模块八--特斯拉纯电动汽车的工作原理与故障诊断

知识目标1.了解特斯拉纯电动汽车的结构和工作原理。2.理解特斯拉纯电动汽车的故障诊断方法。能力目标1.能在现场掌握特斯拉纯电动汽车的结构及工作原理。2.能在现场掌握特斯拉纯电动汽车故障的诊断方法。模块八特斯拉纯电动汽车的工作原理与故障诊断内容：一、特斯拉纯电动汽车动力系统的组成及运行二、特斯拉纯电动汽车高压电池系统故障诊断三、特斯拉纯电动汽车行驶不正常故障诊断四、特斯拉纯电动汽车其他故障诊断为解决日益突出的环境问题，很多传统车企都在尽其所能地改进技术，一方面继续改进传统燃油汽车的各项技术，力争提高燃油燃烧效率，减少有害物质排放；另一方面，大力发展新能源汽车，包括采用纯电驱动的汽车、混合使用多种不同种类能源的汽车等。特斯拉是一家成立于2003年、总部位于美国硅谷的电动车公司，主营业务为纯电动汽车。与传统车企不同的是，在特斯拉成立之前，人们所面临的环境问题已经十分严峻，因而，特斯拉成立之时就已经将环保理念融入品牌之中。自2008年发布第一款两门运动型跑车Roadster之后，特斯拉已经陆续发布了ModelS、ModelX和Model3等多款车型，续航里程不断增加。下面以型号为ModelS，电池电量为85kWh的特斯拉纯电动汽车为例，详细介绍特斯拉纯电动汽车。一、特斯拉纯电动汽车动力系统的组成及运行作为纯电动汽车，特斯拉的整车可以分为电池、动力总成（电机）和电控系统3个主要部分。图8-1所示为特斯拉整车分解示意图。高压电池作为整车的能量来源，安装于车身底部，负责能量的输出和储存。由于电池本身质量较大，因而可以显著降低整车的重心，增强车辆的稳定性。驱动单元包括三相交流感应电机、单级变速箱、逆变器。其中电机作为整车的动力来源，安装于车辆的后悬挂上，为车辆的行驶提供动力；单级变速箱将电机的旋转传输到驱动轴；逆变器可以使电流在直流和交流之间进行转换，从而满足不同用电器的需求。图8-1特斯拉整车分解示意图1—车身；2—前悬挂；3—驱动电机；4—空气弹簧；5—后悬挂；6—电池包1.高压电池1）特斯拉电池的优点纯电动汽车使用的电池多为锂电池，使用较为主流的有圆柱形的三元锂电池和方形的磷酸铁锂电池。特斯拉使用的是18650三元锂电池。其中，18650是型号，18表示直径为18mm，65表示高度为65mm，0表示为圆柱形电池。尽管特斯拉使用的18650锂电池有诸多不足，但特斯拉仍然采用了这种电池，其理由如下：（1）成熟的工艺。此类电池作为消费级的产品已经有了15年的使用经验，这种先进技术的积累能够满足汽车电池领域中的使用，可以推动需求、提高能量密度以及降低成本。松下的电池技术领先全球，其生产规模也是首屈一指的，产品缺陷率控制得较好。（2）较高的性价比。18650电池有大量的生产商，加之特斯拉对该电池的大量需求，使其对电池生产厂商有较强的议价能力，在同等性能下能够较好地控制成本。（3）可控的安全性能。电池单体的尺寸较小，一方面每节单体能量可控，另一方面很多节电池之间的关系都是并联的，因而个别电池单体出了问题不会影响到其他电池单体，可以减弱故障可能带来的影响。相比而言，使用方形大容量电池的车辆，其电池单体之间往往都是串联关系，因而如果某一节单体出现了问题，就会影响到整个电池包，从而给整车的运行带来较严重的影响。2）电池的性能特斯拉公司是使用圆柱形三元锂电池的代表，使用由7000节左右的电池单体组成的电池包，该电池组的基本参数见表8-1。车型ModelS动力电池包电压356.4V动力电池包总电量85Wh动力电池包总质量544kg普通充电时间10.5h快速充电时间4.5h能量密度156Wh/kg表8-1特斯拉高压电池组的基本参数特斯拉完整的电池包内部结构实物图如图8-2所示，可以看出，其电池排列得非常紧密，这有利于加大空间利用率。图8-2特斯拉完整的电池包内部结构实物图特斯拉电池单体如图8-3所示，目前使用的型号主要为18650锂电池，平均电压约3.6V，由日本松下公司生产，其正极材料为钴酸锂，负极材料为金属锂，具有良好的一致性。特斯拉电池砖由77个单体通过并联组成，每个电池砖对外输出电压为3.6V。特斯拉电池模块如图8-4所示，9个电池砖通过串联组成了电池模块，其对外输出电压为3.6×9=32.4V。特斯拉电池包如图8-5所示，11个电池模块通过串联组成了整个高压电池包，其对外输出的电压约为32.4×11=356.4V。在特斯拉高压电池包的组装形式里，串联提高了电池的电压，并联提高了电池的容量。特斯拉通过特定的组装形式，使电池组达到最终所需的电压和容量。图8-3特斯拉电池单体图8-5特斯拉电池包图8-4特斯拉电池模块3）电池安全性电池排列紧凑虽然可以最大化减少空间占用，然而，这也给如何为数量巨大的电池提供有效的保护措施，为排列紧密的电池提供良好的散热提出了更高的要求。由于电池的高容量及电池材料钴酸锂自身特性的限制，其高温状态下的稳定性较差，尤其在受到剧烈震动或强烈撞击时，很可能起火燃烧甚至发生爆炸，事实上，目前已经有了类似案例。因此，特斯拉采用多种措施保证电池足够安全。（1）丰富的保险措施。在特斯拉的电池包中，每节18650电池的正负两极均装有保险丝，由电池单体组成的每两个电池砖之间均装有保险装置，由电池砖组成的每两个电池片之间也装有保险装置，整个电池包的输入和输出端还安装有总保险丝，这些保险装置能在单元出现过热或通过的电流过大时自行熔断，避免某单元出现的问题影响整个电池包的安全。除此之外，电池包内部还使用大量的绝缘防护，防止电池受到冲击，产生短路引发危险。（2）加强对电池参数的监控。对整个电池包进行状态监控，保证电池包各项参数的正常，对保证电池的安全有十分重要的意义。特斯拉在每个电池模块中均加入了电流监控装置，通过该装置来监控电池模块中每个电池砖的状态。这一装置不仅仅监测电流，还可以监测电池的电压、工作温度、每个电池砖的相对位置等。除此之外，安装在电池包中的BMS可以对整个电池包的状态进行监控，当发现意外情况时，可以及时做出相应的操作。（3）增强的结构保护。为保证电池不受直接撞击，所有的电池，包括导线、管路及控制系统等全部被厚重的金属外壳包裹，外壳两侧还安装有加强筋和框架。在电池包的内部，每个电池模块都有纤维板保护，每两个电池模块之间有金属梁隔开，可避免电池与电池之间直接碰撞。每两个电池模块之间还有防火墙，防止某个电池模块起火后，火势蔓延到其他模块。（4）良好的散热措施。一方面，与方形电池不同，特斯拉所采用的18650电池单体本身的圆柱形增加了单体之间的空隙，因而其散热性能更好，温度更加均匀；另一方面，电池模块与模块之间的隔离板内部充有乙二醇水溶液，该溶液既可以处于静止状态，又可以处于流动状态，可以有效地带走热量。（5）加强的车身结构。相比于传统的燃油汽车，特斯拉纯电动汽车结构简单，没有发动机、变速器以及多种连接装置，因而车身下有较大空间。在这些空间里，可以通过加装加强筋等方式增加车辆在受到撞击时的溃缩距离，从而更好地吸收撞击能量，防止电池受到巨大的冲击。（6）良好的乘员保护措施。一方面，特斯拉在电池包和驾驶舱之间安装有防火墙，在电池起火时，延缓火势蔓延到驾驶舱的速度，从而增加乘员逃生时间；另一方面，特斯拉的安全监控系统可以实时监控电池包的安全状况，当电池包出现严重的安全问题时，警报系统可以及时采用各种形式的信息将警报信息告知乘员，让乘员及时远离车辆，保证安全。2.动力总成1）概述动力总成由3个部分组成，分别为三相交流感应电机、单级变速箱、逆变器。这3个部分组成了一个不可拆分的整体，其形态如图8-6所示。（1）三相交流感应电机。与普通燃油汽车不同，为纯电动汽车提供动力的装置是驱动电机，它的性能决定了汽车行驶过程中的各项指标。特斯拉使用的电机并非通常电动汽车使用的永磁同步电机，而是三相感应交流异步电机。图8-7所示为特斯拉使用的驱动电机。图8-6特斯拉动力总成1—三相交流感应电机；2—逆变器；3—单级变速箱图8-7特斯拉使用的驱动电机传统的永磁同步电机使用的转子是永磁体，在工作时，定子产生一定频率的旋转磁场，输出电磁转矩，转子在电磁转矩的作用下旋转，其转子的转速与定子产生的磁场的转速是相同的。而交流异步电机的转子是没有磁性的，在定子产生磁场的时候，转子的绕组在运动的磁场中感应出电流，并在磁场的作用下旋转，其转子的转速比定子产生的转速慢。如图8-8所示为三相感应交流异步电机的总体结构。图8-8三相感应交流异步电机的总体结构三相异步电机的转子绕组结构形式分为笼型转子和绕线转子两种，特斯拉使用的就是笼型转子的。笼型转子绕组的形状很像一个鼠笼（见图8-9），这个鼠笼是镶嵌在转子铁心里的（见图8-10）。为兼顾导电性与经济性，鼠笼通常是铜质的，是由多条铜条与两个铜端环组成，铜条和铜端环之间有良好的电连接。图8-9笼型电机的鼠笼图8-10笼型电机的笼型转子当鼠笼放在有旋转磁场的定子铁心中间时，通有三相交流电的定子铁心会产生旋转磁场。磁场旋转时，鼠笼的铜条会切割磁感线产生感应电流，通有电流的铜条会在安培力的作用下旋转起来。由于鼠笼是镶嵌在转子铁心里的，鼠笼的旋转就会带动转子铁心的旋转，从而向外输出功率。相比于永磁同步电机，异步电机具有结构简单、容易制造、价格低廉的优势，但其调速性能较差，速度控制不如同步电机精确。好在随着技术的不断发展，异步电机的这些不足已经能够克服，不仅如此，异步电机还有很多同步电机不及的优点。①能耐受大幅的温度变化。永磁同步电机中的磁铁通常都是硅钢片经过磁化之后得来的，其磁性来源于内部大量有序排列的“元磁体”。当磁铁处于高温状态下时，硅钢片的分子将剧烈运动，这种运动会破坏永磁体中“元磁体”的有序性，从而减弱或破坏永磁体的磁性。而异步电机不需要任何具有磁性的物质，其磁场伴随交流电的产生与消失，因而其耐温性比永磁同步电机更好。②扭矩调整范围大。永磁同步电机由于自身特性的原因，调速范围较窄，其高速运行状态难以达到纯电动汽车的要求，因而往往需要加装变速箱。事实上，在第一代的特斯拉Roadster中，也采用了较低功率的异步电机结合变速箱的形式，只是后来采用了更高功率的异步电机后，电机的调速范围才可以大范围调整，扭矩的调整范围也随之增大，也就无须加装变速箱与传动机构了。③体积小、质量轻。由于对温度的耐受性较好，异步电机不需要安装很强劲的冷却装置。除此之外，特斯拉所采用的三相交流异步电机具有非常宽的调速范围，不需要加装变速器和传动机构，就可以直接与驱动桥相连，整车结构大为简化。正因为有以上两点，再加上特殊的优化方式，特斯拉所使用的动力机构体积小（只有一个西瓜的大小）、质量轻（仅为52kg），具有极高的功率密度。（2）单级变速箱。通常，由于受到电机最高转速的限制，在驱动装置与驱动轴之间都需要连接一个变速器，该装置通过增加电机的输出扭矩降低电机的转速，使电机一方面可以继续加大转速，另一方面可以输出更大的扭矩，从而适应电动汽车的高速行驶。由于特斯拉ModelS使用的电机转速范围很宽，其最高转速可达15000r/min，已经可以适应高速行驶的要求，因而无须使用多级变速箱，但是由于机构连接的关系，特斯拉使用了单级减速箱，与通常车辆上的主减速齿轮类似，该部件仅仅将电机的转速降低，将电动机输出扭矩增大，并传输到驱动轴，并完成左右车轮的差速，没有变速作用。（3）逆变器。纯电动汽车驱动电机使用的是三相交流电，而蓄电池输出输入的为直流电，两者不能通用。如何让两者之间实现转换，是所有纯电动汽车都需要面对的问题。逆变器就是为了实现交流电与直流电的转换而设计的。车辆行驶时，直流电从蓄电池输出，逆变器将直流电根据驾驶员的驾驶意图转换成了具有一定频率和强度的三相交流电，并输送到驱动电机。汽车在进行能量回收时，驱动电机成为发电机，其产生的三相交流电经过逆变器之后，转换为一定电压的直流电，输入蓄电池。特斯拉使用的逆变器的供应商是已被英飞凌科技公司收购的美国国际整流器公司（InternationalRectifier），其峰值功率可达320kW，最大可承受1500A的电流，具有很强