奥迪Q5混合动力车高电压防护技术分析

1、9 汽车诊所 AUTOMOBILE MAINTENANCE 奥迪 Q5 混合动力车高电压防护技术分析 崔冠乔 1-双支撑气缸2-换挡拨叉轴3-气缸盖4-螺塞5-垫片6-螺堵7-自锁弹簧8- 自锁钢球9-自锁槽 图5带自锁双支撑气缸的结构简图 汽车维修2016.11 而使副箱能够在高低挡之间自由转 换；通过选择合适的弹簧 7 和钢球 8，并在换挡拨叉轴 2 尺寸对应部位 加工自锁槽 9， 使其不仅能保证自锁 功能， 而且不影响副箱在高低挡之间 的自由转换；通过 CAE 计算分析和 试验验证，优化了双支撑气缸的结 构， 增加加强筋， 使其强度更高， 能够 满足复杂的使用工况而不发生断裂， 并且在满足设计和使用要求的前提 下， 降低了气缸的重量， 单个气缸降 重达 0.14kg， 降低了气缸整体重量和 成本；针对气缸盖螺塞漏气现象， 将 螺塞 4 改为非标零件， 增加了螺纹连 接长度和预涂胶，并改变垫片 5 材 质， 提升密封性能。 三、结论 质量改进是公司一项非常重要 的工作， 我们通过对副箱气缸总成的 持续改进， 不仅掌握了整个产品改进 的流程，并从中学习和总结经验， 使 售后故障明显下

2、降， 大大提高了客户 满意度。 （作者单位： 陕西法士特汽车传 动工程研究院） ! 作为一汽-大众奥迪引进的首款 全混合动力车型，奥迪 Q5 Hybrid Quattro 无疑代表了当前全混合动力 技术的最高水准。 其混合动力系统由 TFSI 发动机和 1 套电力驱动系统采 用并联方式组成， 协同提供高效强劲 的动力输出。 其中永磁同步电机和锂 离 子 电 池 组 是 奥 迪 Q5 Hybrid Quattro 混合动力系统的重要组成部 分。永磁同步电机的输出功率可达 40kW， 扭矩可达 210N m， 在车辆行 驶过程中， 既起到电动机、 起动机的 作用，又能在减速过程中充当发电 机。 奥迪 Q5 Hybrid Quattro 混合动力 车的供电系统增加了高压电部件， 为 其提供和储存电量的锂离子电池组 包括 72 个电池单元，在 266V 的电 压下能够以 39kW 的功率持续输出 1.3kWh 的电量。如何保证在使用及 检修带有高压电系统的混合动力车 辆 时 的 安 全 性 ？ 奥 迪 Q5 Hybrid Quattro 在满足功能性、 舒适性、 动态 驾驶高性能表现以及超低油

3、耗表现 的同时， 将安全放到了首位。和每一 款奥迪车型一样，奥迪 Q5 Hybrid Quattro 遵守了严格的安全标准， 并 在奥迪 Q5 车型优秀的安全设计基 础上， 对电力驱动系统进行了十分周 全的保护。本文主要介绍奥迪 Q5 Hybrid Quattro 混合动力车结构上采 用的高电压防护技术。 一、奥迪Q5 Hybrid高电压系统 组成 1.电机 电机用于驱动车辆或者对内燃 机提供帮助， 它替代了车上的发电机 和起动机。 2.高压蓄电池 高压蓄电池用于存储电机所使 用的电能。该蓄电池由电机来充 电。 3.功率电子装置 功率电子装置按需要将各种不 同的电流形式进行转换， 以供相应的 用电器使用。 5 4 3 21 8 9 76 10 汽车诊所 AUTOMOBILE MAINTENANCE 图1奥迪Q5 Hybrid高电压系统组成 图3供电器正极到壳体的导线出现 绝缘故障，高压系统断电 图5IT网绝缘破坏情况 汽车维修2016.11 4.电动空调压缩机 电动空调压缩机替代了由发动 机来驱动的压缩机。 5.高压部件的电缆 高压部件的电缆都设计成橙色， 它们将部件彼此相连。无车身搭

4、铁， 正极和负极各有各的导线。 6.保养插头 如果拔下保养插头， 电驱动装置 将断电。 上述所有这些电气部件都安装 在行李箱内的备胎坑中， 它们的工作 电压为 240400V，它们之间的关系 见图 1。 二、奥迪Q5 Hybrid高电压系统 结构上的防护措施 1.采用名为 IT 网的高压电供电 网络结构， 高压元件有绝缘监控 供电系统的网络结构决定了从 供电器 （比如高压蓄电池） 到用电器 （比如电机 ） 的电能传输路径。 供电系 统的网络连接方式一般有 3 种， TN- 网， TT-网及 IT-网， 见图 2。 TN-网的特点是供电器 （如高压 蓄电池） 与车身连接， 用电器壳体不 与车身连接， 但是与起保护用的不带 电的地线连接; TT-网的特点是供电 器 （如高压蓄电池 ） 与车身连接， 用电 器壳体也与车身连接。 这 2 种系统存 在的问题主要是:如果从供电器 （如 高压蓄电池 ） 正极到壳体的导线出现 绝缘故障，无论当前行驶状态如何， 高压系统都 会立即被切 断（断电） ， 如 图 3 所 示。 而 IT - 网的特点是 供电器（如 高 压 蓄 电 池 ） 与车身 不连接，

5、是绝缘的，用电器壳体与车 身连接， 与车身等电位。它的特点之 一是设备的导电壳体接地。其优点 是:如果从供电器 （如高压蓄电池 ） 正 极到壳体的导线出现故障， IT 系统不 会断电， 如图 4 所示。 奥迪 Q5 Hybrid 车辆中所用的 高压网络就是 1 种 IT 网， 由于彻底绝 缘，所以就不会有电流流经车身或者 流向蓄电池。如果绝缘破坏， 见图 5。 如出现故障 1： 外导体和导电壳 电驱动装置的功率和控制电子装置（功率电子装置）JX1 图2供电系统的网络连接方式 图4供电器正极到壳体的导线出现 故障，高压系统不会被断电 A/C压缩机 主动放电高压系统 逆变器A37 AX1 30A F2 R M/G 3 电机（交流电）VX54 12V车辆电气系统 12V + - DC/DC转换器A19 保险丝 266V + - + + - 266V 保险丝 IT-网 T I T TT-网TN-网 T N 保险丝 266V + - 第1个故障第2个故障 高 压 蓄 电 池 I 汽车诊所 AUTOMOBILE MAINTENANCE 图6J840原理图 图7高压电缆 图8单芯高压电缆 图10有机

6、械编码和颜色编码的电缆插头 11 汽车维修2016.11 体或者地之间的绝缘故障， 这意味着 该导体接地了， 发生此故障无安全风 险， 系统仍能工作; 如出现故障 2： 从负极到壳体的 导线出现绝缘故障， 此时蓄电池管理 系统 （BMS ）会将高压系统切断 （断 电） ，同时系统 内会短路， 功率 电子装置内和 保养插头内的 保险丝会熔断， 高压系统无法 工作， 也无法重 新起动。 发生此 故障时电流可 能会流经全车 身， 所以此故障 有安全风险。 奥 迪Q5 Hybrid 在 外 导 体和零线对地 之间的绝缘， 由 1 个 绝 缘 监 控 装置 J840 （也叫绝缘监控器） 在时刻 监控着， 见图 6。每 30min， 其对高压 电网上的系统电压进行一次绝缘测 量， 以识别整个高压回路上的绝缘故 障， 整个高压回路包括高压蓄电池内 部、 动力线、 功率控制电子装置、 电驱 动装置电机的三相线和连接空调压 缩机 （包括空调压缩机 ） 的导线。 如果 出现绝缘故障 1， 组合仪表上会有黄 色警报信息; 如果出现绝缘故障 2， 组合仪表上会有红色警报信息。 2.高压正极和高压负极使用各 自

7、单独的高压线 （高压电缆 ） ， 插头和 连接均有接触保护， 高压元件上有安 全线 高压正极和高压负极通过各自 单独的导线与高压部件相连接， 车身 不用作地线 （搭铁 ） ， 见图 7。所有的 高压电缆都是有颜色的， 且有机械编 码。高压线采用特殊的高压电缆结 构， 有单芯高压电缆 （结构见图 8 ） 和 双芯高压电缆 （结构见图 9 ） ， 空调压 缩机用双芯高压电缆。 其中高压电缆 插头只能插拔 40 次，电缆的插头和 连接均有接触保护， 均有机械编码和 颜色编码， 见图 10。 安全回路线是个环形线路， 它穿 过所有的高压部件， 见图 11。 高电压系统通过蓄电池监控控 图9双芯高压电缆 133V 125A 266V 133V 安全回路 15号线 J840 CAN（碰撞） 编码代码 机械编码 接触保护 导体 颜色编码 导体 机械编码 接触保护 屏蔽 导电体（比如25mm2） 屏蔽 导线 锁 高压蓄电池 保养插头TW 保险丝S350 高压继电器 蓄电池调节控制单元J840 2根安全线 2个导体：正和负（24mm2） 屏蔽 高压正极触点和负极触点 安全线触点 12 汽车诊所 AUTO

8、MOBILE MAINTENANCE 图11穿过所有高压部件的安全线 AX1-高压蓄电池系统JX1-功率电子控制装置VX54-电机V470-电动空调压缩机 TW-保养插头J840-蓄电池监控控制单元TV44-安全插头 图12安全线原理图 图13蓄电池上的机械锁 图14功率电子装置内的DC/DC转换器 汽车维修2016.11 制单元 J840 来监控安全线的工作， 见图 12。功率控制电子装置 JX1 提 供 1 个约 10mA 的信号，J840 会分 析这个信号。安全线有 1 个 150 200 的电阻， 在高压蓄电池接头处。 如果安全线中断了， 那么高压触点也 就脱开了， 于是高压系统就关闭。在 高压部件脱开或者拔掉高压线时， 安 全线就中断了。 因此使用时不可在未 断开安全线的情况下就拔下高压插 头。安全线断路， 会导致高压系统立 即被切断。 3.高压蓄电池上装有机械锁， 有 可控的高压正极触点和高压负极触 点 高压蓄电池上有安全（保养 ） 插 头 TW。如果拔下了安全（保养） 插 头， 安全线就中断了， 见图 12。在拔 下安全（保养） 插头后最高电压为 133V DC （不可用

9、） ， 因此， 为保证高 压电系统正常工作，高压蓄电池上 装有机械锁， 见图 13， 以便不会轻 易拔下安全 （保养） 插头。另外高压 蓄电池上有可控的高压正极触点和 高压负极触点， 在识别出碰撞时， 蓄 电池调节控制单元 J840 会控制高 压继电器使蓄电池上的高压触点断 开， 见图 13。 4.功率电子装置内置电绝缘式 DC/DC 转换器和中间电容器 在功率电子装置内的 DC/DC 转 换器， 见图 14， 用于将 266 V 转为 12 V ，电气分离装置会将 DC/DC 转换器的初级线圈和次级线圈分离 开，与车身搭铁的连接仍是接在 12V 车载供电网络上， 因此， 初级线 圈和次级线圈之间就不会有电压 了。 功率电子装置内的中间电容器， 见图 15， 会进行主动和被动放电， 实 电机 功率电子装置 空调压缩机 高压蓄电池 保养插头 等电位连接 安全回路 高压线 安全线_原理图 TV44 V470 M 集成在高压插头上 HV+ HV- TW AX1 J840 T14ax T28jx T2VX JX1 DC DC 12V VX54 M/G W V U DC/ AC 高压电缆 安全线 安全插头 锁架 高压蓄电池的正极接口和负极接口 安全线 高压负极 高压正极 12V 12V！ 12V + - + - 0V！ 266V 13 汽车诊所 AUTOMOBILE MAINTENANCE 发 动 机 烧 机 油 原 因 分 析 及 故 障 诊 断 流 程 裴 保 纯 图16混合动力车上的警告和图示标签 图15功率电子装置内的中间电容器 汽车维修2016.11 现辅助保护， 通过放电可以消除功率 电子装置内电容器上的残余电压。 主 动放电是由蓄电池管理系统来操控 的， 每次切断高压系统或者中断控制 线， 都会发生这种主动放电过程。被 动放电是为了保证即使在已把部件 拆卸下来的情况下， 也可以把残余电 压消除掉。 为了能把残余电压消除掉， 在拔 下保养插头后， 需要等待一段时间， 然 后才可以开始高压部件的检修工作。 三、结束语 当通过人体的电流达到 25VAC 以及 60VDC 以上，就已经有生命危 险了。所以专门有法律规定， 仅允许 具备足够资质和知识的人员对车辆 高压电气

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