电动汽车动力部分结构的原理及维修注意事项(一)

◆文/河北 周晓飞

周晓飞

汽车维修工，市青年岗位能手；1998年从事汽车维修行业至今，出版汽车相关图书多部。

一、动力电池

1. 三元电池

三元电池是以钴酸锂、锰酸锂或镍酸锂等化合物为正极，以可嵌入锂离子的碳材料为负极，使用有机电解质的电池。动力电池总成安装在车体下部，动力电池的组成部件包括：各模组总成、CSC采集系统、电池控制单元(BMU)、电池高压分配单元(B-BOX)、维修开关等部件。

2. 电池管理系统(BMS)

电池管理系统(BMS)能够对动力电池组总电压、总电流、每个测点温度和电池单体的电压参数进行实时监控，并进行故障诊断、剩余电量比(SOC)计算、短路保护、漏电监测、报警显示、充放电模式选择等。BMS可以将动力电池相关参数上报电动汽车整车控制器(VCU)由VCU控制动力电池的充电和放电功率。

3. 动力电池系统结构

(1)电池单体

电池单体是直接将化学能转化为电能的基本单元装置，包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子等，并被设计成可充电。

(2)电池模组

电池模组是将一个以上的电池单体按照串联、并联或串并联方式组合，且只有一对正负极输出端子，并作为电源使用的组合体，如图1。

(3)电池单元

电池单元由数十个电池单体或电池组串联在一起，构成一个电池单元。由数个电池单元串联在一起，构成动力电池总成。

(4)CSC采集系统

每一个电池单元有多个CSC采集系统，以监测其中每个电池单体或电池组单体电压和温度信息。CSC采集系统将相关信息上报电池控制单元(BMU)并根据BMU的指令执行单体电压均衡。

图1 动力电池(比亚迪秦)

(5)电池控制单元(BMU)

电池控制单元安装于动力电池总成内部，是电池管理系统核心部件，电池控制单元(BMU)将单体电压、电流、温度及整车高压绝缘等信息上报整车控制器(VCU)并根据VCU 的指令完成对动力电池的控制。

(6)电池高压分配单元

电池高压分配单元安装在动力电池总成的正负极输出端，由高压正极继电器、高压负极继电器、预充继电器、电流传感器和预充电阻等组成。

(7)维修开关

维修开关位于动力电池总成中间表面位置，打开驾驶室内副仪表手套箱开关，可操作维修开关。在高压零部件检查和维护前，断开维修开关可以确保切断高压。

二、高压配电系统

1. 任务功能

纯电动车有一套高压供电系统如图2。高压供电系统由动力电池给电机控制器、驱动电机、电动压缩机、PTC加热器等高压部件提供能量。此外动力电池还有一套直流快充充电系统和一套交流慢充充电系统。这些所有的高压部件都由高压配电系统连接输送电能。

图2 前舱高压电器(比亚迪秦)

2. 高压配电系统系统原理

高压配电系统主要包括以下部件：分线盒、直流充电接口、交流充电接口、直流母线及电机三相线。高压配电系统原理示意图如图3。

图3 高压配电系统电气原理图

(1)分线盒

分线盒也叫高压配电箱，是将动力电池总成输送的电能分配给电机控制器、空调压缩机和PTC加热器。此外，交流慢充时，充电电流也会经过分线盒流入动力电池为其充电。

分线盒内对电动压缩机回路、PTC加热器回路、交流慢充回路各设有一个熔断器。当上述回路电流超过90A时，熔断器会在15s内熔断，当回路电流超过150A时，熔断器会在1s内熔断，保护相关回路。分线盒电器原理图如图4。

(2)直流充电接口

直流充电接口能接收直流充电桩的电能，并通过高压线束将电能输送给动力电池总成，为其充电。

(3)交流充电接口(如配备)、直流母线

交流充电接口能接收交流充电桩的电能，并通过高压线束将电能输送给车载充电机，车载充电机将交流电转化成直流电再传递给分线盒，分线盒经过直流母线将直流电传递到动力电池，为其充电。能量传递路径示意图如图5。

图4 分线盒原理示意图(帝豪EV)

图5 能量传路径示意图

(4)电机三相线

车辆行驶时，电流从动力电池依次经过直流母线、分线盒、电机控制器高压线、电机控制器、电机三相线到达驱动电机，产生驱动力。能量传递路径示意图如图6，能量回收时传递路线相反。

图6 驱动能量传递路径示意图

三、电机控制系统

1.电机控制器

(1)电机控制器功能

电机控制器安装在前舱内，采用CAN通讯控制，控制着动力电池组到电机之间能量的传输，同时采集电机位置信号和三相电流检测信号，精确地控制驱动电机运行。

电机控制器是一个既具备将动力电池中的直流电转换为交流电以驱动电机，同时具备将车轮旋转的动能转换为电能(交流电转换为直流电)给动力电池充电的设备。

车辆制动或滑行阶段，电机作为发电机应用。它可以完成由车轮旋转的动能到电能的转换，给电池充电。

DC/DC集成在电机控制器内部，其功能是将电池的高压电转换成低压电，提供整车低压系统供电。

电机控制器控制路径原理示意图如图7，电机控制系统电气原理示意图如图8。

图7 电机控制器控制路径原理示意图

图8 电机控制系统电气原理示意图

(2)电机控制器结构

电机控制器内部包含1个DC/AC逆变器和1个DC/DC直流转换器，逆变器由IGBT、直流母线电容、驱动和控制电路板等组成，实现直流(可变的电压、电流)与交流(可变的电压、电流、频率)之间的转变。直流转换器由高低压功率器件、变压器、电感、驱动和控制电路板等组成，实现直流高压向直流低压的能量传递。电机控制器还包含冷却器(通冷却液)给电子功率器件散热。电机控制器结构原理示意图如图9，电机控制器结构如图10。

图9 电机控制器结构原理示意图

图10 电机控制器结构

2.加速踏板位置传感器

如帝豪EV的加速踏板位置传感器设计成双输出传感器。两个传感器的输出电压信号都随加速踏板的位置增加而增加。

3.制动踏板开关

当驾驶员踩下制动踏板，表现制动或减速意图时，制动踏板开关将踏板位置信号转换成电压信号，通过硬线传递给VCU。制动踏板开关内部有两组开关，一组为常闭开关，一组为常开开关。VCU通过两组开关输出电压的变化判断驾驶员的制动或减速意图。制动踏板开关信号传递路线如图11。

图11 制动踏板开关信号传递线路图

4.转矩控制模式

电机控制系统控制电机轴向四象限的转矩。由于没有转矩传感器，转矩指令(由整车控制器发送)被转换成为电流指令，并进行闭环控制。转矩控制模式只有在获得正确的初始偏移角度时才能进行。

5.静态模式

静态模式在电机控制器(PEU)处于被动状态(待机状态)或故障状态时被激活。

6.主动放电模式

主动放电用于高压直流端电容的快速放电。主动放电指令来自整车控制器的指令或由电机控制器(PEU)内部故障触发。

7.DC/DC直流转换

电机控制器(PEU)中的DC/DC转换器将高压直流端的高压转换成指定的直流低压(12V低压系统)，低压设定值来自整车控制器指令。

8.系统诊断功能

当故障发生时，软件根据故障级别使PEU 进入安全状态或限制状态。

(1)传感器诊断

包括电流传感器、电压传感器、温度传感器、位置传感器等故障诊断。

(2)电机诊断

包括电流调节故障，电机性能检查，主动短路或空转条件不满足，转子偏移角诊断等。

(3)CAN通信诊断

包括CAN内存检测，总线超时，报文长度、Checksum校验，收发计数器的诊断。

(4)硬件安全关诊断

包括相电流过流诊断、直流母线电压过压诊断，高/低压供电故障诊断，处理器监控等。 (未完待续)