电动汽车原理基础.pptx

电动汽车原理基础 海勤电控设备维修部 知豆电动发动机仓内部 江南奥拓发动机仓内部 客车发动机仓 电动汽车整车工作原理示意图 电池管理系统 BMS 动力电池是整车的核心部件 为整车提供能源 目前使用的电池为铁系锂电池和三元锂电池等 它由电池模块 箱体 电池管理系统 BMS 高低压线束等组成 电池管理系统的具体功能 保护电池 防止过充电 过放电 电压均衡功能 防止过热 计算剩余电量 计算电池寿命 故障诊断 电池管理系统 BMS 监控内部电池模块的电压 电流 温度 内阻等工作状态参数 通过这些参数来判断目前电池状态 允许充放电的功率等 并将其发送给整车控制器 BMS参与电池在充放电过程中的热管理 因为电池在充放电过程中会产生热量 如果不能及时的散发出去 会影响电池的可放电率 同时 电池的温度过低会导致电池放电能力下降 电池管理系统 BMS 电池管理系统 BMS 电池管理系统 BMS 电池管理模块采用主从机的结构 从机安装在动力电池箱内 用于采集箱体中电池模块的参数 当电池模块内部单体电池出现一致性差异时 将启动均衡功能 确保模块内单体电池的一致性 主机接收从机模块发送的信息 采样总电流 电压 计算剩余电量SOC和预测电池的健康程度SOH 并向整车控制器发送信息 电池管理系统 BMS 当电池出现欠压 过压 内部高温时 会导致电池安全性能变差 严重时会导致事故的发生 电源管理系统将发出 警报 出现一般警报时 车辆可以行驶 当出现严重报警时 不允许行驶 在一些车辆上通过仪表的自诊断提供的信息可以发现具体那一节电池电压出现异常 也可以通过诊断软件监控 电池管理系统 BMS 电池管理系统 BMS 为什么电池模块电压过低会使动力电池组整个系统的能量变低 动力电池由上百个电池模块串并联而成 由于电池存在 木桶效应 即电池组特性由最差电池决定 比如电池模块放电下限为2 5V 当电池管理系统采集到某一个电池模块电压过低 为了保护整个动力电池组 延长寿命 BMS会切断整个动力电池组的动力输出 并显示 欠压保护 BMS其他功能 高压环路互锁管理功能在电池箱的动力输出端需要通过高压插接件连接动力线缆 BMS的高压环路互锁功能可检测插接件是否有松动现象 如果出现松动会做出相应的处理 BMS控制器会发送信号 方波或高电平信号 同时接收此信号 如果接收成功即证明环路互锁正常 反之异常 电缆绝缘监测功能 BMS会检测总正和总负对车身搭铁的绝缘值 如果出现阻值低则上报故障并断开高压连接 电池管理系统BMS高压上电控制 BMS上高压电需要电机控制器允许上高压请求 再通过仪表CAN线检测到钥匙的START信号 整车控制器得到仪表起动的信号后 发送上高压指令给BMS BMS再根据自身逻辑判断当前是否上高压电 整车控制器等待BMS反馈高压接触器状态后 进入主程序运行 电池管理系统BMS高压下电控制 第一种当驾驶员将点火开关从ON档关闭后 整车控制器立即向辅助电源控制器发送指令 然后延时200MS发送BMS下电指令 第二种是当电池管理系统BMS或电机控制器出现最高级别故障 此时整车控制器向电机控制器发送0扭矩指令 控制驱动电机无输出扭矩 并发送BMS高压下电指令 注意 BMS在停车数小时内 控制器内部还有高压存在的可能 维修时要进行放电 以免被电击 电机与电机控制器 驱动电机将电能转化为机械能 接受不同的转速要求信号 同时 将电机状态信号反馈给电机控制器 目前使用较多的是交流异步电机和永磁同步电机 电机控制器将动力电池输出的高压转换成合适电机工作的电压 同时对电机的反馈信号进行处理 监控电机实际运行的状态 温度控制电机的工作 控制原理电机控制器对电机的控制 与电力行业中的变频器对电机的控制有许多相似之处 电力电子行业的变频器原理示意图 电机与电机控制器的工作原理 永磁同步电机 采用永磁同步电机 永磁体被镶嵌在转子中 电机的旋转变压器被同轴安装在电机的轴上 用来检测转子的旋转角度 当三相交流电被通到定子线圈中 产生旋转的磁场 牵引转子内部的永磁体产生和旋转磁场同步的旋转扭矩 由于转子的S极与定子旋转磁场的N极牢牢吸住 转子就跟着旋转磁场一起旋转起来 两者转速完全一致 所有被称为同步电机 永磁同步电机 永磁同步电机 旋转变压器 旋转变压器 旋转变压器 使用旋转变压器检测转子的位置和电流传感器检测线圈的电流 从而控制电机扭矩的输出 定子绕组共有三组线圈组成 其中红 黑引出线的一组为励磁绕组 阻值为16 黑白引出线一组与黄绿引出线一组为两个信号绕组 阻值为32 两个信号绕组分别输出频率相同 幅值相同 相位角相差90度的正弦和余弦两个交流信号 经过整形后成为方波 旋转变压器 旋转变压器 旋转变压器 电机控制器利用其中一个信号作为电机输出的转速信号 同时将这两个信号作为电机旋转方向的确认 将A B的初相角做比较 确认那个超前那个落后 A超前B信号90度 认为电机是正转 反之 是反转 旋转变压器的信号可以作为电机正反转信号 该信号有点发动机上的转速传感器的作用 自然相当重要 如果旋转变压器的输出方向与实际转向不同 可能导致车辆无法行驶 旋转变压器 电动水泵 电动水泵 电机控制器接收电机内部温度传感器信号 实时监控电机温度 并采取水冷方式进行散热 电机状态 电机电动机状态控制 在电动状态下 为了产生驱动力 整车控制单元VCU根据目标扭矩信号要求 电机控制器输送交流电给电机 以驱动车辆运行 电机发电状态控制 在制动能量回收阶段 根据整车控制单元VCU通过CAN总线发送再生转矩请求 电机控制器控制电机作为发电机来使用 由车轮旋转产生的动能转化为电能 此电能可为电池充电 电机产生的再生力矩作为制动力 减少制动钳的磨损 交流异步电机 在客车中几乎全部使用该类电机作为驱动电机 其定子的铁芯里放置的是三相绕组 各绕组的中心线之间互差120度 将三相交流电通到铁芯里 就产生了旋转的磁场 按一定的顺序轮流地向三相绕组内通电流 当绕组1内部通电流时 产生的磁通如a所示 当绕组2内部通电流时 产生的磁通如b所示 与a相比较磁通的方向旋转了120度 当绕组3内部通电流时 产生的磁通如c所示 与b相比较磁通的方向旋转了120度 依次轮流下去 产生的磁通时旋转的 构成了旋转的磁场 交流异步电机 当定子合成的磁场在空间旋转时 其磁力线将被转子绕组切割 切割的方向与磁场的旋转方向相反 转子导体因切割磁力线而产生感应电动势 感应电动势的方向由右手定则判定 因为绕组自成回路 故绕组中有感应电流 转子绕组的电流是因为切割旋转磁力线而产生 并不需要从外部引入 所以 异步电动机也称为感应电动机 交流异步电机 交流异步电机 当转子绕组中产生感应电流后 该电流又处于定子磁场的作用下 载流导体受磁场作用 使转子旋转 转子与旋转磁场之间 必须保持一定的相对运动 转子的转速永远小于同步转速 它们之间的差值称为转差 因为转差的存在 所以称为异步电动机 对于电机而言三相绕组电阻几乎绝对平衡 某款电机的阻值为0 68 交流异步电动机的调速 当交流电的频率为50HZ时 电流交变一周的时间为20MS 也就是说 磁场旋转一周的时间是20MS 则在一秒钟内磁场旋转50圈 当交流电的频率为100HZ时 电流交变一周的时间为10MS 也就是说 磁场旋转一周的时间是10MS 则在一秒钟内磁场旋转100圈 交流异步电动机的调速 改变电源频率 交流异步电机的转速将发生变化 在改变频率时 如果电压与频率的比值一定 V F 常数 那么产生的转矩也是基本恒定的 下图是在V F恒定的条件下 改变频率时的异步电机产生的转矩 恒扭矩控制 高速时功率不变 转速增高扭矩减小 恒功率控制 交流异步电动机的调速 如何进行变频控制 如何进行变频控制 用4个IGBT管组成一个桥型电路 ZL是负载 首先让VT1 VT2导通 VT3 VT4截至 此时电流如虚线所示 从电源正极P VT1 负载ZL VT2 电源负极 当它流经负载时 是从a端流向b端的 将这种情况下的Uab作为正方向 幅值等于直流电压Ud 其电压波形如图b中时间段0 t1所示 让VT3 VT4导通 VT1 VT2截至 此时电流如虚线所示 从电源正极P VT3 负载ZL VT4 电源负极 当它流经负载时 是从b端流向a端的 将这种情况下的Uab电压为负 幅值等于直流电压Ud 其电压波形如图b中时间段t1 t2所示 让VT1VT2为一组 VT3VT4为另一组 让它们不断的导通和截至 则负载中流过的 便是交变电流了 如何进行变频控制 如果利用六只IGBT管组成全桥整流 可以控制三相绕组UVW的通电状态 在两两导通的方式下控制电流发生变化的情况如下 如何进行变频控制 以电动机转子在0度为始点 先让V1导通120 电角度 在这期间V4先导通60 电路先经过V1 U相 V相 V4 蓄电池负极 控制V4截至 再控制V6导通60 电角度 电流先经过V1 U相 W相 V6 蓄电池负极 电机转动120 距离始点120 以电动机转子在120度为始点 先让V3导通120 电角度 在这期间V2先导通60 电路先经过V3 V相 U相 V2 蓄电池负极 控制V2截至 再控制V6导通60 电角度 电流先经过V3 V相 W相 V6 蓄电池负极 电机转动120 距离始点240 以电动机转子在240度为始点 先让V5导通120 电角度 在这期间V2先导通60 电路先经过V5 W相 U相 V2 蓄电池负极 控制V2截至 再控制V4导通60 电角度 电流先经过V5 W相 V相 V4 蓄电池负极 电机转动120 距离始点360 完成了一个圆周运动 如何进行变频控制 只要根据磁极的不同位置 以恰当的顺序去导通和阻断各相出线端所连接的IGBT管 就可以控制电动机产生一定方向的电磁转矩而稳定运行 借助逻辑电路改变IGBT管的导通顺序 可以实现电动机正反转 电动机的 两两导通 方式有些类似与发动机两气门一进一排的方式 也有 三三导通 的方式 类似于三气门发动机的 两进一排 如何进行变频控制 频器里普遍采用脉宽调至的方法来实现调速的 所以变频器输出的电压是按一定规律改变占空比的系列脉冲波形 变频器实际输出的脉冲不是等宽的 而是使脉冲占空比按照正弦规律分布 叫做正弦脉宽调制 如何进行变频控制 如何进行变频控制 正弦脉宽调制是通过求正弦波和三角波的交点得到 三角波称为 载波 正弦波称为 调制波 汽车级IGBT管 IGBT驱动原理 变频器的驱动部分大体都是由CPU板过来的6路信号来驱动光耦 光耦再驱动IGBT模块 驱动部分正常工作的条件 各路电源正常 光耦正常 各种电阻电容等元件正常 模块正常 电路板走线正常 以上条件缺一不可 IGBT驱动原理 电动机是怎样变成发电机的 对于同步电机而言 转子上有磁极 定子上分布三相绕组 当转子被拖动时 减速状态 下坡状态时车速高于电机转速 定子绕组因切割转子的磁场而产生感应电动势 从而发电 对于异步电机而言 它没有独立的磁场 或者说它没有一个单独产生磁场的电路 异步电机必须与三相电源相接后才产生磁场 旋转磁场 当它在驱动状态下就是一台电动机 当有原动机带动它超过同步转速后 才发电 在变频器中 异步电机的发电状态 实质是拖动系统释放机械能的过程 而再生制动功能就是把这些机械能转换成电能 从而为电池充电 下图所示为电力行业变频器中利用回馈单元将多余的电能回馈给电网 电动机是怎样变成发电机的 整车控制器 整车控制器 电动汽车是一个高度集成的电气化系统 包括电机控制器 充电 辅助 低压电器系统等 必须通过一个整车控制系统 常称之为VCU来进行各系统的协调控制 从而实现整车的最佳性能 整车控制系统主要包括整车控制器 电机控制器 电池管理系统 信息显示系统 通讯系统等 整车控制器是整车控制系统的核心 整车控制器 通过采集驾驶员踏板 电机转速 档位信号 制动 车速等信息 判断驾驶员意图 计算出目标牵引力矩 参考电机外特性 储能系统的边界条件如剩余电量SOC 动力电池电压等信息 采用适当的控制策略 选择合适的工作模式 通过CAN总线控制电机控制器对电机进行力矩控制 按照驾驶员意图实现电机驱动整车运行 各个系统之间通过CAN协议进行通讯 控制车辆的前进 后退 加减速等等 整车控制器上电控制 当点火钥匙位于ON档 唤醒VCU VCU控制继电器给电机控制器和电池管理模块供电 VCU通过CAN通讯发送相关的控制命令 完成整车系统的启动 上电 整车控制器VCU接收到上电开关 钥匙位于ON档 直流充电桩 车载充电机或者远程智能终端的唤醒信号后 直接控制高压继电器吸合或断开 完成高压系统的接通和断开 整车控制器其他功能 车辆在滑行和制动时 VCU根据ABS状态 动力电池状态 制动踏板位置信号 计算能量回收转矩发动给电机控制器 启动能量回收功能 车辆在行驶状态下 VCU根据电机温度 电机控制器温度 IGBT温度 冷却液温度 车速信号等发动PWM信号控制电子冷却水泵转速 在直流充电下 VCU根据冷却液温度发送PWM信号控制电子冷却水泵转速 车辆发生碰撞或严重故障 如绝缘故障 动力电池过温 过压 动力电池过温 过流时 VCU切断高压回路上的继电器 高压配电箱 高压配电箱 高压配电箱 高压配电箱的作用是将来自动力电池的直流高压电分配给各个高压部件 连接暖风 加热 除霜 连接充电座 实现通讯功能 整车通讯 充电通讯以及主从机通讯高压配电箱主要由高压接触器 继电器 熔断器 电压控制线路等组成 有些车型中 电池管理系统BMS集成在高压配电箱内部 主接触器控制动力电池到整车高压电路的通断 预充接触器防止高压回路在钥匙起动的瞬间出现大电流的 电流传感器测量高压电路电流 由VCU计算电池容量 高压配电箱 为什么需要预充接触器 因为电动汽车中存在着电容型负载 比如上面提及的电机控制器中 就存在着大容量电容 在电路接通前 电容器上没有电荷 电压为0V 而电容器两端的电压就不能突变 在合闸的瞬间 与电容连接的两条线路中相当于短路 此时将出现很大的冲击电流 为此需要在线路中接入一个限流电阻 等电容器上的电压上升到一定程度时 再把限流电阻短路掉 为什么需要预充接触器 在电力电子领域如变频器的限流电阻如下图所示 图中RL就是限流电阻 预充电是如何完成的 车身控制单元VCU向电池管理模块BMS发动闭合预充继电器指令 BMS收到指令闭合预充电继电器 并向VCU反馈预充继电器状态 VCU根据BMS发来的动力电池电压以及电机控制器MCU发来的电机母线电压 判断预充电是否完成 如果预充电完成 则VCU向BMS发送指令 要求BMS吸合主继电器 断开预充电继电器 高压上电成功 或者如上图将限流电阻短路掉 交流接触器 交流接触器常见的故障是触点接触电阻大 触点烧结 触点闭合时开路 测试时可以通过给线圈施加额定电压 检测触点的导通和闭合情况 利用万用表测量触点导通时的电阻 如无异常 基本接近0欧姆 如果在10欧姆以上 视为故障 交流接触器 电流霍尔传感器 霍尔电流传感器常见的有三根线或者四根线 如果是四根线 分别是正电源 负电源 0端 地 信号输出端 如果是三根线它们分别是0V端 地 电源端 信号输出端 判断传感器是否异常的简单方法是 将传感器通电 再测量信号输出端电压 在没有功率电流的情况下 如果是四线传感器 输出端电压就是0V 如果是三线传感器 输出端的电压是电源电压的1 2 例如一个使用了5V电压的传感器 输出端电压就是2 5V 如果偏离太多就要考虑传感器的损坏 电流传感器 该传感器将信号传给电机控制器 实现过流保护 缺项保护的功能 确保三相电机电流矢量和为零 实现电机的正常工作 充电 小倍率即慢充 使用家用220V交流电进行 利用充电机将220V转换成动力电池所需的高压直流电压 例如330V 一般需要8小时 充电 大倍率即快充 利用充电站的充电桩进行充电 一般使用2C 3C 电池以一小时充满电量时所需的电流 的充电速度 一般0 5小时即可充满整个动力电池的80 利用充电机充电时的功能检查 将钥匙位于OFF档 车辆变速杆置于空挡位置 将充电机充电枪插入充电座 开启充电机进行充电 在这个过程中 仪表充电指示灯点亮 充电正常 开始将钥匙拧至1档 仪表显示充电电流为负值 电流绝对值与充电机相同 在停车状态下 电池管理模块BMS才允许充电 充电机连接220V电源后开始工作 充电机工作后会发送报文 仪表检测到充电机的报文后会把充电连接指示灯点亮 给出一个充电唤醒信号 BMS收到唤醒信号开始进入充电模式 充电回路接通后 充电机开始给电池充电 充电机不断的发送充电报文 国标充电插座 充电座针脚定义 充电桩充电 在有些车辆充电口处装有一个开关 该开关只有在断开时 不充电时 才允许车辆启动 充电基本原理如图所示 充电过程 电池管理模块BMS 充电控制电脑 对AC插接器连接及高压电池的充电状态进行等进行确认 并与高压电池连接 然后对车载充电器发出充电指示 进行充电 接收了充电指示的车载充电器起动AC DC转换器 使AC DC转换器按照要求输出合适的电压 电流进行充电 充电控制 充电控制 充电方式分为恒功率充电 CP充电 恒电流充电 CC充电 恒电压充电 CV充电 3种 为了缩短充电时间 尽量长时间利用充电器的最大能力充电是十分有效的 因此正常状态下 大多选择CP充电 在电池剩余电量较少的充电初期 由于电池电压较低 因此以车载充电器一侧的输出电流上限进行充电 CC充电 在接近充满电量的状态下 为了防止电池过量充电 大多采用CV充电 直流变换器DC DC 电动汽车无法利用发动机的动力进行发电 因此搭载DC DC转换器 将动力电池的高压直流电转换成12V或24V的低压直流电 作为整车低压部件的能量来源 给蓄电池充电 满足灯光 音响 车辆控制模块的用电需求 作为一个智能化的直流变换器 可对整车用电量进行监控 当整车用电器工作较多时 DC DC进行大功率的转换 当用电功率减少时 进行小功率的转换 直流变换器DC DC DC DC的好坏简易判断 以12V为例 检查驱动状态时 DC DC是否正常 分别将钥匙置于停车档和1档 等待5秒钟后 测量12V蓄电池的电压 钥匙在1档时的电压比停车档的电压高 且大于13V 检查充电状态时DC DC是否正常 分别在钥匙置于停车档和连接充电机的状态下 等待5分钟后测量12V蓄电池电压 链接充电机后的电压比在钥匙位于停车档时的电压高 且大于13V 钥匙位于起动状态仪表没有相关故障码 电动空调 电动空调加热器PTC 转向助力系统 包括变频器控制的电机和转向助力油泵 轻松实现在不同车速时提供不同的助力效果 保证汽车转向轻便灵活 稳定可靠 最大工作压力14MPA 制动系统 包括变频器和电动空压机总成 主要功能是向车辆的制动系统 空气悬挂系统 门开闭系统提供压缩空气 气压在0 65 0 85MPA之间 轿车使用真空泵 电动水泵 散热风扇控制 散热风扇主要作用就是控制电机与电机控制器在一定温度范围内工作 当电机控制器温度达到50 或者驱动电机温度大于110 风扇将开启 当电机控制器温度小于46 或者驱动电机温度低于105 时风扇将停止工作 整车电器工作原理图 低压 整车电器工作原理图 高压 仪表 仪表 仪表 档位信息 通电常亮 根据档位移动而变化 充电接口标示 平时常灭 插充电枪时常亮 充电标示 平时常灭 充电时常亮 车门开启标示 开门常亮 关门常灭 转向灯表示 制动灯标示 平时常灭 踩下制动时常亮 安全带标示 不系安全带常亮 气压报警标示 平时常灭 气压不足时常亮 电池故障标示 平时常灭 电压过低或BMS故障常亮 动力电池标示 平时常灭 动力系统故障常亮 制动蹄片报警标示 平时常灭 蹄片故障常亮 ASR标示 故障时亮 仪表 ABS标示 故障时亮 READY灯 当车辆做好准备时亮 SCC通讯错误 钥匙位于ON档 车身总成SCC模块与仪表无法通讯 SCC显示红色 曾经通讯失败显示黄色 SOC 充满电时应在99 以上 总电压 行车时不低于590V 总电流 根据用电器使用情况以及行车情况变化 蓄电池电压 27 5V 电机转矩 静止时为零 行车中根据情况而定 电机温度 不高于85度 电机控制器 逆变器 温度 不高于80度 单体电池最高电压 不高于3 7V 磷酸铁锂 2 8V 钛酸锂 单体电池最低电压 不低于2 8V 磷酸铁锂 1 8V 钛酸锂 单体电池最高温度 不高于55度 单体电池最低温度 不低于 40度 气压表 6 5 8bar 高压保护 1 橙色电缆线被动技术 为了减少与高压电的直接接触 60V以上 高压部件上的高压线采用橙色作为警示 2 防接触保护主动技术 高压导线特别是壳体穿孔部位 多采取三层绝缘 防止意外裸露 造成直接或间接接触高压带电产品 3 高压和低压不共地主动技术 高压电正极与负极与车辆车身金属间不共地 两者间有绝缘监测 即负母线对地 车身 正母线对地 车身 的绝缘监测 发生绝缘电阻下降时 高压上电继电器下电 并在仪表上显示故障 高压保护 4 高压产品的电隔离主动技术 DC DC转换器的初级线圈与次级线圈间采用变压器隔离 若DC DC壳体漏电时 通过高压电池管理系统内的绝缘监测电路 可以检测到 同理其他高压装置漏电绝缘电路也可以检测到 5 高压互锁HVIL主动技术 高压产品电缆脱开时 会形成触点和母线短路的情况 为此 对整个高压系统设置一个导通环 当高压元件从线束上脱开时 会导致U型导通环的信号中断 控制系统得到此信号中断的情况后 控制配电箱内的高压继电器断开 同时电机控制器内部的电容器通过电阻自行放电 高压互锁 高压互锁 粗实线表示12V电源线 细虚线表示HVIL监控回路 高压部件中的电机 电机控制器 DC DC 压缩机 PTC加热等器件的连接情况都是通过车身控制模块VCU监控的 当遇到紧急断电的工作情况时 监测点1把检测结果直接发动到BMS电池管理模块 BMS直接断开三个高压继电器 电机及电机控制单元MCU通过监测点2检测高压连接器的连接情况 并发送至VCU 若有连接器连接不完好 VCU将采集到检测结果并控制BMS 使BMS控制三个高压继电器动作实现断电 并在仪表上显示动力系统连接器