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        比亞迪E5高壓電控系統(tǒng)功能分析

        2024-01-20 17:14:37魏冬至
        電子產品世界 2023年11期
        關鍵詞:控制策略

        魏冬至

        關鍵詞:新能源汽車;高壓電控系統(tǒng);控制策略

        中圖分類號:U472.4 文獻標識碼:A

        0引言

        國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示,全國的汽車保有量逐年增長,2020年末全國民用汽車保有量28 087萬輛,其中新能源汽車產量145.6萬輛,2021年全國機動車保有量達3.95億輛,其中新能源汽車784萬輛。據(jù)公安部發(fā)布的《2022年上半年全國機動車和駕駛入統(tǒng)計數(shù)據(jù)》,截至2022年6月底,全國機動車保有量達4.06億輛,其中汽車3.10億輛,新能源汽車1001萬輛,占汽車總量的3.23%。而這其中,純電動汽車保有量為810.4萬輛,占新能源汽車總量的80.93%。在保有量方面,據(jù)艾媒咨詢預測,2025年我國新能源汽車保有量預計達2 672萬輛,其中純電動汽車將達2324萬輛。而據(jù)信達證券預計,2025年,我國新能源汽車保有量將突破3000萬輛。由于國家法律法規(guī)對環(huán)保的嚴格要求,汽車生產企業(yè)乃至用戶對新能源汽車的認可度逐年提升,新能源汽車保有量也逐年增長,隨之其售后量也日趨增大。新能源汽車有別于傳統(tǒng)燃油汽車,其是依托電池、電機、電控系統(tǒng)(簡稱“三電系統(tǒng)”),摒棄內燃機進行發(fā)展,因此對于新能源汽車的維修保養(yǎng)也應該重新認識,認真學習,以滿足日趨增長的新能源汽車維修業(yè)務量和新要求。

        1新能源電動汽車的分類

        目前,新能源電動汽車有3種類型,分別是混合動力汽車(油電混動)、純電動汽車、燃料電池汽車?;旌蟿恿ζ?,顧名思義,車輛動力的來源可以是傳統(tǒng)發(fā)動機,也可以是動力電池包,混動的形式有串聯(lián)混動、并聯(lián)混動和混聯(lián)混動;按照發(fā)動機參與輸出功率的比例,又可分為弱混動、輕混動、中混動、重混動。純電動汽車是指車輛的動力源只有動力電池包,按照電池的類型,可以分為鉛酸電池純電動汽車、鎳氫電池純電動汽車、鋰電池(三元鋰、磷酸鐵鋰和鈦酸鋰)純電動汽車等,目前市場主流的動力電池類型是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。燃料電池汽車是電動汽車未來的發(fā)展方向,燃料(氫氣)通過小型的反應堆,實現(xiàn)電荷轉換,產生電壓,給動力電池包充電,再驅動車輛行走,并且在車輛整個運行過程中,排放物只有水,完全實現(xiàn)零排放。

        2純電動汽車高壓電控系統(tǒng)的組成

        市面上所有的純電動汽車的三電系統(tǒng)幾乎都是相同的,本文以2017款比亞迪E5為例簡要說明純電動汽車高壓電控系統(tǒng)的組成及工作原理。

        2017款比亞迪E5是比亞迪公司旗下的一款純電動汽車,長4680 mm,寬1765 mm,高1500 mm,軸距2660 mm。其最高車速為130 km/h,電動機的最大功率為160 kW,扭矩為310N·m。其E5-450車型采用三元鋰電池,容量為60.48 kW·h,工作電壓為633.6 V,標準續(xù)航里程為400 km。

        2017款比亞迪E5高壓電控系統(tǒng)主要由高壓動力電池包、四合一高壓電控總成[高壓直流到低壓直流轉換器(DC-DC)、車載充電機(OBC)、電機控制器(MCU)、高壓配電盒]、永磁同步電機、整車控制器、暖風加熱器( PTC)、空調壓縮機等組成。2017款比亞迪E5高壓電控系統(tǒng)組成如圖1所示。

        3純電動汽車高壓電控系統(tǒng)的工作原理

        3.1上電預充過程

        當駕駛員將遙控鑰匙帶入車內,踩踏制動踏板,按動一鍵啟動開關時,車輛儀表板上“OK”燈點亮的過程,是一個上電預充的過程。首先,高壓動力電池包內的正極接觸器和負極接觸器吸合,四合一高壓電控總成內部的預充接觸器也吸合。其次,高壓動力電池包內的高壓直流電從正極流出,經(jīng)由霍爾電流傳感器、預充接觸器和100Ω的預充電阻,到達電機控制器,此時,電機控制器內的電容開始充電,電容負極經(jīng)四合一高壓電控總成內部的高壓直流母線流回高壓動力電池包,經(jīng)由負極接觸器,回到高壓動力電池包負極,形成回路。預充開始,在規(guī)定時間內,當預充電容的電壓與高壓電池包的總電壓相差50 V(有資料顯示預充電容的電壓達到高壓動力電池包電壓的2/3)時,預充接觸器斷開,放電主接觸器吸合,高壓動力電池包開始對外放電。同時,高壓動力電池包的電也要供給DC-DC,DC-DC將高壓直流電轉變?yōu)橹绷?4 V左右的低壓電,給低壓鐵電池充電,并且給全車的低壓用電設備供電。預充電路(預充接觸器和預充電阻)有以下3個方面的作用:一是防止高壓動力電池包的高壓直流電沖擊電機控制器;二是在上電過程中,使直流母線的電流緩慢上升,防止大電流燒壞正負極接觸器的觸點;三是減少大的放電電流對高壓動力電池包的影響。

        3.2純電動汽車工作狀態(tài)

        高壓上電完成后,當駕駛員松開制動踏板或者踩踏油門踏板時,高壓動力電池包的電經(jīng)由各相關接觸器、高壓直流母線加載到電機控制器上,電機控制器控制6個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)適時接通或者斷開,將高壓直流電逆變?yōu)槿囝l率可調的交流電,供給三相交流永磁同步電動機(MG),三相交流永磁同步電動機旋轉驅動減速器、差速器、半軸,使車輪旋轉,車輛行駛。同時,高壓動力電池包的電也要供給DC-DC,DC-DC將高壓直流電轉變?yōu)橹绷?4 V左右的低壓電,給低壓鐵電池充電,并且給全車的低壓用電設備供電。

        3.3制動能量反饋狀態(tài)

        當車速大于30 km/h,車輛處于滑行或者制動狀態(tài),并且高壓動力電池包的電量在90%以下時,制動能量回收系統(tǒng)開始起作用。此時,車輪帶著傳動機構拖動三相交流永磁同步電動機轉子轉動,三相交流永磁同步電動機轉子永磁,磁場轉動,定子被迫切割磁力線發(fā)電,定子U、V、W三相接頭輸出三相交流電到電機控制器,電機控制器內部的整流器整流后升壓,將所產生的電能回饋到直流母線,給高壓動力電池包充電。

        3.4漏電狀態(tài)

        當四合一高壓電控總成內部的漏電傳感器監(jiān)測到直流母線上有漏電時,立即斷開放電主接觸器、正極接觸器、負極接觸器,實施高壓下電。電機控制器內部的預充電容在5s內通過主動泄放電路將電容電量泄放掉,防止電容存有的高電壓造成人員電擊電傷。當預充電容電壓下降到60 V以下時,泄放結束。

        3.5 PTC工作狀態(tài)

        當駕駛員有開暖風取暖的需求時,高壓直流電通過32 A空調系統(tǒng)保險給PTC加熱器供電,PTC加熱器加熱循環(huán)水,暖風循環(huán)水泵將熱水送至位于儀表臺內部的暖風水箱,鼓風機工作,熱風通過相應的風道翻板,到達駕駛員選擇的送風位置。

        3.6空調壓縮機工作狀態(tài)

        當駕駛員有開空調制冷的需求時,高壓直流電通過32 A空調系統(tǒng)保險給空調壓縮機供電,壓縮機工作,制冷劑在空調管路中實現(xiàn)物態(tài)變換,在蒸發(fā)箱實現(xiàn)液氣物態(tài)變化,吸熱制冷,鼓風機工作,冷風通過相應的風道翻板,到達駕駛員選擇的送風位置。

        3.7電池加熱器工作狀態(tài)

        當高壓動力電池包內的溫度傳感器監(jiān)測到溫度低于設定下限時,電池管理器(BMS)控制電池加熱器的接觸器吸合,高壓直流母線通過32A空調系統(tǒng)保險給電池加熱器供電,電池加熱器加熱循環(huán)水,在水泵作用下,熱水被導入高壓動力電池包內的加熱水道,使其溫度上升。

        3.8交流充電狀態(tài)

        當車輛停駛,使用家用小型充電樁對車輛進行交流慢充時,交流充電槍插入車輛交流充電口,完成連接確認(CC)和控制確認(CP),交流電(220V)被引入車載充電機,之后在車載充電機內完成升壓、整流,變成高壓動力電池包所需的直流電,給高壓動力電池包充電。

        3.9直流充電狀態(tài)

        當車輛停駛,使用大功率的直流充電樁對車輛進行直流快充時,直流充電槍插入車輛直流充電口。先后完成物理連接、低壓輔助上電、充電握手、充電參數(shù)配置,確定電池和充電機的必要信息后,充電樁合適的直流電從直流充電口進入車輛,經(jīng)高壓直流母線,給高壓動力電池包充電。

        4結語

        純電動汽車的高壓電控系統(tǒng)是區(qū)別于傳統(tǒng)內燃機汽車的最重要特征之一,本文以2017款比亞迪E5為例,總結了純電動汽車高壓電控系統(tǒng)的組成,各部分的作用、工作原理,以及整個系統(tǒng)在9種工作狀態(tài)下的控制策略,有助于了解其他車型的高壓電控系統(tǒng),掌握電動汽車的維護和保養(yǎng)技巧,加強電動汽車領域的技術研究和創(chuàng)新。

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