新能源汽車故障診斷技術編著：劉俊剛目

錄項目一電動汽車使用與保養(yǎng)項目二車輛控制單元功能認知項目三鋰離子電池認知與故障診斷電機認知與故障診斷項目四項目五高壓電路認知與故障診斷項目六變頻器原理認知與故障診斷項目七車載充電機原理與故障診斷直流轉換器原理與故障診斷項目八項目九電動汽車空調原理與故障診斷項目十減速箱原理認知與故障診斷項目十一電動汽車故障分析方法附錄純電動汽車電路圖項目一電動汽車使用與保養(yǎng)一、情境引入學燃油汽車的小蔡同學問小林，電動汽車有離合器和變速箱嗎，小林陷入了沉思？二、學習目標1.說出純電動轎車主要動力系統(tǒng)組成；2.說出純電動客車主要動力系統(tǒng)組成；3.說出純電動汽車儀表新增的指示燈、警告燈和故障燈功能；4.說出電動汽車相比燃油汽車新增保養(yǎng)項目有哪些。三、素養(yǎng)目標1.培養(yǎng)低碳環(huán)保，綠色出行的意識；2.提升團隊協(xié)作精神；3.增強安全意識。項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)目前，商品化的電動汽車為單電機結構。多電機結構由于成本高、技術控制難度大，經(jīng)常在電動汽車原理性教材中介紹其優(yōu)越性。未來，多電機結構在商品化轎中必要性也不是很大，商品化可能性極小。所以，本書僅針對單電機結構的電動汽車。當弄懂了單電機結構后，多電機結構的電動汽車就不難了。一、典型電動汽車組成1.單電機轎車如圖1-1所示為純電動前驅電動汽車，單電機轎車驅動采用鋰離子電池、電動汽車變頻器、電機三部分組成的動力系統(tǒng)，由兩級減速器和差速器組成傳動系統(tǒng)組成，兩個系統(tǒng)組成了電動汽車的電力驅動系統(tǒng)。電力驅動系統(tǒng)工作原理如下：鋰離子電池的電能經(jīng)正、負兩條供電電纜加到變頻器上，變頻器將直流電換流為三相交流電給電機，電機轉動后，轉速經(jīng)減速箱里的兩級主減速器降速增扭后到達差速器，經(jīng)差速器兩側半軸到車輪。電子換檔桿位于D檔時電機正轉，位于R檔時電機反轉，位于N檔時電機停轉，位于P檔（或按下P檔開關）時駐車電機經(jīng)減速機構制動駐車棘輪，阻止驅動輪轉動。項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用2.單電機客車如圖1-2所示為純電動客車，客車采用后驅動形式，與前驅動圖1-8相比主要是采用了兩檔或三檔項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用圖1-1純電動汽車電力驅動系統(tǒng)組成（前驅車型）的變速器以增加電機的效率。通過在客車上增加變速器，可降低動力電池的電壓、變頻器的容量和電機的功率，從而在一定程度上降低電動汽車成本，也降低了傳動系統(tǒng)的噪聲。項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用圖1-2純電動客車電力驅動系統(tǒng)組成其電力驅動系統(tǒng)工作原理如下：鋰離子電池的電能經(jīng)正、負兩條供電電纜加到變頻器上，變頻器將直流電換流為三相交流電給電機，電機轉動后，轉速經(jīng)變速箱里的兩檔變速器降速增扭后到達傳動軸，經(jīng)傳動軸到主減速器到差速器，經(jīng)差速器兩側半軸到車輪。同樣也是電子換檔桿位于D檔時電機正轉，位于R檔時電機反轉，位于N檔時電機停轉。客車的P檔制制動系統(tǒng)位于P檔（或按下P檔開關）時如傳統(tǒng)汽車相同。例如在液壓制動的汽車上，中小型車上采用中間傳動軸制動方式。在大型客/貨車通常采用氣壓制動的汽車上，通過解除（放掉）制動鼓中氣壓實施彈簧制動，實現(xiàn)后輪駐車（通常也是驅動輪）。

對于國內一些低檔客車也有采用取消變速器的形式，這種車型通常是試制中的產(chǎn)品。取消變速器的形式不僅增加了客戶購車時電池、變頻器和電機的成本，也增加了未來的使用成本。二、電動汽車使用1.電動汽車儀表相對傳統(tǒng)燃油汽車儀表，純電動汽車儀表（見圖1-3）的使用主要集中在儀表和三燈的意義與信息顯示屏的內容上。（1）電動汽車儀表項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用電動汽車儀表包括驅動汽車電機的轉速是多少和車速是多少兩塊指針式儀表或數(shù)字顯示式儀表。動力電池荷電狀態(tài)指示動力蓄電池的剩余電量，多用指針式顯示，也可采用數(shù)字模擬指示條、數(shù)字式顯示器。當SOC低于下限某一規(guī)定值，應特別明顯地標示出來。如果使用動力蓄電池更換系統(tǒng)，最好能自動復位，如不能自動恢復到全充滿狀態(tài)，則應能人工復位。（2）電動汽車儀表三燈儀表的三燈指指示燈、警報燈和故障燈。1）指示燈指示燈通常是對駕駛員操作的一種反饋，例如轉向指示燈、遠光指示燈和近光指示燈等，指示燈通常用綠色。2）警告燈警告燈通常是車輛本身可能存在隱患或嚴重故障，例如：機油壓力過低警告燈、蓄電池放電警告燈和制動警告燈等，警告燈通常用紅色。3）故障燈電控系統(tǒng)的自診斷系統(tǒng)診斷出故障，并存儲了相關的故障碼時，用來提示本控制器內存有故障碼時點項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用亮，例如：發(fā)動機故障燈、變速箱故障燈、ABS故障燈等，故障燈通常用黃色或紅色。【技師指導】故障燈在打開點火開關時會自檢故障燈本身是否有故障，而指示燈和警告燈則沒有自檢過程。2.指示燈、故障燈和警告燈的解釋

電動汽車的指示燈、故障燈和警告燈如表1-1所示。項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用圖1-3純電動汽車儀表3.電動汽車三燈含義

（1）電機及變頻器故障燈表示汽車電機及變頻器有故障或過熱。其故障指示目前多由電機變頻器向整車控制器發(fā)送，再由整車項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用表1-1指示燈、故障燈和警告燈控制器觸發(fā)儀表。未來的發(fā)展方向是診斷儀可與變頻器系統(tǒng)直接通訊，不經(jīng)整車控制器。若為過熱需要靠邊停車，自然冷卻。如果故障燈熄滅可繼續(xù)行駛，如故障燈不熄滅或者頻繁亮起，就需要去維修店檢查了。（2）動力蓄電池過熱警告燈說明動力蓄電池過熱，此時最好不要繼續(xù)行駛，應該靠邊停車，等待蓄電池冷卻，等蓄電池冷卻，故障燈熄滅后再行駛。電池管理系統(tǒng)正常情況下此燈不會點亮。（3）動力蓄電池故障燈動力蓄電池可能存在故障，慢速行駛及時維修，如果能夠感覺到明顯的故障最好不要行車，申請救援。原因為電池管理系統(tǒng)（BMS）內部存有故障碼，比如電池間電壓不一致、內阻不一致或溫度不一致等故障。其故障指示目前多由電池管理系統(tǒng)向整車控制器發(fā)送，再由整車控制器觸發(fā)儀表。未來的發(fā)展方向是診斷儀可與電池管理系統(tǒng)直接通訊，不經(jīng)整車控制器。（4）動力蓄電池絕緣電阻低警告燈表示動力蓄電池絕緣性能降低，很多時候都是長時間淋雨造成的，靜放幾天等車輛干燥了或許能好，如不能，只能去維修店。原因是正極或負極母線有裸露與車身相連，或通過雜質相連，應及時排除這類故障。項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用（5）動力蓄電池電量不足指示燈當動力蓄電池電量低于30%時候，該指示燈亮起。表示動力蓄電池電量不足，可能不能滿足駕駛里程的需求。這個時候，就需要及時充電了，當動力蓄電池電量高于35%時，故障燈就會熄滅，相當于傳統(tǒng)汽車的燃油存量不足指示燈。（6）整車系統(tǒng)（VCU）故障燈說明整車控制器（VCU）內部有了故障碼，這個故障燈出現(xiàn)頻率較高，大多數(shù)時候會與其他故障燈一同亮起，表示動力系統(tǒng)故障。如果是這個故障燈單獨亮起，則代表系統(tǒng)總線通訊出現(xiàn)故障，還需及時維修。（7）動力蓄電池切斷警告燈表示動力蓄電池不能提供動力來源，蓄電池動力已切斷，還需及時維修。（8）READY上電就緒指示燈綠色的READY指示燈亮，表示上電就緒，有的車采用OK燈表示。含義為電池箱內的高壓電經(jīng)過高壓配電箱的上電繼電器加到變頻器上，電機處于可驅動狀態(tài)。（9）ECO經(jīng)濟模式指示燈同樣加速踏板位置或變化速率下，電機動力性變弱，但耗電量明顯減小。項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用（10）SPORT運動模式指示燈同樣加速踏板位置或變化速率下，電機動力性更強，但耗電量明顯增加。個別電動汽車的儀表可能有下列功能（1）動力電池電壓動力蓄電池的電壓表一般不設計，一些電動汽車設計了，也只是采用數(shù)字顯示。駕駛員踩下踏板時，數(shù)字顯示的電壓變動量大，數(shù)字變動太快，對駕駛員基本沒有意義。建議：在儀表的標度盤上應標示出恰當?shù)墓ぷ麟妷悍秶樵黾又甘局档臏蚀_性，在工作范圍內宜使用擴展標度。（2）動力電池電流一般不設計，若設計時多采用指針表或條狀指示表。用來測量流過動力蓄電池的電流。在儀表的標度盤上應規(guī)定準確的0位置，對于具有再生制動功能的車輛，在標度盤0位置的兩個方向上都應標示出正常工作電流的范圍。建議：少數(shù)國產(chǎn)電動汽車會采用數(shù)字顯示，這種情況不太合理，容易引起駕駛員的過多關注，引起駕駛員注意力不集中。項目一

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電動汽車組成與使用（3）電機轉速表實際中電動機轉速突變較快，一般不設計電動機轉速表表盤，若設計多采用指針表或條狀指示表，當轉速超過某一規(guī)定值，應特別明顯地標示出來。建議：不設計電機轉速表，以防引起駕駛員的過多關注。4.電動汽車中央信息顯示儀表的中央信息顯示屏的故障信息提醒一般如下：（1）電機超速提醒信息當電機超速時，最好用聲信號連同光信號向駕駛員發(fā)出警告。（2）蓄電池剩余容量下限提醒信息當動力蓄電池剩余容量低于某個百分數(shù)(例如25%)時，應通過信號裝置提醒駕駛員。（3）高壓絕緣性能下降提醒信息當絕緣電阻和爬電距離低于規(guī)定值時應通過信號裝置提醒駕駛員。絕緣電阻可包括動力蓄電池絕緣電阻、動力系統(tǒng)和車輛電底盤之間絕緣電阻、動力系統(tǒng)和輔助電路之間絕緣電阻，爬電距離包括蓄電池連接端子間的爬電距離、帶電部件與電底盤之間的爬電距離。項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用（4）駕駛員不安全停車提醒信息當駕駛員離開車輛，如果驅動系統(tǒng)仍處于“可行駛”狀態(tài)，應通過信號裝置提醒駕駛員。一、更換冷卻液的注意事項第一是按廠家的使用手冊提供的冷卻液更換周期來更換冷卻液，如圖1-4所示為斷開散熱器下水管放出冷卻液。儲液罐冷卻液加注位置見圖1-5所示有兩個儲液罐，兩個儲液罐液面位于最低液位MIN和最高液位MAX之間。注意：這里更換的冷卻液是電機、變頻器、DC/DC轉換器、車載充電機等共用的冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的冷卻液。另一個儲液罐是電動汽車的鋰離子電池采用冷卻液進行制冷和制熱時也要進行定期更換冷卻液，這種電動汽車會有兩個儲液罐，一個是上面提到的電機、變頻器、DC/DC轉換器、車載充電機等共用的冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的冷卻液，另一個是電池制冷和制熱時的冷卻液。電池制冷和制熱時的冷卻液也要隨電機冷卻液同周期更換。第二是按廠家提供的使用手冊提供的更換周期更換冷卻液，如圖1-5所示為斷開散熱器下水管放出冷卻液。冷卻液加注位置見圖所示，液面位于MIN和MAX之間。項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務一

電動汽車組成與使用任務二

電動汽車保養(yǎng)二、更換減速箱的齒輪油兩級減速箱的齒輪油保養(yǎng)是要按廠家提供的使用手冊提供的更換周期更換，減速箱裝有放油螺栓（見圖1-6）和加油螺栓（見圖1-7）。項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務二

電動汽車保養(yǎng)圖1-4放出電機冷卻系統(tǒng)的冷卻注液圖1-5冷卻液儲液罐液面加注位置圖1-6兩級減速箱的放油螺栓圖1-7兩級減速箱的加油螺栓本項目理論工單一、填空題1.單電機轎車動力系統(tǒng)由

、

、

三部分組成的；2.電動汽車傳動系統(tǒng)由

和

組成組成；3.變頻器將直流電換流為

給電機；4.電子換檔桿D檔時電機

轉，R檔時電機

轉，N檔時電機

轉；5.P檔（或按下P檔開關）時駐車電機經(jīng)減速機構制動駐車棘輪，阻止

轉動。

二、判斷題1.在客車上增加變速器，可降低動力電池的電壓、變頻器的容量和電機的功率（

）；2.儀表指示燈通常用綠色（

）；3.儀表警報燈通常用紅色（

）；4.儀表故障燈通常用琥珀色（棕黃色）或紅色（

）；5.動力蓄電池切斷警告燈表示動力蓄電池不能提供動力來源，蓄電池動力已切斷（

）；項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務二

電動汽車保養(yǎng)項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務二

電動汽車保養(yǎng)三、單選或多選題1.儀表的三燈指（

）。A.指示燈B.警報燈C.故障燈D.照明燈2.表示上電就緒的指示燈是（

）。A.READY指示燈B.OK燈C.IG-OND.START3.電動汽車駕駛模式有（

）A.ECO經(jīng)濟模式指示燈B.SPORT運動模式指示燈

C.MANUAL手動模式指示燈D.NORMAL標準模式指示燈4.當動力蓄電池剩余容量低于（

）時，應通過信號裝置提醒駕駛員（

）。A.15%B.25%C.30%D.35%5.絕緣電阻可包括（

）。A.動力蓄電池絕緣電阻B.動力系統(tǒng)和車輛電底盤之間絕緣電阻C.動力系統(tǒng)和輔助電路之間絕緣電阻D.爬電距離包括蓄電池連接端子間的爬電距離E.帶電部件與電底盤之間的爬電距離項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務三

電動汽車使用與保養(yǎng)一、任務布置電動汽車的客戶要求做一個電動汽車使用和保養(yǎng)的知識宣傳。如果你是工作人員，應如何完成購車主的咨詢，保養(yǎng)方案應如何制定。二、工作任務分配按照前面所了解的知識內容，落實各項工作負責人(見表1-2)，如任務實施前的準備工作、實施中主要操作及協(xié)助支持工作、實施過程中相關要點及數(shù)據(jù)的記錄工作等。表1-2工作任務分配項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務三

電動汽車使用與保養(yǎng)

三、操作步驟合理性評估和糾正教師提供資料或相類似的視頻進行提示，以幫助學生完成主要工作步驟的填寫(見表1-3)。教師評估通過后，方可進行具體操作實施。學生可先行在草紙上進行，任務實施中若有改變需經(jīng)教師再次評估，以確認安全和可行。表1-3主要工作步驟用填寫用表項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務三

電動汽車使用與保養(yǎng)

四、任務實施前的設備準備小組完成設備、工具和資料準備自檢表1-4。五、操作性的任務實施請小組在表1-5中完成電動汽車使用與保養(yǎng)工單。表1-4設備、工具和資料準備自檢表項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務三

電動汽車使用與保養(yǎng)表1-5電動汽車使用與保養(yǎng)工單項目一

電動汽車使用與保養(yǎng)任務三

電動汽車使用與保養(yǎng)六、評價反饋以小組為單位進行自評，請對本小組的操作過程與操作結果進行自評，并將結果填入表1-6中。注：小組自評要能承受小組間互評的考驗，互評階段被其它小組找出扣分項，扣分加倍。表1-6小組自評表項目二車輛控制單元認知與故障診斷一、情境引入高壓無法上電就緒（無法READY），汽車儀表中整車控制器的故障燈點亮，用診斷儀讀取故障碼，提示：高壓互鎖故障。

如果你是接車的技術人員，應如何解決本故障，修理方案應如何制定。二、學習目標1.說出純電動轎車整車控制系統(tǒng)（VCU）的輸入信號有哪些？2.說出純電動轎車整車控制系統(tǒng)（VCU）的輸出信號有哪些？3.說出純電動轎車的生熱部件有哪些？4.說出高壓互鎖電路的作用是什么？如何進行診斷？三、素養(yǎng)目標1.能通過溝通協(xié)作完成任務，具有團隊合作意識；2.培養(yǎng)認真分析、自行探索解決問題的能力。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷一、車輛控制單元功能1.車輛控制單元汽車的行為是人和微控制計算機共同控制的結果。在汽車上，人（駕駛員）將加速踏板位置信號、制動踏板位置信號、換檔桿位置信號輸入到一個控制器，這個控制器是汽車中眾多微控制計算機中權利最高，管理最寬的計算機，這里的“機”為計算機的意思。因為汽車的行駛是人的輸入，微計算機執(zhí)行的結果，沒有人對控制裝置微控制計算機的輸入，微控制計算機系統(tǒng)也沒法實現(xiàn)自己主動輸出（無人駕駛汽車除外）。VehicleControlUnit=VCU，譯為“車輛控制單元”或“整車控制單元”。一個容易出現(xiàn)理解錯誤的地方就是整車控制單元（VCU）是對整輛汽車的各個系統(tǒng)進行控制。這樣的理解是按字面進行理解，當然是錯誤的。根據(jù)車輛控制單元最主要的功能可以發(fā)現(xiàn)，車輛控制單元更準確的名稱應為“車輛動力管理控制器”或“電力驅動系統(tǒng)的總控制單元”。在純電動汽車上這個車輛控制單元被稱為整車控制器，英文簡稱VCU。在混合動力汽車被稱為動力管理控制單元或混合動力控制控制單元或控制器，簡稱HV-ECU。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知那為什么不直接采用“車輛動力管理控制器”或“電力驅動系統(tǒng)控制單元”呢？這是由于車輛控制單元（VCU)的名稱是早期電動汽車開發(fā)者命名的，那個時侯的電動汽車也沒有其它電控系統(tǒng)，所以一直沿用至今天。現(xiàn)在從電動汽車開發(fā)角度的一個說法是要開發(fā)一輛純電動汽車，要包括電池和電池管理系統(tǒng)、電機和電機控制系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)（包括汽車電氣、汽車底盤等）。編者注：本書并不是從開發(fā)角度來設計，一則汽車電氣系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)本身自成體系，新能源汽車在電氣和底盤方面與以前汽車基本相同，可在汽車電氣和底盤中增加新能源汽車內容的電氣和底盤內容即可。本書是從早期的車輛動力管理控制器的角度出發(fā)，以完善電池和電池管理、電機和電機控制、整車控制三個組成部分，整車控制部分注重典型的純電動汽車和混合動力汽車的動力管理控制器功能控制。2.整車控制器VehicleControlUnit=VCU譯為整車控制器，如圖2-1所示為吉利EV300純電動汽車車輛控制單元（VCU）。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知3.車輛控制單元功能（1）動力管理功能駕駛員踩下加速踏板將駕駛員的轉矩需求輸入給車輛控制單元，車輛控制單元根據(jù)動力電池狀態(tài)輸出一個電機轉矩控制目標數(shù)值，并把這個控制目標數(shù)值發(fā)給電機控制器（MotorControlUnit，MCU）。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-1吉利EV300純電動汽車車輛控制單元

電機控制器位于電機變頻器內部，電機控制器控制變頻器內部的逆變器實現(xiàn)供給電機的電流產(chǎn)生電機轉矩與控制目標數(shù)值相等。（2）冷卻控制功能電動汽車的高壓部件有動力電池、高壓配電箱、變頻器、電機、車載充電機、DC/DC轉換器、空調PTC加熱器等。在這些高壓部件中變頻器、電機、DC/DC轉換器、車載充電機四個部件需要采用冷卻液進行冷卻。為什么對電機進行冷卻呢？這是因為汽車電機工作在非額定工況，定子線圈生熱相對多，定子線圈溫度過高會導致定子線圈的絕緣下降，損壞電機。為什么要對變頻器、DC/DC轉換器和車載充電機進行冷卻呢？這是因為三個高壓部件在進行電力電子變換過程中會產(chǎn)生大量的熱量，熱量積累會導致高壓電子器件溫度上升損壞。冷卻控制包括對電動水泵繼電器控制（見圖2—2）和散熱器風扇繼電器（見圖2—3）控制。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知（3）電動真空泵控制功能

在純電動汽車的制動系統(tǒng)仍采用真空助力器對雙腔串聯(lián)制動總泵進行助力，真空助力器的真空源來自于車輛控制單元（VCU）對真空泵繼電器進行控制，有的電動汽車的電動真空泵受ABS的制動控制單元控制（見圖2-4），繼電器位置如圖2-5所示。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-2吉利EV300純電動汽車水泵繼電器位置圖2-3吉利EV300純電動汽車散熱器繼電器位置（4）網(wǎng)關控制功能在純電動汽車上，一般采用車輛控制單元（VCU）實現(xiàn)低速網(wǎng)段控制單元（B-CAN)和高速控制單元(P-CAN)的通訊。其工作原理如圖2—6所示，為了說明網(wǎng)關的功能，我們假定高速網(wǎng)(P-CAN)為低速網(wǎng)（B-CAN)速度的五倍，網(wǎng)段P-CAN的電子換檔控制單元（也稱線控換檔桿單元）將代表換檔桿例如D位置的數(shù)字數(shù)據(jù)以總線脈沖形式0（3.5V和1.5V的2V脈沖差）、1（2.5V和2.5V的0V脈沖差）向右發(fā)過來，車輛控制單元（VCU）將總線脈沖差進行解析后變換為數(shù)字信號，將3.5V和1.5V的2V脈沖差轉換為0，將2.5V和2.5V項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-4吉利EV300電動真空泵位置圖2-5吉利EV300電動真空泵繼電器位置的0V脈沖差轉換1，數(shù)字信號0、1代表的內容仍為換檔桿位置的數(shù)字數(shù)據(jù)。這個數(shù)字數(shù)據(jù)0、1被車輛控制單元（VCU）向右側B-CAN變?yōu)榭偩€脈沖，儀表控制單元將總線脈沖電壓差進行解析后變?yōu)閿?shù)字數(shù)據(jù)0、1。儀表查得這個數(shù)字數(shù)據(jù)為字母D，儀表驅動顯示器顯示D位。（5）自診斷功能在純電動汽車上，診斷儀連接在車輛控制單元（VCU）上，實現(xiàn)對汽車所有電控單元的診斷。其工作原理如圖2—7所示，右側汽車診斷儀向車輛控制單元（VCU)申請要讀取電池管理系統(tǒng)的故障項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-6高速網(wǎng)(P-CAN)為低速網(wǎng)（B-CAN)速度的五倍碼，車輛控制單元（VCU）接收到修理技師通過診斷儀以總線脈沖形式發(fā)過來的申請后，將總線脈沖差進行解析后變?yōu)閿?shù)字信號0、1，數(shù)字信號0、1代表的內容為讀取電池管理系統(tǒng)的故障碼，這個數(shù)字信號0、1被車輛控制單元（VCU）向左變?yōu)榭偩€脈沖，電池管理系統(tǒng)將總線脈沖差進行解析后變?yōu)閿?shù)字信號0、1查得這個內容為要將自身診斷出的故障以故障碼的形式傳出。電池管理系統(tǒng)將自身數(shù)字化的故障碼向右變換為總線脈沖，車輛控制單元（VCU）將總線脈沖差進行解析后變?yōu)閿?shù)字信號0、1。車輛控制單元（VCU）將代表故障碼的數(shù)字信號0、1向右轉換成總線脈沖，項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-7電控單元VCU外接診斷儀功能診斷儀將總線脈沖差進行解析后變?yōu)閿?shù)字信號0、1，并從診斷儀自身的數(shù)據(jù)庫查得這個故障碼具體的內容是什么，并將這個查得的具體內容以解析后的故障碼形式顯示在診斷儀的屏幕上。二、

電動汽車轉矩控制電動汽車在驅動和制動時的控制目標是控制轉矩。在驅動時的轉矩稱為“驅動轉矩”，取即電磁力矩T=BI×L，由于電機結構固定，力臂L固定，所以電機轉矩可理解為電機被控制后的電流I大小。在制動時的轉矩稱為“制動轉矩”，在制動時，總制動轉矩等于制動能量回收控制轉矩和ABS制動控制轉矩兩部分產(chǎn)生的制動力矩之和。1.驅動控制轉矩（1）驅動控制轉矩的產(chǎn)生如圖2—8所示，反映駕駛員轉矩需求的加速踏板位置傳感器采用冗余設計，主信號電壓輸出和副信號電壓輸出不同，但在車輛控制單元（VCU）內部經(jīng)微控制器（MCU）處理后反映的是同一個加速踏板的位置。在微控制器（MCU）內部查得在橫軸某加速踏板位置百分數(shù)時(例如50%），對應縱軸電機轉矩300Nm。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知【特別指出】圖給出的是正常的電動汽車設計，不過有的汽車將加速踏板位置傳感器電路直接接入到變頻器內部的電機控制器上（MCU)，加速踏板位置傳感器位置信息再經(jīng)CAN到整車控制單元（VCU)。（2）驅動控制轉矩的發(fā)送如圖2—9所示，車輛控制單元（VCU）內部經(jīng)微控制器（MCU）將查得的駕駛員轉矩需求的項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-8驅動控制轉矩的產(chǎn)生300Nm數(shù)據(jù)經(jīng)總線傳遞給變頻器內部的電機控制器（MotorControlUnit=MCU），不是微控制器（MicroControlUnit=MCU）的縮寫。電機控制器（MotorControlUnit=MCU）收到后決策如何完成這個任務。（3）驅動控制轉矩的實現(xiàn)如圖2—10所示，電機控制器（MotorControlUnit=MCU）收到300Nm這個任務后，開始計算電機對應的電流是多少，而對應這個電流的IGBT導通時間和時刻是什么。電機控制器（MotorControl項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-9驅動控制轉矩的發(fā)送Unit=MCU）控制IGBT驅動電路，IGBT驅動電路驅動IGBT逆變橋的六個IGBT實現(xiàn)汽車電機定子電流的控制。電機的相電流傳感器將電流反饋給電機控制器（MCU）從而進行微小的IGBT導通時間修正，實現(xiàn)電機精確的電流反饋控制。2.制動控制轉矩（1）制動控制轉矩的產(chǎn)生如圖2—11所示，反映駕駛員制動轉矩需求的制動踏板位置傳感器采用冗余設計，主信號電壓輸出和項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-10驅動控制轉矩的實現(xiàn)副信號電壓輸出不同，但在車輛控制單元（VCU）內部經(jīng)微控制器（MCU）處理后反映的是同一個制動踏板的位置。在微控制器（MCU）內部查得在橫軸某制動踏板位置百分數(shù)時(例如80%），對應縱軸制動轉矩需求為800Nm。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-11制動控制轉矩的產(chǎn)生【特別指出】圖2—11給出的是正常的電動汽車設計，不過有的汽車將制動踏板位置傳感器直接接入到變頻器內部的電機控制器上（MotorControlUnit=MCU)，制動踏板位置傳感器信號要經(jīng)CAN到整車控制單元（VCU)。另外，制動踏板位置傳感器信號也可輸入到ABS制動控制單元，ABS制動控制單元執(zhí)行計算制動總轉矩，并分配自己要產(chǎn)生的液壓制動轉矩和電機要產(chǎn)生的制動轉矩。（2）制動控制轉矩的發(fā)送如圖2—12所示，車輛控制單元（VCU）內部經(jīng)微控制器（MCU）將查得的駕駛員制動轉矩需求的1000Nm分解為ABS系統(tǒng)實現(xiàn)液壓制動力矩800Nm，電機能量回饋制動轉矩為800Nm，并兩個數(shù)據(jù)分別經(jīng)總線傳遞給ABS/ESC制動控制單元和變頻器內部的電機控制器（MCU）。然后，ABS/ESC制動控制單元和電機控制器（MCU）決策如何完成自己的這個任務。（3）制動系統(tǒng)控制轉矩實現(xiàn)如圖2—13所示。ABS/ESC系統(tǒng)查得要產(chǎn)生800Nm的力矩需要這個車輪（假如為左前輪）的制動壓強為8MPa，ABS液壓泵電機工作實現(xiàn)壓力的產(chǎn)生，并通過打開的進液電磁閥進入車輪，實現(xiàn)壓強增大。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知（4）電機制動控制轉矩實現(xiàn)如圖2—14所示，電機控制器（MotorControlUnit=MCU）收到200Nm這個任務后，開始計算電機對應的電流是多少，而對應這個電流的IGBT導通時間和時刻是什么。電機控制器（MotorControlUnit=MCU）控制IGBT驅動電路，IGBT驅動電路驅動IGBT逆變橋下橋臂的三個IGBT實現(xiàn)汽車電機定子電流的控制。電機的相電流傳感器將電流反饋給電機控制器（MCU）從而進行微小的IGBT導通時間修正，項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-12制動控制轉矩的發(fā)送圖2-13制動系統(tǒng)控制轉矩實現(xiàn)三、

整車控制信號診斷1.加速踏板位置信號作用：反映駕駛員的駕駛意圖，踏板踩下越深，駕駛員的加速要求越強，對應汽車動力輸出越強。如圖2-15所示，加速踏板位置傳感器通常采用雙冗余設計來實現(xiàn)自診斷，因為是同一個加速踏板位置，盡管是兩個不同電壓信號輸出到整車控制器(VCU)經(jīng)數(shù)字化后仍代表同一加速踏板位置，加速踏板位項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-14制動控制4電機制動控制轉矩實現(xiàn)置信號通常用百分數(shù)表示。端口：VCC電源5V、GND接地、POS信號輸出。2.制動開關信號作用：識別駕駛員的制動動作，用于啟動READY檔控制，停止電機動力輸出，點亮制動燈，以及取項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-15吉利EV300純電動汽車2017年款電路圖消巡航。如圖2-16所示，制動開關信號采用雙冗余設計。制動開關電源為12V，一個稱為制動燈開關（制動開關1），如圖所示，為常開開關，信號用于制動燈控制；另一個稱為制動踏板開關（制動開關2），為常閉開關，信號用于取消巡航控制。在駕駛員踩下制動踏板時，制動燈開關常開變常閉，制動踏板開關常閉變常開。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-16吉利2017年款EV300純電動汽車電路圖3.換檔桿位置信號作用：識別駕駛員的R、N、D、P檔的控制，R位置用于啟動倒車檔，控制電機反轉輸出，N位置空檔停止電機動力輸出；D位置實現(xiàn)前進檔，控制電機正轉輸出；P位置駐車檔，停止電機輸出，并控制鎖止驅動輪。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知圖2-17吉利2017年款EV300純電動汽車電路圖3-1如圖2-17所示，換檔桿位置信號為開關信號，一般大多采用雙冗余設計。有開關式、光電開關式、電阻編碼式、霍爾式。信號有單線串行輸出（如圖中的GSMIN信號)、雙線串行輸出型（也稱CAN型）、多線輸出型（也稱并行輸出型）。4.總線信號作用：通常起網(wǎng)關的作用，診斷儀通過網(wǎng)關與車上其它控制單元通訊。如圖所示為PCAN和VCAN分別是動力總線CAN網(wǎng)絡與車輛電氣CAN網(wǎng)絡。5.互鎖信號作用：在高壓產(chǎn)品被開蓋、高壓產(chǎn)品的低壓控制連接器或高壓供電連接器斷開時，能及時斷開高壓供電，保證人員和汽車設備安全。具體見本章第三節(jié)互鎖信號電路。四、

純電動汽車冷卻控制1.熱量的產(chǎn)生（1）電動汽車的電機生熱電機定子線圈的銅損生熱和電機渦流損耗生熱，這部分熱功率大小隨電機的定子線圈流過的電流大小有關，也與電流的頻率大小有關，兩者越大，產(chǎn)生熱損數(shù)量越大，最大時可達到幾個千瓦，是全車的主要項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知熱源。電動汽車電機的溫度測量點設計在電機的定子線圈內部，通常采用一個或兩個溫度傳感器進行測量，兩個溫度傳感器可以實現(xiàn)冗余控制。（2）電動汽車的電力電子元件生熱1）變頻器生熱在進行直流-交流變換過程中，變頻器的三相全橋逆變器變換中會產(chǎn)生熱功率，熱功率從幾十個瓦到幾百個瓦之間，是電力電子元件生熱功率最大的元件。1）變頻器生熱在進行直流-交流變換過程中，變頻器的三相全橋逆變器變換中會產(chǎn)生熱功率，熱功率從幾十個瓦到幾百個瓦之間，是電力電子元件生熱功率最大的元件。2）DC/DC轉換器生熱在進行直流-直流變換過程中，DC/DC轉換器的H型逆變橋電力電子開關元件及變壓器元件等要有熱量產(chǎn)生，熱功率從幾十個瓦到一、二百瓦之間。3）車載充電機內部的電力電子變換元件項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知車載充電機內部的電力電子變換元件在進行交流-直流變換中要有一定的熱功率產(chǎn)生，熱功率從幾十個瓦到一、二百瓦之間。4）PTC加熱器內部的電力電子變換元件PTC加熱器并不是需要散熱的熱源，但電動PTC加熱器在加熱時的電力電子元件也會生熱，產(chǎn)生的熱功率最大幾十個瓦是需要散熱的熱源。變頻器、DC/DC轉換器、車載充電機及PTC加熱器的溫度測量點通常設計在電力電子開關模塊內部或直接測量散熱器的散熱板，通常采用多個溫度傳感器對不同位置進行測量，即可實現(xiàn)傳感器冗余控制功能，也有局部損壞異常的監(jiān)測功能。【專家指導】電機是電動汽車的主要熱源，但電機本身允許的工作溫度確比電力電子元件高，所以在進行溫度控制時，以電力電子元件產(chǎn)品中測量的溫度和允許的溫度作為冷卻控制的主要依據(jù)。內置在電動壓縮機內部的三相全橋逆變器也是熱源之一，但可以通過流過電動壓縮機制冷劑冷卻，所以不用額外制定冷卻措施，即不用水泵和風扇參與工作。2.開關軟關斷電動汽車的電力電子元件在打開和關閉時才有較大的熱損耗，若通過電容和電感諧振技術，使電力電項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知子開關在導通時處于無電壓導通，二極管在整流時處于無電流截止，則可大大減小電力電子元件生熱。【技師指導】在實際工作中，由于冷卻液不足、水泵不工作、風扇不工作、電力電子元件和散熱板之間傳熱不良等導致軟關斷的情況較多，這種情況只要進行散熱能力處理即可解決。3.電動水泵控制在點火開關打到READY后，全車的高壓元件處于電力電子變換的等待狀態(tài)，這時雖沒有大量的熱量產(chǎn)生，通常在電動水泵己工作使冷卻液在冷卻水道中循環(huán)。水泵電機的控制有開關控制和PWM脈沖控制兩種。4.電動冷卻風扇轉速等級為實現(xiàn)汽車電機、變頻器、DC/DC、車載充電機和PTC加熱器等冷卻而組成冷卻系統(tǒng)簡稱為電動汽車冷卻系統(tǒng)，這個冷卻系統(tǒng)的執(zhí)行器有電動冷卻水泵和電動冷卻風扇。【專家指導】電動冷卻風扇的轉動受冷卻系統(tǒng)和空調系統(tǒng)兩個系統(tǒng)共同控制，電動冷卻風扇電機轉速等級按兩者所確定輸出的最高等級進行控制。電動冷卻風扇轉速等級有低速和高速兩級式和多級轉速控制兩種。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務一

車輛控制單元認知為實現(xiàn)電動汽車的高壓元件在修理人員操作時的安全，也為避免非專業(yè)修理人員的強行錯誤操作產(chǎn)生電擊，電動汽車在高壓元件上設計有互鎖開關。

一、互鎖開關分類1.從互鎖線路經(jīng)過的插頭種類進行分類，分為高壓互聯(lián)鎖開關（插頭）和低壓互聯(lián)鎖開關（插頭）。【專家指導】互鎖開關是為高壓元件設計的，應統(tǒng)一稱為高壓互鎖開關，但從修理角度人們習慣分為低壓互鎖開關和高壓互鎖開關。（1）什么是高壓互聯(lián)鎖開關高壓互聯(lián)鎖開關也稱高壓互鎖插頭。第一種情況是指高壓元件的外部高壓電纜插頭上的U型線，這段U型線在脫開高壓電纜與高壓元件殼體時，高壓元件殼體上高壓插座的互鎖線路被斷開。第二種情況是指高壓元件外殼體為防止非專業(yè)人員在未下高壓電的情況下進行強拆造成觸電危險，在高壓元件的內部增加微動開關或U型線，當高壓元件殼體蓋子被拆下時，微動開關或U型線斷開，高壓互鎖線路被斷開。（2）什么是低壓互聯(lián)鎖開關低壓互聯(lián)鎖開關也稱低壓互鎖插頭，是指為實現(xiàn)高壓元件的外部高壓電纜插頭上的U型連接或高壓元件的開蓋防護而從高壓元件的外部殼體低壓插頭處接入的互鎖線，低壓互鎖插頭脫開高壓互鎖線路被斷開，項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務二

高壓互鎖控制高壓互鎖線路被斷開。2.從高壓互鎖線路是否全部經(jīng)過所有高壓部件，分為一套互鎖線路和多套互鎖線路。（1）一套互鎖線路一套互鎖線路是指全車所有的高壓元件，如VCU、車載充電機、電池箱、變頻器、電機、空調壓縮機、PTC加熱器、DC/DC轉換器等高壓元件全部串入這套互鎖線路中。通常采用VCU作為互鎖線路的監(jiān)控單元。（2）多套互鎖線路多套互鎖線路是指全車所有的高壓元件，如VCU、車載充電機、電池箱、變頻器、電機、空調壓縮機、PTC加熱器、DC/DC轉換器等高壓元件全部串入這套互鎖線路中。通常采用VCU、車載充電機、電池管理系統(tǒng)作為各套互鎖線路的監(jiān)測。3.從高壓互鎖線路是否能精確判定高壓斷開位置，分為只判定高壓互鎖電路有斷開，不判定哪個元件斷開和能精確判定元件斷開位置。（1）不能精確判定元件斷開位置目前，通常大多數(shù)高壓互鎖線路的是這樣的結構。（2）能精確判定元件斷開位置項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務二

高壓互鎖控制通過電阻編碼可實現(xiàn)元件位置斷開的精確監(jiān)測，甚至能在診斷儀中用圖形顯示元件的斷開位置。4.根據(jù)互鎖檢查線路的信號源的信號型式可分為直流電壓型和脈沖電壓型。如果互鎖開關電路的信號源是一個穩(wěn)定的直流電壓源，則稱為直流電壓型；如果互鎖開關電路的信號源是一個脈沖電壓源，則稱為脈沖電壓型。二、典型互鎖開關電路如圖2-18所示為典型電動汽車的互鎖電路，其工作原理如下：車輛控制單元（VCU）內的恒壓源或脈沖源經(jīng)上拉電阻流出電流，電流經(jīng)低壓插座進入變頻器（功率電子單元）內部，經(jīng)變頻器內部一個開蓋檢測開關后再經(jīng)低壓插座流出進入車載充電機的低壓插件流入，經(jīng)高壓插座內的U形線和開蓋檢測開關流出進入到電動空調壓縮機的低壓插件流入，經(jīng)高壓插座內的U形線流出，再經(jīng)低壓插件流出進入空調PTC加熱控制單元的低壓插件，經(jīng)高壓插座內的U形線流出，再經(jīng)低壓插件流出，流出的電流可直接接地，也可接回車輛控制單元（VCU）。【技師指導】有的電動汽車將充電機（OBC）的開蓋互鎖開蓋開關作為車載充電機的一個獨立互鎖電路，由車載充電機控制單元進行管理。對于電池和檢修塞通常也采用一個獨立的互鎖系統(tǒng)，由電池管理系統(tǒng)進行管理。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務二

高壓互鎖控制三、互鎖開關的診斷1.確定互鎖開關是否上碼項目二

車輛控制單元認知與故障診斷圖2-18典型互鎖開關電路（請按圖處理）任務二

高壓互鎖控制有些電動汽車在設計上出現(xiàn)高壓元件被開蓋、斷開高壓線束和低壓線束時車輛控制單元（VCU）會生成故障碼并點亮車輛控制單元（VCU）故障燈（紅色帶有嘆號的車輛形燈）。但是也有一些車型在設計上出現(xiàn)高壓互鎖電路斷開時，并不點亮車輛控制單元（VCU）故障燈。2.互鎖開關的測量（1）優(yōu)選電壓法斷開高壓元件的低壓線束，用萬用表電壓檔測量每個高壓元件的低壓插座的輸入線，如圖2-19(a)點、(b)點、(c)點、(d)點，這樣測量的原因是斷開高壓元件的插頭后，下游電路無電壓，只需測量高壓元件的流入電壓。測量分析：比如測量點(b)對地電壓和車輛控制單元（VCU）的電源相等時，即可判定之前的互鎖電路沒有斷開，可向后查找(c)、(d)點。（2）次選電阻法互鎖電阻法：測量時需要斷開蓄電池負極，對互鎖線路進行逐段測量，較麻煩，同時有些點測量受空間限制無法測量。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務二

高壓互鎖控制【專家指導】上述是理論的檢修方法，實際操作仍要結合車型測量是否方便確定實際方案。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷圖2-19電壓法測量互鎖電路（請按圖處理）任務二

高壓互鎖控制一、填空題1.汽車的行為是

和

共同控制的結果；2駕駛員將

、

、

信號輸入到整車控制器；3.VehicleControlUnit=VCU，譯為“

”或“

”；4.電機控制器MCU是

的英文縮寫；5.P檔（或按下P檔開關）時駐車電機經(jīng)減速機構制動駐車棘輪，阻止

轉動。

二、判斷題1.電機控制器位于電機變頻器內部（

）；2.電動汽車的高壓部件有動力電池、高壓配電箱、變頻器、電機、車載充電機、DC/DC轉換器、空調PTC加熱器等（

）；3.高壓部件中變頻器、電機、DC/DC轉換器、車載充電機四個部件需要采用冷卻液進行冷卻。（

）；4.在純電動汽車的制動系統(tǒng)仍采用真空助力器對雙腔串聯(lián)制動總泵進行助力（

）；項目二

車輛控制單元認知與故障診斷本項目理論工單5.電動汽車的電動真空泵受ABS的制動控制單元控制（

）；三、單選或多選題1.整車控制器（VCU)的功能有（

）。A.向總線發(fā)送轉矩信號B.網(wǎng)關功能C.控制冷卻D.對制動力進行分配2.CAN總線的兩條線的名稱是（

）。A.CAN-LB.CAN-HC.BPD.BM3.電動汽車互鎖電路診斷法（

）A.電壓診斷法B.電阻診斷法C.電流診斷法D.電容診斷法4.電動汽車冷卻風扇轉速控制有（

）。A.兩檔轉速控制B.多檔轉速控制C.變頻變速控制D.液壓馬達流速控制5.一套互鎖線路是指全車所有的高壓元件，包括（

）。A.VCUB.車載充電機C.電池箱D.變頻器E.電機F.空調壓縮機G.PTC加熱器H.DC/DC轉換器項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務二

高壓互鎖控制一、任務布置高壓無法上電就緒（無法READY），汽車儀表中整車控制器的故障燈點亮，用診斷儀讀取故障碼，提示：高壓互鎖故障。

如果你是接車的技術人員，應如何解決本故障，修理方案應如何制定。二、工作任務分配按照前面所了解的知識內容，落實各項工作負責人(見表2-1)，如任務實施前的準備工作、實施中主要操作及協(xié)助支持工作、實施過程中相關要點及數(shù)據(jù)的記錄工作等。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務三

高壓互鎖引起的高壓無法上電的故障排除圖2-1工作任務分配三、操作步驟合理性評估和糾正教師提供資料或相類似的視頻進行提示，以幫助學生完成主要工作步驟的填寫(見表2-2)。教師評估通過后，方可進行具體操作實施。學生可先行在草紙上進行，任務實施中若有改變需經(jīng)教師再次評估，以確認安全和可行。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務三

高壓互鎖引起的高壓無法上電的故障排除表2-2主要工作步驟用填寫用表四、任務實施前的設備準備小組完成設備、工具和資料準備自檢表2-3。五、操作性的任務實施請小組在表2-4中完成高壓互鎖引起的高壓無法上電的故障排除工單。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務三

高壓互鎖引起的高壓無法上電的故障排除表2-3設備、工具和資料準備自檢表六、評價反饋以小組為單位進行自評，請對本小組的操作過程與操作結果進行自評，并將結果填入表2-5中。注：小組自評要能承受小組間互評的考驗，互評階段被其它小組找出扣分項，扣分加倍。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務三

高壓互鎖引起的高壓無法上電的故障排除表2-4高壓互鎖引起的高壓無法上電的故障排除工單項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務三

高壓互鎖引起的高壓無法上電的故障排除表2-5小組自評表六、評價反饋以小組為單位進行自評，請對本小組的操作過程與操作結果進行自評，并將結果填入表2-5中。注：小組自評要能承受小組間互評的考驗，互評階段被其它小組找出扣分項，扣分加倍。項目二

車輛控制單元認知與故障診斷任務三

高壓互鎖引起的高壓無法上電的故障排除表2-4高壓互鎖引起的高壓無法上電的故障排除工單項目三鋰離子電池認知與故障診斷項目三

鋰離子電池認知與故障診斷

一、情境引入電動汽車儀表上出現(xiàn)紅色蓄電池符號，蓄電池符號側面帶有一個感嘆號，經(jīng)查為動力電池故障燈。經(jīng)診斷儀讀取故障碼為電池電芯嚴重損壞如果你是接車的技術人員，應如何解決本故障，修理方案應如何制定。二、學習目標能說出三元鋰離子電池的特點；能說出磷酸鐵鋰鋰離子電池的特點；能說出全固態(tài)鋰離子電池的特點；能說出吉利電池箱內電池的特點；能畫出電池箱的內的結構示意圖；能說出電池箱的制冷和制熱原理；能更換純電動汽車電池箱；能更換純電動汽車電池箱內的一組電池.三、素養(yǎng)目標1.能通過溝通協(xié)作完成任務，具有團隊合作意識；2.培養(yǎng)認真分析、自行探索解決問題的能力。項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知

一、鋰離子電池組成及原理目前（2017年），實用商品化的純電動汽車統(tǒng)一采用鋰離子電池，就目前來判斷，未來很長一段時間仍只有鋰離子電池。1.鋰離子電池組成鋰離子電池主要由電極、隔膜、電解質和外殼組成。正極主要為含鋰的化合物，常見的正極材料包括鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、三元材料（NCM）、磷酸鐵鋰（LFP）等。負極大多采用石墨作為負極材料。隔膜是一層具有電絕緣特性的物質，它可以把正負極分隔開，具有使電解質中離子通過的能力。常用的電解液通常為有機物。外殼有鋼殼、鋁塑膜，其中鋁塑膜大多由耐磨層、鋁層、防腐蝕層、粘結層幾部分組成，其中耐磨層是電池的外表面，可以防止汽車長期運行中電池位置錯動引起的磨損，鋁層可以起到防止水分進入的作用。

下面重點介紹普通鋰離子電池、磷酸鐵鋰（LiFePO4）和固態(tài)鋰離子電池三種。2.不同鋰離子電池特點目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是氧化鈷鋰（LiCoO2），另外還有少數(shù)采取氧化錳鋰(LiMn2O4)和氧化鎳鋰(LiNiO2)以及三元材料[Li(NiCo)O2]作為正極材料的鋰離子電池，不同正極材料鋰電項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知池放電曲線如圖3-1所示。普通鋰離子電池有如下優(yōu)點。（1）普通單體電池工作電壓高達3.7V，電壓是鎳氫電池的3倍，是鉛酸電池的近2倍。（2）重量輕，比能量大，高達150Wh/Kg，是鎳氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍,因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一。（3）體積小，高達到400Wh/L，體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。（4）提供了更合理的結構和更美觀的外形的設計條件、設計空間和可能性。圖3-1不同正極材料鋰電池放電曲線對比項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知（5）循環(huán)壽命長，循環(huán)次數(shù)可達1000次。以容量保持60%計，電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達到600次以上，使用年限可達3-5年，壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。（6）自放電率低，每月不到5%。（7）允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，鋰離子電池可在-20℃～+55℃之間工作。（8）無記憶效應，所以每次充電前不必象鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時隨地的進行充電。（9）電池充放電深度，對電池的壽命影響不大，可以全充全放。（10）無污染，鋰電池中不存在有毒物質，因此被稱為“綠色電池”。鈷酸鋰電池和三元材料鋰電池具有重量更輕，體積更小等優(yōu)點，但是這種電池不是特別適合作動力電池。另外，鈷酸鋰電池的主要原材料金屬鈷元素在我國儲量極少，目前80%的金屬鈷元素基本靠進口，在我國難以大規(guī)模使用。最后由于這種鋰電池比能量高，材料穩(wěn)定性差，鋰電池容易出現(xiàn)安全問題，如果單體容量過大，一旦產(chǎn)生爆炸將十分危險。不過最近幾年電動汽車電池生產(chǎn)技術的提高，大量采用三元材料鋰電池的電動汽車越來越多。3.磷酸鐵鋰項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知1997年美國人發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰（LiFePO4）模型，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰（LiFePO4）是適合做動力電池的一種材料，從下面磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池性能優(yōu)點我們可以看出，磷酸鐵鋰電池是目前適合用于電動汽車產(chǎn)業(yè)化運用的鋰離子電池。（1）磷酸鐵鋰電池優(yōu)點1）高效率輸出標準放電為2～5C、連續(xù)高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（10s）可達20C。2）高溫時性能良好外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃電池的結構安全、完好。3）安全性好即使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸。4）循環(huán)容量大經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%。傳統(tǒng)的鋰離子電池的有機電解液存在耐熱性問題。由于有機電解液具有揮發(fā)性，所以操作溫度最高限制在60℃左右。因此，如果沒有冷卻系統(tǒng)，在高溫環(huán)境中無法使用傳統(tǒng)的鋰離子電池。因此要應用于高溫環(huán)境，需要研發(fā)出不易揮發(fā)的固體電解質。然而，固體電解質的鋰離子傳導性比有機電解液低，因而必須降低項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知全固態(tài)鋰離子電池的內阻才能投入商用。4.全固態(tài)鋰離子電池所謂全固態(tài)鋰離子電池簡單來說就是指電池結構中所有組建都是以固態(tài)形式存在，而如今傳統(tǒng)的商業(yè)化的鋰離子電池則是液態(tài)鋰離子電池即電解液是液態(tài)溶液狀。具體來說就是把傳統(tǒng)鋰離子電池的液態(tài)電解液和隔膜替換為固態(tài)電解質，一般是以鋰金屬為負極，也可是石墨類及其他復合材料，結構如圖3-2所示。

圖3-2液態(tài)鋰離子電池(左)，固態(tài)鋰離子電池(右)項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知對比各自的優(yōu)缺點如下：液態(tài)電解質優(yōu)點：工業(yè)化自動化程度高、較好的界面接觸、充放電循環(huán)電極膨脹相對可控、單位面積的導電率高。缺點：易揮發(fā)易燃燒的電解質導致其安全/熱穩(wěn)定性較差、依賴于形成SEI膜、鋰離子和電子可能同時傳導。全固態(tài)電解質優(yōu)點：高安全/熱穩(wěn)定性(針刺和高溫穩(wěn)定性極好，可長期正常工作在60-120℃條件下)；可達5V以上的電化學窗口，可匹配高電壓材料；只傳導鋰離子不傳導電子；由于固態(tài)電解質存在可以在電池內串聯(lián)組成高電壓的單體電池；簡化冷卻系統(tǒng)，提高能量密度；可使用在超薄柔性電池領域。缺點：充放電過程中界面應力受影響；單位面積離子電導率較低，常溫下比功率差；成本極為昂貴；工業(yè)化生產(chǎn)大容量電池有很大困難。5.鋰類電池通用原理無論是高壓（3.7V）鋰離子電池，還是低亞（3.2V）鋰離子電池其基本原理是相同的。各種鋰離子電池內部主要由正極、負極、電解質及隔離膜組成，正負極及電解質材料上不同工藝上的差異使電池有不同的性能，尤其是正極材料對電池的性能影響最大。下面以磷酸鐵鋰（LiFePO4）為例說明其工作原理：磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池的結構與工作原理（如圖3-3），磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知極與負極隔開，鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移。在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。圖3-3磷酸鐵鋰（LiFePO4）結構示意圖項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知【技術指導】鋰離子電池工作原理中正極是由含有鋰離子的金屬氧化物組成，負極一般是石墨構成的晶格，充電時鋰離子由正極向負極一端移動，最終嵌入由石墨構成的穩(wěn)定的晶格中。可以容納鋰離子的晶格越多，可以移動的鋰離子越多，電池容量越大。

二、鋰離子電池箱1.鋰離子電池箱組成動力系統(tǒng)（電力驅動系統(tǒng)）的鋰離子電池部分包括鋰離子的電池箱、鋰離子電池本身、高壓配電箱、鋰離子電池的管理系統(tǒng)組成。電池管理系統(tǒng)的主要監(jiān)測內容如下：一是每一塊鋰離子電池的電壓；二是電池的充電電流或放電電流；三是電池箱內的溫度，負責在鋰離子電池過冷時加熱電池，在電池過熱時通過降溫的溫度管理系統(tǒng)。四是高壓配電箱中各繼電器開關閉合或斷開的反饋信號。當高壓絕緣檢測功能不獨立成控制器時，高壓絕緣檢測也由電池管理系統(tǒng)完成，所以輸入信號增加漏電電流檢測功能。2.鋰離子電池箱名牌如圖3-4所示為吉利（GEELY）帝豪EV300純電動汽車的電池箱標牌。電池采用三元鋰離子電池，電池供應廠家為寧德時代（CATL）。電池的標稱電壓為346V，電池容量為120Ah，電池的重量416kg。用電壓（V）×容量（Ah)=346×120=41.52Kwh，即可充入41.52Kwh（或度）的電能。項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知3.鋰離子電池箱蓋為了在汽車車身下側布置電池箱，電動汽車電池箱一般設計成如圖3-5所示，這樣最大程度的增加了電池的數(shù)目，不會特別影響底盤的通過性。電池箱的上蓋一般采用玻璃鋼材料制作，重量輕，電絕緣和熱絕緣效果好。電池下部底拖板采用金屬制作，在底拖板的外緣設計有與車身底部連接的螺栓孔，通過大量的螺栓將電池箱通過這些螺栓孔連接在車身底側上。電池箱從車上抬下或抬上要采用電池的舉升機(見圖3-5）來輔助完成，沒有電池舉升機是十分困難和相當危險的。圖3-4三元鋰離子電池圖3-5電動汽車電池箱及電池箱舉升機的外觀項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知4.電池箱分解在分解電池箱前，為了安全起見，一定要取下檢修塞，并妥善保存，以防被誤插回。拆下鋰離子電池上蓋的沉頭螺栓（見圖3-6），再拆下上蓋和下拖板間的大量螺栓即可取下上蓋。在車輛高壓系統(tǒng)檢修時，要拔下電池箱上的檢修塞插頭后，才能安全地在汽車高壓上作業(yè)。檢修塞內裝有銀質直流保險絲，檢修塞和檢修塞座之間的插撥是有次數(shù)限制的。在要拆開電池箱時，也必須將檢修塞從檢修塞座取下（見圖3-7），并妥善保管。圖3-6內置保險絲的檢修塞插頭位置圖3-7拔下內置保險絲的檢修塞插頭項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知如何拆開電池箱的上蓋？首先，取下電池箱檢修塞位置的4個沉頭螺栓（見圖3-8），在電池箱后側抬起，并向前推上蓋，保證前部高壓電纜引出座從電池上蓋中讓出，取下上蓋，可見到如圖3-9所示的電池箱的內部結構。5.鋰電池的成組化鋰離子電池箱內的電池通常采用多個電池并聯(lián)增大容量，這些并聯(lián)的電池再串聯(lián)成為一組（見圖3-10），多組電池再串聯(lián)成為電池箱內的動力電池。圖3-8取下電池箱檢修塞位置的4個沉頭螺栓圖3-9取下上蓋的電動汽車鋰離子電池箱項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知什么是電池組的3P5S或3P6S？比如吉利的電池組分成兩種，一種是3P5S，另一種3P6S。3P的意思是說，3個40Ah的鋰離子電池并聯(lián)成為120Ah，P譯為并聯(lián)Parallel，5個這樣的120Ah電池串聯(lián)成為一組，S譯為串聯(lián)Serial。同理，3P6S是6個這樣的120Ah電池串聯(lián)成為一組（見圖3-11）。采用3P5S和3P6S分組是根據(jù)底盤所能允許的空間造成的，設計者是想設計成一個同樣的組，但受于空間限制，設計成兩組樣式更適合電池箱的形狀。不同電池組之間通過橙色扁電纜連接形成組與組的串聯(lián)。為了對不同組做區(qū)別，要在電池的側面標出電池是如何串聯(lián)的，同時電池組之間也要編號，比如M1、M2至M17，而具體是兩種組可參見圖3-12。圖3-10三并六串的一個電池組圖3-11電池的串并聯(lián)項目三

鋰離子電池認知與故障診斷任務一

鋰離子電池認知表3-1列出了吉利電動汽車EV300的電池箱說明。一、電池管理系統(tǒng)功能1.電池管理系統(tǒng)簡稱電池管理系統(tǒng)簡稱BMS，是BatteryManagementSystem的縮寫。2.電池管理系統(tǒng)自診斷圖3-12吉利EV300電動汽車的電池的兩種串并聯(lián)結構表3-1吉利電池說明任務二

電池管理系統(tǒng)功能及故障診斷項目三

鋰離子電池認知與故障診斷如圖3-13所示為吉利EV300電池箱，上側寫有CATL的黑盒為電池管理系統(tǒng)、下側盒內為高壓配電箱。（1）溫度控制功能通過對熱的電池箱制冷或對冷的電池箱加熱，以控制電池箱溫度在一定范圍內，保持電池箱內電池具有良好有充電和放電能力。在一定時間內，若電池箱溫度仍不能被控制到正常溫度范圍，電池管理系統(tǒng)則通過變頻器對電機進行限流，并生成故障碼存貯在電池管理系統(tǒng)，并點亮儀表故障燈。圖3-13上側黑盒為電池管理系統(tǒng)、下側為盒為高壓配電箱任務二

電池管理系統(tǒng)功能及故障診斷項目三

鋰離子電池認知與故障診斷（2）高壓配電箱繼電器控制和診斷功能電池箱內通常設計有高壓配電箱，配電箱內有控制電池直流輸出的繼電器、直流充電隔離繼電器等，這些繼電器要由電池管理系統(tǒng)控制，同時這些繼電器的診斷也由電池管理系統(tǒng)完成。其主要內部實物電池管理系統(tǒng)ECU（見圖3-14），電池管理系統(tǒng)ECU（CATL寧德時代供貨）上兩端口為繼電器開關監(jiān)測端口。電池管理系統(tǒng)對供電繼電器組和充電繼電器組進行控制和故障監(jiān)測（見圖3-15），繼電器的結構可參見圖3-16中的正極主繼電器、正極預充繼電器、負極主繼電器、正極充電預充電器、直流充電隔離繼電器。任務二

電池管理系統(tǒng)功能及故障診斷圖3-14電池管理系統(tǒng)ECU圖3-15上電繼電器組控制和故障監(jiān)測項目三

鋰離子電池認知與故障診斷（3）電池SOC計算電池串聯(lián)充電，各電池電流相同；電池串聯(lián)放電，各串聯(lián)電池放電電流也相同。電池管理系統(tǒng)通過電池總電壓確定一個初始容量值，以后的容量根據(jù)充電和放電的電流積分來確定容量是下降，還是上升了。則生成故障碼存貯在電池管理系統(tǒng)，并點亮儀表的故障燈。（4）電池電壓和溫度測量功能任務二

電池管理系統(tǒng)功能及故障診斷圖3-16吉利EV300、EV350和EV450高壓網(wǎng)絡項目三

鋰離子電池認知與故障診斷利用電池組的電壓采集模塊采集電池電壓和電池溫度。圖3-16所示為車身右側電池組溫度和電池單體電壓監(jiān)測模塊，共CSC1、CSC5、CSC6、CSC9四個模塊。圖3-17所示為車身左側電池組溫度和電池單體電壓監(jiān)測模塊，共CSC2、CSC3、CSC4、CSC7、CSC8五個模塊。（5）電池故障診斷功能電池管理系統(tǒng)通過電池組的監(jiān)測模塊傳遞過來的相應電池組的電池單體電壓、電池組的溫度、通過電池電纜的電流計算電池是否處于故障狀態(tài)。若單體電池或單組電壓過高或過低時，超過偏差上下限，則生成故障碼存貯在電池管理系統(tǒng)，并點亮儀表的故障燈。電池管理系統(tǒng)還可以檢查電池的正極和負極與車身的絕緣電阻是否正常。任務二

電池管理系統(tǒng)功能及故障診斷圖3-16電池組溫度和電池單體電壓監(jiān)測模塊圖3-17電池組溫度和電池單體電壓監(jiān)測模塊項目三

鋰離子電池認知與故障診斷如圖3-18所示為電池組單體電壓和溫度監(jiān)測模塊，其左端黑色口為控制和通訊、右黃色端口為兩個電池組的電壓和溫度信號線）。（6）信息共享功能將電池的電量（SOC）、電池電壓、電池電流、診斷數(shù)據(jù)等加載到總線上去。二、電池箱溫度管理系統(tǒng)診斷鋰離子電池在低于零下10℃或高于零上60℃時較難工作，為此電動汽車有一套電池溫度管理系統(tǒng)，以任務二

電池管理系統(tǒng)功能及故障診斷圖3-18電池組單體電壓和溫度監(jiān)測模塊項目三

鋰離子電池認知與故障診斷保證鋰離子電池在充電和放電時能正常工作。1.鋰離子電池冷卻如圖3-19所示為吉利EV300純電動汽車的水冷式溫度控制系統(tǒng)，可見的兩根硬塑管是熱或冷的防凍液的進出管。電池的制冷和制熱通過圖3-20所示的兩個熱交換器來完成，左側為電池加熱，右側為電池冷卻。電池箱中的電池冷卻路徑如下圖3-21所示。電池的加熱過程如下：電池儲液罐內裝有防凍液，防凍液經(jīng)車底下側的電池溫控冷卻液泵加壓工作，防凍液經(jīng)電池熱交換器，由于PTC加熱器沒有向電池熱交換器提供熱的防凍液，所以防凍液溫度不變。防凍液繼續(xù)流動過程中經(jīng)電池冷交換器，自動空調的制冷劑流經(jīng)電池任務二

電池管理系統(tǒng)功能及故障診斷圖3-19吉利EV300（2017款）電動汽車電池箱防凍管（左進右出）圖3-20左側銀白色為PTC加熱的熱交器、右側銀白色為空調制冷的冷交換器項目三

鋰離子電池認知與故障診斷冷交換器，防凍液溫度傳遞給制冷劑，防凍液溫度降低，防凍液流經(jīng)裝有進水溫度傳感器的電池進管，經(jīng)M16、M17電池組加熱器進入，經(jīng)M1、M14、M13電池組回流到電池溫控冷卻液泵入口處，形成一個循環(huán)。M1至M17為鋰離子電池組，包括3P5S或3P6S兩種。當液中有氣體時，氣體從電池溫控冷卻液泵的出口向上將氣體導入電池儲液罐上部。任務二

電池管理系統(tǒng)功能及故障診斷圖3-21吉利EV300電池溫度控制系統(tǒng)項目三

鋰離子電池認知與故障診斷2.鋰離子電池加熱電池的冷卻過程如上圖3-21所示：電池儲液罐內裝有防凍液，防凍液經(jīng)車底下側的電池溫控冷卻液泵加壓工作，防凍液經(jīng)電池熱交換器，PTC加熱器工作向電池熱交換器提供熱的防凍液，熱交換后，升高溫度的防凍液繼續(xù)流動過程中經(jīng)電池冷交換器，自動空調的制冷劑不流經(jīng)電池冷交換器，沒有冷熱交換過程。熱的防凍液流經(jīng)裝有進水溫度傳感器的電池進管，經(jīng)M16、M17電池組加熱器進入，經(jīng)M1、M14