比亚迪e5高压电控总成的组成原理和检修方法（图）
06-17
1.比亚迪e5车高压电控总成的组成
2015年至2018年产的比亚迪e5车采用第2代e平台，高压电控总成安装在车辆的前舱。
高压电控总成的安装位置
1.1 高压电控总成的组成
（汽车维修技术网 原创 https://www.QcwxJs.com/)
高压电控总成是将纯电动汽车的双向交流逆变式电机控制器（VTOG）、车载充电器（OBC）、高压配电箱和DC-DC转换器这4个高压电控装置合为一体，又称“高压四合一”。
（1）VTOG控制器
该控制器为电压型逆变器，利用IGBT将直流电转化成交流电，其主要功能是通过收集挡位信号、加速踏板信号、制动踏板信号等来控制电机，根据不同工况控制电机的正反转、功率、扭矩、转速等，即控制电机的前进、倒退、维持车辆的正常运转。此外，还具备充电控制功能，能进行交直流转换，双向充放电控制。该控制器总成分为上、中、下3个单元，上、下层为电机控制单元和充电控制单元，中间层为水道冷却单元。
（2）车载充电器
车载充电器是指固定安装在纯电动汽车上的充电器，根据高压电池管理系统（BMS）提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。
（3）高压配电箱
高压配电箱的功能主要是将高压电池的高压直流电供给整车高压电器，接收车载充电器或非车载充电器的直流电，给高压电池充电，同时还具有电流检测、漏电监测等其他辅助检测功能。
（4）DC-DC转换器
DC-DC转换器是电动汽车动力系统中很重要的组成部分，通过DC-DC转换器给低压电池充电，与低压电池一起为低压电器系统供电。
1.2 高压电控总成的功能
（1）高压电控总成的外部接口
高压电控总成外部接口分为高压接口和低压接口两部分。高压接口有电池包高压直流输入接口（直流母线正极接口、直流母线负极接口）、电机三相（三相交流输出）接口、交流充电（输入交流）N与L1相接口、交流充电（输入交流）L2与L3相接口、直流充电输入接口、空调电动压缩机接口、加热器PTC接口。低压接口有DC-DC输出接口、VTOG控制器低压接口、高压配电箱低压控制接口。
高压电控总成前侧
高压电控总成左侧
高压电控总成后侧
高压电控总成右侧
（2）高压电控总成的内部模块布局
高压电控总成内部主要部件有VTOG控制器（控制板、IGBT驱动板、IGBT）、电容（660 μF母线电容总成、70 μF、25 μF）、接触器、霍尔电流传感器、车载充电器总成、电感及电感温度传感器、继电器电路板模块等。
B）下侧
C）上侧爆炸图
高压电控总成内部模块布局
（3）高压配电箱
高压配电箱主要由接触器、霍尔电流传感器、预充电阻、高压电池包正负极输入接口组成。接触器由BMS控制，用于充放电。
高压配电箱组成
（4）漏电传感器
本车采用直流漏电传感器。当高压系统漏电时，漏电传感器发送信号给BMS，BMS接收到漏电信号后根据漏电情况马上报警或断开高压系统，以防止对人或物品造成伤害和损失。
漏电传感器
（5）VTOG控制器
VTOG控制器由上、下两块电路板组成，上方为控制板，下方为IGBT驱动板。IGBT驱动芯片采用1ED020I12FA2芯片。IGBT总成固定于IGBT驱动板上，其控制极G、控制极E通过弹簧与电路板上的电路连接，该总成上还有用于检测其工作温度的温度传感器（热敏电阻）。
此车VTOG控制器预留有车辆对放电排插供电功能（VTOL）及车辆对车辆放电功能（VTOV），可通过转向盘上的按键进行设置。
VTOG控制器主要有驱动控制与充电控制两大功能。驱动控制（放电）是采集加速踏板、制动踏板、挡位、旋变等信号，实现前进、倒车、减速或制动时正反转发电功能；具有高压输出电压和电流控制功能；具有电压跌落、过流、过温、IPM过温、IGBT过温保护、功率限制、扭矩控制限制等功能；具有电控系统防盗、能量回馈控制、主动泄放、被动泄放控制等功能。充电控制具有交直流转换，双向充放电控制功能；具有自动识别单相、三相相序并根据充电电流控制充电方式，根据充电设备识别充电功率控制充电方式，根据车辆或其他设备请求信号控制车辆对外放电的功能；具有断电重启功能，即在电网断电后又供电时，可继续充电的功能；原版的高压四合一车型在直流充电时，具有直流充电升压功能，从而可使用一些输出电压低于比亚迪e5车的通用直流充电柜进行充电。VTOG控制器还包括CAN通讯、故障处理记录、在线CAN烧写及自检等功能。显然，进行驱动控制时电机的三相接触器处于接通状态，而充电控制时电机的三相接触器处于切断状态。DC-DC转换器及DC低压输出端子。DC低压输出端通过正极熔丝盒给低压起动铁电池充电并给整车低压电器系统供电。它用于功率不高于3.3 kW的单相交流充电设备充电的场合，适用的充电设备包括便携式充电器、3.3 kW壁挂式充电盒。使用功率大于3.3 kW的单相或三相交流充电设备充电则要经过VTOG控制器进行。拆下上盖的车载充电器，可以看出其有两块电路板，需拆下车载充电器内部的上部电路板后，再拆下变压器与下部电路板。该车高压电路中使用的电容为薄膜电容。薄膜电容的耐压可以达到1000 V DC以上，改善了电容的防潮性和抗温度冲击能力，工作环境温度可达105 ℃～125 ℃。主要由母线电容总成、直流充电升压器的70 μF电容及3个25 μF电容总成等组成。高压电控总成中采用了霍尔电流传感器来检测电流。为检测电流方向，有的采用了正、负电源供电。一般需要在线检测霍尔电流传感器的性能好坏，先检查其是否有“+15 V”“-15 V”的电源，若电源正常，则测试霍尔信号（“1 V”对应100 A）并与电源管理器的当前电流进行对比，从而判断霍尔电流的正常与否。（10）复合母排。高压电控总成中采用了复合母排技术，具有电气安全性高、电磁辐射小、传导发热小、集成度高等优点。如果车辆发生碰撞，BMS接收到安全气囊展开信号后，通过断开系统主接触器来切断高压电。漏电传感器主要监测与高压电池相连接的正极母线或负极母线与车身底盘间的绝缘电阻，来判定高压系统是否存在漏电。漏电传感器将漏电数据信息通过CAN通讯发送给BMS和VTOG控制器，然后采取相应保护措施。漏电判定及措施见表1所列。高压互锁保护分为结构互锁和功能互锁两部分。结构互锁是指车辆的主要高压连接器均带有互锁回路，当其中某个连接器带电断开时，BMS便会检测到高压互锁回路存在断路，为保护人员安全，将立即进行报警并断开主高压回路电气连接，同时激活主动泄放。功能互锁是指当车辆进行充电或插充电枪时，高压电控系统会限制车辆不能通过自身驱动系统进行驱动，以防发生安全事故。2015年产比亚迪e5车没有安装维修开关，2015年后产的比亚迪e5车安装维修开关，其高压互锁电路示意图如图所示。安装维修开关的高压互锁回路依次将BMS的端子BK45（A）/1、PTC模块的端子B52/1和端子B52/2、高压电控总成的端子B28（B）/22和端子B28（B）/23、高压电池包的端子KxK51/29和端子KxK51/30、BMS的端子BK45（B）/7串联起来。高压电控总成的高压互锁回路经母线“-”连接器、母线“+”连接器、PTC线束连接器、空调压缩机线束连接器依次串接起来。5 s内把预充电容电压降低到≤60 V，迅速释放危险电能，主动泄放模块的泄放电阻为7.5 Ω（标准）。2 min内把预充电容电压降低到≤60 V，被动泄放是主动泄放失效的二重保护。被动泄放电阻（标准75 kΩ）直接接于660 μF高压电容器正负极两端，上电后一直处于耗电状态，但电流很小，损耗可忽略不计。车身控制模块（MICU）采集到“制动踏板”与“起动按钮”命令后，由VTOG控制器与无钥匙系统模块（Keyless-ECU）进行防盗认证，认证成功后吸合IG1继电器并发送“起动开始”报文，通过网关发送给VTOG控制器和BMS。BMS得电且收到报文后，BMS先吸合预充接触器并进行自检，检查是否存在严重欠压、严重过压、严重漏电、严重过温、接触器烧结、高压互锁锁止等异常情况，如果检测存在异常情况则上电失败，如果未检测到异常情况，则吸合负极接触器，高压电池的高压电经过与预充接触器串联的限流电阻加载到VTOG控制器母线上，然后判断预充是否成功。VTOG控制器检测到母线上的电压达到高压电池额定电压的设定值时，通过CAN通讯向BMS反馈预充满信号，如果不预充直接接通接触器，由于母线电容在通电瞬间相当于短路状态，会使过大电流流过接触器，因而可能产生接触器烧结等不良后果，当无严重漏电信号、直流母线电压达到设定值且直流低压系统无低压警告时，BMS判定预充成功，BMS控制主接触器吸合，断开预充接触器，点亮OK灯，上电成功。比亚迪e5车的高压电控总成有多种版本，根据年款等有所变化，分原版高压电控总成与简版高压电控总成。比亚迪的漏电传感器有2种，一种接于正极，一种接于负极，两者不可互换。驱动电机时，3个电机接触器闭合，高压电经IGBT逆变桥（6个绝缘栅双极晶体管在ON和OFF间切换）变换出交流电并输送给电机，利用旋转变压器技术和空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制算法来控制电机正转（前进）或反转（倒车）。车辆减速或制动时，电机由车轮驱动，再生制动功能使电机起到发电机的作用，将电能存储到高压电池中。当使用便携式充电器或功率不大于3.3 kW的交流充电器进行充电时，VTOG控制器能自动识别出充电设备，并唤醒车载充电器，激活交流充电正极接触器，对高压电池进行充电。当使用功率大于3.3 kW的交流充电器进行充电时，在N相线与B相线（对电机一侧而言）间增加单相切换接触器，VTOG控制器收到单相充电指令时，控制单相切换接触器吸合，使B相线和N相线连接，由A相、B相作为L1相、N相线使用，充电枪连接插头需使用专用连接插头或其L2相、L3相不做使用的连接插头。当VTOG控制器收到单相充电指令时，控制单相/三相切换接触器其中的2个接触 器闭合，使三相充电插座的L1相、L2相与单相充电插座的L1相、N相线导通。系统收到充电指令时，将BMS允许的最大充电电流、供电设备最大供电电流和充电连接装置的额定电流相比较，VTOG控制器判断这三者中最小的充电电流，自动选择充电相关参数，同时系统对供电设备输送的交流电进行采样，VTOG控制器通过采样值计算出交流电电压有效值，再通过捕获来确定交流电频率，根据电压有效值和频率判断出交流电电制，根据电网电制选取控制参数。确定控制参数后，VTOG控制器控制继电器板的三相交流预充继电器和滤波电容继电器吸合，对直流侧母线电容进行充电，当电容电压达到规定值后吸合单相/三相切换接触器，同时断开继电器板的三相预充继电器，此时VTOG控制器发送PWM信号，控制双向DC/AC模块对交流电进行可控整流，再根据高压电池电压，对电压进行调节，最后把直流电输送给高压电池。在此过程中，VTOG控制器根据预先选定的目标充电电流和电流采样反馈的相电流，对整个系统进行闭环的电流调节，实现对高压电池进行充电。比亚迪e5车除了可采用交流充电方式外，还具有直流充电的快速充电方式。直流充电主要是通过充电站的充电柜将直流高压电直接通过直流充电口给高压电池充电。当使用的直流充电柜最大输出电压小于高压电池电压时，直流充电升压器工作，将下桥臂的增压IGBT置于ON，使直流充电柜的电力为电感充电。电感存储了电能，将下桥臂的增压IGBT置于OFF，电感产生感应电动势，使电压升至合适的充电电压，电流持续从电感中流出，通过上桥臂IGBT流入母线电容和高压电池。比亚迪e5 车高压电控总成采用日本松下公司生产的接触器，型号主要有AEV14012、AEV18012、AEV110122等，接触器的基本结构如图所示。有些接触器内部带有电路板，其控制线圈的电阻不能由连接器直接测量，如高压电控总成内的电机A、B、C三相接触器，其控制线圈的电阻在拆下电路板后测量约为3.4 Ω。实测各接触器控制线圈的电阻如图所示，在实际维修中一般先通过分析故障代码与数据流，以确定接触器是否存在工作不良的现象，再检查接触器低压端是否同时满足吸合时所需的电压及电流，即外围信号是否正常。高压配电箱内高压熔丝的好坏用万用表的通断挡进行测量。如果导通，则熔丝正常；如果不导通，则熔丝烧毁，需检查其负载是否正常，并进行更换。被动泄放电阻，应为75 kΩ左右。主动泄放模块上的泄放电阻，应为7.5 Ω左右。三相交流充电预充电阻应为33 Ω左右。母线电容预充电阻应为100 Ω左右。）
主动泄放模块上的泄放电阻
以母线电容总成为例进行电容检查。母线电容总成实际上包括5个电容，电容的检查一般使用电容表直接测量电容量，如果没有电容表，也可以用万用表电阻挡进行测量，但对于容量大的电容，由于充电时间太长，也不便于检查。
660uF母线电容原理图
图左上方为一相上桥臂和下桥臂的IGBT实物图，其侧面一般标有原理图，如图左下方所示。实际上上桥臂和下桥臂是由8个IGBT组成，上桥臂和下桥臂分别由4个IGBT并联，再将上桥臂和下桥臂串接起来，如图右侧所示。连接T1、T2的是热敏电阻（温度传感器）。测量上桥臂IGBT的二极管的导通性（反向不导通），在IGBT未触发状态下用万用表的二极管挡测量上桥臂“+”与“～”之间的反向导通性，显示不导通。在IGBT未触发状态下用万用表的二极管挡测量上桥臂“+”与“～”之间的正向导通性，显示导通，压降为0.34 V。在IGBT未触发状态下用万用表二极管挡测量下桥臂“～”与“-”之间的正向导通性，显示导通，压降为0.339 V，而反向不导通。用9 V电池作为电源接至G11触发上桥臂中的1号IGBT，用万用表的二极管挡测量上桥臂“+”与“～”之间的导通性，显示导通，压降为0.379 V。在触发上桥臂中的1号IGBT后，断开电源，1号IGBT的控制极C与控制级E仍保持导通。用万用表二极管挡测量上桥臂“+”与“～”之间的导通性，显示导通，压降为0.379 V。用螺丝刀将G11与Ex11短接放电后，上桥臂的1号IGBT的控制级C与控制级E不再导通，因其他3个IGBT也未触发，故上桥臂“+”与“～”不再导通。实际的电路板上4个IGBT是一同触发的。依次对上桥臂的其他3个IGBT进行触发，检查其导通性，检查前注意先短接控制级G与控制级E，使其内部电容放电。用相同方法可依次检查下桥臂的各个IGBT。DC-DC转换器总成内的电路板如图所示，可参考此图对DC-DC转换器进行相应检测。车载充电器总成内的下部电路板如图所示，可参考此图对车载充电器进行相应检测。车载充电器主要由熔丝、预充电阻、预充继电器、主继电器、共模电感、电容、霍尔电流传感器芯片、全桥整流器等组成。由于高压电控总成的重要功能是对电机进行驱动，可通过检查电机运转时的电流波形推断出驱动控制电路是否正常，实测的正常电流波形如图所示。旋转变压器信号的检测一般都需在线检测，旋转变压器装在电机上，由励磁绕组、正弦绕组、余弦绕组组成。旋转变压器的励磁信号是由VTOG控制器发出的，旋转变压器的正弦信号、余弦信号送入VTOG控制器，从而计算出电机的位置与转速，再根据位置信号确定IGBT的导通与关闭，从而控制电机的运行。可采用示波器来检查旋转变压器信号，在高压电控总成的低压接口位置进行检测。上电后，在静止状态下测得的旋转变压器信号波形如图所示，红色为励磁绕组信号、绿色为正弦信号，蓝色为余弦信号。励磁信号为10 kHz的正弦交流信号，交流电流进入励磁绕组，产生频率恒定的磁场，无论转子转速如何，频率恒定的磁场均会输出至正弦绕组和余弦绕组，转子为椭圆形，旋转变压器的定子与转子间的间隙随转子的旋转而变化，由于间隙的变化，正弦绕组和余弦绕组输出波形的幅值随转子位置的变化而变化。如果电机是运转的，转子与定子间的间隙就连续变化，正弦信号和余弦信号的幅值也就连续变化。VTOG控制器持续监视正弦信号和余弦信号的幅值，并形成虚拟波形，根据正弦信号和余弦信号幅值间的差异计算转子的绝对位置；根据正弦信号虚拟波形和余弦信号虚拟波形的相位差判定转子的旋转方向；根据规定时间内转子位置的变化量计算转子的转速。下图为实测的旋转变压器信号波形。(出自WWW.qсWxjs.com )
