比亞迪E5高壓電控系統功能分析

魏冬至

關鍵詞：新能源汽車；高壓電控系統；控制策略

中圖分類號：U472.4 文獻標識碼：A

0引言

國家統計局數據顯示，全國的汽車保有量逐年增長，2020年末全國民用汽車保有量28 087萬輛，其中新能源汽車產量145.6萬輛，2021年全國機動車保有量達3.95億輛，其中新能源汽車784萬輛。據公安部發布的《2022年上半年全國機動車和駕駛入統計數據》，截至2022年6月底，全國機動車保有量達4.06億輛，其中汽車3.10億輛，新能源汽車1001萬輛，占汽車總量的3.23%。而這其中，純電動汽車保有量為810.4萬輛，占新能源汽車總量的80.93%。在保有量方面，據艾媒咨詢預測，2025年我國新能源汽車保有量預計達2 672萬輛，其中純電動汽車將達2324萬輛。而據信達證券預計，2025年，我國新能源汽車保有量將突破3000萬輛。由于國家法律法規對環保的嚴格要求，汽車生產企業乃至用戶對新能源汽車的認可度逐年提升，新能源汽車保有量也逐年增長，隨之其售后量也日趨增大。新能源汽車有別于傳統燃油汽車，其是依托電池、電機、電控系統（簡稱“三電系統”），摒棄內燃機進行發展，因此對于新能源汽車的維修保養也應該重新認識，認真學習，以滿足日趨增長的新能源汽車維修業務量和新要求。

1新能源電動汽車的分類

目前，新能源電動汽車有3種類型，分別是混合動力汽車（油電混動）、純電動汽車、燃料電池汽車。混合動力汽車，顧名思義，車輛動力的來源可以是傳統發動機，也可以是動力電池包，混動的形式有串聯混動、并聯混動和混聯混動；按照發動機參與輸出功率的比例，又可分為弱混動、輕混動、中混動、重混動。純電動汽車是指車輛的動力源只有動力電池包，按照電池的類型，可以分為鉛酸電池純電動汽車、鎳氫電池純電動汽車、鋰電池（三元鋰、磷酸鐵鋰和鈦酸鋰）純電動汽車等，目前市場主流的動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汽車未來的發展方向，燃料（氫氣）通過小型的反應堆，實現電荷轉換，產生電壓，給動力電池包充電，再驅動車輛行走，并且在車輛整個運行過程中，排放物只有水，完全實現零排放。

2純電動汽車高壓電控系統的組成

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

2017款比亞迪E5是比亞迪公司旗下的一款純電動汽車，長4680 mm，寬1765 mm，高1500 mm，軸距2660 mm。其最高車速為130 km/h，電動機的最大功率為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，標準續航里程為400 km。

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

3純電動汽車高壓電控系統的工作原理

3.1上電預充過程

當駕駛員將遙控鑰匙帶入車內，踩踏制動踏板，按動一鍵啟動開關時，車輛儀表板上“OK”燈點亮的過程，是一個上電預充的過程。首先，高壓動力電池包內的正極接觸器和負極接觸器吸合，四合一高壓電控總成內部的預充接觸器也吸合。其次，高壓動力電池包內的高壓直流電從正極流出，經由霍爾電流傳感器、預充接觸器和100Ω的預充電阻，到達電機控制器，此時，電機控制器內的電容開始充電，電容負極經四合一高壓電控總成內部的高壓直流母線流回高壓動力電池包，經由負極接觸器，回到高壓動力電池包負極，形成回路。預充開始，在規定時間內，當預充電容的電壓與高壓電池包的總電壓相差50 V（有資料顯示預充電容的電壓達到高壓動力電池包電壓的2/3）時，預充接觸器斷開，放電主接觸器吸合，高壓動力電池包開始對外放電。同時，高壓動力電池包的電也要供給DC-DC，DC-DC將高壓直流電轉變為直流14 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備供電。預充電路（預充接觸器和預充電阻）有以下3個方面的作用：一是防止高壓動力電池包的高壓直流電沖擊電機控制器；二是在上電過程中，使直流母線的電流緩慢上升，防止大電流燒壞正負極接觸器的觸點；三是減少大的放電電流對高壓動力電池包的影響。

3.2純電動汽車工作狀態

高壓上電完成后，當駕駛員松開制動踏板或者踩踏油門踏板時，高壓動力電池包的電經由各相關接觸器、高壓直流母線加載到電機控制器上，電機控制器控制6個絕緣柵雙極晶體管（IGBT）適時接通或者斷開，將高壓直流電逆變為三相頻率可調的交流電，供給三相交流永磁同步電動機（MG），三相交流永磁同步電動機旋轉驅動減速器、差速器、半軸，使車輪旋轉，車輛行駛。同時，高壓動力電池包的電也要供給DC-DC，DC-DC將高壓直流電轉變為直流14 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備供電。

3.3制動能量反饋狀態

當車速大于30 km/h，車輛處于滑行或者制動狀態，并且高壓動力電池包的電量在90%以下時，制動能量回收系統開始起作用。此時，車輪帶著傳動機構拖動三相交流永磁同步電動機轉子轉動，三相交流永磁同步電動機轉子永磁，磁場轉動，定子被迫切割磁力線發電，定子U、V、W三相接頭輸出三相交流電到電機控制器，電機控制器內部的整流器整流后升壓，將所產生的電能回饋到直流母線，給高壓動力電池包充電。

3.4漏電狀態

當四合一高壓電控總成內部的漏電傳感器監測到直流母線上有漏電時，立即斷開放電主接觸器、正極接觸器、負極接觸器，實施高壓下電。電機控制器內部的預充電容在5s內通過主動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。當預充電容電壓下降到60 V以下時，泄放結束。

3.5 PTC工作狀態

當駕駛員有開暖風取暖的需求時，高壓直流電通過32 A空調系統保險給PTC加熱器供電，PTC加熱器加熱循環水，暖風循環水泵將熱水送至位于儀表臺內部的暖風水箱，鼓風機工作，熱風通過相應的風道翻板，到達駕駛員選擇的送風位置。

3.6空調壓縮機工作狀態

當駕駛員有開空調制冷的需求時，高壓直流電通過32 A空調系統保險給空調壓縮機供電，壓縮機工作，制冷劑在空調管路中實現物態變換，在蒸發箱實現液氣物態變化，吸熱制冷，鼓風機工作，冷風通過相應的風道翻板，到達駕駛員選擇的送風位置。

3.7電池加熱器工作狀態

當高壓動力電池包內的溫度傳感器監測到溫度低于設定下限時，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32A空調系統保險給電池加熱器供電，電池加熱器加熱循環水，在水泵作用下，熱水被導入高壓動力電池包內的加熱水道，使其溫度上升。

3.8交流充電狀態

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

3.9直流充電狀態

當車輛停駛，使用大功率的直流充電樁對車輛進行直流快充時，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、充電參數配置，確定電池和充電機的必要信息后，充電樁合適的直流電從直流充電口進入車輛，經高壓直流母線，給高壓動力電池包充電。

4結語

純電動汽車的高壓電控系統是區別于傳統內燃機汽車的最重要特征之一，本文以2017款比亞迪E5為例，總結了純電動汽車高壓電控系統的組成，各部分的作用、工作原理，以及整個系統在9種工作狀態下的控制策略，有助于了解其他車型的高壓電控系統，掌握電動汽車的維護和保養技巧，加強電動汽車領域的技術研究和創新。