与传统汽车相比,新能源汽车的结构主要分为低压用电部分和高压用电部分。
低压用电部分由辅助蓄电池进行供电,供电电压一般在12~14V,主要用于汽车时钟、仪表盘显示、灯光、车身ECU存储器、传感器、继电器、电子音响系统及防盗报警系统等;
高压用电部分由动力电池包进行供电,主要用于新能源汽车的高压管理供电系统、驱动电机系统、空调和暖风加热系统等。本文对新能源汽车的关键零部件与功能进行详细说明。
一、新能源汽车的定义
二、关键零部件与功能
1·高压标记
新能源汽车的高压组件表壳上都粘贴有警示标记,如图1所示。维修人员等均可通过标记一眼识别出这个组件可能带来高电压的危险。由于高压连接线缆需要连接两端高压组件,比较长,因此在高压线缆上通过警示标记来提醒不够醒目,维修人员可能会忽视这些警示标记。因此高压连接线缆,包括插头与维修开关都是橙色的,起到提醒的作用。
2·高压连接线缆
传统汽车线路一般采用单线制,车载供电相互并联,负极连接车身,用颜色和编号区分线束的安装位置和功能,并以点火开关为供电端将全车电路分成几个层级,即蓄电池直接供电线(30线)、小功率用电设备电源线(ACC线)、点火开关供电线(15线)。
新能源汽车一般是从动力电池包引出两根高压母线即正极母线和负极母线,用来连接新能源汽车的动力电池包和汽车的电机控制器。先经过高压分配系统(内部集成高压分配盒和车载充电机),一路经过动力控制单元(内部集成DC/DC变换器和电机控制器)供电给驱动电机系统;一路供电给空调压缩机;一路供电给PTC加热控制器。高压连接线缆的主要功能是在动力电池包通过安全盒接通后能够安全提供电流,对于高电压的安全标准必须遵守。
在很多混合动力汽车中,直流电缆组件从汽车尾部(在这里与汽车的混合动力电池组相连接)一直延伸到车辆发动机舱盖下方的电机控制器上。由于大部分高压连接线缆都位于汽车底盘下(夹在动力电池组和底盘之间),因此它能受到很好的保护,避免碰撞到路面带来的损坏。纯电动汽车和一些插电式车辆安装的电池组要大得多,往往要延长到车辆前部,所以其高压连接线缆通常也会相对混合动力汽车中的短一些,如图2所示。
3·高压接插件
高压接插件连同高压连接线缆连接高压组件,不仅是车辆驱动的关键能源输送组件,影响车辆的功能及性能,同时也是影响车辆安全性能的关键因素,如果接插件虚接或松脱会引起车辆抛锚、着火,甚至产生电击,从而威胁到车主或维修技师的生命安全。所以,松开或固定高压接插件时都必须严格遵守规定顺序。
以吉利帝豪EV450车型为例,第一类高压插接件为HVP800序列,此类接插件的插拔方法如下:
(1)用手或起子向后拨动助力手柄红色卡扣。
(2)当红色卡扣脱离漆标后,缓慢向上拔出助力手柄,接插件会跟着退出。
(3)当助力手柄达到垂直位置时,接插件将完全被拔出,如图3所示。
(4)插接高压插件和拔出高压插件顺序相反。
第二类高压插接件为HVA280序列,此类接插件的插拔方法如下:
(1)按住红色锁扣后,将红色锁扣向后拔,直到脱离漆标位置。
(2)向下按住图中所圈位置后,即可将接插件拔出,如图4所示。
(3)插接高压插件和拔出高压插件顺序相反,图5是高电压插座的连接结构,结构比较复杂,在松开和安装高压接插件时一定要对准位置,才能连接。
注意:因为是高压插接件,所以插接时要注意做到“一插、二响、三确认”。
4.高压维修开关
维修技师在准备检修高压系统之前,必须先让高压系统无法上电,主要通过拔出高压维修开关来进行标准断电。高压维修开关通常设计为人工操作的安全开关,如图6所示。在维修或更换高压组件时,要保证通过人工操作维修开关能够在紧急情况下将电池电压断开。
5.动力电池组
动力电池是新能源汽车的核心部件之一,相当于内燃机驱动车辆的燃油箱,是电动驱动装置的蓄能器。电池必须存储有足够的电能容量,且总电势必须大,以产生足够的电流(通常为100A或以上)来驱动或支持其他部件驱动整车。市场主流的动力电池为镍氢电池、锂离子电池(磷酸铁锂和三元锂)以及未来的燃料电池,现在行业内都以电池的正极材料作为命名的标准。
动力电池组主要由各模组总成、电池信息采集系统、电池控制单元(BMU)、高压安全盒(B-BOX)等部件组成。动力电池包总成安装在车体下部,封装在箱体内,如图8所示。动力电池箱体的作用是承载并保护动力电池组及其内部的电气元件,所以具有较高的强度和刚度并且防尘防水。电池箱体的防护等级为IP67。
6.电池管理系统
电池管理系统(BMS)的作用是监视电池的状态(温度、电压、剩余电量),可以为电池提供通信、安全、单体均衡及管理控制,并提供与应用设备的通信接口。电池管理系统可以进行充放电控制、上下电控制、SOC/SOH(荷电状态/电池容量)估算、故障诊断处理、热管理、功率控制、BMU(电池管理单元)管理、均衡管理、电气伤害管理等,还具有电池状态的监视以及通过CAN信号与其他管理模块通讯的功能。电池管理系统主要由电池模组、电池信息采集单元、电池管理单元、热管理系统、采样线、高压继电器盒和通讯系统等组成,如图9所示。
7.高压安全盒
当高压系统出现故障时,高压安全盒及时断开高压电池的输出,保护高压电路和组件。高压安全盒安装在动力电池总成的正负极输出端,由高压正极接触器、高压负极接触器、预充接触器、电流传感器和预充电阻等组成,如图10所示。
其中两个接触器被并联安装在动力电池组与电机控制器之间电路的正极一侧或负极一侧。一个是预充接触器,另外一个是高压主接触器,如图11所示。当车辆上电时,为保护高压回路,预充接触器通过接触电阻(限流)先闭合,将动力电池组连接到电机控制器上,同时动力电池组对电机控制器电容进行充电,形成反灌电压。当高压管理系统的某个功能自检没有通过,预充接触器会立刻断开,并产生一个故障码。如果所有的系统自检都能通过,同时电容充满电(反灌电压≤50V),此时高压主接触器闭合,预充接触器断开,开始全电流上电。若是车辆被断电,或者车辆高压驱动系统发出急停指令,高压主接触器会立刻或延时几秒后断开,强制将动力电池组与高压回路电路切开。
8··高压配电系统
高压配电系统由动力电池为电机控制器(PEU)PowerElectronicUnit、驱动电机、空调压缩机、暖风加热器(PTC)PositiveTemperatureCoefficient等高压部件提供能量,其控制电路如图12所示。动力电池还需要为直流充电或交流充电系统进行补充充电。所有的高压组件都由高压配电系统连接并输送电能。
9.电机控制系统
电机控制系统包含DC/DC变换器和电机控制器两部分。DC/DC变换器的功能是将某一直流电转换成任意直流电压,在新能源汽车中主要是进行12V供电及小蓄电池补充充电,类似于传统汽车发电机的功能。电机控制器一般都安装在发动机舱内,如图13所示。电机控制系统通过CANControllerAreaNetwork信号与其他车辆控制器通讯,是控制动力电源与电机之间能量传递的装置,由控制信号接口电路、电机控制电路和驱动电路组成。电机控制器与整车的直流高压端直接连接,同时与驱动电机的三相端直接连接,具备高压互锁功能。
10.驱动电机
驱动电机安装在车体下部位置,如图14所示。驱动电机是为车辆行驶提供驱动力的电动机,其动力特性决定了车辆的主要性能指标,动力性主要受路况(平路、上坡、下坡)、最高车速和车辆加速度的影响。驱动电机系统主要由驱动电机、电机控制器及其工作必需的辅助装置组成。
11.充电系统
充电系统从系统上分为直流充电、交流充电、12V充电、制动能量回收4项。
(1)直流充电系统由以下部件组成:直流充电桩、直流充电枪(带高压连接线缆)、直流充电插座、动力电池、非车载充电机,直流充电插座安装在车体左后位置,如图15所示。它能接收直流充电桩的电能,并通过高压连接线缆将电能输送给动力电池进行充电。
(2)交流充电系统由以下部件组成:交流充电桩、交流充电枪(带高压连接线缆)、交流充电插座、动力电池、车载充电机,交流充电插座安装在车体左前位置,如图15所示。它能接收交流充电桩的电能,并通过高压连接线缆将电能输送给车载充电机,车载充电机将交流电转化成直流电再传递给动力电池进行充电。
(3)12V充电功能由以下部件实现:12V蓄电池、DC-DC转换器、动力电池。
(4)制动能量回收功能由以下部件实现:制动开关、动力电池、驱动电机、整车控制器、高压连接线缆等。
12.空调与暖风系统
空调与暖风系统一般安装在发动机舱内,如图16所示。其使用的是高压电动空调,电动压缩机用于制冷循环,主要作用是将从蒸发器来的低温低压气体压缩成高温高压气体,为整个制冷系统提供源动力。与传统汽车不同的是,新能源汽车暖风系统采用PTC加热丝进行加热,当启动空调系统时,动力电池向PTC进行高压供电,产生热量。
三、小结
新能源汽车上的高压组件不管是用于驱动车辆,还是用于控制空调或暖风功能,这些组件的共同之处是均以高电压运行。维修技师在进行维修前必须先进行风险等级评估,确认零风险(无高电压)后才能维修。在维修时一定要熟悉高压组件的结构和位置,并且只有满足以下前提条件的维修技师才允许对带有警示标记的高压组件进行作业:具备资质、遵守安全规定、严格按照维修说明操作。