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纯电动汽车制动开关/电机控制器检测

一、新能源电机性能实验台实验目的
1. 正确认识纯电动汽车制动开关/电机控制器的作用 
2. 了解纯电动汽车制动开关/电机控制器的结构 
3. 对制动开关/电机控制器检测,观察其结构,分析其工作原理,熟悉其部件。 
4. 对纯电动汽车制动开关/电机控制器有一个初步的认识及掌握其检测方法。
二、新能源电机性能实验台实验原理及说明
1.万用表功能使用介绍。
2. 示波器功能使用介绍。
3.制动开关模拟检测
不踩下制动踏板时,测量制动开关的电阻值。
  踩下制动踏板时,测量制动开关的电阻值。
  对比二种工况下制动开关的电阻值。
4.控制器模拟检测
4.1 电源与地线引线测量,图示控制器电路。如图1所示。
4.2刹车开关与控制器之前引线测量。
图1  电动车控制器接线图
4.3电机控制器主要端子功能
电源输入:
粗红色线为电源正端;黑色线为电源负端;细橙色线为电门锁。
电机相位(u、v、w输出):
粗黄色线为U ;粗绿色线为V;粗蓝色线为W。
油门信号输入:
细红色线为+5V电源;细绿色为油门信号输入;细黑色线为接地线。
电机霍耳(A、B、C输入):
细红色线为+5V电源;细黑色线为接地线;细黄色线为 A;细绿色线为 B;细蓝色线为 C 。
刹车(柔性EABS+机械刹):
细黄色线为柔性EABS;细蓝色线为机械刹(高电平刹车:+12V);细黑色线为接地线(低电平刹车)。
电子油门传感器:
    细红色线为+5V电源;细黑色线为接地线;细绿色线为传感器信号输入。
仪表(转速):细紫色线。
5.纯电动汽车制动开关
5.1纯电动汽车制动开关是开关量信号,有高电位有效与低电位有效二种型号。
高电位有效:提供DC电源有效;
低电位有效:提供接地有效;
5.2纯电动汽车制动开关提供制动信号给电机控制器。电机控制器控制电机停转等。
5.3制动开关与踏板如图2所示。
图2  制动开关与踏板
6.纯电动汽车电机控制器
控制器是控制电机转速的部件,也是电动车电气系统的核心,具有欠压、限流、过流保护等功能。控制器是电动车能量管理与各种控制信号处理的核心部件。电机控制器的原理如图3所示。 
图3  电机控制器的原理
电机控制器作为整个制动系统的控制中心,它由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接收电池输送过来的直流电电能,逆变成三相交流电给汽车电机提供电源。控制器接受电机转速等信号反馈到仪表,当发生制动或者加速行为时,控制器控制变频器频率的升降,从而达到加速或者减速的目的。
电机控制器的分类
1)直流电机驱动系统 
  电机控制器一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式,控制技术简单、成熟、成本低,但效率低、体积大等缺点。 
2)交流感应电机驱动系统 
  电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速,采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应。
3)交流永磁电机驱动系统 
     包括正弦波永磁同步电机驱动系统和梯形波无刷直流电机驱动系统,其中正弦波永磁同步电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速;梯形波无刷直流电机控制通常采用“弱磁调速”方式实现电机的控制。由于正弦波永磁同步电机驱动系统低速转矩脉动小且高速恒功率区调速更稳定,因此比梯形波无刷直流电机驰动系统具有更好的应用前景。 
4)开关磁阻电机驱动系统 
     开关磁阻电机驱动系统的电机控制一般采用模糊滑模控制方法。目前纯电动汽车所用电机均为永磁同步电机,交流永磁电机采用稀土永磁体励磁,与感应电机相比不需要励磁电路,具有效率高、功率密度大、控制精度高、转矩脉动小等特点。
电动控制器的相关术语 
1)额定功率:在额定条件下的输出功率。 
2)峰值功率:在规定的持续时间内,电机允许的最大输出功率。   
3)额定转速:额定功率下电机的转速。 
4)最高工作转速:相应于电动汽车最高设计车速的电机转速。   
5)额定转矩:电机在额定功率和额定转速下的输出转矩。   
6)峰值转矩:电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩。 
7)电机及控制器整体效率:电机转轴输出功率除以控制器输入功率再乘以100%。
控制器简介 
简略地讲控制器是由周边器件和主芯片(或单片机)组成。周边器件是一些功能器件,如执行、采样等,它们是电阻、传感器、桥式开关电路,以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件;单片机也称微控制器,是在一块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起,而构成的计算机片。
控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功能、功率开关器件电路及周边器件布局等,直接关系到整车的性能和运行状态,也影响控制器本身性能和效率。
控制器的型号 
目前电动车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速,只是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别。元器件和电路上的差异,构成了控制器性能上的不大相同。控制器从结构上分两种,我们把它称为分离式和整体式。 
控制器的保护功能 
保护功能是对控制器中换相功率管、电源免过放电,以及电动机在运行中,因某种故障或误操作而导致的可能引起的损伤等故障出现时,电路根据反馈信号采取的保护措施。电动车基本的保护功能和扩展功能如下: 
1)制动断电  
当制动时,开关被推押闭合或被断开,而改变了原来的开关状态。这个变化形成信号传送到控制电路中,电路根据预设程序发出指令,立即切断基极驱动电流,使功率截止,停止供电。因而,既保护了功率管本身,又保护了电动机,也防止了电源的浪费。
2)欠压保护  
这里指的是电源的电压。当放电最后阶段,在负载状态下,电源电压已经接近“放电终止电压”,控制器面板(或仪表显示盘)即显示电量不足,引起注意,计划自己的行程。当电源电压已经达到放终时,电压取样电阻将分流信息馈入比较器,保护电路即按预先设定的程序发出指令,切断电流以保护电子器件和电源。
3)过流保护  
电流超限对电机和电路一系列元器件都可能造成损伤,甚至烧毁,这是绝对应当避免的。控制电路中,必须具备这种过电流的保护功能,在过流时经过一定的延时即切断电流。
4)过载保护  
过载保护和过电流保护是相同的,载重超限必然引起电流超限。如果没有这种保护功能,不一定在哪个环节上引起损伤,但首当其冲的就是开关功率管,只要控制器功率管烧毁一只,变成两相供电后电动机运转即变得无力,可以感觉到脉动异常;若继续使用,接着就烧毁第2个、第3个功率管。有两相功率管不工作,电动机即停止运行,电机则失去控制功能。因此,由过载引起的过电流是很危险的。但只要有过电流保护,载重超限后电路自动切断电源,因超载而引起的一系列后果都可以避免。
5)欠速保护  
属于过流保护范畴,是为不具备0速起步功能的控制系统而设置。
6)限速保护  
电动车独有的设计控制程序。车速超过某一预定值时,电路停止供电不予助力。
7)堵转保护
控制器能自动判断电机在过流时是处于完全堵转状态还是在运行状态或电机短路状态,如果过流时是处于运行状态,控制器将限流值设定在固定值,以保持整车的驱动能力;如电机处于纯堵转状态,则控制器2秒后将限流值控制在10A以下,起到保护电机和电池,节省电能确保控制器及电池的安全。
控制器内部结构如图4所示。 
图4  控制器内部结构
控制器的控制类型
1)方波控制器:采用霍尔传感器采集转子位置,以此为基准信号控制绕组强制换相而达到让电机转动,因为它的技术成熟,普遍使用的控制器。缺点是:方波控制器对于整个电动车来说,电机换相导致电流突变而导致转矩脉动较大,使车子启动噪音大且不平稳,起步扭矩小,效率不高。
2)零功耗控制器:把电源锁钥匙关掉,然后按一下车把上的防盗键。控制器进入防盗预警状态,强行推动电机时,触发控制器里单片机工作,喇叭会发出 报警声并锁死电机。
3)无霍尔控制器:因为没有霍尔传感器件,所以采用的是一种反向电压的模糊计算方式而达到换相,这种控制器一般用在维修市场,特点是:免去了配对相位的麻烦,装上就能使用。缺点是:因没有霍尔传感器件,所以起步有死角,效率比方波控制器还低。此类型控制器也逐渐被市场所淘汰。
4)智能双模控制器:双模,顾名思义就是两种工作模式,普通方波控制+无霍尔控制,在普通状态下,控制器可自动识别电动车电机的换相角度,霍尔相位和电机输出相位,当电动车在正常行驶时,出现霍尔故障或者霍尔器件坏掉时,可以自动检测到并平滑的过渡到无霍尔模式,方便用户将车开到维修店,维修好后又能自动切换回有霍尔状态。这种控制器挤掉了老的单纯的无霍尔控制器,成为二级维修市场的主要产品。有部分整车公司也在使用这种控制器。
5)正弦波控制器:正弦控制器是理想的控制器模式,基于空间矢量变频控制算法,控制器转换效率高,能有效减少控制器温升和延长电池续航里程,解决了车子在起步时出现的抖动和不平稳而且起步扭矩大,效率高,但温升较快,对控制器本身的器件都是考验,要配合正弦电机才能达到最佳的效果。
6)总线控制器:一种新型的控制方式,内部同样是采用方波桥式开关电路,整车的仪表和控制器是配合使用,车身前后电路连接,中间只有三根线,一根电源正,一根电源负,一根通讯线,采用的是汽车总线技术。因其线束少了,节点少了,故障点也就少了。
三、新能源电机性能实验台实验仪器
实验仪器,包括仪器设备条件、物质条件、相关文献资料等。
序号 名称 数量 主要用途
1 新能源汽车驱动系统结构与性能实验台    
2 汽车电工绝缘工具组    
3 汽车高压万用表    
4 绝缘手套    
5 汽车示波器    
6 纯电动汽车制动开关    
7 纯电动汽车控制器    
四、 实验内容和步骤
(一)纯电动汽车制动开关/电机控制器认识
1.观摩新能源汽车驱动系统结构与性能实验台,识别制动开关/电机控制器部件安装位置。
2.观摩新能源汽车驱动系统结构与性能实验台,识别制动开关/电机控制器各引线功能。
(二)纯电动汽车制动开关/电机控制器检测
纯电动汽车制动开关检测
1)闭合电源总开关,点火开关ON位置。
2)换挡操纵机构手柄置于“前进/或者倒车”档,右脚轻踩电子加速踏板,车辆前轮开始运转;
3)不踩下刹车踏板,万用表检测刹车开关的端子与地线电压值。
4)踩下刹车踏板,万用表检测刹车开关的端子与地线电压值。
5)关闭点火开关,踩下与不踩下刹车踏板,万用表检测刹车开关的端子电阻值。
纯电动汽车电机控制器检测
1)闭合电源总开关点火开关ON,万用表检测控制器的电源端子与地线电压值。
2)参照面板原理图,万用表检测控制器的开关量端子与地线电压值、电阻值。
3)参照面板原理图,万用表检测控制器的各传感器信号端子与地线电压值。
4)松开手刹,换挡操纵机构手柄置于“前进/或者倒车”档,右脚轻踩电子加速踏板,车辆前轮开始运转;
5)慢慢踩下加速踏板,示波器检测控制器输出UVW端子波形且记录。
6)慢慢踩下加速踏板,示波器检测控制器入传感器(霍尔ABC与电子油门传感器)信号端子波形且记录。
故障模拟
1)闭合电源总开关,点火开关ON位置。
2)换挡操纵机构手柄置于“前进/或者倒车”档,右脚轻踩电子加速踏板,车辆前轮开始运转;
3)如“霍尔传感器”故障开关向“0”方向按下时,设置故障。
4)踏下电子油门,检查故障现象。
5)万用表检测面板端子,检测线路与信号查找原因。
6)“霍尔传感器”故障开关向“1”方向按下时,设置排除。
实训实验完毕后,关闭点火开关,断开总电源开关,整理好设备。
五、实验报告
1.电机控制器输入信号端子波形且记录,分析实测数据结果。
2.如何测试刹车开关?
3.断开电机霍尔传感器A或者B线,会有什么故障现象?为什么?
4.测试控制器输出UVW端子波形记录且分析实测数据结果。
六、 预习与思考题 
1.纯电动汽车组成结构与工作原理。
2.纯电动汽车电机控制器结构与原理。
3.纯电动汽车刹车开关结构与工作原理。
七、 参考资料

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