电动汽车原理基础PPT幻灯片课件
电动汽车原理基础 海勤电控设备维修部 1 知豆电动发动机仓内部 2 江南奥拓发动机仓内部 3 客车发动机仓 4 电动汽车整车工作原理示意图 5 电池管理系统 BMS 动力电池是整车的核心部件 为整车提供能源 目前使用的电池为铁系锂电池和三元锂电池等 它由电池模块 箱体 电池管理系统 BMS 高低压线束等组成 电池管理系统的具体功能 保护电池 防止过充电 过放电 电压均衡功能 防止过热 计算剩余电量 计算电池寿命 故障诊断 6 电池管理系统 BMS 监控内部电池模块的电压 电流 温度 内阻等工作状态参数 通过这些参数来判断目前电池状态 允许充放电的功率等 并将其发送给整车控制器 BMS参与电池在充放电过程中的热管理 因为电池在充放电过程中会产生热量 如果不能及时的散发出去 会影响电池的可放电率 同时 电池的温度过低会导致电池放电能力下降 7 电池管理系统 BMS 8 电池管理系统 BMS 9 电池管理系统 BMS 电池管理模块采用主从机的结构 从机安装在动力电池箱内 用于采集箱体中电池模块的参数 当电池模块内部单体电池出现一致性差异时 将启动均衡功能 确保模块内单体电池的一致性 主机接收从机模块发送的信息 采样总电流 电压 计算剩余电量SOC和预测电池的健康程度SOH 并向整车控制器发送信息 10 11 电池管理系统 BMS 当电池出现欠压 过压 内部高温时 会导致电池安全性能变差 严重时会导致事故的发生 电源管理系统将发出 警报 出现一般警报时 车辆可以行驶 当出现严重报警时 不允许行驶 在一些车辆上通过仪表的自诊断提供的信息可以发现具体那一节电池电压出现异常 也可以通过诊断软件监控 12 电池管理系统 BMS 13 电池管理系统 BMS 为什么电池模块电压过低会使动力电池组整个系统的能量变低 动力电池由上百个电池模块串并联而成 由于电池存在 木桶效应 即电池组特性由最差电池决定 比如电池模块放电下限为2 5V 当电池管理系统采集到某一个电池模块电压过低 为了保护整个动力电池组 延长寿命 BMS会切断整个动力电池组的动力输出 并显示 欠压保护 14 BMS其他功能 高压环路互锁管理功能在电池箱的动力输出端需要通过高压插接件连接动力线缆 BMS的高压环路互锁功能可检测插接件是否有松动现象 如果出现松动会做出相应的处理 BMS控制器会发送信号 方波或高电平信号 同时接收此信号 如果接收成功即证明环路互锁正常 反之异常 电缆绝缘监测功能 BMS会检测总正和总负对车身搭铁的绝缘值 如果出现阻值低则上报故障并断开高压连接 15 电池管理系统BMS高压上电控制 BMS上高压电需要电机控制器允许上高压请求 再通过仪表CAN线检测到钥匙的START信号 整车控制器得到仪表起动的信号后 发送上高压指令给BMS BMS再根据自身逻辑判断当前是否上高压电 整车控制器等待BMS反馈高压接触器状态后 进入主程序运行 16 电池管理系统BMS高压下电控制 第一种当驾驶员将点火开关从ON档关闭后 整车控制器立即向辅助电源控制器发送指令 然后延时200MS发送BMS下电指令 第二种是当电池管理系统BMS或电机控制器出现最高级别故障 此时整车控制器向电机控制器发送0扭矩指令 控制驱动电机无输出扭矩 并发送BMS高压下电指令 17 注意 BMS在停车数小时内 控制器内部还有高压存在的可能 维修时要进行放电 以免被电击 18 电机与电机控制器 驱动电机将电能转化为机械能 接受不同的转速要求信号 同时 将电机状态信号反馈给电机控制器 目前使用较多的是交流异步电机和永磁同步电机 电机控制器将动力电池输出的高压转换成合适电机工作的电压 同时对电机的反馈信号进行处理 监控电机实际运行的状态 温度控制电机的工作 19 控制原理电机控制器对电机的控制 与电力行业中的变频器对电机的控制有许多相似之处 20 电力电子行业的变频器原理示意图 21 电机与电机控制器的工作原理 22 永磁同步电机 采用永磁同步电机 永磁体被镶嵌在转子中 电机的旋转变压器被同轴安装在电机的轴上 用来检测转子的旋转角度 当三相交流电被通到定子线圈中 产生旋转的磁场 牵引转子内部的永磁体产生和旋转磁场同步的旋转扭矩 由于转子的S极与定子旋转磁场的N极牢牢吸住 转子就跟着旋转磁场一起旋转起来 两者转速完全一致 所有被称为同步电机 23 永磁同步电机 24 永磁同步电机 25 旋转变压器 26 旋转变压器 27 旋转变压器 使用旋转变压器检测转子的位置和电流传感器检测线圈的电流 从而控制电机扭矩的输出 定子绕组共有三组线圈组成 其中红 黑引出线的一组为励磁绕组 阻值为16 黑白引出线一组与黄绿引出线一组为两个信号绕组 阻值为32 两个信号绕组分别输出频率相同 幅值相同 相位角相差90度的正弦和余弦两个交流信号 经过整形后成为方波 28 旋转变压器 29 旋转变压器 30 旋转变压器 电机控制器利用其中一个信号作为电机输出的转速信号 同时将这两个信号作为电机旋转方向的确认 将A B的初相角做比较 确认那个超前那个落后 A超前B信号90度 认为电机是正转 反之 是反转 旋转变压器的信号可以作为电机正反转信号 该信号有点发动机上的转速传感器的作用 自然相当重要 如果旋转变压器的输出方向与实际转向不同 可能导致车辆无法行驶 31 旋转变压器 32 电动水泵 33 电动水泵 电机控制器接收电机内部温度传感器信号 实时监控电机温度 并采取水冷方式进行散热 34 电机状态 电机电动机状态控制 在电动状态下 为了产生驱动力 整车控制单元VCU根据目标扭矩信号要求 电机控制器输送交流电给电机 以驱动车辆运行 电机发电状态控制 在制动能量回收阶段 根据整车控制单元VCU通过CAN总线发送再生转矩请求 电机控制器控制电机作为发电机来使用 由车轮旋转产生的动能转化为电能 此电能可为电池充电 电机产生的再生力矩作为制动力 减少制动钳的磨损 35 交流异步电机 在客车中几乎全部使用该类电机作为驱动电机 其定子的铁芯里放置的是三相绕组 各绕组的中心线之间互差120度 将三相交流电通到铁芯里 就产生了旋转的磁场 按一定的顺序轮流地向三相绕组内通电流 当绕组1内部通电流时 产生的磁通如a所示 当绕组2内部通电流时 产生的磁通如b所示 与a相比较磁通的方向旋转了120度 当绕组3内部通电流时 产生的磁通如c所示 与b相比较磁通的方向旋转了120度 依次轮流下去 产生的磁通时旋转的 构成了旋转的磁场 36 交流异步电机 当定子合成的磁场在空间旋转时 其磁力线将被转子绕组切割 切割的方向与磁场的旋转方向相反 转子导体因切割磁力线而产生感应电动势 感应电动势的方向由右手定则判定 因为绕组自成回路 故绕组中有感应电流 转子绕组的电流是因为切割旋转磁力线而产生 并不需要从外部引入 所以 异步电动机也称为感应电动机 37 交流异步电机 38 交流异步电机 当转子绕组中产生感应电流后 该电流又处于定子磁场的作用下 载流导体受磁场作用 使转子旋转 转子与旋转磁场之间 必须保持一定的相对运动 转子的转速永远小于同步转速 它们之间的差值称为转差 因为转差的存在 所以称为异步电动机 对于电机而言三相绕组电阻几乎绝对平衡 某款电机的阻值为0 68 39 交流异步电动机的调速 当交流电的频率为50HZ时 电流交变一周的时间为20MS 也就是说 磁场旋转一周的时间是20MS 则在一秒钟内磁场旋转50圈 当交流电的频率为100HZ时 电流交变一周的时间为10MS 也就是说 磁场旋转一周的时间是10MS 则在一秒钟内磁场旋转100圈 40 交流异步电动机的调速 改变电源频率 交流异步电机的转速将发生变化 在改变频率时 如果电压与频率的比值一定 V F 常数 那么产生的转矩也是基本恒定的 下图是在V F恒定的条件下 改变频率时的异步电机产生的转矩 恒扭矩控制 高速时功率不变 转速增高扭矩减小 恒功率控制 41 交流异步电动机的调速 42 如何进行变频控制 43 如何进行变频控制 用4个IGBT管组成一个桥型电路 ZL是负载 首先让VT1 VT2导通 VT3 VT4截至 此时电流如虚线所示 从电源正极P VT1 负载ZL VT2 电源负极 当它流经负载时 是从a端流向b端的 将这种情况下的Uab作为正方向 幅值等于直流电压Ud 其电压波形如图b中时间段0 t1所示 让VT3 VT4导通 VT1 VT2截至 此时电流如虚线所示 从电源正极P VT3 负载ZL VT4 电源负极 当它流经负载时 是从b端流向a端的 将这种情况下的Uab电压为负 幅值等于直流电压Ud 其电压波形如图b中时间段t1 t2所示 让VT1VT2为一组 VT3VT4为另一组 让它们不断的导通和截至 则负载中流过的 便是交变电流了 44 如何进行变频控制 如果利用六只IGBT管组成全桥整流 可以控制三相绕组UVW的通电状态 在两两导通的方式下控制电流发生变化的情况如下 45 如何进行变频控制 以电动机转子在0度为始点 先让V1导通120 电角度 在这期间V4先导通60 电路先经过V1 U相 V相 V4 蓄电池负极 控制V4截至 再控制V6导通60 电角度 电流先经过V1 U相 W相 V6 蓄电池负极 电机转动120 距离始点120 以电动机转子在120度为始点 先让V3导通120 电角度 在这期间V2先导通60 电路先经过V3 V相 U相 V2 蓄电池负极 控制V2截至 再控制V6导通60 电角度 电流先经过V3 V相 W相 V6 蓄电池负极 电机转动120 距离始点240 以电动机转子在240度为始点 先让V5导通120 电角度 在这期间V2先导通60 电路先经过V5 W相 U相 V2 蓄电池负极 控制V2截至 再控制V4导通60 电角度 电流先经过V5 W相 V相 V4 蓄电池负极 电机转动120 距离始点360 完成了一个圆周运动 46 如何进行变频控制 只要根据磁极的不同位置 以恰当的顺序去导通和阻断各相出线端所连接的IGBT管 就可以控制电动机产生一定方向的电磁转矩而稳定运行 借助逻辑电路改变IGBT管的导通顺序 可以实现电动机正反转 电动机的 两两导通 方式有些类似与发动机两气门一进一排的方式 也有 三三导通 的方式 类似于三气门发动机的 两进一排 47 如何进行变频控制 频器里普遍采用脉宽调至的方法来实现调速的 所以变频器输出的电压是按一定规律改变占空比的系列脉冲波形 变频器实际输出的脉冲不是等宽的 而是使脉冲占空比按照正弦规律分布 叫做正弦脉宽调制 48 如何进行变频控制 49 如何进行变频控制 正弦脉宽调制是通过求正弦波和三角波的交点得到 三角波称为 载波 正弦波称为 调制波 50 汽车级IGBT管 51 IGBT驱动原理 变频器的驱动部分大体都是由CPU板过来的6路信号来驱动光耦 光耦再驱动IGBT模块 驱动部分正常工作的条件 各路电源正常 光耦正常 各种电阻电容等元件正常 模块正常 电路板走线正常 以上条件缺一不可 52 IGBT驱动原理 53 电动机是怎样变成发电机的 对于同步电机而言 转子上有磁极 定子上分布三相绕组 当转子被拖动时 减速状态 下坡状态时车速高于电机转速 定子绕组因切割转子的磁场而产生感应电动势 从而发电 对于异步电机而言 它没有独立的磁场 或者说它没有一个单独产生磁场的电路 异步电机必须与三相电源相接后才产生磁场 旋转磁场 当它在驱动状态下就是一台电动机 当有原动机带动它超过同步转速后 才发电 在变频器中 异步电机的发电状态 实质是拖动系统释放机械能的过程 而再生制动功能就是把这些机械能转换成电能 从而为电池充电 下图所示为电力行业变频器中利用回馈单元将多余的电能回馈给电网 54 电动机是怎样变成发电机的 55 整车控制器 56 整车控制器 电动汽车是一个高度集成的电气化系统 包括电机控制器 充电 辅助 低压电器系统等 必须通过一个整车控制系统 常称之为VCU来进行各系统的协调控制 从而实现整车的最佳性能 整车控制系统主要包括整车控制器 电机控制器 电池