純電動(dòng)汽車(chē)的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)及維護(hù)操作常識(shí)(六)

◆文/北京 王新旗

(接上期)

6.驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制——IGBT的結(jié)構(gòu)及控制

在前面文章中，我提到過(guò)新能源汽車(chē)的三大電，電機(jī)控制是其中之一，由于動(dòng)力電池輸出的是直流電，而電機(jī)控制需要的是交流電，因此電機(jī)控制器需要對(duì)直流電進(jìn)行交流轉(zhuǎn)換，這就涉及到逆變電路的控制及工作，針對(duì)這些變換的概念給大家梳理一下，方便大家理解。

(1)交流-直流變換(AC/DC變換)：整流；

(2)直流-交流變換(DC/AC變換)：逆變；

(3)直流-直流變換(DC/DC變換)：斬波；

(4)交流-交流變換(AC/AC變換)：變頻；

交流-直流-交流變換(AC/DC/AC變換)。

可知，直流變交流稱(chēng)為逆變過(guò)程，關(guān)于逆變的詳細(xì)工作原理有興趣的讀者可以看相關(guān)電子電工學(xué)的資料文獻(xiàn)，但本文還是需要提一下IGBT的控制，也就是新能源汽車(chē)電機(jī)控制器主要用到的逆變電路。

圖56 IGBT控制模塊

新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器采用三相兩電平電壓源型逆變器，又稱(chēng)智能功率模塊，以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊(圖56)為核心，輔以驅(qū)動(dòng)集成電路、主控集成電路。對(duì)所有的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，并將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息通過(guò)CAN2.0網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給整車(chē)控制器。圖57所示為絕緣柵雙極型晶體管IGBT分類(lèi)。

圖57 絕緣柵雙極型晶體管IGBT分類(lèi)

絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)如圖58所示，I16用IGBT的集電極電流最大可做到3 600A，集射極電壓可達(dá)到4 500V以上，中小容量IGBT的開(kāi)關(guān)工作頻率在20～40kHz，大容量IGBT的開(kāi)關(guān)工作頻率通常在5kHz左右，IGBT是目前應(yīng)用最為廣泛的電力電子器件，使用功率范圍從幾百瓦到數(shù)百千瓦。

圖58 IGBT基本結(jié)構(gòu)

7.驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制————位置控制

位置傳感器將轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)電平反饋給控制芯片，控制芯片經(jīng)過(guò)電流采樣和數(shù)學(xué)變換，并根據(jù)反饋的位置信息經(jīng)過(guò)閉環(huán)運(yùn)算，重新按新的PWM占空比輸出，來(lái)觸發(fā)功率器件。圖59所示為電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖。

驅(qū)動(dòng)時(shí)：整車(chē)控制器根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行的不同情況，包括車(chē)速、擋位、踏板開(kāi)合程度和電池SOC值來(lái)決定電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩/功率。

當(dāng)電機(jī)控制器從整車(chē)控制器處得到轉(zhuǎn)矩輸出命令時(shí)，將動(dòng)力電池提供的直流電轉(zhuǎn)化成三相正弦交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，通過(guò)減速箱來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行。

動(dòng)力電池提供直流電，經(jīng)高壓分配器到電機(jī)控制器，電機(jī)控制器中的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為電壓頻率可調(diào)的三相交流電，供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能變?yōu)閯?dòng)能輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車(chē)輪運(yùn)行。

再生制動(dòng)(能量回饋)時(shí)：當(dāng)車(chē)輛在溜車(chē)或剎車(chē)制動(dòng)的時(shí)候，電機(jī)控制器從整車(chē)控制器得到發(fā)電命令后，電機(jī)控制器將電機(jī)置于發(fā)電狀態(tài)。此時(shí)電機(jī)會(huì)將車(chē)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。然后，三相正弦交流電通過(guò)電機(jī)控制器轉(zhuǎn)化為直流電，存儲(chǔ)到電池中。

圖59 電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的軸線超前于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線一定角度，轉(zhuǎn)子拖著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)，電磁吸力方向發(fā)生變化，即與旋轉(zhuǎn)方向相反起制動(dòng)作用，同時(shí)電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，把動(dòng)能變成電能產(chǎn)生三相交流電，逆變器處于整流工作狀態(tài)，將三相交流電變?yōu)橹绷麟姡?jīng)高壓分配器反饋回蓄電池。既節(jié)約了電能又減少了制動(dòng)片的磨耗。

(1)旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器簡(jiǎn)稱(chēng)旋變，是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系。圖60為旋變的內(nèi)部工作原理示意圖。

(2)解角傳感器

為了滿足電機(jī)靜止啟動(dòng)和全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的控制目的，需要利用解角傳感器精確地測(cè)量永磁轉(zhuǎn)子磁極位置和速度。解角傳感器是采用電磁感應(yīng)原理制成的旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)傳感器，它由定子和轉(zhuǎn)子組成。橢圓型轉(zhuǎn)子與電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子相連接，同步轉(zhuǎn)動(dòng)。橢圓型轉(zhuǎn)子外圓曲線代表著永磁轉(zhuǎn)子磁極位置。定子包括1個(gè)勵(lì)磁線圈和2個(gè)檢測(cè)線圈，2個(gè)檢測(cè)線圈S和C軸線在空間坐標(biāo)上正交，MCU按預(yù)定頻率的交流電流輸入勵(lì)磁線圈A，隨著橢圓型轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子間的間隙發(fā)生變化，就會(huì)在檢測(cè)線圈S和C上感應(yīng)出相位差90°正弦、余弦感應(yīng)電流，MCU根據(jù)檢測(cè)線圈S和C感應(yīng)電流的波形相位和幅值，以及波形的脈沖次數(shù)，計(jì)算出電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子的磁極位置和轉(zhuǎn)速值信號(hào)，作為MCU對(duì)電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)信號(hào)。

圖60 旋變的內(nèi)部工作原理

8.制動(dòng)饋能控制

前文已對(duì)此內(nèi)容做過(guò)說(shuō)明，考慮到文章的完整性，此處我再簡(jiǎn)單說(shuō)明一下。制動(dòng)饋能控制根據(jù)駕駛員意愿分為幾種狀態(tài)，如掛D擋加速行車(chē)時(shí)、減速制動(dòng)時(shí)，掛R擋倒車(chē)時(shí)等。

(1)D擋加速行車(chē)

駕駛員掛D擋并踩加速踏板，此時(shí)擋位信息和加速信息通過(guò)信號(hào)線傳遞給整車(chē)控制器VCU，VCU把駕駛員的操作意圖通過(guò)CAN線傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU，再由驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU結(jié)合旋變傳感器信息(轉(zhuǎn)子位置)，進(jìn)而向永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子通入三相交流電，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動(dòng)勢(shì)及建立的電樞磁場(chǎng)，一方面切割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一方面以電磁力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)。隨著加速踏板行程不斷加大，電機(jī)控制器控制的6個(gè)IGBT導(dǎo)通頻率上升，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著電流的增加而增加，因此，基本上擁有最大的轉(zhuǎn)矩。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電動(dòng)機(jī)的功率也增加，同時(shí)電壓也隨之增加。在電動(dòng)汽車(chē)上，一般要求電動(dòng)機(jī)的輸出功率保持恒功率，即電動(dòng)機(jī)的輸出功率不隨轉(zhuǎn)速增加而變化，這就要求在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電壓保持恒定，與此同時(shí)，電機(jī)控制器也會(huì)通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器，感知電機(jī)當(dāng)前功率、消耗電流大小、電壓大小，并把這些信息數(shù)據(jù)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳送給儀表、整車(chē)控制器。

(2)R擋加速行車(chē)

當(dāng)駕駛員掛R擋時(shí)，駕駛員請(qǐng)求信號(hào)發(fā)給VCU，再通過(guò)CAN線發(fā)送給MCU，此時(shí)MCU結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置(旋變傳感器)信息，通過(guò)改變IGBT模塊改變WVU通電順序，進(jìn)而控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。

(3)制動(dòng)時(shí)能量回收

在駕駛員松開(kāi)加速踏板時(shí)，電機(jī)在慣性的作用下仍在旋轉(zhuǎn)，設(shè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速為V輪、電機(jī)轉(zhuǎn)速為V電機(jī)，車(chē)輪與電機(jī)固定傳動(dòng)比為K，當(dāng)車(chē)輛減速時(shí)，V輪乘以K小于V電機(jī)時(shí)，電機(jī)仍是動(dòng)力源，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)V輪乘以K大于V電機(jī)時(shí)，此時(shí)電機(jī)相當(dāng)于被車(chē)輛帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，BMS可以根據(jù)電池充電特性曲線(充電電流、電壓變化曲線與電池容量的關(guān)系)和采集電池溫度等參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的允許最大充電電流。MCU根據(jù)電池允許最大充電電流，通過(guò)控制IGBT模塊使“發(fā)電機(jī)”定子線圈旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度保持到發(fā)電電流不超過(guò)允許最大充電電流，以調(diào)整發(fā)電機(jī)向蓄電池充電的電流，同時(shí)這也控制了車(chē)輛的減速度。

當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，該過(guò)程MCU輸出的電流頻率會(huì)急劇下降，饋能電流在MCU的調(diào)節(jié)下充入高壓電池，當(dāng)IGBT全部關(guān)閉時(shí)在當(dāng)前的反拖速度和模式下為最大饋能狀態(tài)，此時(shí)MCU對(duì)“發(fā)電機(jī)”沒(méi)有實(shí)施速度和電流的調(diào)整，“發(fā)電機(jī)”所發(fā)的電量全部轉(zhuǎn)移給蓄電池，由于發(fā)電機(jī)負(fù)載較大，此時(shí)車(chē)輛減速也較快。

能量回收的條件主要包括：電池包溫度低于5℃時(shí)，能量不回收；單體電壓在4.05～4.12V時(shí)，能量回收；單體電壓超過(guò)4.12V時(shí)，能量不回收；低于4.05V時(shí)，能量滿反饋SOC大于95%、車(chē)速低于30km/h時(shí)沒(méi)有能量回收功能，且能量回收及輔助制動(dòng)力大小與車(chē)速和踩下制動(dòng)踏板行程相關(guān)。

另外北汽新能源的E擋為能量回收擋位，在車(chē)輛正常行駛時(shí)E擋與D擋的根本區(qū)別在于MCU和VCU內(nèi)部程序、控制策略不同。在加速行駛時(shí)E擋相對(duì)于D擋來(lái)說(shuō)提速較為平緩，蓄電池放電電流也較為平緩，目的是盡可能節(jié)省電量以延長(zhǎng)行駛距離，而D擋提速較為靈敏，響應(yīng)較快。E擋更注重能量回收。松開(kāi)加速踏板時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)被車(chē)輪反拖發(fā)電時(shí)所需的“機(jī)械能”牽制了車(chē)輛的滑行，從而起到了一定的降速、制動(dòng)的效果，所以E擋位此時(shí)的滑行距離比D擋位短。

八、純電動(dòng)汽車(chē)的日常操作與養(yǎng)護(hù)

1.純電動(dòng)汽車(chē)的日常充電

下面，我將用一些文字介紹電動(dòng)車(chē)日常操作及養(yǎng)護(hù)，這些內(nèi)容對(duì)于廣大車(chē)主和汽修人員還是有些實(shí)際意義的。

電動(dòng)車(chē)的充電和涉水安全等問(wèn)題是廣大車(chē)主比較關(guān)注的，且由于筆者日常駕駛電動(dòng)車(chē)上下班，因此對(duì)此深有體會(huì)。筆者一次駕駛途中電動(dòng)車(chē)中控屏所顯示的剩余續(xù)航電量與里程，如圖61所示，晚上到家時(shí)余電里程就剩9km，心里很擔(dān)憂，也害怕車(chē)輛電量耗盡，停在半路。

圖61 剩余續(xù)航電量與里程顯示

電動(dòng)車(chē)的充電通常有兩種方式：快充和慢充，顧名思義，一種方式充電快，另一種方式充電慢。如果大家還記得，我前面文章在講電動(dòng)車(chē)基本結(jié)構(gòu)時(shí)的六小電里包括的車(chē)載充電機(jī)，慢充就是外接電源需要通過(guò)車(chē)載充電機(jī)進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，同時(shí)電壓、電流進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)后再給電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，到充滿電往往需要4～5個(gè)小時(shí)；而快充主要是充電樁直接將交流電轉(zhuǎn)為高壓直流電給動(dòng)力電池充電，從而解決車(chē)輛在行駛過(guò)程中快速充電的問(wèn)題，目前主流的車(chē)型基本可以做到30～60min充電80%的水平。

在說(shuō)充電之前，關(guān)于淺充淺放的概念和原理我認(rèn)為有必要跟讀者分享一下。在前面講動(dòng)力電池內(nèi)容時(shí)我曾介紹過(guò)，現(xiàn)在電動(dòng)車(chē)大部分使用鋰離子電池，而鋰離子電池的使用壽命與反復(fù)充、放電的次數(shù)，即“充電周期”的完成次數(shù)有關(guān)。目前，市場(chǎng)上主流動(dòng)力電池的壽命為300～500個(gè)充電周期，但是“充電周期”卻并不完全等同于“充電次數(shù)”。

舉例：一塊800mA的鋰離子電池，它累計(jì)充電至800mA的完整過(guò)程才是一個(gè)充電周期。比如從滿電狀態(tài)使用，當(dāng)電量完全耗盡才開(kāi)始充電，第一次由0mA充電到400mA，然后用掉NmA；第二次又充電150mA，再用掉NmA；第三次充電200mA，再用掉NmA；當(dāng)再次充電至800mA時(shí)，這4次充電的總量為800mA，這塊電池才完成了一個(gè)充電周期。這就是說(shuō)，一次充滿電和多次充滿電雖然結(jié)果一樣，但是對(duì)電池壽命的影響卻不同。很明顯，如果每次都滿充滿放，那么充電一次確實(shí)就等于完成了一個(gè)充電周期，而淺充淺放則要充電多次才能完成一個(gè)充電周期。從實(shí)際使用經(jīng)歷來(lái)看，“一次完全充電再一次性用盡電量”的情況不符合實(shí)際需要，因此淺充淺放的充電使用方式既方便，又能盡量延長(zhǎng)鋰電池的壽命。在條件允許的情況下，推薦電動(dòng)車(chē)做到淺充淺放，且盡可能在20%～80%的電量范圍內(nèi)進(jìn)行車(chē)輛的充放電。特別是冬季天氣寒冷，最好在下班后第一時(shí)間給電動(dòng)車(chē)充電，因?yàn)榇藭r(shí)動(dòng)力電池的溫度比較高，更有利于提高充電效率(圖62)。但是，全新電動(dòng)車(chē)在第一次投入使用時(shí)最好先滿充滿放3次，以求把電池的蓄電性能激發(fā)到最佳，然后再淺充淺放。

圖62 淺充淺放——回家就充電

2.充電注意事項(xiàng)

(1)隨車(chē)充電工具

所有電動(dòng)車(chē)都會(huì)配置家用或隨車(chē)充電槍?zhuān)瑫r(shí)配備充電寶/器作為充電樁與車(chē)輛的連接裝置，圖63、64所示為北汽配備的充電寶和充電槍。注意充電寶需與充電槍配合使用，且充電槍的兩端是有不同定義的，分為與充電樁連接的樁端和與車(chē)輛連接的車(chē)端，車(chē)端的槍口上面有一個(gè)機(jī)械按鈕，這個(gè)機(jī)械按鈕根據(jù)充電協(xié)議，是判斷充電槍是否連接可靠的信號(hào)。

圖63 北汽配備的充電寶

圖64 北汽配置的充電槍

圖66 北汽提供的充電樁(壁掛式)

圖65 江淮電動(dòng)車(chē)的快、慢壓充電口

圖67 江淮提供的充電樁(壁掛式)

不同車(chē)型的充電口位置及外形可以千變?nèi)f化，圖65所示為江淮電動(dòng)車(chē)的充電口布置：高、低壓充電并排，左側(cè)為快充口，右側(cè)為慢充口，但不管充電端口的位置及外形如何變化，充電端口的定義目前已基本統(tǒng)一，所以不同廠家的充電樁完全具備給非本廠家車(chē)輛進(jìn)行充電的能力。筆者就曾在親戚家附近用比亞迪的充電樁給自己的北汽電動(dòng)車(chē)進(jìn)行充電，同時(shí)各電動(dòng)車(chē)廠家為了銷(xiāo)售純電動(dòng)車(chē)，在銷(xiāo)售車(chē)輛的同時(shí)往往承諾贈(zèng)送充電樁，并可免費(fèi)上門(mén)安裝，當(dāng)然這需要車(chē)主所在生活小區(qū)物業(yè)部門(mén)批準(zhǔn)，尤其是需要占用公共區(qū)域安裝落地充電樁的車(chē)主更需要經(jīng)過(guò)物業(yè)同意。圖66、67所示為不同廠家的充電樁，其功能大同小異，且家庭裝的都是慢充樁。

近些年國(guó)家為了促進(jìn)純電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)售與普及，除了國(guó)家及銷(xiāo)售城市給予車(chē)主購(gòu)買(mǎi)車(chē)輛費(fèi)用補(bǔ)貼以外，北京市政府還推出了純電動(dòng)車(chē)不限號(hào)、不限行的鼓勵(lì)銷(xiāo)售政策，并且將新車(chē)購(gòu)買(mǎi)政策中傳統(tǒng)燃油車(chē)的搖號(hào)調(diào)整為新能源汽車(chē)的排號(hào)，近兩年隨著電動(dòng)車(chē)的普及及被廣大消費(fèi)者認(rèn)可，目前北京市排號(hào)等待購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)車(chē)的家庭或個(gè)人已經(jīng)排到7年以后。除國(guó)家政策以外，各地方、各省市政府的鼓勵(lì)及銷(xiāo)售政策也不同，上海市就是上海市民(名下沒(méi)有車(chē)牌的)就可以直接購(gòu)買(mǎi)混合動(dòng)力汽車(chē)或者純電動(dòng)汽車(chē)，但所購(gòu)買(mǎi)的車(chē)輛在報(bào)廢后車(chē)牌也將作廢，這點(diǎn)與北京市排號(hào)獲得新能源汽車(chē)購(gòu)買(mǎi)指標(biāo)的含義就很不同了。