洋浦技工學(xué)校/張祖華

純電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成與控制原理

洋浦技工學(xué)校/張祖華

純電動(dòng)汽車，顧名思義就是單純靠車載電源為汽車提供符合汽車動(dòng)力要求驅(qū)動(dòng)力的汽車。純電動(dòng)汽車沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，電能的補(bǔ)充依賴外接電源。由此可見，純電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)等同于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，蓄電池相當(dāng)于原來(lái)的油箱。如圖1所示。

純電動(dòng)汽車的組成由電力驅(qū)動(dòng)主模塊、車載電源模塊和輔助模塊三大部分組成。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟，它由電機(jī)、功率轉(zhuǎn)化器、控制器、各種檢測(cè)傳感器和電源（蓄電池）組成。如圖2所示。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)可分為交流電機(jī)和直流電機(jī)。如奇瑞純電動(dòng)汽車使用的三相交流異步電機(jī)，安裝于前艙位置，如圖3所示。

圖3 三相交流異步電機(jī)

圖4 電機(jī)調(diào)速控制裝置圖

電機(jī)調(diào)速控制裝置MCU（如圖4所示）是為電動(dòng)汽車的變速和方向變換等設(shè)置的，其作用是控制電機(jī)的電壓或電流，完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。當(dāng)采用交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)向的改變只需變換磁場(chǎng)三相電流的相序即可，可使控制電路簡(jiǎn)化。奇瑞純電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器（MCU）采用直流輸入，三相交流輸出。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理。由圖5可知，電機(jī)要運(yùn)轉(zhuǎn)，必須接通HV蓄電池和電機(jī)之間的電路，在電路中有電機(jī)控制器和功率轉(zhuǎn)化器兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，電機(jī)控制器受電池管理系統(tǒng)BMS控制；而功率轉(zhuǎn)化器由電機(jī)控制器MCU進(jìn)行控制。因此，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，首先要對(duì)VMS整車控制器、BMS電池控制器和MCU電機(jī)控制器進(jìn)行低壓通電，保證各種控制器的正常運(yùn)行。然后由BMS電池管理系統(tǒng)對(duì)電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行判斷，完成對(duì)電極的控制；最后電機(jī)控制器MCU和整車控制器VMS根據(jù)車速信號(hào)、擋位信號(hào)、加速踏板信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)和電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，完成對(duì)功率轉(zhuǎn)化器的控制，功率轉(zhuǎn)化器決定著流向電機(jī)電流的大小，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

電源是純電動(dòng)汽車的能源中心，為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和全車用電設(shè)備提供電能，電源在電動(dòng)汽車上分為低壓電源（DC）和高壓電源（HV）。當(dāng)前，低壓電源主要是鉛酸蓄電池為低壓用電設(shè)備供電，如燈光照明、信號(hào)系統(tǒng)、音響等。高壓電源有鈉硫電池、鎳鎘電池、鋰電池、燃料電池等新型電源，主要為電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等提供電能。如奇瑞電動(dòng)車高壓電源是由單格3.2V串聯(lián)成19.2V電池組，然后將19.2V再次串聯(lián)形成320V電池系統(tǒng)，對(duì)全車用電設(shè)備進(jìn)行供電，如圖6所示。

圖2 純電動(dòng)汽車的組成

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成原理圖

圖6 單格電池(19.2V)

電池管理系統(tǒng)（BMS），也叫電池組控制器，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓、溫度、電流信號(hào)的采集，預(yù)測(cè)電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)（SOC），預(yù)測(cè)電池在充放電過(guò)程中電池本身所允許的充放電電壓限值和充放電電流限值；BMS功能模塊還實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓系統(tǒng)的管理：預(yù)充電過(guò)程實(shí)現(xiàn)高壓的安全接通、環(huán)路互鎖以及絕緣監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓系統(tǒng)的有效檢測(cè)和診斷，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的安全使用。同時(shí)BMS功能模塊還具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫、低溫、過(guò)流等系統(tǒng)故障診斷功能。CAN通信模塊實(shí)現(xiàn)CAN消息的接收與發(fā)送。與整車控制器VMS和車載充電器CM通信。BMS具有集成化程度高、功能穩(wěn)定的特點(diǎn)。BMS電池組控制器還起著連接電池本體和整車控制器的橋梁作用。結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示。

圖7 BMS電壓溫度信號(hào)采集板

圖8 BMS信息處理控制板

HV電池控制原理。HV電池的控制原理分為儲(chǔ)存能源和提供能源控制。動(dòng)力電池模組放置在一個(gè)密封并且屏蔽的動(dòng)力電池箱里面，動(dòng)力電池系統(tǒng)使用可靠的高低壓接插件與整車進(jìn)行連接。系統(tǒng)內(nèi)的BMS實(shí)時(shí)采集各電芯的電壓值、各溫度傳感器的溫度值、電池系統(tǒng)的總電壓值和總電流值、電池系統(tǒng)的絕緣電阻值等數(shù)據(jù)，并根據(jù)BMS中設(shè)定的閥值判定電池系統(tǒng)工作是否正常，并對(duì)故障實(shí)時(shí)監(jiān)控。動(dòng)力電池系統(tǒng)通過(guò)BMS使用CAN與VCU或充電機(jī)之間進(jìn)行通信，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行充放電等綜合管理。然后實(shí)現(xiàn)對(duì)HV電池正極和負(fù)極接觸器繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)線路的接通和斷開，從而完成對(duì)HV電池的控制管理。具體控制如圖9所示。

整車控制器（VMS）及其控制原理（如圖10所示）的主要功能有：（1）識(shí)別駕駛員意圖的識(shí)別；（2）電動(dòng)轎車啟動(dòng)和停止控制的實(shí)施；（3）再生制動(dòng)能量回收的實(shí)現(xiàn)；（4）對(duì)整車狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)在線診斷功能；（5）整車安全監(jiān)控和安全策略的實(shí)現(xiàn)；（6）控制DC/DC變化期，維持12V低壓網(wǎng)絡(luò)電量的平衡；（7）與車載其他控制器進(jìn)行通信和發(fā)送數(shù)據(jù)；（8）采集電動(dòng)轎車運(yùn)行所必需的傳感器信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、真空制動(dòng)泵、助力轉(zhuǎn)向電機(jī)、電子水泵和風(fēng)扇等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

純電動(dòng)汽車的上電原理，包括低壓系統(tǒng)上電和高壓系統(tǒng)上電兩個(gè)過(guò)程。

（1）低壓上電:當(dāng)點(diǎn)火鑰匙由OFF到ON時(shí)，VMS、BMS、MCU低壓上電，所有控制器被激活，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化檢查和檢測(cè)。

（2）高壓上電:車鑰匙位于ON擋，BMS、MCU當(dāng)前狀態(tài)正常且在之前一次上下電過(guò)程中整車無(wú)嚴(yán)重故障。①BMS、MCU初始化完成，VMS確認(rèn)狀態(tài)；②閉合電池繼電器；③閉合主繼電器；④MCU高壓上電；⑤如擋位在N擋，儀表顯示Ready燈點(diǎn)亮。

圖9 HV電池控制系統(tǒng)

圖10 整車控制原理