1.2 高压系统_新能源汽车故障诊断-QQ阅读男生武侠网

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1.2 高压系统

1.2.1 高压系统类型

新能源汽车高压系统电路原理见图1-5。

高压控制盒是连接动力电池与外部用电设备或充电设备的控制机构，为了保护用电设备和动力电池使用安全，通过熔断器、继电器和控制板防止电流过大。

动力电池放电时，电能通过高压控制盒的熔断器分流给电机控制器、DC/DC、空调压缩机、PTC加热器等用电设备，超过额定电流，熔断器熔断，保护电路不损毁。

动力电池慢充时，车载充电机的充电电流经过高压控制盒充入动力电池，给电池补充电量。快充时，快充桩与车上快充接口连接后，双方进行握手通信，通过报文互相认证并通过后，接通在高压控制盒底部的2个快充继电器，快充桩的电流直接充入到动力电池。

与车上其他高压部件一样，高压控制盒盖上安装有高压互锁机构，在打开高压控制盒盖子后会切断高压互锁电路，切断高压电路，防止产生触电事故。

高压控制盒内部还有CAN线与其他部件通信。

图1-5 高压系统电路原理

高压部件在整车的布置随车型不同而有差异，主要有分体式和整体式。

1.分体式

分体式指高压系统主要部件即DC/DC变换器、高压控制盒、车载充电机、电机控制器由不同厂家提供，在发动机舱单独布置，见图1-6。

图1-6 分体式高压系统

2.整体式

随着电子技术的发展及电动汽车技术的飞速发展，越来越多的车型将直流变换器（DC/DC）、高压控制盒、车载充电机、电机控制器整合成功率集成单元（PEU），俗称“四合一”高压电控总成，见图1-7。

图1-7 功率集成单元（PEU）

1.2.2 高压配电控制装置

常见的高压配电控制装置为高压控制盒。

1.高压控制盒的作用

高压控制盒的主要功能是完成动力电池电源的输出及分配，实现对支路用电器的保护及切断。常见的高压控制盒共有5个端口，分别与交流充电（慢充）线束、直流充电（快充）线束、低压控制线束、高压附件线束、动力电池高压电缆、电机控制器电缆连接。图1-8为比亚迪e5高压电控总成。

2.高压控制盒的结构

（1）高压控制盒外部连接高压控制盒外部连接见图1-9。

高压控制盒与外部连接分低压控制线和高压电缆。低压控制线主要是完成内部电路控制和数据传输。高压电缆主要分为快充线束、慢充线束、动力电池高压电缆、电机控制器电缆和高压附件线束。高压电缆外表制造成显著的橙色是为了警告人注意高压电，其他高压线束包括DC/DC电源线、空调压缩机和PTC加热电源线。

（2）高压控制盒内部结构高压控制盒实质上就是高压配电盒，把动力电池的电能经过熔丝和控制电路分配给各个部件，所以内部主要包含熔断器、PTC控制板、快充继电器三大部分。下面以北汽新能源EV200高压控制盒为例介绍内部结构。

图1-8 比亚造e5高压电控总成

图1-9 高压控制盒的5个端口的连接

1）熔断器。高压控制盒内部有4个大型的熔断器，PTC熔断器、压缩机熔断器、DC/DC熔断器和车载充电机熔断器，见图1-10。

图1-10 北汽新能源EV200高压控制盒内部熔断器

2）控制电路。高压控制盒内部还有空调PTC加热控制电路板、高压互锁机构，见图1-11。

图1-11 空调PTC加热控制电路板、高压互锁机构

3）快充继电器（接触器）。在高压控制盒的底部有2个体积较大的快充继电器（接触器），一个是正极接触器，另一个是负极接触器，见图1-12。这2个继电器是为了满足快充电路控制需要，在接通快充桩后，车辆与快充桩识别认证正确后接通，电动汽车进入充电状态。

图1-12 快充继电器

1.2.3 车载充电机

1.车载充电机的作用

车载充电机也称为交流充电机，它是电动汽车的一个重要组成部件，也是一种能为电动汽车的动力电池补充电能的设备，可将220V交流电转换为动力电池的直流电，实现动力电池电量的补给。为实现电动汽车动力电池安全、自动充满电，充电机依据车身集成控制器（VCU）和电池管理系统（BMS）提供的数据，自动调节充电电流或电压参数，满足动力电池充电需求，完成充电任务。车载充电机工作不良或损坏会导致车辆不能充电的故障或导致动力电池充不满电量的故障。

2.车载充电机内部结构及电路原理

（1）车载充电机外形

车载充电机外形如图1-13所示，一般安装在车辆的前部，与高压分配盒、电机控制器、DC/DC等总成安装在机舱内，带有散热片和散热风扇，外面有电线连接接口：交流输入端、直流输出端、低压通信控制端。

（2）车载充电机内部组成

车载充电机内部可分为3部分：主电路、控制电路、线束及标准件。

1）主电路。前端将交流电转换为恒定电压的直流电，主要是全桥电路整流，后端为DC/DC变换器，将前端转出的直流高压电变换为合适的电压及电流供给动力电池。

2）控制电路。控制MOS管的开关、与BMS之间通信、监测充电机状态、与充电桩握手等。

3）线束及标准件。用于主电路及控制电路的连接，固定元器件及电路板。

图1-13 车载充电机

充电机工作电压属于高电压，为了防止高压电路产生触电危险，机壳上设计有高压互锁控制电路，并且与车身有可靠的绝缘性能，如果高压互锁电路没有连接或高压绝缘电阻偏低，电池管理系统（BMS）将阻断动力电池正负母线继电器的吸合，不能输出动力电池的电能。

（3）充电机电流转换过程

充电机主电路内部转换过程：

1）交流电整流成稳定的直流电压。

2）用高频开关电路产生高频交流电。

3）高频交流电压提升到合适的电压。

4）整流成直流电压。

因采用高频电路转换电压，不采用传统的变压器提升电压，可减小充电机体积、降低重量、提高转换效率。车载充电机内部有大量的电子元器件，充电过程会产生大量的热，所以把外壳做成大量散热片，再安装电子风扇强制散热，充电时仔细观察，能够听到散热风扇工作的声音。

（4）AC/DC电路原理

充电机工作电流的变换就是把民用交流电转换成动力电池充电所需的直流电，即交流电转换成直流电（AC/DC）的过程，电路原理如图1-14所示。变换的电流波形如图1-15所示。

图1-14 充电机电流变换模块图

图1-15 充电机内部电流的变换图

（5）充电机输出电缆

经过充电机的电压变换，原来交流220V转换成动力电池额定高压直流（例：北汽新能源EV200为440V）电源，通过橙色高压电缆，将电流输入到动力电池。

3.典型电动汽车车载充电机认知

车载充电机属于对电动汽车慢充的装备，北汽新能源EV200车载充电机输入电压为交流220V，输出电压为直流约440V，提供给动力电池的充电电流约为7A，根据动力电池容量30kW·h测算，一般在7～9h充满蓄电池，充电机功率约为3.4kW，电流约为16A。

（1）主要技术参数北汽新能源EV200车载充电机主要技术参数见表1-3。

表1-3 北汽新能源EV200车载充电机主要技术参数

（2）车载充电机上的指示灯车载充电机上有三个指示灯，用来显示充电状况。

1）各指示灯功能

①Power灯为电源指示灯（绿色），当接通交流电后，电源指示灯亮起。

②Charge灯为正常工作指示灯（绿色），当充电机接通动力电池进入充电状态后，充电指示灯亮起。

③Error灯为警告灯（红色），当充电机内部有故障时亮起。

2）显示充电状况

①充电正常时，Power灯和Charge灯点亮。

②当启动0.5min后仍只有Power灯亮时，有可能为动力电池无充电请求或已充满，没有对汽车充电。

③当Error灯点亮时，则说明充电系统出现异常，没有对汽车充电。

④当充电灯都不亮时，检查充电桩以及充电线束及插接器，没有对汽车充电。

（3）充电机的保护功能为了保护车载充电机免受过电流、过电压损坏，具有以下保护功能：交流输入过电压切断保护功能；输入欠电压警告和切断功能；输入过电流、欠电流切断保护功能；直流输出过电流切断保护功能；输出短路切断保护功能；输出电极接反保护功能。在输入电压远远超过额定电压时，会导致车载充电器烧毁。在长时间大电流充电状况下，车载充电器会积聚大量的热量，如果散热不良会导致车载充电器保护功能启用，降低充电电流，充电电流过大或温度过高会导致充电机损坏。

车载充电机还具有以下优点：

①根据电池特性设计充电的曲线，可以延长电池的寿命。

②使用方便，维护简单，单独对BMS进行供电，由BMS控制智能充电，无须人工值守。

③保护功能齐全，适用范围广，具有多重保护功能。

④整机温度保护为75℃，当机内温度高于75℃时，充电机输出电流变小，高于85℃时，充电机停止输出。

4.车载充电机控制电路

车载充电机为动力电池充电是多个部件参与工作的过程，从慢充接口输入民用电量，再用导线输入车载充电机，经过充电机转换成高压直流电，再用高压电缆输入动力电池。以充电电流流向的方块图表示整个充电过程，如图1-16所示。

图1-16 充电电流流向

1.2.4 DC/DC变换器

1.DC/DC变换器的作用

DC/DC变换器简称为DC/DC，是将动力电池的高压直流电转换为整车低压12V直流电，给整车低压用电系统供电及低压电池充电。

电动汽车整车控制中包括VCU、BMS、MCU、车身电气等系统均采用12V低压供电，如果低压电源缺电或电压过低会导致电动汽车不工作或不能点亮reday灯，导致无法起动车辆。

2.DC/DC变换器的结构及电路原理

（1）外部结构 DC/DC变换器工作中会产生大量的热量，外壳一般带有散热片，外部连接端子与高压控制盒的高压输入电缆相连接，产生的低压直流电通过外部的低压输出正极端子、低压输出负极端子与低压电路相连接，DC/DC变换器工作时通过低压控制端与仪表、VCU等系统进行通信和信息交换，保证DC/DC变换器与整车协调工作。其外部结构如图1-17所示。

DC/DC变换器及插接器也要进行防水、防尘，符合IP67防护等级要求。外部无灰尘杂物，通风良好，保证良好的散热。

（2）内部结构内部结构主要分为高压输入部分、电路板部分、整流输出部分，如图1-18及图1-19所示。高压输入部分主要是将从高压出来的高压直流电引入DC/DC变换器内部，电路板部分主要是把高压直流电转换成高压交流电，再把高压交流电降压至低压交流电，整流部分是将交流电进行整流转换成低压直流电。

图1-17 DC/DC变换器外部结构

图1-18 DC/DC内部正面结构

图1-19 DC/DC内部反面结构

（3）电路工作原理 DC/DC变换器的工作原理主要是斩波器的调压作用，斩波器是一种将电压值固定的直流电，转换为另一固定直流电压或可调电压的装置，电动汽车上是指直流对直流的转换。斩波电路是斩波器的核心组成部分，负责将输入直流电压转换成目标输出直流电压。根据输入输出电压大小、极性，斩波电路主要分为降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路。降压斩波电路是将电压较高的直流电源降低为低压直流电，升压斩波电路是将电压较低的直流电源升至电压较高的直流电源，升降压型斩波器是指输出电压既可低于输入电压，也可高于输入电压。

电动汽车的DC/DC电压变换器是降压斩波电路，工作原理如图1-20所示，斩波电路分为四个部分：DC/AC、变压器、整流二极管、滤波电路。DC/AC部分采用高频电路交替控制四个大功率管的导通和截止，将高压直流电转换成高压高频的PWM电源，其频率和占空比由高频电路的频率和控制功率管的导通时间决定，该PWM电源经过高频变压器的降压，将原来高频高压的电源电压降低，此时是高频低压电源，经过二极管的整流和电容器的滤波，将高频低压电源转换成低压直流电源，完成电压的变换，给整车和低压蓄电池供电。

图1-20 DC/DC变换器电路（斩波电路）工作原理图

3.电动汽车DC/DC变换器的技术参数

北汽新能源EV200车型的DC/DC正常工作状态下，输入直流高压240～410V，在充电状况下，低压使能电压为9～14V。上电后，正常的负荷下，DC/DC输出直流电压在13.8～14V，最大输出功率在800W，采用风冷的冷却方式，电源转换效率大于88%。在测量DC/DC是否正常工作时，一般通过测量输出的低压直流电压就可以判断。

DC/DC变换器的工作状态的判断步骤如下。

①保证整车线束正常连接的情况下，上电前使用万用表测量低压蓄电池端电压，并记录。

②整车上ON电，继续读取万用表数值，查看变化情况，如果数值在13.8～14V之间，判断为DC工作。

整车ON档上电或充电唤醒上电，动力电池完成高压系统预充流程，VCU通过低压控制线发给DC/DC变换器使能信号，DC/DC变换器开始工作。

4.DC/DC的更换

提醒：DC/DC属于高压部分，更换需要遵循高压操作要求。

1）工具设备检查，高压防护工具及拆卸工具的检查。

2）操作作业前检查并实施车辆防护、个人安全防护，关闭电源，断开低压蓄电池。

3）拆卸低压输出负极线束，拆卸低压输出正极线束，拆卸低压控制端线束，拆卸高压输入端线束。

4）拆卸DC/DC变换器固定螺钉。

5）更换并安装DC/DC变换器。

6）进行DC/DC变换器工作状态检查，上电后测量输出电压是否在13.8～14V之间。

7）检查安装情况，包括固定螺钉紧固和线束的接插到位。

1.2.5 动力电池及管理系统

1.电动汽车动力电池的作用

动力电池是电动汽车的能量储存装置，是电动汽车的动力源，是电动汽车最重要的部件之一，它决定了电动汽车的动力性能、续驶里程，还影响到电动汽车的制造成本。动力电池输出电量为电动汽车提供电能，驱动车辆行驶，使用后，动力电池的电能不断减少，需要补充电能（充电），以恢复动力电池的电能。

电动汽车对动力电池的要求是比能量大、比功率高、充放电效率高、稳定性高、成本低、安全性高，使用优质的动力电池配置的电动汽车具有续驶里程远、加速快、使用寿命长的特点。电池比能量、比功率的提高是动力电池研究发展的方向，也是电动汽车与燃油汽车竞争的关键点之一。

目前常见的电动汽车动力电池主要有铅酸电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池、钛酸锂电池、钴酸锂电池等。由于锂离子电池的快速发展，目前大部分电动汽车采用的是锂离子电池，铅酸电池在低速电动汽车、电动自行车、工程机械上还有使用。

2.动力电池构造

动力电池系统主要由动力电池箱体、电池模组、电池管理系统、电池控制器及其他辅助元器件等组成，如图1-21所示。

图1-21 动力电池构成

（1）动力电池箱体动力电池箱体是动力电池的承载件，是支撑、固定、包围电池系统的组件，包含上盖和下托盘，还有辅助元器件，如过渡件、护板、螺栓等，主要用于保护动力电池在受到外界碰撞、挤压时不易损坏，在动力电池安全工作和防护方面起着重要作用。

动力电池总成箱体外形如图1-22所示，因为动力电池较重且体积大，除了车架外，动力电池是电动汽车最大的部件，接近车辆车厢底部面积，重量一般超过200kg，为了提高行驶时的稳定性能，动力电池一般安装在车辆的底部，如图1-23所示。

图1-22 动力电池箱体

图1-23 安装在汽车车底部的动力电池

为了保护内部的电池单体及电路，动力电池底部用钢材、铝合金或其他坚固的材料制成结实密封的底壳，底壳有固定脚，把动力电池总成通过螺栓固定在车身底部，为了保养维修的需要，大部分电动汽车动力电池可以从车身上拆卸下来。动力电池的上部分采用钢材或树脂进行密封，保证动力电池具有良好的防尘、防水性能，符合IP67的防护等级要求，常温下，短时间内可以承受浅水浸泡而不会渗水，不会对内部电池造成有害影响，所以电动汽车可以承受短时的雨水飞溅、浸湿，而不影响汽车正常的使用。

动力电池外部还有2组重要的电路端子与车身电路相连接，一组是动力电池的总正、总负端子，另一组是动力电池的电池管理系统（BMS）与车身控制系统（VMS）连接的控制电路端子。动力电池外部还有安全检修开关、电池冷却系统等辅助装备。这些安装在电池外部的所有部件都有密封措施，在拆卸、维修、保养动力电池时对所有相关密封部件按照维修手册要求操作安装，保证电池良好的防尘、防水性能。

电池箱体外表面颜色通常为银灰或黑色，喷亚光漆；电池箱体表面不得有划痕、尖角、毛刺及残余油迹等外观缺陷，焊接处必须打磨圆滑。另外，动力电池箱体还需满足诸多功能需求：

1）耐振动强度高。静强度一般比较容易达成，而振动强度和疲劳耐久性是保证动力电池安全的重点。

2）耐冲击性能强。经历冲击试验后，要求箱体外部及内部不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象。

3）碰撞安全性能高。这是考虑到车辆在发生正面碰撞、侧面碰撞以及后碰撞过程中可能对电池箱体造成挤压破坏所提出的要求。

4）密封性能要求高。电池位于车身底板下方，在车辆外侧，且离路面很近，防水、防尘的密封要求必不可少。

5）防腐性能要求高。动力电池箱体极易沾雨水、泥浆，是腐蚀重灾区，其防腐性能要求较高。

6）阻燃性能好。为提高动力电池的使用安全性，动力电池箱体应具备良好的阻燃性能。

7）抗石击性能强。动力电池箱体在车辆行驶过程中易受到飞石撞击，为此需增加防护性设计。

8）无积水结构。电池箱体上方应避免凹台出现，否则易形成不必要的积水。

9）轻量化设计。考虑到车辆的综合性能表现，电池箱体应尽量追求轻量化。

（2）动力电池内部构造动力电池内部可分为3部分：电池单体、电池管理系统BMS、辅助元器件。

1）电池单体。动力电池电能储存的最小单元是电池单体。根据电动汽车的电能管理要求，多个电池单体进行并联或串联简单组合成电池模块，多个电池模块串联成电池模组，多个电池模组串联成电池包，电池包再组成动力电池。动力电池组成如图1-24所示。

图1-24 动力电池组成示意图

电池单体的比能量、比功率决定了动力电池的性能，从而决定了电动汽车的续驶里程。提高电池单体的性能是各大电动汽车制造商、动力电池制造商竞争的关键。平时称某种电池采用的正极材料是什么，比如磷酸铁锂电池，就是指电池单体的正极材料是由磷酸铁锂制成的。目前大部分电动汽车动力电池采用的是磷酸铁锂电池和三元锂电池。

磷酸铁锂电池是指LiFePO₄为电池的正极材料的可充电锂离子电池。三元锂电池（镍钴锰酸锂）是指以Ni、Co、Mn三种金属元素为正极材料的可充电锂离子电池。Co元素能有效减少阳离子混排，降低阻抗值，提高电导率及改善充放电循环性能，但随着Co元素增加，材料的可逆嵌锂容量下降，成本增加。Ni元素的存在有利于提高材料的可逆嵌锂容量，但过多的Ni元素会使材料的循环性能恶化。Mn元素可以降低材料成本，而且结构稳定，可提高材料的稳定性和安全性。Mn元素含量过高会出现尖晶石而破坏材料的层状结构。但是三元锂电池比能量大于磷酸铁锂电池，在乘用车上使用较为广泛。

电池单体在组合成动力电池时，一般采用先并联再串联的组合方式，如北汽新能源EV200电动汽车动力电池采用3P91S的组合，3片电池单体并联成电池模块，91个电池模块再进行串联，每片电池单体容量30.5A·h，电压3.65V，组合成容量91.5A·h，电压为332V的动力电池，可以储存30.4kW·h的电量。

电池单体性能主要有容量、内阻、充放电次数、电压和电流等参数，容量可以用充放电测试仪测量，内阻采用内阻测试仪测量，装在动力电池里的电池单体参数必须符合选配要求，并且要求一组动力电池所有电池单体各参数基本一致（差别越小越好）。由于制造的一致性问题、使用中的不同状况等原因，导致电池单体容量、内阻产生细小差异，经过电池多次的充电和放电后，电池单体的储存电量、电压差异不断变大，BMS为了保护电池单体安全，只能减少动力电池充放电压，往往以容量最小的电池单体电压作为充放电结束的指标，电池单体的不一致性导致动力电池储存电量的衰减，直接减少电动汽车的续驶里程，此时需要对电池单体容量和工作电压检测，更换电压偏差较大的电池单体，或对动力电池的电池单体进行平衡，以减小电池单体容量、电压的差异，恢复动力电池储电容量。

2）电池管理系统BMS。电池管理系统（图1-25）是电池保护和管理的核心部件。在动力电池系统中，BMS的作用相当于人的大脑，它不仅要保证电池安全可靠的使用，而且要充分发挥电池的能力和延长使用寿命，作为电池和整车控制器以及驾驶人沟通的桥梁，通过控制接触器控制动力电池组的充放电，并向VCU上报动力电池系统的基本参数及故障信息。电池管理系统的主要任务是保证电池组一直处在正常安全的工作状态，在电池状态出现异常时及时响应处理，并根据车辆行驶状态、环境温度、电池状态决定电池的充放电功率等。

图1-25 电池管理系统

①BMS电池管理系统的组成：按性质可分为硬件和软件，按功能分为数据采集单元和控制单元。

BMS的硬件包括主板、从板及高压盒，还包括采集电压、电流、温度等数据的电子元器件。

②BMS电池管理系统功能。BMS的功能主要包括：估算电池组荷电状态（SOC）；动态监控电池组的工作状态；单体电池的均衡；动力电池内部温度控制；与其他控制器进行通信。BMS实时采集电池的电压、电流、SOC值、绝缘电阻值、温度等数据，实时监控动力电池的工作状态、判断电池发生的故障，并通过CAN线与VCU或充电机进行通信，对动力电池系统充放电等进行综合管理。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。

SOC用来提示动力电池组剩余电量，是计算和估计电动汽车续驶里程的基础。只有BMS准确估算电池组的SOC才能有效提高动力电池组的利用效率，防止由于过充电或过放电对电池造成损伤，有效保障动力电池组的使用寿命。

此外，电池管理系统还负责与整车、充电机等建立联系，接收加速、充电等操作需求信息，及时调整电流输出。

③电池管理系统对动力电池的温度监控。电池管理系统对动力电池的温度监控是通过限制充放电电流大小以降低发热量，控制动力电池温度不过高。在冬季，动力电池的温度低于-5℃时，BMS会中止充电和放电，此时BMS打开内部加热电路，安装在动力电池底部的电热丝对电池单体加热，以提升内部温度，恢复动力电池的充电和放电，保障电动汽车正常行驶。

动力电池防止温度过热的控制也是电池管理系统的重要内容，动力电池是储存大量电能的电子器材，在充放电过程会产生大量的热能，在设计时必须考虑电池单体和电子器材的工作温度不超过正常值。动力电池的散热一般采用自然散热，内部热量通过动力电池外壳散发，有些电能容量大、发热量大的动力电池采用冷却液散热，在动力电池内部设计冷却液循环通道，促进动力电池的快速散热，保证内部工作温度正常。如果动力电池温度还是较高超过设定值，BMS通过限制充电或放电电流，减少电池单体和电路的发热量，来控制动力电池内部温度。如果动力电池温度超过限值，BMS通过仪表报警，甚至切断充电、放电电流，以保护动力电池不受损坏。极端情况下，动力电池内部温度过高，BMS切断动力电池电流但电池温度仍很高，电池单体温度持续升高，导致内部隔膜绝缘破坏，电池内部短路而温度快速升高，引发冒烟、起火事故。

BMS管理模块内储存大量运行软件，通过控制策略保障动力电池安全、高效运行，并把检测到的故障通过数据线报告给仪表及解码仪。

BMS的管理电源是采用12V的低压电池作为BMS的电源，通过低压电源去控制动力电池的高压电路，如控制总正、总负继电器。

3）辅助元件。辅助元件主要是动力电池内部其他重要材料，比如电池组之间连接导线和连接螺栓、继电器、熔丝、插接器、密封材料、绝缘材料、电池单体固定等材料，是为了安全实现动力电池充电、放电功能的辅助材料，也直接影响动力电池的性能，如图1-26所示。

图1-26 动力电池内部的辅助材料

辅助材料还有一个重要的功能，就是动力电池外壳的散热功能，动力电池外壳不能覆盖防护板或底盘装甲，以保证正常的散热能力，保护内部工作温度正常。

①电流传感器。电流传感器用来监测母线充、放电电流的大小，类型为无感分流器，在电阻的两端形成毫伏级的电压信号，作为监测总电流，如图1-27所示。

动力电池母线电流监测如图1-28所示。

北汽新能源对SK三元锂电池规定充电截止电压4.14V，放电截止电压3.50V，留出0.5V余量可以保证电池不会过充电、过放电。

图1-27 电流传感器

图1-28 动力电池母线电流监测

②熔断器。熔断器防止能量回收过电压过电流或放电过电流，如图1-29所示。

图1-29 熔断器

熔断器规格有多样，图1-29中的熔断器最大电流为250A，电压为500V。

③加热继电器与熔断器。充电前检测箱体内部温度，保障电池单体的温度范围在0～55℃之间（慢充）或5～55℃之间（快充），才可以充电。加热继电器与熔断器如图1-30所示。

（3）电池控制器电池控制器（PRA），又称动力电池继电器盒，如图1-31所示。电池控制器是控制动力电池高压直流电输入与输出的开关装置，也是动力电池故障诊断的重点关注对象。内部包含多个继电器，电池管理系统完成对继电器的驱动供给和状态检测，继电器控制往往是和整车控制器协调后确认控制器，而安全气囊控制器输出的碰撞信号一般与继电器控制器断开直接作用，为了保证动力电池组的正常使用及性能的发挥，继电器闭合、断开的状态以及开关的顺序都很重要。

动力电池继电器盒主要包含总正继电器、总负继电器、预充继电器、预充电电阻、继电器电源/控制插件、电压检测插件、高压插件、母排等。

图1-30 加热继电器与熔断器

图1-31 电池控制器

其内部主要部件如图1-32所示，其中正极继电器和预充电电阻继电器的开闭由BMS控制，负极继电器的开闭由VCU控制；预充电阻用来缓和瞬时高压，达到保护动力电池的目的。

图1-32 电池控制器结构组成

3.动力电池管理及控制策略

动力电池管理主要是为了对动力电池的安全和性能的监控，保证车辆及电池安全、高效运行，高压系统安全供电；执行整车控制器的指令，实现电池对外部负载上下电；实现制动能量回馈；保障电池充放电过程安全、合理；实现电池信息与外部交流通信。

（1）动力电池低压电路

动力电池低压电路如图1-33所示。

图1-33 动力电池低压电路

动力电池低压电路主要有BMS、低压检测及控制电路，主要有电池单体电压（均衡）采集电路、温度传感器、正负接触器电路、加热控制电路、信息通信电路等。

低压电路所需电源通过低压蓄电池供电或DC/DC转变成低压电源。

（2）电池状态监测电池状态监测一般指BMS对动力电池的电压、电流、温度这三种参数的监测，是电池管理系统最基本的功能，是其他各项功能实现的前提与基础。

图1-34 BMS采集电压电路连接

BMS监测动力电池的总电压、电流，还监测每块电池单体充放电时的电压、电流。温度监测不仅检测动力电池内部各位置的环境温度，还需要检测外部环境温度。BMS采集电压电路连接如图1-34所示。

（3）电池安全保护电池保存安全和使用安全是电动汽车系统管理中最重要的功能，也是动力电池管理最重要的内容，一般有高压保护、过电流保护、过充电过放电保护、过温保护功能。

1）高压保护。为了防止电动汽车高压漏电，保护乘客、修理工等使用者不受高压电的伤害，BMS设计有高压漏电检测电路、高压互锁电路。检测到高压绝缘电阻低于安全值，BMS通过降低动力电池输出功率、切断高压电路等措施避免漏电引起的触电事故，并通过VCU向仪表点亮警告灯；BMS检测到高压互锁电路被断开，判断高压电路被打开，存在乘客、修理工触电风险，BMS切断高压电路并通过VCU向仪表点亮警告灯。高压检修开关也是高压保护的一个重要部件，在车辆检修时断开高压检修开关，切断高压电路，保护修理工免受触电危险。

2）过电流保护。过电流保护也被称过流保护，指在充、放电过程中，如果工作电流过大，超过了安全值，BMS采取相应的保护措施，充电时，通常发指令给充电机或充电桩降低充电电流，甚至切断动力电池充电电路，保护电路、电池的安全，放电时，通常发指令给电机控制器限制输出电流，甚至切断动力电池充电、放电电路，以保护电路、电池的安全。

3）过充电过放电保护。过充电保护是指动力电池荷电状态为100%的情况下或电池单体最高电压超过上限时，为了防止继续充电对电池单体造成损坏，BMS切断高压电路。

过放电保护是指动力电池荷电状态为0%的情况下或电池单体最低电压低于下限时，为了防止继续放电导致电池单体损坏，BMS切断高压电路。

充、放电时，正常情况下动力电池内部电池单体电压基本一致，电池能正常使用，但是存在制造上的一致性差异，或使用一段时间后，电池单体存在内阻变化的差异、容量变化的差异，会出现个别电池单体电压过高或过低现象，影响动力电池的正常使用。BMS对电池单体电压实时监测，并作出相应动作，电池单体间电压超过300mV，BMS通过VCU向仪表报警，电池单体间电压超过500mV，BMS通过VCU向仪表报警的同时直接切断高压电路，以保护电池单体不受更大损伤。充电时，动力电池内部某个电池单体电压过高，其他电池单体电压还未到最高电压，但BMS进行过充电保护而终止充电，此时动力电池大部分电池单体的电量还未充满。放电时，动力电池内部某个电池单体电压过低，其他电池单体电压还未到最低电压，但BMS进行过放电保护而终止放电，此时动力电池大部分电池单体的电量还未释放完。这两种原因都导致电动汽车续驶里程短的故障，通过读取动力电池的电池单体电压，对存在电压异常的电池单体进行放电或补电，如果电压异常的电池单体性能仍达不到其他电池单体的性能，则需要更换该异常的电池单体，并且新换的电池单体与其他电池单体的内阻、容量、电压相一致且均衡，以恢复电动汽车的续驶里程。出现续驶里程短、电池容量降低的故障时，大部分电动汽车需要拆卸动力电池总成，拆解电池组，用电池平衡仪进行电池单体电压的平衡，以恢复动力电池的容量，但高端的电动汽车BMS检测到电池单体之间电压偏差过大时，可以在充电时自动均衡，节省人力和时间成本。

（4）能量控制管理能量控制管理就是动力电池的充放电管理和剩余电量管理。

1）充电控制管理。充电控制管理是指电池管理系统在电池充电过程中对充电电压、充电电流、充电时间、充电温度等参数进行实时的优化控制，包括BMS与充电桩的握手对接及数据交换。

充电包括慢充和快充，商业化的充电桩安装了计费系统，读取充值卡余额，计费系统开始计费后充电系统进入充电状态。连接慢充电枪后，慢充电枪与车载充电端子数据进行判断后就进入充电状态。连接快充电枪后，BMS与充电桩采用CAN线用报文数据交换，互相识别型号和允许最大、最小充电电流、最高充电电压等重要参数，同时进行高压绝缘检测、剩余电量计算等，充电桩检测符合充电条件后BMS才接通总正、总负动力线，允许动力电池补充充电。

在充电时，BMS检测到动力电池SOC值到100%或电池单体电压达到了规定值上限（磷酸锂电池为3.7V，钴酸锂电池为4.2V，三元锂电池为4.2V，碳酸锂电池为2.75V），发出指令关闭高压电路切断充电电路，并发出报文。

制动能量回收也是能量管理的重要内容，电动汽车高速行驶中松加速踏板或制动时，电机控制器把电机发出的交流电能转化成直流电能并储存到动力电池中，制动能量回收能提高能量利用率，延长电动汽车的续驶里程。为了有能量回收的能力，有些电动汽车的动力电池SOC值处于90%～95%，剩下5%～10%的空间给予吸收剩余电量。有些微型电动汽车，为了节约成本，没有留出少量能量储存空间，所以充满电开始行驶的时候无法进行制动能量回收，使用5%～10%电量后，才有制动能量回收。

2）放电管理。动力电池的放电管理是指在电池的放电过程中根据电池的状态对放电电流大小进行控制。加入放电控制管理功能，能防止动力电池组过放损坏，而且能保障动力电池发挥更大的效能。比如SOC显示20%的剩余电量，BMS发出低电量警报并发出指令给电机控制器限制电流输出，有利于延长电动汽车续驶里程，让电动汽车行驶回家，如果SOC值到0时，BMS切断总正、总负继电器，切断放电总线，保护动力电池，防止电池单体过放电。

BMS检测到动力电池有过热时，除了仪表上报警，还发指令给电机控制器降低电机输出功率，发指令给其他需电量大的设备关闭用电，比如后窗加热器、座椅加热、空调等。温度超过限制则关闭总正、总负电源，电机温度正常后再吸合总正、总负电源，恢复行驶。

3）剩余电量管理。驾驶人使用电动汽车时，会参照燃油车的特点去观察这个剩余电量显示表，判断车还能行驶多少时间、多少里程，因为电动汽车的缺点就是续驶里程短，驾驶人更会关注电动汽车还能行驶多少里程。剩余电量就好比是燃油汽车的燃油表，反映该车余下的电量能行驶多少里程，方便驾驶人规划行驶路线，保障汽车行驶到目的地。剩余电量在汽车仪表板上正确显示。

4）温度控制管理。温度控制保护电池组内部温度处于正常范围内，防止温度过低或温度过高损害电池单体或其他电气设备。动力电池内部温度低于0℃时，BMS报警并切断动力总线，停止充放电。部分电动汽车具有为动力电池内部的电池单体用电热丝加热的功能，加热电池单体至正常温度，方便冬季使用汽车。

为了保护电池单体温度不过高，动力电池内部多个部位安装温度传感器，检测到温度高于50℃时，BMS报警并降低功率、切断动力总线或停止充放电，温度降低至50℃以下时，动力电池恢复正常充放电。

（5）电池信息管理大量锂离子电池工作时每一秒钟都会产生大量的监控数据，这些电池的监控数据通过BSM与充电桩、仪表、VCU、MCU、车载充电器等进行大量的数据交换。为保证电动汽车的正常使用，动力电池的剩余电量、存在的故障、电池温度、充放电电流等相关信息被BMS通过CAN传输给仪表，并通过仪表来显示。也有一些数据作为历史数据保存在系统中。

1）电池信息的显示。电池管理系统通过仪表把电池状态信息显示出来，告知驾驶人或维修人员，一般显示信息有以下三类：

①实时电压、电流、温度显示，一般显示整个动力电池组的总电压、总电流、电池单体最高电压、电池单体最低电压、动力电池最高电压和最低电压。

②剩余电量信息显示，与传统燃油汽车类似，电动汽车用百分比显示剩余电量，为了有更直观的感受，仪表也显示估算出来的剩余行驶里程。

③警告灯显示，当整车控制或动力电池组存在安全问题，如绝缘性能下降、电流过大、内部温度过高、电池单体电压过低过高，此时BMS需要及时通过仪表告知驾驶人采取措施或去服务站维修。

2）系统内外信息的交互。电动汽车的控制依靠车载通信网络，汽车各动力电池的管理系统具有外网和内网的关系，其中“内网”用于传递、交换动力电池管理系统的内部信息，比如监控的每一块电池单体的电压信息实时传入BMS。“外网”用于BMS与快充桩、整车控制器、电机控制器、车载充电器等部件进行信息交换，将BMS监测到的电池单体电压、电流、温度等信息发送给快充桩、整车控制器、电机控制器等相关部件，同样整车控制器也需要将绝缘监测、快充接入监测、是否允许充电等大量重要的信息发送给BMS，以做到协调工作。

3）电池历史信息存储。功能完善的动力电池具有历史信息存储功能，有以下几方面的作用：

①数据缓冲，提高分析估算的精度。由于存在干扰，实时监测到的电压、电流数据会存在偏差，利用历史数据，有助于对存在的错误数据进行过滤，以得到准确的数据。

②帮助电池状态分析。能根据一段时间电池单体的历史数据，对动力电池的老化状态进行评估。

③帮助故障分析与排除。动力电池内部储存的历史信息帮助维修人员对车辆数据的分析或故障的判断，以便快速排除故障。

1.2.6 驱动电机与控制器

驱动电机系统是电动汽车中十分重要的部件，是电动汽车三大核心部件之一，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。

电动汽车电机驱动系统按所选电动机的类型可分为直流电机、无刷直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。

永磁同步电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声等特点，受到了国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统之一。北汽新能源EV200的驱动电机就采用永磁同步电机。

1.驱动电机的作用和组成

驱动电机是将动力电池的电能转变为机械能的动力输出装置。驱动系统通常由驱动电机（DM）、驱动电机控制器（MCU）构成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统作电气和散热连接，如图1-35所示。

整车控制器（VCU）根据驾驶人意图发出各种指令，电机控制器进行响应并反馈，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。电机控制器的另一个功能是通信和保护，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。

图1-35 驱动电机系统连接示意图

2.驱动电机和控制器的工作原理

北汽新能源C33DB的驱动电机采用的是永磁同步电机。其外形和剖面图如图1-36所示。

图1-36 永磁同步驱动电机外形和剖面图

驱动电机的主要零件分布见图1-37。

图1-37 驱动电机主要零件分布图

C33DB驱动电机和控制器的指标参数见表1-4和表1-5。

表1-4 北汽新能源C33DB驱动电机指标参数

表1-5 北汽新能源C33DB驱动电机控制器指标参数

驱动电机是电动汽车动力系统的重要执行机构，是将电能转变为机械能的部件，且自身的运行状态等信息可以被采集输送到电机控制器。依靠内置传感器来提供电机的工作信息，这些传感器包括：旋转变压器和温度传感器。其中旋转变压器用以检测电机转子位置，控制器对其信号进行解码后可以获得电机转速。而温度传感器用以检测电机的绕组温度，以便控制器可以保护电机避免过热。

在C33DB中，驱动电机控制器采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制中心，又称智能功率模块，以IGBT（绝缘栅双极型逆变器晶体管）模块为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路，如图1-38所示。