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        北汽EC180電動(dòng)汽車主要部件原理簡介及故障排除

        2019-08-08 02:29:14廣州歐緯德教學(xué)設(shè)備技術(shù)有限公司黃顯祥
        汽車維護(hù)與修理 2019年3期
        關(guān)鍵詞:電池組動(dòng)力電池端子

        廣州歐緯德教學(xué)設(shè)備技術(shù)有限公司 黃顯祥

        “比燃油車更經(jīng)濟(jì),比低速電動(dòng)車更安全”,北汽新能源汽車股份有限公司推出的新能源EC180電動(dòng)汽車,在動(dòng)力方面由峰值高達(dá)30 kW的電機(jī)和容量為20.3 kW·h的三元鋰動(dòng)力電池模塊構(gòu)成,輔以北汽新能源自主研發(fā)的e-Motion Drive超級電驅(qū)技術(shù),通過對電池、電機(jī)、電控“三電”系統(tǒng)的高度集成和技術(shù)創(chuàng)新,使得該車在整車電動(dòng)化方面具備了高集成、高效率、高安全及低能耗、低輻射“三高兩低”的特點(diǎn)。

        為了讓維修人員對北汽EC180電動(dòng)汽車有更多的了解,本文簡單介紹了北汽EC180電動(dòng)汽車的主要部件和控制原理,并例舉了1例故障案例,讓維修人員初步了解北汽EC180電動(dòng)汽車的常規(guī)維護(hù)和故障診斷方法。

        1 北汽EC180電動(dòng)汽車主要部件及工作原理

        北汽EC180電動(dòng)汽車電動(dòng)控制部件主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器(MCU)、高壓控制盒、電力轉(zhuǎn)換單元(PCU)、PTC加熱元件、動(dòng)力電池模塊(BMS)、動(dòng)力電池組、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)等組成(圖1、圖2)。

        圖1 北汽EC180電動(dòng)汽車電機(jī)室的主要部件

        圖2 北汽EC180電動(dòng)汽車各部件的分布

        1.1 三相異步電機(jī)

        北汽EC180電動(dòng)汽車采用的是風(fēng)冷式三相異步電機(jī)(圖3),電機(jī)最大功率為30 kW,最大轉(zhuǎn)矩為140 N·m。三相異步電機(jī)由電機(jī)控制器控制,電機(jī)具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)矩輸出、能量回收功能。

        圖3 三相異步電機(jī)

        三相異步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和殼體組成。當(dāng)電機(jī)的三相定子繞組(相位差120゜)通入三相對稱交流電(圖4)后,將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場,該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組,從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流(轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路);載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下產(chǎn)生電磁力,從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn),并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。由于三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場以相同的方向、不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),存在轉(zhuǎn)差率,所以叫三相異步電機(jī)。當(dāng)導(dǎo)體在磁場內(nèi)切割磁力線時(shí),在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,故此種電機(jī)也稱三相感應(yīng)電機(jī)。

        圖4 三相異步電機(jī)工作原理

        為了降低電機(jī)的故障率,目前裝備在北汽EC180電動(dòng)汽車上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是無炭刷電機(jī)。電機(jī)上安裝有霍爾傳感器和64齒的信號盤(圖5),當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),霍爾傳感器采集電機(jī)信號盤產(chǎn)生的脈沖信號,并將該信號傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器。

        電機(jī)繞組內(nèi)安裝有溫度傳感器,溫度傳感器的作用是檢測電機(jī)繞組溫度,當(dāng)電機(jī)繞組溫度超過150 ℃時(shí),電機(jī)控制器控制電機(jī)減小功率,以避免電機(jī)過熱,從而達(dá)到延長電機(jī)使用壽命的目的。

        1.2 電機(jī)控制器

        電機(jī)控制器(圖6)由雙極晶體管模塊(IGBT)和主控集成電路組成。如圖7所示,電機(jī)控制器內(nèi)集成有電壓傳感器(S3)和電流傳感器(S1、S2)。電壓傳感器檢測供給電機(jī)控制器的實(shí)際工作電壓,電流傳感器檢測電機(jī)的實(shí)際工作電流,電機(jī)控制器由低壓蓄電池供電(12 V)。當(dāng)接通電源控制開關(guān)時(shí),BMS向電機(jī)控制器供電,喚醒電機(jī)控制器。

        1.3 高壓控制盒

        圖5 霍爾傳感器與電機(jī)信號盤

        圖6 電機(jī)控制器

        圖7 主控集成電路

        高壓控制盒的作用是將動(dòng)力電池組輸入的高壓直流電分配給全車各高壓電器使用。高壓控制盒(圖8)內(nèi)有熔絲、加熱繼電器,可實(shí)現(xiàn)對高壓用電器的保護(hù)及空調(diào)制熱控制。

        圖8 高壓控制盒

        如圖9所示,當(dāng)駕駛?cè)私油娫纯刂崎_關(guān)或充電喚醒信號發(fā)出時(shí),車輛上電,BMS喚醒,BMS觸發(fā)預(yù)充繼電器閉合,電池組電流經(jīng)預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻、高壓控制盒、電機(jī)控制器后回到電池組負(fù)極。BMS控制器接收到電機(jī)控制器的預(yù)充完成信號后,確認(rèn)高壓系統(tǒng)無故障,觸發(fā)主正繼電器閉合,主電源接通,電池組開始充放電,高壓系統(tǒng)上電完成。

        圖9 高壓控制原理

        預(yù)充電阻的作用是為防止高壓電接通瞬間大電流產(chǎn)生電弧燒蝕繼電器觸點(diǎn),同時(shí),減小通電時(shí)電流對用電設(shè)備的沖擊,保護(hù)車載用電設(shè)備的安全。

        1.4 電力轉(zhuǎn)換單元(PCU)

        電力轉(zhuǎn)換單元(圖10)集成了車載充電機(jī)和直流直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC)。該車動(dòng)力電池組額定電壓為113.1 V,為保證車輛的正常使用,車輛在充電時(shí),充電樁的充電槍連接至車輛慢充連接口時(shí),車載充電機(jī)將充電樁輸進(jìn)的220 V交流電先降壓,再整流為130 V的直流電為動(dòng)力電池組充電。

        圖10 電力轉(zhuǎn)換單元

        1.5 直流直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC)

        電動(dòng)汽車取消了傳統(tǒng)汽車的發(fā)電機(jī),由直流直流轉(zhuǎn)換器將動(dòng)力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換成低壓12 V直流電,保證全車12 V用電設(shè)備的用電并為12 V蓄電池充電,直流直流轉(zhuǎn)換器的工作由動(dòng)力電池模塊(BMS)控制。

        1.6 動(dòng)力電池組

        圖11 動(dòng)力電池組及相關(guān)配置

        EC180電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組結(jié)構(gòu)方式為“7并21串”(電芯單體為3.65 V),額定電壓為113.1 V,動(dòng)力電池組安裝在車內(nèi)的底板上(圖11),動(dòng)力電池組相關(guān)參數(shù)見表1所列。

        表1 北汽EC180電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組相關(guān)參數(shù)

        1.7 動(dòng)力電池模塊(BMS)

        動(dòng)力電池模塊(BMS)主要功能是通過對動(dòng)力電池組的工作電壓、工作電流及工作溫度進(jìn)行檢測(圖12),對動(dòng)力電池組過壓、欠壓、過流、過高溫和過低溫進(jìn)行保護(hù),同時(shí),具有對供電繼電器控制、SOC(電量)估算、充放電管理、電量均衡控制及故障報(bào)警和處理等功能。此外,動(dòng)力電池模塊(BMS)還具有對高壓回路絕緣進(jìn)行檢測和對動(dòng)力電池加熱的控制功能。

        圖12 動(dòng)力電池模塊(BMS)的作用

        1.8 動(dòng)力電池模塊(BMS)輔助元器件

        動(dòng)力電池模塊(BMS)輔助元器件包括有預(yù)充繼電器、電池加熱繼電器、電池加熱熔絲、分流器、電流傳感器、接插件等(圖13)。

        1.9 PTC加熱元件

        PTC加熱元件由陶瓷發(fā)熱元件和鋁管組成(圖14),PTC加熱元件通電后產(chǎn)生熱量,由鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)經(jīng)過PTC芯體后加熱空氣,實(shí)現(xiàn)車內(nèi)制暖。

        1.10 電動(dòng)渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)

        圖13 動(dòng)力電池模塊(BMS)輔助元器件

        圖14 PTC加熱元件

        圖15 電動(dòng)渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)工作原理

        北汽EC180電動(dòng)汽車空調(diào)制冷采用的是電動(dòng)渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)。電動(dòng)渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)是由一個(gè)固定的漸開線渦旋盤(靜盤)、一個(gè)呈偏心回旋平動(dòng)的漸開線運(yùn)動(dòng)渦旋盤(動(dòng)盤)和三相電機(jī)組成。如圖15所示,在吸氣、壓縮、排氣工作過程中,靜盤固定在機(jī)架上,動(dòng)盤由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制約的偏心軸驅(qū)動(dòng),圍繞靜盤基圓中心作小半徑轉(zhuǎn)動(dòng)。管路中的氣態(tài)制冷劑(制冷劑為R134a)被吸入靜盤外圍,隨著偏心軸的旋轉(zhuǎn),在動(dòng)靜盤噬合所組成的若干個(gè)月牙形壓縮腔內(nèi)被壓縮,然后由靜盤中心部件的軸向孔排出,再通過蒸發(fā)箱實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空氣的冷熱交換。

        該車除空調(diào)壓縮機(jī)與傳統(tǒng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)不一樣外,空調(diào)系統(tǒng)其他部件及制冷原理均與傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)基本一致。在空調(diào)控制上,電動(dòng)渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)可根據(jù)駕駛?cè)嗽O(shè)定的溫度自動(dòng)調(diào)整目標(biāo)轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)制冷量,以便節(jié)約電能。

        2 2017款北汽EC180電動(dòng)汽車儀表盤充電指示燈長亮故障

        故障現(xiàn)象一輛2017款北汽EC180電動(dòng)汽車,行駛里程僅為341 km,因最高行駛車速為10 km/h,且儀表盤上充電指示燈長亮而進(jìn)店維修。

        故障診斷接車后,維修人員路試進(jìn)行故障驗(yàn)證,故障現(xiàn)象確實(shí)存在。連接專用故障檢測儀(BDS)進(jìn)行快速檢測,讀取到動(dòng)力電池模塊(BMS)存儲有故障代碼“P0A9409 DC-DC故障”。查看數(shù)據(jù)流,低壓12 V蓄電池顯示電壓為11.79 V,偏低,動(dòng)力電池電壓顯示為123.26 V,正常。

        查閱維修手冊得知,當(dāng)蓄電池電壓低于12 V并持續(xù)到60 s時(shí),動(dòng)力電池模塊會(huì)觸發(fā)并生成故障代碼P0A9409。使用蓄電池檢測儀檢測蓄電池,未見異常。目視檢查電機(jī)室內(nèi)各導(dǎo)線連接、高壓線束,均正常。根據(jù)故障現(xiàn)象分析,故障原因可能有:高壓電路故障;DC-DC故障;低壓電路故障。

        分析該車高壓電與低壓電控制原理(圖16),當(dāng)BMS接收到電源控制開關(guān)接通信號時(shí),BMS隨即向DC-DC發(fā)出指令信號,DC-DC開始工作,將高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電14 V,供全車12 V用電設(shè)備使用和為12 V蓄電池充電。如果控制電路或DC-DC出現(xiàn)故障,DC-DC則不工作,同時(shí)儀表盤上的充電指示燈被點(diǎn)亮,車輛繼續(xù)使用會(huì)導(dǎo)致蓄電池虧電。

        圖16 高壓電與低壓電控制原理(DC-DC被集成在PCU內(nèi))

        使用充電機(jī)給12 V蓄電池充電,用BDS讀取蓄電池?cái)?shù)據(jù)流(圖17),接通電源控制開關(guān),蓄電池電壓為12.1 V(正常應(yīng)為13.5 V~14 V),說明蓄電池未在充電狀態(tài)。

        用萬用表測量PCU的12 V電源輸出端子的電壓,為12.12 V(圖18),異常,說明DC-DC未工作或損壞。

        關(guān)閉電源控制開關(guān),拔下PCU低壓線束導(dǎo)線連接器,根據(jù)維修手冊提示,分別測量端子4和端子12與車身之間的電阻(圖19),均為0 Ω,正常;接通電源控制開關(guān),測量端子5的電壓,為11.76 V(圖20),正常,說明BMS指令信號已經(jīng)發(fā)出。

        拆下蓄電池負(fù)極并等待5 min(電容放電),帶上絕緣手套,拆下高壓控制盒,檢查DC-DC熔絲和高壓電路,正常。檢查至此,初步判斷為DC-DC損壞,需更換PCU。

        圖17 讀取蓄電池電壓數(shù)據(jù)流(截屏)

        圖18 測量PCU的12 V電源輸出電壓

        圖19 PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子標(biāo)示

        為了確診,維修人員采取了互換方式,將另外一輛正常同款車的PCU裝到故障車上,故障依舊,而將故障車的PCU裝到另一臺同款車上,測量PCU的12 V電源輸出端子的電壓,為14.12 V,表明DC-DC工作正常,由此說明故障車的DC-DC并沒有問題。

        圖20 測量PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子5的電壓

        重新調(diào)整診斷思路,再次對PCU各連接導(dǎo)線和導(dǎo)線連接器進(jìn)行檢查,當(dāng)拆下導(dǎo)線連接器橡膠保護(hù)套時(shí),發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線連接器端子5有退針現(xiàn)象(圖21)。由此推斷,該車故障是由于PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子5退針,導(dǎo)致DC-DC無法接收到BMS的指令信號,DC-DC不工作所致;再就是,當(dāng)蓄電池電壓低于12 V時(shí),全車用電設(shè)備無法正常工作,車輛進(jìn)入跛行模式,且最高車速被限定在10 km/h。

        圖21 PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子5退針

        故障排除恢復(fù)并固定PCU低壓線束導(dǎo)線連接器端子5,用BDS清除故障代碼;接通電源控制開關(guān),再次測量12 V蓄電池電壓,為13.7 V,說明DC-DC工作,路試時(shí)一切正常,故障排除。

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