1.动力电池。 动力电池是纯电动汽车行驶的能量来源。该型纯电动公交客车采用动力电池类型为磷酸铁锂电池,额定电压为518.4V,额定容量为107.5A·h,总电能为55.728kW·h。动力电池外观如图10-5所示。 动力电池系统主要由电池模块组、箱体、电池管理系统BMs( battey managementsysem)及高低压线束四部分组成。
动力电池模块组由若干个单体电芯通过串联或并联的方式组装而成,串联用于提高电压,并联用于增加能量;单体电芯的型号为IFP20100140,额定电压为3.2V,额定容量为1.5A·h;动力电池由2箱串联而成,每箱由81个电池模块组串联而成(5并81串)。
电池管理系统包括从机和主机两个模块。从机模块安装在动力电池的箱体内,用于采集各个箱体中电池模块组的电压、温度等信号;主机模块集成在高压配电箱内,是动力电池系统的控制中心,其主要作用是接收从机模块发送的信息,采样总电流、电压,计算荷电状态SOC( state of charge,俗称剩余电量),向整车控制器发送动力电池信息,同时根据动力电池信息对电池进行充放电管理。
高压线束主要用于连接箱体中的电池模块组,并与整车的高压部件连接。低压线束主要用于传输动力电池的电压、电流、温度等信号,以及为电池管理系统提供电源连接。
2.高压配电箱。
高压配电箱的作用是将来自动力电池的直流高压电分配给各高压部件,连接暖风、加热、除霜及充电座等设备,实现通信功能(整车通信、充电通信及主从机通信),并连接程序调试。高压配电箱、电动机控制器、辅助电源控制器如图10-6所示。电池管理系统BMS的主机模块集成在高压配电箱内。
(1)集成辅助电源的主要功能。
①为整车低压蓄电池充电,保证整车低压期间的用电。
②为气泵提供三相交流电源,为整车提供充足的气压。
③为助力转向提供三相交流动力电源,保证助力方向的正常工作。
(2)高压配电箱 将储能系统的高压电分配到电动机控制器、发电机控制器、空调、集成辅助电源等高压用电设备。
(3)电动机控制器 其主要功能是将输入的直流电逆变成电压、频率可调(简称VVVF)的三相交流电,用于驱动永磁/异步电动机,或者将制动时永磁/异步电动机发出的三相交流电整流成直流电,回馈到电池进行储存。
3.驱动电动机及电动机控制器。
(1)驱动电动机 该型纯电动公交客车采用上海大郡动力控制技术有限公司生产的驱动电动机,型号为ZTM60-350,如图10-7所示。
该驱动电动机为三相永磁同步电动机,额定功率为60kW,峰值功率为100kW,额定转速为1910r/min,最高转速为3200r/min,额定转矩350N·m,绝缘等级为H,防护等级为IP55,冷却方式为液冷(≥14L/min)。驱动电动机上有U、V、W三相高压线接头(来自于电机控制器)以及用于散热的冷却液进、出管接头并集成了旋变器及负温度系数的温度传感器。
旋变器的作用是精确测量驱动电动机转子的位置及转速,并将信号提供给电动机控制器,用于对驱动电动机的相序进行精确控制,实现对驱动电动机的转速、转矩控制以及电动机驱动及发电的转换。旋变器安装在驱动电动机的后端,由转子及3组定子线圈组成,其转子随电动机轴同步旋转,3组定子线圈分别为励磁绕组、正弦绕组及余弦绕组。温度传感器的作用是实时监测电动机的温度,并将信号提供给电动机控制器。
(2)驱动电动机控制器 该型纯电动公交客车采用上海大郡动力控制技术有限公司生产的电机控制器,型号为ZTM6090,额定输入电压为380V,额定输出电压为147V,额定输人电流为136A,额定输出电流为200A,额定输出容量为90kW,最大输出容量为150kW,最高输出频率为320Hz,防护等级IP67,冷却方式为液冷(≥14L/n1in)。电动机控制器的主要作用是接收整车控制器的指令,将直流高压电转化为交流高压电,控制驱动电动机的扭矩输出;制动时,接收整车控制器的指令,控制驱动电动机发电,实现制动能量回馈给动力电池;将驱动电动机及电动机控制器的状态信息反馈给整车控制器。
(3)驱动电动机及电动机控制器的冷却 为了维持驱动电动机及电动机控制器的正常工作温度,采用了独立的冷却系统。冷却系统主要由储液罐、散热器(带风扇)、电动液泵、驱动电动机及驱动电动机控制器等组成。
(4)控制总成驱动电动机控制主电路图 如图10-8~图10-10所示。
Is+为直流电流传感器;F为熔断器;充放电回路包含主接触器K,充电电阻R1(电阻为1kΩ),控制器内部支撑电容C,放电电阻R2(电阻为20kΩ),电压检测板B1(内部包含充电接触器K1,电源电压U检测电路,电容C的电压U检测电路)。充电时,先由电压检测板检测得到电源电压U;电源电压U满足要求时,控制板发送控制信号给充电接触器K1;使K1闭合后,通过充电电阻R1给电容C充电;直到检测到U与Uz的压差小于定值时,主接触器K闭合,同时K1断开。
当切断主接触器K后,电容C通过R2放电,在5min内释放到安全电压以下。
注意:如果放电回路故障(如R2坏了或接触不良),则电容C的电只是缓慢释放。因此需通过拆卸控制器来查故障时,必须测量控制器电容上的电压,确认是否在安全电压(小于36V)范围内。逆变电路由 IGBT V11、V12、V21、V22、V31、V32构成的三相桥组成;
Isa和Isc为控制用交流电流传感器。
4.三合一型辅助电源控制器。
该型纯电动公交客车采用武汉合康动力技术有限公司生产的辅助电源控制器,型号为HEG384-3YQD-0F-2T,采用风冷。该辅助电源控制器为三合一型,即一个箱体内集成了DC/DC控制器、DC/AC电动液压助力转向油泵电动机控制器、DC/AC打气泵电动机控制器。DC/DC控制器主要为整车24V铅酸蓄电池充电,满足整车24V低压电器的正常工作。
5.整车控制器。
整车控制器( vehicle control unit,vCU)的型号为HK-VCUON1-03,输入电源为8~32V(DC),防护等级为IP65,散热方式为自然冷却。整车控制器如图10-11所示。
整车控制器是纯电动汽车的控制核心,通过采集油门踏板位置、制动踏板位置、电动机转速和换挡面板的挡位等信号,判断驾驶员的驾驶意图,并计算出目标牵引力矩,以电动机耗电量最小为原则,同时参考电动机外特性和储能系统的各项边界条件,对驱动电动机的力矩进行控制,最终实现驱动电动机按照驾驶意图驱动整车运行。整车控制器具有驾驶员驾驶意图解析、系统工作模式控制、车辆能量管理及优化、智能化的整车故障识别和处理、车辆网络管理、车辆状态监控、自诊断及保护等多项功能。整车控制器外部端口如图10-12所示。
(1)汽车驱动控制 整车控制器根据驾驶人的驾驶要求及车辆状态等,经处理和计算,向电动机控制器发出指令并控制驱动电动机,以满足驾驶工况要求。
(2)制动能量回馈控制 整车控制器根据制动踏板和加速踏板位置、车辆行驶状态、动力电池的荷电状态SOC等信息,经处理和计算,当满足制动回馈条件时,向电动机控制器发出指令,使驱动电动机发电并将能量回馈给动力电池。
(3)整车能量管理与优化 整车控制器通过CAN总线与电池管理系统连接共同承担整车的能量管理,以提高能量的利用率。在电池管理系统的协助下完成参数监测、信息通信、充放电控制、热管理、故障诊断等功能,同时针对具体行驶情况实现安全行驶和能量的合理分配。
(4)整车网络化管理 整车控制器作为信息控制中心,负责组织信息传输、网络状态监控、网络节点管理、信息优先权的动态分配等功能(5)车辆状态的监视和故障诊断及保护 总线所连接的各个子系统控制器实时将各自控制对象的信息发布至CAN总线,由整车控制器通过综合数字仪表显示出来。整车控制器能对故障信息及时处理并做出相应的安全保护处理。
(6)控制器总成各电路板如图10-13所示,主要功能如表10-1所示。
控制板实物如图10-14所示,其接口和编号顺序已经在图上标出,其端口含义如表10-2所示,控制板得到控制电时,上面的LED会闪烁。
控制板的接口共有五个:X1为供电电源接口(控制总成对外的弱电接线表如表10-3所示)、X2为驱动信号接口(控制总成对外的弱电接线表如表10-4所示)、X3为传感器接口、Ⅹ4为电动机信号(旋变信号、温度信号)接口、Ⅹ5为接触器信号和CAN信号接口。注意:务必确保所有插头及线都可靠插入。
驱动板(图10-15)上端插头从左到右(每个插头的1、2、5脚分别对应1GBT的G、E、C极),每个插头分别连接到三个桥的IGBT组件。连接时,注意是顺序连接,没有交叉。注意:务必确保所有插头及线都可靠插入。下端插头连接控制板的插头X2。
控制总成主电路元器件功能如表10-5所示。
①电流传感器 电流传感器(图10-16)负责采集交流电流、直流电流信号,供控制所用,任何一个电流传感器回路不能正常工作,都会造成整个驱动系统不能正常工作的故障(主要是过流故障和模块故障)。
②电压检测板 X2:1与X1:3之间采样的是前端电压;X2:3与X1:1之间测量的阻值为预充电电阻(1kΩ);X3包含电源板的供电+15V、-15V、GND和+24V。充电接触器控制信号K1、充电接触器反馈信号K1B,以及检测的电压输出信号:电源电压信号OUT1、电容电压信号OUT2电源检测板如图10-17所示,各端子含义如表10-6所示。
注意,Ⅹ1、Ⅹ2接触不良,会导致控制器误报过流、过压、过温故障。
③IGBT模块 IGBT模块如图10-18所示。注意:IGBT模块上门极附板的各焊点有无虚焊现象,如有虚焊可能会在成报25号故障。检查门极附板上的稳压二极管是否击穿，测量G、E之间的电阻值。
空气经过空气滤清器的过滤后,由进气阀(进气阀是由内部的伺服阀通过液压管路控制,该阀可以根据用气需求自动调节空气压缩机的进气量)进入空气压缩机。转子在定子中偏心旋转,转子表面开有垂直的槽,滑片放置在槽内,并在离心力的作用下紧贴定子的内壁,这样,定子、转子和滑片就形成了一系列的空腔和压缩腔,空气在压缩腔中被压缩。压缩过程中的润滑和冷却是由一个高效的注油系统来完成的,该系统可以保证在较低的润滑油消耗水平下很好地完成过程控制,该系统在转子内壁上形成油膜,还可以避免金属部件的直接接触,从而大大减少了部件的磨损。随着转子的转动,当转子与定子形成的压缩腔体积减小时,完成压缩过程。分离后的纯净空气经过油冷却器冷却(产生的冷凝水经过排水阀排出)后进入储气筒,作为气源用于车辆的制动或车门的开启和关闭。
电动气泵接线盒上有U、V、W线与辅助电源控制器的气泵输出接口连接,后侧面上安装了一个温度传感器,用于检测打气泵的工作温度,并将信号传递给整车控制器。辅助电源内部的DC/AC控制器将高压直流电转换为三相交流电,驱动空气压缩机工作,空气压缩机与储气筒连接。储气筒上的压力传感器将气压信号传递给仪表,仪表在主界面显示气压(柱状,2个)。当气压较低时,仪表控制DC/AC控制器使电动气泵电动机开启工作,气压达到规定值时,则控制DC/AC停止工作。
7.电动液压助力转向油泵。
该型纯电动公交客车采用全兴精工集团有限司生产的电动液压助力转向油泵,型号为EHPS1010R1.5/16,电动机的额定电压为220V额定电流6.86A,额定功率1.5kW,额定转速为1440r/min;油泵的最大压力为10MPa,进油口直径为M27×1.5,出油口直径为M18×1.5。电动液压助力转向油泵的电动机为三相异步电动机电动液压助力转向油泵如图10-21所示。
电动液压助力转向油泵电动机的转速是恒定的,向制动系统提供稳定流量,该电动机的工作噪声比永磁同步电动机大,但成本较低。基于成本考虑,目前纯电动公交车的电动液压助力转向油泵常采用三相异步电动机驱动
8.选挡面板。
该型纯电动公交客车的按钮式选挡面板上有4个挡位按钮,D(前进挡)、N(空挡)、R(倒挡)及S(低速挡,未使用)。选挡面板的挡位信号(开关信号)通过整车CAN总线传递给整车控制器,电动机控制器收到相应的指令后会控制电动机做出相应的动作(正反转)。而电动机的传动轴直接与车辆的后桥相连,从而控制车辆的前进后退。选挡面板如图10-22所示。
9.仪表。
该型纯电动公交客车采用了纯电动车专用仪表(带CAN总线),可显示总电压、总电流SOC(剩余电量)、单体电芯MCU温度、单体电芯的最高电压、最低电压、最高温度、最低温度、气压(柱状,2个)、挡位等参数以及相关的报警信号。仪表显示如图10-23所示。
10.CAN总线。
中通纯电动公交车采用了三套CAN总线,即整车CAN总线、内部CAN总线及充电CAN总线。CAN总线的拓扑结构如图10-24所示。内部CAN总线只用于故障检测及程序烧结(刷程序),无终端电阻。
11.充电座。
中通纯电动公交车的充电插座(图10-25)位于车辆右侧最后方的设备舱内(国标)充电接口定义见表10-7所示。中通公司为方便用户充电,配套提供了便携式电动汽车直流充电机。注:领示线是完全独立的安全系统,它用以确定所有高压部件是否正确连接至高压系统,领示线是低压系统。
