北汽纯电动汽车的工作原理与故障诊断

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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
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。
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
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。
③通信。通过与诊断仪、充电桩(CAN线)等进行通信 ,整车控制器可以了解全车的状况,从而根据车辆当前的情 况进行相应的控制。
(3)驱动控制。扭矩需求和旋转方向,通过驾驶员当前的驾驶 需求,如油门踏板的深度、挡位等情况控制电机的工作状况。
(4)较大的起动转矩和较大范围的调速性能。具有较大起动 转矩的电机会使电动汽车具有良好的启动性能和加速性能,而良 好的调速性能可以减轻驾驶员的操纵强度,提高驾驶舒适性。
(5)效率高、损耗小。具有此特性,电机就能够达到最有效 的能量利用,在车载总质量不变的情况下尽可能地延长行驶里程 。
(6)具有再生制动回收功能。此特性要求电机还要能作 为发电机,将汽车在行驶过程中的制动能量回收到蓄电池中 ,在下一次需要使用的时候再释放出来,即可达到节约能源 的作用。通常情况下,回收的能量可以达到总耗损能量的 10%~20%,这是很可观的。
本模块主要以北京新能源汽车股份有限公司生产的EV200纯电动车 型为例,详细介绍北汽纯电动汽车的工作原理与故障诊断方法。
一、北汽纯电动汽车动力系统的组成及运行
任何纯电动汽车都离不开三大核心部件,即电池、电机、电控系统, 北汽纯电动汽车也不例外。相比于传统的燃油汽车,电池相当于储存 汽油或柴油的油箱,电机相当于汽油/柴油发动机,电控系统则与传统 燃油汽车的电控系统类似,只是传统燃油汽车的电控系统控制的是燃 油、发动机和一系列控制器,而纯电动汽车上的电控系统控制的是电 池、电机和一系列控制器。
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。
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。。
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)。
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。
(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。
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
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。
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。
(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。
(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。
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。
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。
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。
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wk.baidu.com数
图6-6 电动机外形
北汽EV200电机的基本参数见表6-2。 表6-2电机的基本参数
车型 电机型号 额定功率 最大功率 额定扭矩 最大扭矩
EV200 TZ30S01
30kg 53kg 102N·m 180N·m
驾驶员操作车辆时,整车控制器(VCU)接收驾驶员的操作指 令,判断驾驶员的驾驶意图,并根据驾驶员意图发出控制指令。电 机控制器响应整车控制器发来的控制指令,实时调整驱动电机输出 ,以实现整车的怠速、前行、倒车、停车、能量回收以及驻坡等功 能。电机控制器另一个重要功能是通信和保护,实时进行状态和故 障检测,保护驱动电机系统和整车安全可靠运行。电机控制系统的 部分连接图如图6-7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。
(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。
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
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。
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
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 127Wh/L
高压蓄电池的内部构造如图6-4所示。 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:
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