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純電動汽車制動開關/電機控制器檢測

一、新能源電機性能實驗臺實驗目的
1. 正確認識純電動汽車制動開關/電機控制器的作用 
2. 了解純電動汽車制動開關/電機控制器的結構 
3. 對制動開關/電機控制器檢測,觀察其結構,分析其工作原理,熟悉其部件。 
4. 對純電動汽車制動開關/電機控制器有一個初步的認識及掌握其檢測方法。
二、新能源電機性能實驗臺實驗原理及說明
1.萬用表功能使用介紹。
2. 示波器功能使用介紹。
3.制動開關模擬檢測
不踩下制動踏板時,測量制動開關的電阻值。
  踩下制動踏板時,測量制動開關的電阻值。
  對比二種工況下制動開關的電阻值。
4.控制器模擬檢測
4.1 電源與地線引線測量,圖示控制器電路。如圖1所示。
4.2剎車開關與控制器之前引線測量。
圖1  電動車控制器接線圖
4.3電機控制器主要端子功能
電源輸入:
粗紅色線為電源正端;黑色線為電源負端;細橙色線為電門鎖。
電機相位(u、v、w輸出):
粗黃色線為U ;粗綠色線為V;粗藍色線為W。
油門信號輸入:
細紅色線為+5V電源;細綠色為油門信號輸入;細黑色線為接地線。
電機霍耳(A、B、C輸入):
細紅色線為+5V電源;細黑色線為接地線;細黃色線為 A;細綠色線為 B;細藍色線為 C 。
剎車(柔性EABS+機械剎):
細黃色線為柔性EABS;細藍色線為機械剎(高電平剎車:+12V);細黑色線為接地線(低電平剎車)。
電子油門傳感器:
    細紅色線為+5V電源;細黑色線為接地線;細綠色線為傳感器信號輸入。
儀表(轉速):細紫色線。
5.純電動汽車制動開關
5.1純電動汽車制動開關是開關量信號,有高電位有效與低電位有效二種型號。
高電位有效:提供DC電源有效;
低電位有效:提供接地有效;
5.2純電動汽車制動開關提供制動信號給電機控制器。電機控制器控制電機停轉等。
5.3制動開關與踏板如圖2所示。
圖2  制動開關與踏板
6.純電動汽車電機控制器
控制器是控制電機轉速的部件,也是電動車電氣系統的核心,具有欠壓、限流、過流保護等功能?刂破魇请妱榆嚹芰抗芾砼c各種控制信號處理的核心部件。電機控制器的原理如圖3所示。 
圖3  電機控制器的原理
電機控制器作為整個制動系統的控制中心,它由逆變器和控制器兩部分組成。逆變器接收電池輸送過來的直流電電能,逆變成三相交流電給汽車電機提供電源?刂破鹘邮茈姍C轉速等信號反饋到儀表,當發生制動或者加速行為時,控制器控制變頻器頻率的升降,從而達到加速或者減速的目的。
電機控制器的分類
1)直流電機驅動系統 
  電機控制器一般采用脈寬調制(PWM)斬波控制方式,控制技術簡單、成熟、成本低,但效率低、體積大等缺點。 
2)交流感應電機驅動系統 
  電機控制器采用PWM方式實現高壓直流到三相交流的電源變換,采用變頻調速方式實現電機調速,采用矢量控制或直接轉矩控制策略實現電機轉矩控制的快速響應。
3)交流永磁電機驅動系統 
     包括正弦波永磁同步電機驅動系統和梯形波無刷直流電機驅動系統,其中正弦波永磁同步電機控制器采用PWM方式實現高壓直流到三相交流的電源變換,采用變頻調速方式實現電機調速;梯形波無刷直流電機控制通常采用“弱磁調速”方式實現電機的控制。由于正弦波永磁同步電機驅動系統低速轉矩脈動小且高速恒功率區調速更穩定,因此比梯形波無刷直流電機馳動系統具有更好的應用前景。 
4)開關磁阻電機驅動系統 
     開關磁阻電機驅動系統的電機控制一般采用模糊滑?刂品椒。目前純電動汽車所用電機均為永磁同步電機,交流永磁電機采用稀土永磁體勵磁,與感應電機相比不需要勵磁電路,具有效率高、功率密度大、控制精度高、轉矩脈動小等特點。
電動控制器的相關術語 
1)額定功率:在額定條件下的輸出功率。 
2)峰值功率:在規定的持續時間內,電機允許的最大輸出功率。   
3)額定轉速:額定功率下電機的轉速。 
4)最高工作轉速:相應于電動汽車最高設計車速的電機轉速。   
5)額定轉矩:電機在額定功率和額定轉速下的輸出轉矩。   
6)峰值轉矩:電機在規定的持續時間內允許輸出的最大轉矩。 
7)電機及控制器整體效率:電機轉軸輸出功率除以控制器輸入功率再乘以100%。
控制器簡介 
簡略地講控制器是由周邊器件和主芯片(或單片機)組成。周邊器件是一些功能器件,如執行、采樣等,它們是電阻、傳感器、橋式開關電路,以及輔助單片機或專用集成電路完成控制過程的器件;單片機也稱微控制器,是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號語言的譯碼器、鋸齒波發生器和脈寬調制功能電路以及能使開關電路功率管導通或截止、通過方波控制功率管的的導通時間以控制電機轉速的驅動電路、輸入輸出端口等集成在一起,而構成的計算機片。
控制器的設計品質、特性、所采用的微處理器的功能、功率開關器件電路及周邊器件布局等,直接關系到整車的性能和運行狀態,也影響控制器本身性能和效率。
控制器的型號 
目前電動車所采用的控制器電路原理基本相同或接近。有刷和無刷直流電機大都采用脈寬調制的PWM控制方法調速,只是選用驅動電路、集成電路、開關電路功率晶體管和某些相關功能上的差別。元器件和電路上的差異,構成了控制器性能上的不大相同?刂破鲝慕Y構上分兩種,我們把它稱為分離式和整體式。 
控制器的保護功能 
保護功能是對控制器中換相功率管、電源免過放電,以及電動機在運行中,因某種故障或誤操作而導致的可能引起的損傷等故障出現時,電路根據反饋信號采取的保護措施。電動車基本的保護功能和擴展功能如下: 
1)制動斷電  
當制動時,開關被推押閉合或被斷開,而改變了原來的開關狀態。這個變化形成信號傳送到控制電路中,電路根據預設程序發出指令,立即切斷基極驅動電流,使功率截止,停止供電。因而,既保護了功率管本身,又保護了電動機,也防止了電源的浪費。
2)欠壓保護  
這里指的是電源的電壓。當放電最后階段,在負載狀態下,電源電壓已經接近“放電終止電壓”,控制器面板(或儀表顯示盤)即顯示電量不足,引起注意,計劃自己的行程。當電源電壓已經達到放終時,電壓取樣電阻將分流信息饋入比較器,保護電路即按預先設定的程序發出指令,切斷電流以保護電子器件和電源。
3)過流保護  
電流超限對電機和電路一系列元器件都可能造成損傷,甚至燒毀,這是絕對應當避免的?刂齐娐分,必須具備這種過電流的保護功能,在過流時經過一定的延時即切斷電流。
4)過載保護  
過載保護和過電流保護是相同的,載重超限必然引起電流超限。如果沒有這種保護功能,不一定在哪個環節上引起損傷,但首當其沖的就是開關功率管,只要控制器功率管燒毀一只,變成兩相供電后電動機運轉即變得無力,可以感覺到脈動異常;若繼續使用,接著就燒毀第2個、第3個功率管。有兩相功率管不工作,電動機即停止運行,電機則失去控制功能。因此,由過載引起的過電流是很危險的。但只要有過電流保護,載重超限后電路自動切斷電源,因超載而引起的一系列后果都可以避免。
5)欠速保護  
屬于過流保護范疇,是為不具備0速起步功能的控制系統而設置。
6)限速保護  
電動車獨有的設計控制程序。車速超過某一預定值時,電路停止供電不予助力。
7)堵轉保護
控制器能自動判斷電機在過流時是處于完全堵轉狀態還是在運行狀態或電機短路狀態,如果過流時是處于運行狀態,控制器將限流值設定在固定值,以保持整車的驅動能力;如電機處于純堵轉狀態,則控制器2秒后將限流值控制在10A以下,起到保護電機和電池,節省電能確?刂破骷半姵氐陌踩。
控制器內部結構如圖4所示。 
圖4  控制器內部結構
控制器的控制類型
1)方波控制器:采用霍爾傳感器采集轉子位置,以此為基準信號控制繞組強制換相而達到讓電機轉動,因為它的技術成熟,普遍使用的控制器。缺點是:方波控制器對于整個電動車來說,電機換相導致電流突變而導致轉矩脈動較大,使車子啟動噪音大且不平穩,起步扭矩小,效率不高。
2)零功耗控制器:把電源鎖鑰匙關掉,然后按一下車把上的防盜鍵?刂破鬟M入防盜預警狀態,強行推動電機時,觸發控制器里單片機工作,喇叭會發出 報警聲并鎖死電機。
3)無霍爾控制器:因為沒有霍爾傳感器件,所以采用的是一種反向電壓的模糊計算方式而達到換相,這種控制器一般用在維修市場,特點是:免去了配對相位的麻煩,裝上就能使用。缺點是:因沒有霍爾傳感器件,所以起步有死角,效率比方波控制器還低。此類型控制器也逐漸被市場所淘汰。
4)智能雙?刂破鳎弘p模,顧名思義就是兩種工作模式,普通方波控制+無霍爾控制,在普通狀態下,控制器可自動識別電動車電機的換相角度,霍爾相位和電機輸出相位,當電動車在正常行駛時,出現霍爾故障或者霍爾器件壞掉時,可以自動檢測到并平滑的過渡到無霍爾模式,方便用戶將車開到維修店,維修好后又能自動切換回有霍爾狀態。這種控制器擠掉了老的單純的無霍爾控制器,成為二級維修市場的主要產品。有部分整車公司也在使用這種控制器。
5)正弦波控制器:正弦控制器是理想的控制器模式,基于空間矢量變頻控制算法,控制器轉換效率高,能有效減少控制器溫升和延長電池續航里程,解決了車子在起步時出現的抖動和不平穩而且起步扭矩大,效率高,但溫升較快,對控制器本身的器件都是考驗,要配合正弦電機才能達到最佳的效果。
6)總線控制器:一種新型的控制方式,內部同樣是采用方波橋式開關電路,整車的儀表和控制器是配合使用,車身前后電路連接,中間只有三根線,一根電源正,一根電源負,一根通訊線,采用的是汽車總線技術。因其線束少了,節點少了,故障點也就少了。
三、新能源電機性能實驗臺實驗儀器
實驗儀器,包括儀器設備條件、物質條件、相關文獻資料等。
序號 名稱 數量 主要用途
1 新能源汽車驅動系統結構與性能實驗臺    
2 汽車電工絕緣工具組    
3 汽車高壓萬用表    
4 絕緣手套    
5 汽車示波器    
6 純電動汽車制動開關    
7 純電動汽車控制器    
四、 實驗內容和步驟
(一)純電動汽車制動開關/電機控制器認識
1.觀摩新能源汽車驅動系統結構與性能實驗臺,識別制動開關/電機控制器部件安裝位置。
2.觀摩新能源汽車驅動系統結構與性能實驗臺,識別制動開關/電機控制器各引線功能。
(二)純電動汽車制動開關/電機控制器檢測
純電動汽車制動開關檢測
1)閉合電源總開關,點火開關ON位置。
2)換擋操縱機構手柄置于“前進/或者倒車”檔,右腳輕踩電子加速踏板,車輛前輪開始運轉;
3)不踩下剎車踏板,萬用表檢測剎車開關的端子與地線電壓值。
4)踩下剎車踏板,萬用表檢測剎車開關的端子與地線電壓值。
5)關閉點火開關,踩下與不踩下剎車踏板,萬用表檢測剎車開關的端子電阻值。
純電動汽車電機控制器檢測
1)閉合電源總開關點火開關ON,萬用表檢測控制器的電源端子與地線電壓值。
2)參照面板原理圖,萬用表檢測控制器的開關量端子與地線電壓值、電阻值。
3)參照面板原理圖,萬用表檢測控制器的各傳感器信號端子與地線電壓值。
4)松開手剎,換擋操縱機構手柄置于“前進/或者倒車”檔,右腳輕踩電子加速踏板,車輛前輪開始運轉;
5)慢慢踩下加速踏板,示波器檢測控制器輸出UVW端子波形且記錄。
6)慢慢踩下加速踏板,示波器檢測控制器入傳感器(霍爾ABC與電子油門傳感器)信號端子波形且記錄。
故障模擬
1)閉合電源總開關,點火開關ON位置。
2)換擋操縱機構手柄置于“前進/或者倒車”檔,右腳輕踩電子加速踏板,車輛前輪開始運轉;
3)如“霍爾傳感器”故障開關向“0”方向按下時,設置故障。
4)踏下電子油門,檢查故障現象。
5)萬用表檢測面板端子,檢測線路與信號查找原因。
6)“霍爾傳感器”故障開關向“1”方向按下時,設置排除。
實訓實驗完畢后,關閉點火開關,斷開總電源開關,整理好設備。
五、實驗報告
1.電機控制器輸入信號端子波形且記錄,分析實測數據結果。
2.如何測試剎車開關?
3.斷開電機霍爾傳感器A或者B線,會有什么故障現象?為什么?
4.測試控制器輸出UVW端子波形記錄且分析實測數據結果。
六、 預習與思考題 
1.純電動汽車組成結構與工作原理。
2.純電動汽車電機控制器結構與原理。
3.純電動汽車剎車開關結構與工作原理。
七、 參考資料

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