 kW車載充電機。參數設置：電壓上限370 V；充電電流6 A。在充電過程中，注意監(jiān)控單體電池最高電壓變化情況，在最高電壓達到3.9 V時，應立即關閉充電機，以防單體模塊發(fā)生過充電。

6.5.2 電池模組整體充電

充電設備：110 V/100 A測試柜。參數設置：電壓上限3.65 V×n（串數）；充電電流15A；充電截止電流1 A。在充電過程中，要監(jiān)控整箱每個電池模塊電壓變化情況，在最高電壓達到3.9 V時，應立即關閉測試柜，以防單體模塊發(fā)生過充電。

6.5.3 單個模塊補充充電

單個模塊電壓低于3.34 V時，需要補充充電。充電設備：5 V/100 A測試柜。參數設置：電壓上限3.60 V；充電電流15 A；充電截止電流1 A。

[1] 同悅電動轎車維修手冊[Z］.2013.

（編輯 楊 景）

Power Management System of JAC Tongyue Pure-electric Car

FU Hua-shan，CHEN Cheng-cheng
(Electrics Studio，Department of Transportation，Jiamusi Vocational Education Group，Jiamusi 154002，China)

This article introduces the power management system of JAC Tongyue electric car，which includes vehicle control unit，DC/DC converter，CAN communication system，permanent magnet brushless DC traction motor controller，porch battery systems，high voltage electrical system and charging system.

JAC Tongyue； pure-electric；power management system

U469.72

A

1003-8639（2017）03-0009-06

2016-07-19

付華山（1964-），男，工程師，技師，主要從事汽車電子及電氣教學；陳呈程（1988-），女，助理工程師，從事新能源汽車教學工作。