《新能源汽車電力電子技術》：第五章新能源汽車控制器及傳感器課件

1、新能源汽車電力電子技術任務1 磁電位置傳感器原理與應用建議課時：2學時知識目標（1）知道磁電位置傳感器的特點及應用；（2）能理解電磁感應的原理與磁電位置傳感器工作原理；（3）能使用示波器測量磁電位置傳感器的輸出波形，做出準確分析；（4）正確規(guī)范的使用實訓板，養(yǎng)成良好的新能源汽車維修職業(yè)素養(yǎng)。教學目標學習目錄 內(nèi)容結構 任務導入每個車輪上各安裝一個磁電傳感器，把車輪的轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)換成傳感器的輸出信號。ABS控制單元根據(jù)各此信號，控制制動過程中各車輪的制動力大小，保證汽車的制動方向穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生側滑和跑偏。本實訓通過搭建電路，學會測量磁電位置的輸出波形，學習磁電傳感器基本原理，并通過規(guī)范的操作，養(yǎng)

2、成良好的職業(yè)素養(yǎng)。知識鏈接1：磁電位置傳感器的認知知識準備磁電式傳感器正常工作時無需外接電源，是利用磁電感應來測量物體轉(zhuǎn)速的一種傳感器。在新能源汽車領域，用于測量驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，主要是依靠信號盤的鐵齒感應線圈來產(chǎn)生輸出信號。該傳感器制造成本低，工作可靠，安裝方便，在傳統(tǒng)發(fā)動機汽車和新能源汽車中都廣泛使用。知識鏈接2：磁電位置傳感器的工作原理知識準備磁電位置傳感器工作原理如圖5-1-1所示，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)盤上的磁極周期性地劃過檢測線圈，從而在檢測線圈附近產(chǎn)生周期性的磁場變化，即線圈兩端產(chǎn)生周期性的感應電壓?？刂茊卧鶕?jù)線圈感應出的電流值和脈沖次數(shù)計算出電機轉(zhuǎn)子的磁極位置和轉(zhuǎn)速信號，作為電

3、機的控制參考信號。圖 5-1-1磁電位置傳感器工作原理知識鏈接3：磁電傳感器的特點知識準備磁電式傳感器因為結構簡單，運行過程無需供電，如圖5-1-2所示。輸出的是交流電壓信號，控制單元根據(jù)單位時間內(nèi)電壓脈沖的多少，計算出車輪的轉(zhuǎn)速，從而間接測量出汽車的行駛速度。 圖5-1-2 磁電傳感器信號處理示意圖知識鏈接4：磁電位置傳感器在新能源汽車的應用知識準備磁電位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為邏輯開關電路提供正確的換相信號，以控制它們的導通與截止，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向，形成旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。新能源汽

4、車電力電子技術任務2 霍爾傳感器原理與應用建議課時：4學時知識目標（1）知道什么是霍爾效應；（2）能理解霍爾電流、轉(zhuǎn)速、位置傳感器的原理；（3）知道霍爾電流、轉(zhuǎn)速、位置傳感器在新能源汽車上的應用；（4）能通過實訓使用萬用表測量霍爾電流、位置傳感器的特性輸出；（5）能通過實訓使用示波器測量霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的波形，并做出正確分析；（6）正確規(guī)范的使用實訓板，養(yǎng)成良好的新能源汽車維修職業(yè)素養(yǎng)。 教學目標學習目錄 內(nèi)容結構 任務導入隨著汽車技術的發(fā)展，特別是新能源汽車的出現(xiàn)，傳統(tǒng)接觸式傳感器的局限性越來越明顯?；魻杺鞲衅骶邆渑c被測對象無接觸的優(yōu)點，所以新能源汽車逐漸使用霍爾傳感器來取代傳統(tǒng)接觸式傳感器。

5、本實訓通過搭建電路，測量霍爾傳感器工作特性，學習霍爾傳感器的基本原理，并通過規(guī)范的操作，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。知識鏈接1：霍爾效應知識準備一個正常通電的導體中，如果對其施加一個垂直于電流流動方向的磁場，則在洛侖茲力的作用下，電子的運動軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并在導體兩側產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流和磁場方向的電場。最后電子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。這個現(xiàn)象就是霍爾效應，如圖5-2-1所示。 圖5-2-1 霍爾效應現(xiàn)象知識鏈接2：霍爾電流傳感器的原理知識準備霍爾電流傳感器利用的是霍爾效應原理，如圖5-2-2所示，主要組成有：霍爾原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、

6、線圈和放大電路等。當有電流通過聚磁環(huán)時，在導線周圍會產(chǎn)生磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，聚磁環(huán)的磁場會使霍爾元件產(chǎn)生相應的輸出電壓。由于導線周圍產(chǎn)生的磁場較弱，霍爾電壓信號較低，需要經(jīng)信號放大器進行放大后輸出給控制單元。圖5-2-2 霍爾電流傳感器電路示意圖知識鏈接3：霍爾電流傳感器的應用知識準備動力電池控制系統(tǒng)中廣泛應用霍爾電流傳感器，該傳感器安裝在高壓電池箱內(nèi)，如圖5-2-3所示，主要檢測高壓電池的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)。當傳感器檢測到電池放電出現(xiàn)異常情況時，會向電池管理系統(tǒng)BMS發(fā)出信號，控制單元及時地斷開動力電池的電壓輸出，以防發(fā)生安全事故或造成電池損壞。圖5-2-3 電流傳感

7、器安裝位置知識鏈接4：霍爾位置傳感器的原理知識準備霍爾位置傳感器是由磁塊和霍爾元件組成，如圖5-2-4所示，霍爾元件放在磁導體的中間，磁場產(chǎn)生的磁力線可以穿過霍爾元件。磁塊隨著被測物體的運動而改變與霍爾元件的相對位置，此時磁力線穿過霍爾元件的角度就會發(fā)生變化，從而霍爾元件輸出的電壓也會產(chǎn)生相應的變化。 圖5-2-4 霍爾位置傳感器組成知識鏈接5：霍爾位置傳感器在新能源汽車的應用知識準備如圖5-2-5所示，霍爾位置傳感器主要由磁鐵和霍爾1C芯片組成。霍爾1C芯片安裝在加 速踏板的心軸上固定不動，兩個磁鐵安裝在加速踏板的旋轉(zhuǎn)部件上，可隨加速踏板一起動作。 工作時，與加速踏板聯(lián)動的永久磁鐵隨加速踏板

8、的動作一起旋轉(zhuǎn)，改變磁鐵與霍爾元件之間的 相對位置，從而改變了磁力線射人霍爾元件的角度，也就改變了霍爾元件輸出的電壓值?；魻栐敵龅碾妷褐蹬c加速踏板內(nèi)的磁鐵位置有一一對應的線性關系，霍爾元件的輸出電壓就可以反映加速踏板所處的位置。其主要作用是給控制單元提供兩個信息：加速踏板的位置信號和加速踏板位置變化的速度，控制單元根據(jù)這兩個信號來控制電機的動力輸出。圖5-2-5 加速踏板位置傳感器電路示意圖知識鏈接6：霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的原理知識準備霍爾傳感器由霍爾元件和磁性轉(zhuǎn)盤組成，如圖5-2-6所示，磁性轉(zhuǎn)盤與輸出軸連接。當轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，磁性轉(zhuǎn)盤也隨轉(zhuǎn)軸1：1地轉(zhuǎn)動，所以固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾元件能感應到

9、磁場的交替變化?；魻栐诿總€小磁場的經(jīng)過產(chǎn)生一個對應的脈沖電壓，通過計算單位時間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，可以間接計算出被測軸的轉(zhuǎn)速。 圖 5-2-6 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器知識鏈接7：霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在新能源汽車的應用知識準備大部分品牌的新能源汽車使用的是霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器安裝在動力系統(tǒng)的輸出軸上。該信號用于汽車儀表系統(tǒng)顯示車速、用于巡航定速系統(tǒng)的車速反饋和制動過程中ABS 控制制動力的分配等等。新能源汽車電力電子技術任務3 熱敏傳感器原理與應用建議課時：4學時知識目標（1）能夠描述什么是熱敏電阻；（2）能夠使用萬用表對熱敏電阻進行檢測；（3）能描述NTC與PTC在新能源汽車上的應用；（4）能夠通過

10、實訓測量NTC與PTC工作特性，正確做出分析；（5）正確規(guī)范的使用實訓板，養(yǎng)成良好的新能源汽車維修職業(yè)素養(yǎng)。教學目標學習目錄 內(nèi)容結構 任務導入溫度是物體冷熱程度的物理量，熱敏式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電參數(shù)變化的傳感器。熱敏電阻器按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。一般來說，新能源汽車采暖系統(tǒng)利用PTC作為發(fā)熱源，NTC作為溫度傳感器。本實訓通過搭建電路，測量NTC和PTC兩種熱敏電阻的工作特性，并通過規(guī)范的操作，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。知識鏈接1：熱敏電阻的認知知識準備熱敏電阻的特點是對溫度的變化敏感，并且處于不同的溫度表現(xiàn)出不同的阻值大小，

11、工作溫度范圍寬和體積小。按照溫度系數(shù)的不同可以分為：正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC），如圖5-1-3所示。其中正溫度系數(shù)的熱敏電阻器（PTC）隨著溫度的升高時，電阻值跟隨著變大；與之相反，負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）隨著溫度的升高時，電阻值跟隨著變小。圖5-3-1 熱敏電阻 NTC PTC知識鏈接2：熱敏電阻的檢測方法知識準備正溫度系數(shù)熱敏電阻器PTC的檢測：萬用表選用歐姆擋，分別用表筆夾住熱敏電阻PTC的兩引腳，測出實際的阻值大小，然后使用熱敏電阻靠近已加熱的電烙鐵，觀察萬用表的讀數(shù)變化。如果萬用表顯示的讀數(shù)逐漸升高，并且變化到一定數(shù)值時，讀數(shù)逐漸穩(wěn)定，則說明

12、熱敏電阻PTC正常。如果萬用表顯示的若阻值無明顯變化，則說明熱敏電阻損壞，不可以繼續(xù)使用。負溫度系數(shù)熱敏電阻器NTC的檢測方法類似，此處不再贅述。圖5-3-2 熱敏電阻溫度-電阻特性圖知識鏈接3：NTC在新能源汽車上的應用知識準備動力電池在放電時發(fā)熱嚴重，所以在電池箱內(nèi)安裝了NTC熱敏電阻溫度傳感器，實時監(jiān)測環(huán)境溫度。當溫度超過達到設定的閾值時，處理器會及時切斷電源，這樣不僅避免動力電池損壞，而且有效保護駕駛員的人身安全。知識鏈接4：PTC在新能源汽車上的應用知識準備新能源汽車空調(diào)暖氣的制熱方式和傳統(tǒng)汽車不一樣：傳統(tǒng)汽車利用發(fā)動機冷卻液來取暖，不需要額外消耗發(fā)動機能量。新能源汽車需要消耗額外的

13、電能，使用PTC加熱器通電發(fā)熱來取暖。一般新能源汽車的暖氣系統(tǒng)空氣通過PTC加熱器的加熱后，從出風口直接吹入車內(nèi)，如圖5-3-3所示，實現(xiàn)車內(nèi)采暖功能。而且采用PTC加熱器有一個好處：當外界溫度比較低時，PTC電阻值較小，此時發(fā)熱效率反而會高，所以采用PTC加熱器具有節(jié)能、恒溫和使用壽命長等特點。但也存在一個問題：PTC加熱采暖對動力電池的電量消耗大，嚴重影響了新能源汽車的行駛里程。知識鏈接4：PTC在新能源汽車上的應用知識準備圖5-3-3 PTC空調(diào)加熱新能源汽車電力電子技術任務4 CAN總線控制原理建議課時：2學時知識目標（1）能描述CAN總線系統(tǒng)及CAN總線的優(yōu)點；（2）能夠掌握CAN總

14、線的結構組成與工作原理；（3）能使用示波器測量CAN總線數(shù)據(jù)的波形；（4）能根據(jù)波形分析出CAN總線工作狀態(tài)；（5）正確規(guī)范的使用實訓板，養(yǎng)成良好的新能源汽車維修職業(yè)素養(yǎng)。教學目標學習目錄 內(nèi)容結構 任務導入新能源汽車逐步朝智能化轉(zhuǎn)變，汽車電子化的程度越來越高，電子控制模塊之間交換的數(shù)據(jù)也越來越大。目前新能源汽車上普遍采用CAN總線系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息能夠?qū)崟r共享，同時減少線束的使用數(shù)量。本實訓通過搭建電路，學習CAN總線系統(tǒng)的組成及控制原理，并通過規(guī)范的操作，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。知識鏈接1：CAN總線的認知知識準備 CAN總線，英文全稱為“Controller Area N

15、etwork”，是電腦控制器局域網(wǎng)，也是目前汽車上使用最廣泛的總線之一。CAN總線最早應用在汽車的動力控制系統(tǒng)中，用于動力系統(tǒng)電子控制裝置ECU之間交換信息，如圖5-4-1所示。一個由CAN總線構成的網(wǎng)絡單元，理論上可以接出無數(shù)個節(jié)點。而在實際的應用中，節(jié)點數(shù)目會受到硬件的物理特性限制。CAN可提供速度高達1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使汽車的電子控制更加優(yōu)化，效率更加的突出。圖5-4-1 CAN總線結構圖知識鏈接2：應用CAN總線的優(yōu)勢知識準備由于汽車各個系統(tǒng)要實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，就需要非常多的線束連接，而使用大量的線束會造成成本升高和故障率增加。理論上使用CAN總線可以在兩條線上面掛接無數(shù)個控

16、制單元，這就可以直接實現(xiàn)控制單元之間數(shù)據(jù)互通，減少了線束的使用，降低了故障率的發(fā)生。為了滿足各控制單元的信息及時傳遞，更好地控制車輛，所以對數(shù)據(jù)的傳輸速度有很高的要求。目前新能源汽車使用的CAN總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度非常高，可達到1Mbit/s，如圖5-4-2所示。圖 5-4-2 CAN總線速度圖知識鏈接3：CAN總線的結構知識準備CAN總線系統(tǒng)的組成，如圖5-4-3所示：收發(fā)器:具有接受和發(fā)送信息的功能，將控制器上傳的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖叫盘枺⑿盘査偷綌?shù)據(jù)傳輸線。終端電阻：防止數(shù)據(jù)在線的盡頭端被反射，影響數(shù)據(jù)的正常傳輸。傳輸線：雙向數(shù)據(jù)線，由高低雙絞線組成。圖5-4-3 CAN總線結構

17、知識鏈接4：CAN總線的工作原理知識準備當某一個控制單元在CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，它的數(shù)據(jù)會傳送給CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)中所有的控制單元。對于其它控制單元來說，如果判斷該數(shù)據(jù)有用，則會接收并處理。如果判斷該數(shù)據(jù)無用，則會忽略。而且不同的控制單元中有不同優(yōu)先的等級，其中動力系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的優(yōu)先級最高。如果幾個控制單元同時發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級高的控制單元發(fā)出的數(shù)據(jù)優(yōu)先被其它控制單元接收的。CAN總線的數(shù)據(jù)特征：兩根信號線電壓差為0V時，表示邏輯1；兩根信號線電壓差為2V時，表示邏輯0。 圖5-4-4 CAN總線位電平特點知識鏈接5：CAN總線在新能源汽車上的應用 知識準備新能源電動汽車的主要控制單元有：車輛控制單元，整車網(wǎng)關、電池管理BMS、驅(qū)動電機控制單元、轉(zhuǎn)向控制控制單元、充電系統(tǒng)控制單元、故障診斷控制單元、車身電器控制單元系統(tǒng)連接。車身動力系統(tǒng)：電機驅(qū)動控制單元通過CAN總線將驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、電流和工作模式等一些數(shù)據(jù)發(fā)送到總線。其他控制單元會自動獲取需要用到的信息，同時也會將各自的信息上傳到總線。