《新能源汽車構(gòu)造與維修》課件 能力模板二 新能源汽車高壓系統(tǒng)組成的認知

能力模塊二

新能源汽車高壓系統(tǒng)的組成序言

新能源汽車高壓系統(tǒng)組成部件有動力電池，驅(qū)動電機，高壓配電箱，車載充電機，DC/DC變換器，電動壓縮機，PTC加熱器，高壓線束等，這些部件組成了整車的高壓系統(tǒng)，其中動力電池，驅(qū)動電機，高壓控制系統(tǒng)為純電動汽車上的三大核心部件。01知識準備知識準備一、動力電池及管理系統(tǒng)

動力電池作為電動汽車的動力源，是電動汽車的核心部件。它決定了汽車的續(xù)駛里程、動力性能及制造成本。傳統(tǒng)燃油車的心臟是發(fā)動機，新能源汽車的心臟就是動力電池，動力電池的性能好壞直接決定了這輛車的實際價值。

動力電池是能量的儲存裝置，為純電動汽車日常行駛提供能量，是電動混合動力汽車的輔助能量來源，動力電池輸出電量，提供電能，驅(qū)動車輛行駛，同時通過轉(zhuǎn)換器，將高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，給車上的低壓用電設(shè)備供電。知識準備（一）動力電池的類型1.按照電池的反應原理分類

按電池的反應原理,可以將電池分為化學電池、物理電池和生物電池三大類。2.按照電池的工作性質(zhì)及使用特征分類

按電池的工作性質(zhì)及使用特征分類,動力電池一般可分為一次電池、二次電池、儲備電池和燃料電池四類。知識準備（二）運用較成熟的電池1.鉛酸電池

鉛酸電池，鉛酸電池是一種電化學儲能體系,主要由鉛及其氧化物制成，電解液為硫酸溶液。其能量儲存和釋放是通過兩個電極的電化學反應實現(xiàn)的,伴隨著化學能與電能的相互轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在,鉛酸蓄電池被廣泛用于汽車、機車、通信后備電源和不間斷電源(ＵＰＳ)系統(tǒng)等。知識準備

鉛酸蓄電池的應用歷史最長,最成熟,成本也最低,已實現(xiàn)批量生產(chǎn),但是由于鉛酸電池的比能量較低，續(xù)航時間有限，難以滿足長途行駛的需求，與此同時其制造耗費大量的重金屬元素，制備和回收過程易產(chǎn)生嚴重的污染，難以滿足當今社會對于環(huán)境友好型產(chǎn)品的追求,因此，目前鉛酸電池主要用于短距離行駛的公共交通領(lǐng)域，比如旅游觀光車等。

鉛酸電池的缺點總結(jié)如下:

(１)比能量低,在電動汽車中所占的質(zhì)量和體積較大,一次充電行駛里程短。

(２)使用壽命短,使用成本高。

(３)充電時間長。

(４)鉛是重金屬,存在污染。知識準備2.鎳氫電池

鎳氫電池是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池,鎳氫電池的優(yōu)點有很多,如比功率高，其儲備電量比鎳鎘電池多30%，有較大的充放電電流，無污染、安全性好、技術(shù)成熟、綜合性好，比鎳鎘電池輕，使用壽命長?；谝陨蟽?yōu)點，80%以上的混合動力汽車采用鎳氫電池。

鎳氫電池也有相應的缺點，例如，價格比鎳鎘電池高，性能比鋰電池差，有輕度的記憶效應，高溫環(huán)境下性能差等。知識準備3.鋰電池

鋰離子電池是

20世紀開發(fā)成功的新型高能電池，是目前應用最為廣泛的，最受研發(fā)機構(gòu)及汽車廠商青睞的車用電池。鋰離子電池性能比較高，電池能量密度大，平均輸出電壓高，自放電小，沒有記憶效應，工作溫度范圍為

-20℃~+60℃，循環(huán)性能優(yōu)越，可快速充放電（充電效率高達100%），而且輸出功率大，使用壽命長，沒有環(huán)境污染，被稱為綠色電池；但是目前鋰離子電池成本較高,使用時必須有特殊的保護電路,以防止過充。知識準備

目前常見的鋰離子電池有鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等。（1）鈷酸鋰電池

鈷酸鋰電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、容量比高、綜合性能突出、電化學性能優(yōu)越、加工性能優(yōu)異、振實密度大、能量密度高，有助于提高電池體積比容量，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，一致性好，標稱電壓為3.7V。（2）錳酸鋰電池

錳酸鋰電池是指正極使用錳酸鋰材料的電池，相比鈷酸鋰等傳統(tǒng)正極材料，錳酸鋰具有資源豐富、成本低、無污染、安全性能好等優(yōu)點。其標稱電壓為3.7V。（3）磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料的鋰離子電池。其標稱電壓為3.2V。（4）三元鋰電池

三元鋰離子電池的特點是能量密度大，電壓更高，所以同樣重量的電池組電池容量更大，耐低溫，循環(huán)性能更好，但熱穩(wěn)定性較差。知識準備4.燃料電池

目前在電動汽車的動力電池領(lǐng)域,燃料電池以能量密度高,接近汽油和柴油的能量密度,幾乎零污染,代表了電動汽車未來的發(fā)展方向,也是各國重點研發(fā)的領(lǐng)域之一。

燃料電池具有以下特點:優(yōu)點:

(１)節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高。

(２)配方基本達到零污染。

(３)無振動和噪聲,壽命長。

(４)結(jié)構(gòu)簡單,運行平穩(wěn)。缺點:

(１)采用金屬鉑作為催化劑,燃料種類單一。

(２)存儲和運輸成本高。

(３)加氫站等配套設(shè)施不完善。知識準備5.太陽能電池

太陽能是一種儲量極其豐富的清潔能源,是解決世界范圍內(nèi)能源危機和環(huán)境問題的一條重要途徑,目前太陽能電池電動車也是世界各國都在重點研究和關(guān)注的。知識準備（三）動力電池的性能指標1.基本性能指標

動力電池的基本性能指標主要有電壓、容量、內(nèi)阻、功率、標稱功率、自放電率等。2.其他性能指標除基本性能指標之外，動力蓄電池的性能指標還有比能量（E）、比功率（P）、循環(huán)壽命（L）、放電率、放電深度和荷電狀態(tài)等。知識準備（四）動力蓄電池的結(jié)構(gòu)組成動力蓄電池主要由動力蓄電池箱體、動力蓄電池模組、動力蓄電池管理系統(tǒng)、動力蓄電池繼電器盒、高低壓線束及輔助元器件等組成。知識準備（1）動力蓄電池箱體

動力蓄電池箱體主要起到保護動力蓄電池的作用，因此要求箱體堅固、防水。上箱體一般不會受到?jīng)_擊，并且為了減輕質(zhì)量通常采用玻璃鋼材質(zhì)。下箱體在整車的下部，防止路面磕碰等損壞動力電池，因此采用鑄鐵材質(zhì)。上下箱體之間安裝了定位裝置以進行定位，并通過硅酮膠進行密封。知識準備（2）動力電池模組

動力電池內(nèi)部含有電池單體，電池單體是動力電池儲存電能的最小單元，可以直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能的基本單元裝置，包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼和端子，并被設(shè)計成可充電。

多個電池單體進行并聯(lián)或者串聯(lián)之后組成電池模塊，多個電池模塊又在串聯(lián)形成電池模組，由數(shù)十個電池單體或電池模組串聯(lián)在起，構(gòu)成一個電池單元。由數(shù)個電池單元串聯(lián)在一起，構(gòu)成動力電池總成，一定數(shù)量的電池模塊通過串聯(lián)組成一個電池模組，串聯(lián)的目的是提高模塊的電壓。知識準備(3)動力電池管理系統(tǒng)

動力電池管理系統(tǒng)是電池保護和管理的核心部件，在動力電池系統(tǒng)中，它的作用就相當于人的大腦。它不僅要保證電池的安全可靠使用，而且要充分發(fā)揮電池的能力和延長使用壽命。作為電池和整車控制器及駕駛員溝通的橋梁，通過控制接觸器控制動力電池組的充放電，并向整車控制器上報動力電池系統(tǒng)的基本參數(shù)及故障信息。知識準備(4)輔助元器件

輔助元器件主要包括動力電池系統(tǒng)內(nèi)部的電子電器元件及接口(如熔斷器、繼電器、分流器、插接件、煙霧傳感器等)、維修開關(guān)及電子電器元件以外的輔助元器件(如密封條、絕緣材料等)。

動力電池繼電器盒內(nèi)部含有多個繼電器，主要有總正繼電器、總負繼電器、預充繼電器、預充電阻、繼電器電源等知識準備（五）動力電池管理系統(tǒng)

動力電池管理系統(tǒng)是管理和保護動力電池的核心部件，作為實時監(jiān)控、自動均衡、智能充放電的電子系統(tǒng)，動力電池管理系統(tǒng)可以保障動力電池的使用安全，在動力電池出現(xiàn)異常時及時處理，還可以根據(jù)車輛行駛狀態(tài)、環(huán)境溫度、電池狀態(tài)決定電池的充放電功率等。知識準備

動力電池管理系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)。它必須具備實時監(jiān)控并調(diào)整電池管理狀態(tài)的能力，并可以與多個平行子系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)工作。車輛實際行駛中，加速和減速總是在不停地交替進行著，所以動力電池管理系統(tǒng)必須能夠接受動態(tài)信息反饋并不停地調(diào)整其監(jiān)控管理方式電池管理系統(tǒng)是動力電池的核心配件，主要功能如下。

1)監(jiān)測電池組中各個單體電芯的健康狀況;平衡各個電芯的性能;保證所有電芯都在額定工作范圍內(nèi);當電芯被透支時，最大限度地保護電池組整體功能;為個別電芯充電提供接入方式。

2)在系統(tǒng)失控或失去聯(lián)系時提供故障保護;在緊急狀態(tài)下(如過載、火災等)將電池隔離;在部分電芯失效時提供“應急行駛模式”。

3)監(jiān)控電池溫度，調(diào)整散熱/保溫器的工作狀態(tài)，保證電池在最佳溫度運行。

4)向系統(tǒng)和車主提供電池SOC信息(荷電狀態(tài))和SOH信息(健康程度);計算電池余量可行駛的里程。知識準備5)為電池提供最佳充電流程，并設(shè)定合適的充放電比例，防止回收動能時對電池過度充電。6)為起動車輛前的負載阻抗測試預留足夠的電量，實現(xiàn)分階段充電以限制涌流的發(fā)生。7)適應車輛駕駛模式的變化，實時調(diào)整電池管理模式。8)記錄電池使用情況及使用歷史。9)獲取并執(zhí)行相關(guān)子系統(tǒng)給予的信息及命令。知識準備動力電池管理系統(tǒng)主要由單體監(jiān)控單元和動力電池管理單元組成：1.單體監(jiān)控單元負責測量動力電池的電壓、電流和溫度等參數(shù)，同時還有均衡等功能。當單體監(jiān)控單元測量到這些數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送給動力電池管理單元。2.動力電池管理單元負責評估單體監(jiān)控單元傳送的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)異常，則對動力電池進行保護，發(fā)出降低電流的要求，或者切斷充放電通路，以避免動力電池超出許可的使用條件，同時還對動力電池的電量、溫度進行管理。根據(jù)先前設(shè)計的控制策略，判斷需要警示的參數(shù)和狀態(tài)，并且將警示發(fā)給整車控制器，最終傳達給駕駛?cè)藛T。知識準備

電池管理系統(tǒng)通過通訊接口與整車控制器、電機控制器、能量管理系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進行通訊，整個工作過程大致為：首先利用數(shù)據(jù)采集模塊采取動力電池的電流、電壓和溫度等數(shù)據(jù)→然后采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊→主控模塊對數(shù)據(jù)進行分析和處理后，發(fā)出對應的程序控制和變更指令→最后對應的模塊做出處理措施，對動力電池包或動力電池進行調(diào)控，同時將實時數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示單元模塊。知識準備二、驅(qū)動電機及電機控制器

驅(qū)動電機是新能源汽車的三大核心部件之一，其作用為在駕駛員的控制下，將動力電池的電能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動車輛行駛，或者在汽車制動時，將車輪行駛的機械能進行回收，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芙o動力電池充電。知識準備（一）驅(qū)動電機性能要求

（1）新能源汽車用驅(qū)動電機應具有瞬時功率大、過載能力強、加速性能好、使用壽命長的特點。

（2）新能源汽車用驅(qū)動電機應具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起步和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有較高速度，以滿足汽車在平坦路面能夠高速行駛。

（3）新能源汽車用驅(qū)動電機應能夠在汽車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回動力電池，提高新能源汽車的能量利用率。這是在內(nèi)燃機汽車上所不能實現(xiàn)的。

（4）新能源汽車用驅(qū)動電機應在整個運行范圍內(nèi)具有高的效率，以提高單次充電續(xù)駛里程。

（5）新能源汽車用驅(qū)動電機還應具有可靠性高、能夠在惡劣環(huán)境下長期工作、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、運行噪聲低、維修方便、價格便宜等特點。知識準備（二）驅(qū)動電機的類型1.直流電機

直流電機多用于早期的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)，要求的實際設(shè)計復雜得多。例如，為了改變施轉(zhuǎn)方向或操作發(fā)電機、電源電子裝置必須確保對轉(zhuǎn)子和定子線圈的各種切換。即使車輛中高壓蓄電池的直流電流無法轉(zhuǎn)換為交流電流或三相電流，仍必須調(diào)整電壓以獲得不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。而且，在駕駛模式中還會遇到由電刷和滑環(huán)的摩損和摩擦造成的其他問題。正因為這些原因目前新研制的車型已經(jīng)基本不再采用。知識準備2.永磁同步電機

永磁同步電動機具有較高的功率質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動機的極限轉(zhuǎn)速和制動性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動機已成為現(xiàn)今電動汽車應用最多的電動機。但永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)象，有可能降低永磁電動機的性能。另外，稀土式永磁同步電動機要用到稀土材料，制造成本不太穩(wěn)定。知識準備3.交流異步電機

交流異步電機主要用于空間要求較低且速度性能要求不高的電動客車、物流車等商用車型。主要是以特斯拉為首的美國車企和部分歐洲車企使用，中國、日本在內(nèi)的其他國家使用最廣泛的新能源汽車電機仍是永磁同步電機。知識準備4.開關(guān)磁阻電機

開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)和控制簡單，出力大，可靠性高，成本低，起動制動性能好，運行效率高，但電機噪聲高，轉(zhuǎn)矩脈動嚴重，非線性嚴重，用于電動汽車驅(qū)動有利有弊，目前在電動汽車中應用較少。

開關(guān)磁阻電動機的定子與轉(zhuǎn)子都是由硅鋼片疊壓而成，均采用凸極結(jié)構(gòu)形式；定子和轉(zhuǎn)子的凸極有很多組合方式，開關(guān)磁阻電動機的定子凸極數(shù)量為偶數(shù)，轉(zhuǎn)子凸極也為偶數(shù)，一般轉(zhuǎn)子比定子少兩個，共同組成不同極數(shù)的開關(guān)磁阻電動機。知識準備（三）驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)組成

驅(qū)動電機系統(tǒng)一般由電機、功率變換器和電子控制單元組成。知識準備（四）電機控制器

電機控制器是指控制動力電源與驅(qū)動電機之間能量傳輸?shù)难b置，由控制信號接口電路驅(qū)動電機控制電路和驅(qū)動電路組成。知識準備二、車載充電機1.車載充電機的作用

車載充電機OBC是新能源汽車一個重要的高壓部件。在汽車充電過程中發(fā)揮著重要作用，它可以將慢充的220V的交流電轉(zhuǎn)換成直流電給動力電池充電。車載充電機可以依據(jù)動力電池管理系統(tǒng)BMS提供的數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)節(jié)充電電流與電壓參數(shù)，執(zhí)行相應的充電動作，完成充電過程。知識準備2.車載充電機的結(jié)構(gòu)組成及工作原理（1）車載充電機的結(jié)構(gòu)組成

車載充電機包括兩大部分：充電機控制主板和電源部分（主回路）。①充電機控制主板

主要是對電源部分進行控制、監(jiān)測、計量、計算、修正、保護以及與外界網(wǎng)絡通信等功能，是車載充電機的“中樞大腦”。②電源部分

主要作用是將220V交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電。知識準備（2）車載充電機的工作原理

車載充電機連接交流電源，將交流電源的電能變換成直流電源，然后通過控制模塊、充電輸出模塊，給動力蓄電池組充電。

在充電過程中，保護模塊會監(jiān)測電池溫度、電池電壓等參數(shù)，并及時調(diào)整輸出電壓和電流，以保證充電的安全性和穩(wěn)定性。當電池充滿電時，直流電源模塊就會停止輸出電壓和電流，以防止過充電。知識準備四、DC/DC模塊1.DC/DC模塊的作用

DC/DC模塊可以將動力蓄電池的高壓直流電變換為低壓直流電，給整車的低壓用電設(shè)備供電，并且給蓄電池充電，相當于傳統(tǒng)燃油車的發(fā)電機。知識準備2.DC/DC模塊的結(jié)構(gòu)組成及原理（1）DC/DC模塊的結(jié)構(gòu)組成

DC/DC模塊主要包括高壓輸入部分、電路板部分、整流輸出部分。

①高壓輸入部分主要是將從高壓出來的高壓直流電引入DC/DC模塊內(nèi)部。

②電路板部分主要是把高壓直流電變換成高壓交流電，再把高壓交流電降壓至低壓交流電。

③整流輸出部分是將交流電進行整流變換成低壓直流電。知識準備（2）DC/DC模塊的工作原理

當純電動汽車整車ON檔上電或充電喚醒上電時，動力蓄電池首先開始高壓系統(tǒng)預充電流程，被喚醒的整車控制器（VCU）給DC/DC模塊發(fā)送使能信號。DC/DC模塊接到使能信號后，開始啟動工作，把動力蓄電池高壓直流電進行變壓后給低壓蓄電池充電，并作為電源為車上大量電子元器件和控制系統(tǒng)供電。知識準備五、高壓配電箱1.高壓配電箱的作用

電動汽車有一套高壓配電系統(tǒng)。高壓配電系統(tǒng)是將動力蓄電池的高壓電分配給電機控制器、驅(qū)動電機、電動空調(diào)壓縮機、PTC加熱器、DC/DC變換器等高壓用電設(shè)備。同時將交流、直流充電接口高壓充電電流分配給動力蓄電池，以便為動力蓄電池充電。知識準備2.高壓配電箱的類型

按高壓配電箱的布置形式分類，可將高壓配電系統(tǒng)分為集成式和分布式兩種。

集成式是將高壓配電箱與其他高壓組件系統(tǒng)集成在一起。如比亞迪E5將高壓配電模塊、電機控制器、車載充電機、DC/DC變換器以及漏電傳感器等集中布置在一起，稱為高壓電控總成或四合一電控總成。又如吉利帝豪EV450將高壓配電箱與車載充電機集成在一起，稱為車載充電機分線盒。再如北汽EU系列電動汽車，將高壓配電盒與電機控制器、車載充電機與DC/DC變換器集成在一起，稱為PEU。集成式高壓配電箱的優(yōu)點，在于節(jié)約插接器外部接口數(shù)量和整車布置空間，方便車輛空間布置。

分布式高壓配電箱是以高壓配電箱為中心，分別為高壓部件分配高壓電，分布式高壓配電箱的優(yōu)點是各系統(tǒng)高壓部件獨立供電，分別控制，便于維修。02典型工作任務典型工作任務任務1電機控制器IGBT橋臂狀態(tài)檢測1.任務描述

電機控制器內(nèi)部包含逆變器，逆變器由IGBT、直流母線電容、驅(qū)動和控制電路板等組成，實現(xiàn)直流電與交流電之間的轉(zhuǎn)變。IGBT為二極管，具有單向?qū)ㄐ?。IGBT的好與壞，直接決定了電動汽車的加速度、最高速度、電耗