北汽纯电动汽车的工作原理与故障诊断

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。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。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）。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。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。（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6-2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车型EV200动力电池包电压332V动力电池包容量91.5Ah动力电池包电量30.4kWh普通充电时间8～9h快速充电时间1h能量密度104Wh/kg体积比能量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：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。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。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。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。图6-5三相交流电（2）高转速。高转速电机一般指转速超过10000r/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。（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。（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。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EV200电机型号TZ30S01额定功率30kg最大功率53kg额定扭矩102N·m最大扭矩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13.5V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。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。。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。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9km/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。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）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。（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。作为全车最高级别的控制器，整车控制器需要与车辆上的其他控制器之间进行通信，获取数据信息或发送控制指令，这些内容将与相应控制器一同介绍。2）电机控制器电机控制器是驱动电机的控制中心，是以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块为核心，辅以驱动集成电路和主控集成