北汽纯电动汽车的工作原理与故障诊断

电机还可以作为发电机使用，发电机将会把汽车行驶过程中产生的机 械能转换为电能，通过U、V、W三相发出三相交流电，经过整流之后在 蓄电池中存储起来，在下一次需要的时刻释放出来，这样能显著提高车辆 的能量利用效率，这种情况往往发生在汽车减速、下坡或制动的时候。
驱动电机的内部构造如图6-8所示 。
图6-8 驱动电机的内部构造
由图6-8可知，动力线将电机控制器产生的三相交流电输送到电机 的定子上，定子在三相交流电的作用下产生按照一定规律变化的旋转 磁场，转子在定子产生的旋转磁场的作用下旋转，电机轴将转子产生 的动能输出，旋变（旋转变压器）可以检测电机转子转动时的角度和 角速度并输出到电机控制器作为控制电机的依据，其中的水道用于给 电机散热。。
图6-2 高压蓄电池安装部位
EV200使用的是由 BESK生产的三元锂电池， 相比大多数纯电动汽车使用 的磷酸铁锂电池而言，这种 电池具有更高的能量密度、 更长的寿命、更轻的质量等 优势，但是其造价较高。其 外部形状如图6-3所示。
图6-3 高压蓄电池的外部形状
高压蓄电池的基本参数见表6-1。
表6-1 高压蓄电池的基本参数
1.电池
纯电动汽车的电池相当于普通燃油汽车的油箱，为汽车运行提供 全部能量。目前使用较多的是锂离子电池。
锂离子电池的工作原理简单来讲，就是嵌入蓄电池正负极板上的 锂离子在电池内部电动势的作用下，从某一极板脱离并在电池内部经 过电解液穿过隔离物到达另一极板并嵌入的过程。在放电过程中，锂 离子从负极（阴极）运动到正极（阳极）；充电过程则正好相反，锂 离子从正极（阳极）运动到负极（阴极）。
②跛行模式。当车辆某个系统出现中度故障时，此时将 不采纳驾驶员的加速请求，而是启动跛行模式，最高车速为 9 km/h。
③停机保护模式。当车辆某个系统出现严重故障时，控 制器将停止发出指令，进入停机状态。
2）整车控制器的主要功能。
①自诊断。整车控制系统自检，通过检查整车系统的状 态决定当前应该采取的控制策略。
1）整车控制器
对于纯电动汽车而言，整车控制器相当于汽车的大脑， 它根据驾驶员意愿和各系统实时状态，通过对比分析后做出 决策并发出指令，合理分配动能，使车辆运行在最佳状态。
（1）北汽EV200的整车控制器有以下三种模式：
①正常模式。按照驾驶员意愿、车辆载荷、路面情况和 气候环境的变化，调节车辆的动力性、经济性和舒适性。
（3）可以快速地补充能量。要有足够的充电或者换电速度，否则车辆的 行驶会受到较大限制，将只适用于城市内的通勤。
（4）较低的平均使用成本。由于在纯电动汽车的行驶过程中，电池处在 频繁的充电和放电的状态，这对电池的循环寿命有较高要求，因而电池的寿 命和价格综合起来要有竞争力。
北汽EV200纯电动汽车使用的电池被整合为动力电池包 后安装于汽车底盘下部，其安装位置如图6-2所示。
图6-7 电机控制系统的部分连接图
图中标注为13.5 V的蓄电池即为普通燃油汽车的蓄电池，它为整台车 辆的低压系统供电，动力电池即为整车动力的能量源，信号线（旋变、温 度）将电机的转速和温度信号传输给电机控制器（MCU），电机控制器 根据这些信号产生相应的控制策略，通过三相动力线给电机发出控制信号 驱动电机旋转，散热器给电机和电机控制器散热，保证电机和电机控制器 的正常工作。
相比于传统的燃油汽车，纯电动汽车的结构相对简单，控制上也 更加灵活方便。北汽EV200的一些主要控制器都安装在引擎盖下，其 安装位置如图6-1所示。
电机控制器是直接控制电机运转的核心部件，它接受整车控制器 的命令，并向电机发出三相交流电，控制电机的旋转。
图6-1北汽EV200主要部件安装位置 1—电机控制器； 2—高压控制盒； 3— DC/DC转换器； 4—车载 充电机
图6-5 三相交流电
就可以减小电机的尺寸和导线等装备的尺寸， 最重要的是，可以减小逆变器的尺寸。
（2）高转速。高转速电机一般指转速超过10 000 r/min的电机，由于 转速高，所以电机功率密度高，而且体积比普通电机小，可以有效节约材 料，同时质量轻，有利于降低电动汽车的整车整备质量。
（3）质量轻。电机采用铝合金外壳，可以显著降低电机的质 量。
纯电动汽车的电机相当于普通燃油汽车的发动机，是车辆行驶的主 要执行机构，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性 、经济性和用户驾乘感受，因而其在电动车上的地位至关重要。目前， 纯电动汽车上使用的多为三相交流电机。
三相交流电机有3个分别被标识为U、V、W的输入端子，U、V、W 即为电机的三相，在这三相中通入电流相位相差120°的正弦交流电（见 图6-5），电机的定子在三相交流电的作用下按照一定规律产生旋转磁场 ，旋转磁场驱动永磁或励磁转子转动从而输出功率。
BMS是电池保护和管理的核心部件，它相当于动力电池系统的大 脑，不仅要保证电池安全可靠地使用，而且要充分发挥电池的能力和 延长使用寿命。它通过控制接触器控制动力电池组的充放电，从而成 为电池和整车控制器以及驾驶员之间沟通的桥梁。
BMS通过电压、电流及温度检测等功能实现对动力电池系统的过 压、欠压、 过流、过高温和过低温保护、继电器控制、SOC 估算、 充放电管理、均衡控制、故障报警及处理、与其他控制器进行通信等 功能。此外，电池管理系统还具有高压回路绝缘检测功能，以及为动 力电池系统加热功能。
车型 动力电池包电压 动力电池包容量 动力电池包电量 普通充电时间 快速充电时间
能量密度 体积比能量
EV200 332V 91.5Ah 30.4kWh 8～9h
1h 104Wh/kg示。 图6-4 高压蓄电池的内部构造
可以看到其中有很多动力电池模组，与动力电池模组有关的一些 概念如下：
作为纯电动车上的一个关键部件，电机性能的好坏直接决定了整车 性能的好坏。
纯电动汽车的驱动电机要能够频繁启停， 加速、低速和爬坡时要有高扭矩，高速行驶时 要有低扭矩，还要有较大的变速范围。优秀的 电机通常具有以下特性：
（1）高电压。在允许范围内尽可能采用较 高的电压，那么在同样功率的情况下，所需要 的电流更小，从而系统所需的电流更小，这样
动力电池系统内的BMS 实时采集各电芯的电压、各温度传感器 的温度值、电池系统的总电压值和总电流值等数据，时时监控动力电 池的工作状态，并通过 CAN 线与整车控制器（VCU，参见电控部分 的整车控制器相关内容）或充电机之间进行通信，获得电能需求和故 障信息，对动力电池系统的充放电进行综合管理。
2.电机
（7）整车信息管理。车载显示（仪表或多媒体）和远程 监控（数据采集终端）：车载显示可以让驾驶员在行车过程 中实时了解车辆的行驶状况，远程监控可以将车辆的运行状 况上传至北汽服务器，车主通过手机APP就可以了解汽车的 情况。
北汽纯电动汽车主要由北京新能源汽车股份有限公司（简称“北汽 新能源”）设计并制造。北汽新能源隶属于北京汽车集团有限公司，是 一家以环保乘用车为主要经营范围的新能源科技公司。
北京新能源汽车股份有限公司成立以来，成功打造了EH、EU、EX 、EV、EC五个系列的纯电动汽车产品，并推出了多种车型，其生产的纯 电动汽车在市场上已有较高的占有率。
（7）耐温耐潮性能强，运行时噪声低。纯电动汽车的电 机通常位于前桥部位，快速变化的温度、潮湿、泥沙等因素 都使得该位置的工作环境比较恶劣，因而电机需要耐温耐潮 特性从而应对这一复杂环境，而运行时噪声低这一要求，则 可以使电机运行时更加安静，以减少对乘车人员的打扰。
北汽EV200所使用的电机为永磁同步电机，是由北汽集 团自主研发的，其主要组成为驱动电机（DM）、驱动电机 控制器（MCU）。该电机的外形如图6-6所示。
北汽纯电动汽车的 工作原理与故障诊断
知识目标
1.了解北汽纯电动汽车的结构和工作原理。 2.理解北汽纯电动汽车的故障诊断方法。
能力目标
1.能在现场掌握北汽纯电动汽车的结构及工作原 理。
2.能在现场掌握北汽纯电动汽车故障的诊断方法。
内容：
一、北汽纯电动汽车动力系统的组成及运行 二、北汽纯电动汽车驱动电机故障诊断 三、北汽纯电动汽车无法正常行驶故障诊断 四、北汽纯电动汽车其他故障诊断
电池单体：构成动力电池模块的最小单元。
电池模块：一组并联的电池单体的组合，该组合额定电压与电池 单体的额定电压相等，是电池单体在物理结构和电路上连接起来的最 小分组，可作为一个单元替换。
模组：由多个电池模块或单体电芯串联组成的一个组合体。
除此之外，动力电池包内部还有电池管理系统（BMS）等一些主 要部件。
使用锂离子电池的过程中，要注意锂离子电池不能被过充和过放。 这是因为如果锂离子电池位于正负极的锂离子被完全移动到另一极， 那么在下一次充放电时就无法保证锂离子畅通嵌入通道，从而造成电 池寿命缩短。因而，为保证正负极板中的锂离子在充放电后留有部分 锂离子，也就是锂离子电池不能过充过放电，需要严格限制充电终止 电压和放电终止电压。
（4）能量管理功能。放电和能量回收，根据当前车辆的行驶情 况，如加减速、上下坡、是否处于制动等，决定当前应该处于放电 状态还是能量回收状态，从而做出相应的控制。
（5）辅助系统控制。电动空调、暖风、散热风扇等，使乘员处 于一种舒适的环境中。
（6）整车安全管理。在汽车发生故障时跛行或停机保护，并避 免驾驶员产生误操作（如踩制动选挡无效）等，提高汽车使用过程 中的安全性。
对于纯电动汽车来说，蓄电池所处的位置较为特殊，其选用上需要依 照一定的标准进行，优秀的蓄电池应该具有的特性如下：
（1）足够的能量密度。只有在单位体积（体积比能量）或单位质量（能 量密度）下能够存储足够多的能量，才能在电池充满后行驶较长的里程，同 时电池的质量和体积才能够尽可能小。
（2）足够的功率密度。只有在单位体积单位质量下能够产生足够大的功 率，才能使车辆在加速和上坡时产生足够的动能。
②故障报警。车辆所有电控系统故障通过仪表显示，通 过这种方式让驾驶员对自己的车辆有更加充分明确的了解。