新能源汽車能源管理系統(tǒng)

電動汽車的能源管理系統(tǒng)與輔助裝置,第一節(jié)電動汽車的能源管理系統(tǒng)第二節(jié)充電器第三節(jié)電源變換裝置第四節(jié)電動汽車制動能量回收系統(tǒng)第五節(jié)燃料電池汽車氫安全系統(tǒng)第六節(jié)電動汽車的基礎(chǔ)設(shè)施,教學(xué)目的和要求：了解電動汽車能源管理系統(tǒng)與輔助裝置分類，掌握組成、構(gòu)造和工作原理、特點、應(yīng)用。本章重點：電動汽車的能源管理系統(tǒng)、充電器、電源變換裝置和電動汽車制動能量回收系統(tǒng)本章難點：電動汽車的能源管理系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容要點：,第一節(jié)電動汽車的能源管理系統(tǒng),定義：電動汽車能源管理系統(tǒng)是對動力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換裝置的工作能量進行協(xié)調(diào)、分配和控制的軟、硬件系統(tǒng)。,一、概述,組成：硬件：傳感器、ECU控制單元和執(zhí)行元件。軟件系統(tǒng)主要是對傳感器輸送來的信號進行計算處理，對能源轉(zhuǎn)換裝置的工作能量進行優(yōu)化分析，并向執(zhí)行元件發(fā)出指令，控制其動作。,電動汽車能源管理系統(tǒng)的功用：是在滿足汽車基本技術(shù)性能和成本等要求的前提下，根據(jù)各部件的特性及汽車的運行工況，使能量在各個能源轉(zhuǎn)換裝置之間按最佳路線流動，從而達到最高的整車能源利用效率。各能源轉(zhuǎn)換裝置為:發(fā)動機、儲能裝置、電動機動力傳遞裝置、功率變換模塊、發(fā)電機和燃料電池等。,純電動汽車，能源轉(zhuǎn)換裝置組成:由蓄電池、電動機/發(fā)電機、功率變換器及動力傳遞裝置等。能源傳遞路線:由蓄電池到車輪（行駛）由車輪到蓄電池（能量回收）兩條。,混合動力燃料電池汽車和混合動力電動汽車，能量轉(zhuǎn)換裝置通常有發(fā)電裝置（發(fā)動機/發(fā)電機或燃料電池）、功率變換器、動力傳遞裝置、能量儲存裝置、充放電裝置等。能量傳遞路線：一是由發(fā)電裝置到車輪，二是由蓄電池到車輪，三是由發(fā)電裝置到能量儲存裝置，四是由車輪到能量儲存裝置（能量回收）。,二、純電動汽車的能源管理系統(tǒng),輸入能源管理系統(tǒng)電控單元ECU的參數(shù)有車輛運行狀態(tài)參數(shù)：行駛速度、電動機功率等；各電池組的狀態(tài)參數(shù)：工作電壓、放電電流和電池溫度等；以及車輛操縱狀態(tài)：制動、啟動、加速和減速等,功能：能量管理系統(tǒng)采集從純電動汽車各子系統(tǒng)通過傳感器收集到的運行數(shù)據(jù)，完成下列功能：選擇電池的充電方案、顯示蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC）、監(jiān)控蓄電池的動作、預(yù)測剩余行駛里程、調(diào)節(jié)車燈亮度、調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度以及回收再生制動能量為蓄電池充電等。其中，電池管理系統(tǒng)（BMS）是能量管理系統(tǒng)（EMS）中的一個主要子系統(tǒng)，它處理蓄電池的顯示、測量、預(yù)測和全面管理等問題。,1電池管理系統(tǒng)主要包括：動力電池組管理系統(tǒng)熱（溫度）管理系統(tǒng)高壓電線線路管理系統(tǒng),（1）動力電池組組成:需要多節(jié)單體電池或多個蓄電池串聯(lián)起來，總電壓:200400V。動力電池組管理系統(tǒng)一般采用微處理器通過標準通信接口、CAN總線和控制模塊等對動力電池組進行管理。,（2）功能,1）動力電池組管理監(jiān)控動力電池組充電和放電時的電壓和電流、動力電池組的溫度變化等。通過顯示裝置來動態(tài)顯示蓄電池在充電和放電工作過程中的SOC的變化，避免動力電池組過充或過放，保護蓄電池不受損害，保持電池組的最佳工作狀態(tài)。2）單節(jié)電池管理對單節(jié)電池動態(tài)電壓和溫升的變化進行實時測量，對電池組中各個電池的不一致性進行監(jiān)控和管理，能夠及時地發(fā)現(xiàn)和剔除有性能缺陷的單體蓄電池。,2電池管理系統(tǒng)的功能,顯示荷電狀態(tài)（SOC）、提供電池溫度信息、電池高溫報警、電池性能異常早期警報、顯示電解液狀態(tài)、提供電池老化信息、記錄電池關(guān)鍵數(shù)據(jù)。,圖8-2電動汽車電池管理系統(tǒng)功能示意圖,（1）數(shù)據(jù)采集電池管理系統(tǒng)的所有算法都以采集的數(shù)據(jù)作為輸入，采樣速率、精度和前置濾波特性是影響電池管理系統(tǒng)性能的重要指標。電動汽車電池管理系統(tǒng)的采樣速率一般要求大于200HZ（50ms）。（2）電池狀態(tài)估計電池狀態(tài)估計包括SOC（stateofcharge）和SOH（stateofhealth）兩個方面。SOC告訴駕駛員電池的荷電量，以此可以估計汽車還能行駛的里程；SOH告訴駕駛員電池的壽命還有多久。SOC和SOH是進行能量管理的重要參數(shù)。最常用的SOC估計方法是Ah計量結(jié)合效率補償?shù)姆椒ā?（3）能量管理在能量管理中，SOC、SOH、電流、電壓、溫度等參數(shù)作為輸入用來完成下列功能：用SOC，SOH和溫度限制電池放電電流；控制充電過程，包括均衡充電。充放電過程的監(jiān)控和限制與電池種類、電池工藝關(guān)系很大。（4）熱管理熱管理的功能是使電池單體溫度保持在合理的范圍內(nèi)并且要求均衡，對高溫電池實施冷卻，在低溫條件下對電池進行加熱等。對于大功率放電和高溫條件下使用的電池，電池的熱管理功能更為重要。,（5）通信功能電池管理系統(tǒng)與車載設(shè)備或非車載設(shè)備的通信也是重要功能之一。根據(jù)應(yīng)用需要，數(shù)據(jù)交換可采用不同的通信接口，如：模擬信號、PWM信號、CAN總線或I2C串行接口。（6）安全管理具體功能為：防止電池過熱而發(fā)生熱失控；監(jiān)測電池的電壓、電流是否超過限制；防止電池過度放電，尤其是防止個別電池單體過度放電。,3、電池SOC的估計和故障診斷動力電池組管理系統(tǒng)應(yīng)具有對SOC的顯示功能或汽車在線可行駛里程顯示功能，SOC的誤差8%，配備故障診斷專家系統(tǒng)，可以早期預(yù)報動力電池組的故障和隱患。具有自檢和診斷功能，以及高抗干擾能力。,4、電池的熱管理系統(tǒng)功能：電池組溫度過高時有效散熱、低溫條件下快速加熱、保證所有電池單體較好的溫度一致性以及有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)。,5、安全防護動力電池組的總電壓可以達到200400V，高電壓應(yīng)采取有效的隔離措施。一般要求將動力電池組與乘坐區(qū)分離。汽車停止使用時，自動切斷電源，電動汽車發(fā)生碰撞或傾覆時，電池管理系統(tǒng)應(yīng)能立即切斷電源并報警，不會發(fā)生電解液對人體的傷害或引起火災(zāi)。,6、典型的電動汽車電池管理系統(tǒng)（1）美國通用汽車公司EV1電動汽車的電池管理系統(tǒng)電動汽車由27個鉛酸電池供電，電池壽命為450個深放電周期，可放電深度80，一次充電市內(nèi)行駛里程113km，高速公路行駛里程145km。,（2）德國柏林大學(xué)研制的電池管理系統(tǒng)主要功能包括：防止電池過充過放、電池模塊加平衡器實現(xiàn)均衡充電、基于模糊專家系統(tǒng)的剩余電量估計、電池組熱管理、用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)辨識電池老化信息、電池故障診斷，并且能及時調(diào)整模糊專家系統(tǒng)的參數(shù)、數(shù)據(jù)記錄和存儲，存儲是為了電池診斷和維護工作保存歷史數(shù)據(jù)。該電池管理系統(tǒng)是目前國際上功能比較齊全、技術(shù)含量比較高的先進的電動汽車用電池管理系統(tǒng)。,圖8-3柏林大學(xué)設(shè)計的電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),在電動汽車上實現(xiàn)能源管理的難點，在于如何根據(jù)所采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，來建立一個確定每塊電池還剩余多少能量的較精確的數(shù)學(xué)模型。在電動汽車上，除了有必要使用電池能量管理系統(tǒng)外，在選用電池組中的電池時，應(yīng)盡量選用各種特性參數(shù)接近的電池，這對提高電池組中各電池的使用壽命也是非常重要的。,三、燃料電池汽車和混合動力汽車的能源管理系統(tǒng),1燃料電池汽車的能源管理系統(tǒng)能源一般有三個：燃料的化學(xué)能、儲能裝置儲存的能量和回收的汽車動能。用燃料電池替代了內(nèi)燃機。能源管理策略的任務(wù)就是控制汽車動力系統(tǒng)的能量傳輸和轉(zhuǎn)換過程，從而達到期望的系統(tǒng)響應(yīng)。具體地說，就是在不影響汽車性能和部件壽命的前提下，均衡各部件的工作負荷，從而降低能量損失，提高燃料經(jīng)濟性。,能源管理策略主要包括功率分配策略、速比控制和制動能量回饋策略三個組成部分。功率分配是核心問題。只有三者緊密結(jié)合，才能降低燃料消耗、延長燃料電池和蓄電池的使用壽命。,對于采用蓄電池的燃料電池汽車來說，能源管理策略的主要任務(wù)為：在不損害蓄電池的情況下，滿足汽車動力性的設(shè)計要求，保證可接受的駕駛性。確定燃料電池系統(tǒng)的運行狀態(tài)（開啟或關(guān)閉）從而獲得最大的燃料經(jīng)濟性。根據(jù)駕駛員轉(zhuǎn)矩需求和子系統(tǒng)的限制條件來確定車輪轉(zhuǎn)矩命令。確定動力系統(tǒng)的驅(qū)動模式和各模式之間的轉(zhuǎn)換機制，確定傳動系的速比。,其中，蓄電池工作狀態(tài)的控制是能量管理策略所要解決的基本問題。主要考慮以下因素：蓄電池效率是SOC的函數(shù)，并與內(nèi)阻密切相關(guān)。必須選擇一個蓄電池的最佳工作區(qū)域，降低充放電損失，同時保留額外的吸收峰值功率的空間?？刂菩铍姵氐某浞烹娚疃?，放電深度和頻率會影響到電池的循環(huán)壽命。電池所存儲的能量在整個循環(huán)工況下要達到平衡。,能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),根據(jù)當(dāng)前車速、電池SOC等，以及駕駛員的轉(zhuǎn)矩需求信號，決定當(dāng)前汽車的最佳檔位。如果轉(zhuǎn)矩需求為負值，即為制動狀態(tài)，就需要根據(jù)預(yù)先設(shè)定的制動能量回饋策略來確定電機的回饋轉(zhuǎn)矩。在確定了所有負載的功率需求后，可以根據(jù)功率分配策略計算出對燃料電池系統(tǒng)的需求功率，來保證在滿足當(dāng)前動力需求的前提下獲得較好的整車能量效率。,圖8-5燃料電池汽車能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)（1）長安混合動力汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該車的能源傳遞路線有四條:第1條路線為從四缸電噴發(fā)動機到輪胎；第2條路線為動力電池組到輪胎；第3條為從發(fā)電裝置ISG到動力電池組；第4條路線為輪胎到動力電池組，在汽車下坡或制動工況時，由發(fā)電機/電動機ISG將汽車的再生或制動的能量存儲到動力電池。,電控單元ECU和電子油門對發(fā)動機進行控制。ISG通過ISG控制器和驅(qū)動器進行控制，電池能量管理系統(tǒng)對電池組的荷電狀態(tài)進行控制。通過CAN（ControllerAreaNetwork）總線，混合動力系統(tǒng)中所有控制子系統(tǒng)向多能源動力總成管理系統(tǒng)發(fā)送子系統(tǒng)運行信息，并且接受多能源總成管理系統(tǒng)的控制命令，通過多能源動力總成管理系統(tǒng)來實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)。,圖8-6長安混合動力汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),（2）開關(guān)型控制策略由系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊組成主要的系統(tǒng)軟件。,圖8-7開關(guān)型控制策略系統(tǒng)控制流程圖,蓄電池的充電狀態(tài)的最小值和最大值分別設(shè)定為60和80。系統(tǒng)主要功能包括控制發(fā)電機控制器，監(jiān)控和管理電動機控制器；監(jiān)控電池組工作狀況；根據(jù)電池組電量自動啟動或關(guān)閉發(fā)電機組，對電池組進行充電或停止充電。開關(guān)型控制策略的優(yōu)點:是保證發(fā)動機工作于效率最高點，所以其熱效率高，有害排放少。缺點主要是蓄電池充放電頻繁，加上發(fā)動機啟動、停止時的動態(tài)損耗，系統(tǒng)總的損失功率增大。,（3）“功率跟蹤型”控制策略“功率跟蹤型”控制策略是由發(fā)動機全程跟蹤汽車功率需求，只有在蓄電池的充電狀態(tài)為最大值、并且蓄電池提供的功率能滿足汽車需求時，發(fā)動機才停機或怠速運行。此策略的優(yōu)點是蓄電池充放電次數(shù)減少，因而系統(tǒng)內(nèi)部損失減少；另外可以采用小容量的蓄電池，從而減輕汽車質(zhì)量，減小行駛阻力。其主要不足是發(fā)動機必須在較大的工況范圍運行，平均熱效率較低，有害排放較多。,第二節(jié)充電器,目前的電動汽車蓄電池仍以鉛酸蓄電池為主，正確使用蓄電池，及時進行充電可有效降低汽車的使用成本。,一、蓄電池的充電方法1恒壓充電2恒流充電3快速充電4智能充電5均衡充電,1恒壓充電恒壓充電是是保持蓄電池充電壓一定的充電方法，對每個單體蓄電池均以某一恒定電壓進行充電。,優(yōu)點：充電速度較快，且隨著充電的進行，充電電流會逐漸減小，電壓設(shè)定適當(dāng)時，充足電時會自動停充。缺點：不能保證蓄電池徹底充足電，如果蓄電池放電深度過深，充電的電流會很大，不僅會危及充電器的安全，而且可能對蓄電池造成損害。若充電電壓選擇過低，后期充電電流過小，又會導(dǎo)致充電時間延長。,2恒流充電恒流充電是保持蓄電池的充電電流不變的充電方法。恒定電流用調(diào)整充電器的電流來控制，在一般的硅整流器充電器中即可實現(xiàn)，充電操作簡單方便。但要求采用小電流、長時間的充電模式，恒流充電一般需要15h以上。,第一階段的充電電流取額定容量的1/10。第二階段的充電電流減小一半，即取額定容量的1/20。,蓄電池充足電的標志是：單格蓄電池的充電電壓達到約2.7V；電解液中有大量氣泡產(chǎn)生；電解液的密度上升到最大值。,優(yōu)點：可以保證蓄電池徹底充足電，延長蓄電池的使用壽命，減少蓄電池“硫化”故障產(chǎn)生的傾向。缺點：充電時間比較長。到目前為止。恒流兩階段充電法是鉛酸蓄電池充電中最常用的方法。,3快速充電快速充電過程中遵循的原則是，在可能的情況下，向蓄電池施以盡量大的充電電流，又不使蓄電池的析氣量過大，同時還要防止蓄電池過充電。對鉛酸蓄電池的充電可以縮短到23h。,使電流以脈沖的方式輸送給蓄電池，對電池充電，然后讓電池短時間、大脈沖放電，在整個充電過程中使電池反復(fù)充、放電。,4智能充電智能充電應(yīng)用dU/dt的技術(shù)，跟蹤檢測蓄電池端電壓在單位時間內(nèi)的變化量，尤其在蓄電池充電的后期，各種蓄電池在充電后期呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；并且要動態(tài)跟蹤蓄電池可接受的充電電流，使充電電流始終處于蓄電池可接受的充電電流曲線附近。dU/dt的值只要得到確定，蓄電池的充電深度就基本確定，并可以判斷終止的條件。,5均衡充電均衡充電是以小電流進行l(wèi)3h的過充電過程，一般來說，均衡充電不能頻繁進行。,在電動汽車上根據(jù)發(fā)動機-發(fā)電機的發(fā)電情況和動力電池組的情況，選擇不同的充電方法，各種充電方法可以兼用。,二、充電器的類型,1充電站、停車場和維修站用大中型充電器充電站、停車場和維修站用大中型充電器通常采用380V三相交流充電器。要求體積小、質(zhì)量輕、操作簡便、工作可靠、能夠自動控制和有自檢系統(tǒng)等?？晒┒噍v汽車在夜間停駛時進行充電，充電時間一般510h。,2家庭用小型充電器家庭用小型充電器一般采用單相交流充電器或單相/三相交流充電器。一般要求體積小、質(zhì)量輕、便于安裝和移動、操作簡便、工作可靠、顯示準確和能夠自動控制等。可供私家汽車在夜間停駛時進行充電，功率35kW，充電時間510h。也可以用于快速充電。美國福特汽車公司研制的Posicharge快速充電器，只用1020min時間即可完成電動汽車的充電，每次充電可以供電動汽車行駛約90km。,3車載小型充電器車載小型充電器一般為單相交流充電器或單相/三相交流充電器，要求體積小、質(zhì)量輕、可靠性好、便于在汽車上安裝、使用方便等。通常以感應(yīng)式為主要形式，能夠全天候地進行充電和快速充電。,三、電動汽車的蓄電池充電器,汽車蓄電池充電器的基本功能有三個：一是由市電進行電力變換提供直流電，二是供給與蓄電池額定條件相對應(yīng)的電力，三是當(dāng)蓄電池充滿后自動停止充電。,根據(jù)充電器是否安裝在車內(nèi)，充電器可分為車載和非車載兩種。根據(jù)充電時的能量轉(zhuǎn)換方式的不同，充電器分為接觸式和感應(yīng)式兩類。,車載充電器一般設(shè)計為小充電率，充電時間長，一般為58h，要求其盡可能體積小、質(zhì)量輕（一般小于5kg）。由于充電器和電池管理系統(tǒng)都裝在車上，所以它們相互之間容易利用電動汽車的內(nèi)部線路網(wǎng)絡(luò)進行通訊，而且蓄電池的充電方式是預(yù)先定義好的。,非車載充電器沒有質(zhì)量和體積的限制，一般設(shè)計為大充電率。由于非車載充電器和電池管理系統(tǒng)是分開的，它們之間必須通過某種方式進行通訊。根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的關(guān)于電池的類型、荷電狀態(tài)、電壓和溫度等信息，非車載充電器選擇一種合適的充電方式為蓄電池充電，以避免蓄電池的過充和過熱。,接觸式是將帶插頭的交流動力電纜線插到電動汽車的插座中給電池充電。適合于戶內(nèi)充電。感應(yīng)式則通過電磁感應(yīng)耦合的方式進行能量轉(zhuǎn)換給電池充電。適合于戶外充電。車載和非車載充電器都可以是接觸式或感應(yīng)式的。,1接觸式充電器采用插頭與插座金屬接觸的方式來導(dǎo)電，優(yōu)點是工藝簡單、技術(shù)成熟和成本低廉。,組成：一個是將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電的整流器；另一個是調(diào)節(jié)直流電功率的功率轉(zhuǎn)換器。,圖8-11非車載接觸式充電器的布置方案,把電線的插頭插入電動汽車上相對應(yīng)的插座中，直流電能就輸入蓄電池對其充電。根據(jù)非車載充電器和車上電池管理系統(tǒng)相互之間的通訊，功率轉(zhuǎn)換器能在線調(diào)節(jié)直流充電功率，而且非車載充電器能顯示充電電流、電壓、充電的電能、所需的充電費用等。,2感應(yīng)式充電器感應(yīng)充電器將電能從充電器感應(yīng)到電動汽車上來給蓄電池充電。感應(yīng)充電器是利用高頻變壓器原理，高頻變壓器的一邊繞組裝在離車的充電器上，另一邊繞組嵌在電動汽車上。,圖8-12感應(yīng)式充電器的充電原理,充電器將5060Hz的市電轉(zhuǎn)換成80300Hz的高頻電，然后再感應(yīng)到電動汽車一方。整流電路將高頻交流電變換為能夠為蓄電池充電的直流電。特點：任何天氣條件下，包括雨雪天或者是暴風(fēng)雨，安全的進行充電，其不足之處是充電時不可避免地有感應(yīng)損耗，而且投資成本高。,第三節(jié)電源變換裝置,一、電動汽車電子設(shè)備對電源的要求各功能塊對電源的要求：如所需的電壓和電流的大小、功率等級、電磁兼容性、安全可靠性等指標也各不相同。功率變換器可分為DC/DC、DC/AC、AC/DC三種類型。它們各自有不同的適用范圍，使用最多的是前兩種。,二、DC/DC功率變換器,（一）電動汽車的DC/DC變換器的主要功用：將寬范圍變化的直流電壓變換成穩(wěn)定性能良好的直流電壓。,（二）DC/DC的種類,從開關(guān)控制方式來分，DC/DC功率變換電路有：脈寬調(diào)制式PWM（PulseWidthModulation）、脈沖頻率調(diào)制式PFM（PulseFrequencyMunition）、脈寬和頻率混合調(diào)制式“硬開關(guān)電路”、零電壓或零電流“軟開關(guān)”PWM電路、諧振式、準諧振式變換器。,從拓撲結(jié)構(gòu)來分，DC/DC功率變換電路有：升壓型、降壓型、升/降壓型、正激型、反激型、反相型、全橋式正激型、半橋式正激型、推挽式正激型等。,輔助子系統(tǒng)能量供給的DC/DC變換器非絕緣型：負極與車身相連，結(jié)構(gòu)簡單、成本低；絕緣型：負極與車身絕緣，主電源的高等級電壓與輔助電源的低等級電壓隔離開來。共性：工作效率都很高，一般為8595，并且適于商用。,（三）DC/DC變換器的電路舉例,以控制電路的驅(qū)動信號為基礎(chǔ)，功率回路打開或者關(guān)閉晶閘管，輸入直流電，供給變壓器交流電壓。在變壓器中變壓之后得到的交流電壓，經(jīng)過整流二極管的整流作用，得到斷續(xù)直流電壓，再經(jīng)平滑電路平滑后對輔助電池充電。控制回路還具有輸入過電壓保護、輸出限流、過熱保護和警報功能。,（四）燃料電池汽車的DC/DC功率變換器,1燃料電池汽車DC/DC變換器的作用要使汽車電子設(shè)備正常工作，必須使用一個DC/DC功率變換模塊，將寬范圍變化的直流電壓變換成穩(wěn)定性能良好的直流電壓。,（l）燃料電池的特性：實現(xiàn)燃料電池輸出電壓與動力總線電壓匹配。,（2）混合動力型燃料電池汽車的特點燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓通常在240V430V，而且燃料電池的外特性（電壓隨電流的變化）曲線斜率較大。蓄電池組的標稱電壓一般設(shè)計在380V以上，而且由于蓄電池的充放電特性及其使用安全性的要求，蓄電池的端電壓應(yīng)在較小的范圍內(nèi)變化。,在燃料電池的輸出端串接一個對燃料電池的輸出電壓進行升壓變換及穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的DC/DC變換器，使DC/DC變換器的輸出電壓和蓄電池工作電壓相匹配，并且控制燃料電池的最大輸出電流和功率，起到保護燃料電池系統(tǒng)的目的。,燃料電池或發(fā)動機-發(fā)電機組只提供電能，電流的方向只是單向流動。而蓄電池和超級電容器在充放電時，電流的方向是可逆性流動。各種電源的電壓和電流受工況變化影響而不穩(wěn)定，但驅(qū)動電動機不能適應(yīng)其變化，所以在電源與驅(qū)動電動機之間需要裝置DC/DC變換器。,在電源與驅(qū)動電動機之間需要裝置DC/DC變換器。在燃料電池或發(fā)動機-發(fā)電機組與電動機之間需要裝置單向DC/DC變換器。在蓄電池和超級電容器與電動機之間需要裝置雙向DC/DC變換器。,2DC/DC變換器的工作原理（1）雙向DC/DC變換器組成：,充電工況時，導(dǎo)通開關(guān)Q1切斷、Q2導(dǎo)通，充電時的電流或者儲存制動反饋時的電流，經(jīng)動力總線向蓄電池或超級電容器充電。變換器處于降壓（Buck）狀態(tài)。放電工況時，導(dǎo)通開關(guān)Q1導(dǎo)通，Q2切斷，蓄電池或超級電容器放電，電容C中儲存的電荷也同時放電，電流由超級電容器向動力總線流動，雙向DC/DC變換器對外放電處于升壓（Boost）狀態(tài)。,（2）單向DC/DC變換器根據(jù)整車動力系統(tǒng)的設(shè)計要求，確定DC/DC變換器的輸出電壓給定值。當(dāng)燃料電池電流逐漸增大時，電壓基本保持平穩(wěn)，通過對輸出電壓的閉環(huán)控制，實現(xiàn)變換器的恒壓輸出。,AB段：當(dāng)燃料電池電流逐漸增大時，電壓基本保持平穩(wěn)，通過對輸出電壓的閉環(huán)控制，實現(xiàn)變換器的恒壓輸出。BC段：隨著燃料電池電流的繼續(xù)增大，燃料電池輸出電壓下降，DC/DC變換器實時檢測燃料電池的輸出電壓，當(dāng)該電壓下降到下限值時，DC/DC就根據(jù)燃料電池的輸出功率進行恒功率輸出。CD段：當(dāng)DC/DC變換器達到最大電流輸出時，電壓迅速下降，其電流值決定DC/DC變換器的最大輸出電流。恒電流段。,1）Boost功率變換器,2)全橋式DC/DC功率變換器,三、DC/AC功率變換器1DC/AC功率變換器的作用DC/AC功率變換器是將直流電變換為交流電的裝置，也稱為逆變器（電源模塊）。在使用交流電動機的電動汽車上，必須通過DC/AC功率變換器將蓄電池或燃料電池的直流電變換為交流電，才能驅(qū)動交流電動機工作。,2DC/AC功率變換器的種類及原理有源逆變：是把直流電逆變成與交流電源同頻率的交流電饋送到電網(wǎng)中去的逆變器。無源逆變：在逆變狀態(tài)下，變換電路的交流側(cè)直接與負載連接，將直流電逆變成某一頻率或可調(diào)頻率的交流電直接供給負載。,特點：DC/AC無源逆變電路模塊具有體積小、質(zhì)量輕、噪聲低、穩(wěn)定性好、工作可靠的特點，而且轉(zhuǎn)換效率高，諧波失真小，有自動穩(wěn)頻穩(wěn)壓性能，保護功能完善。,應(yīng)用：電動汽車中使用的DC/AC多為無源逆變器，除電動汽車外，DC/AC無源逆變電路模塊主要用于航天、航海及通訊系統(tǒng)等設(shè)備。,四、AC/DC功率變換器,AC/DC功率變換器的作用是將交流電壓轉(zhuǎn)換成電子設(shè)備所需要的穩(wěn)定直流電壓。電動汽車中AC/DC的功能主要是將交流發(fā)電機發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電提供給用電器或儲能設(shè)備儲存。,AC/DC組成：輸入濾波電路、全波整流和濾波電路、DC/DC變換電路、過電壓和過電流保護電路、控制電路和輸出整流電路。,整流電路的作用是將交流電壓變?yōu)橹绷髅}動電壓；輸入濾波電路的作用是使整流后的電壓更加平滑，并將電網(wǎng)中的雜波濾除以免對模塊產(chǎn)生干擾。DC/DC變換電路和控制電路作用是實現(xiàn)直流電壓的轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓。保護電路的作用是在模塊輸入電壓或電流過大時使模塊關(guān)斷，起到保護作用。為了解決整流后諧波畸變所導(dǎo)致的低功率因數(shù)問題，使模塊效率進一步提高，越來越多的模塊制造廠商在全波整流電路和DC/DC變換電路之間加入功率因數(shù)校正電路。,第四節(jié)電動汽車制動能量回收系統(tǒng),電動汽車制動能量回收系統(tǒng)能充分發(fā)揮電動汽車的優(yōu)點，把剎車制動、高速運行、減速運行、下坡滑行等狀態(tài)下的部分能量轉(zhuǎn)化為電能反充給蓄電池，從而有效地利用能源，提高了電動汽車的續(xù)程里程，這是傳統(tǒng)的燃油汽車所不能相比的。,一、制動能量回收系統(tǒng)的基本原理,1泵能原理泵能，即為由低壓向高壓充電。當(dāng)UUc時，對電容的充電電流為ic，電感電流為iL。因為UUc，所以iL0，低壓向高壓的充電過程可以實現(xiàn)。,2能量回收系統(tǒng)工作原理,組成：兩個IGBT元件V1和V2、電阻R、電動機M、電感L等,（1）續(xù)流階段此時電動汽車開始減速，控制V1、V2關(guān)斷，電流通過VD2續(xù)流，此時電流通過CDFGC回路轉(zhuǎn)化為熱能消耗（電動機電感中的電能經(jīng)L-VD2-R消耗一部分）,圖8-23制動能量回收過程a）V1、V2關(guān)斷b）V1關(guān)斷、V2導(dǎo)通c）V1導(dǎo)通、V2關(guān)斷,（2）電流反向階段由于電動汽車的慣性，電動機發(fā)電狀態(tài)繼續(xù)同向運轉(zhuǎn)，電流反向為GFD，V1關(guān)斷，V2導(dǎo)通，電流流過V2構(gòu)成回路。,圖8-23制動能量回收過程a）V1、V2關(guān)斷b）V1關(guān)斷、V2導(dǎo)通c）V1導(dǎo)通、V2關(guān)斷,（3）回收饋能階段控制V2關(guān)斷，由于L的續(xù)流作用，電流通過VD1向電池充電，回路變?yōu)镋DCBAE。,圖8-23制動能量回收過程a）V1、V2關(guān)斷b）V1關(guān)斷、V2導(dǎo)通c）V1導(dǎo)通、V2關(guān)斷,電動機反復(fù)工作于第二、二階段，直至駕駛員踩下加速踏板或電動汽車停止行走為止。,二、電動汽車的制動能量回收系統(tǒng),制動能量回收系統(tǒng)是電動汽車所獨有的，將減速制動（剎車或者下坡）時汽車的部分動能轉(zhuǎn)化為電能，并且把轉(zhuǎn)化的電能儲存在各種儲能器中，如各種蓄電池、液壓儲能器、超級電容和超高速飛輪等，最終達到增加電動汽車行駛里程和降低運行成本的目的。如果儲能器已經(jīng)被完全充滿，制動能量回收就不能起到制動作用，所需的制動力就只能由常規(guī)的液壓制動系統(tǒng)來提供。,一般應(yīng)該考慮滿足以下四方面的要求：（1）液壓制動力矩應(yīng)該可以根據(jù)制動能量回收力矩的變化進行控制，使駕駛員在制動時有平順感，最終獲得所希望的總力矩。并且液壓制動的控制不應(yīng)引起制動踏板的沖擊，以免引起駕駛員產(chǎn)生不正常的感覺。（2）前后車輪上的制動力必須很好地進行平衡分配，以使汽車能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定地制動。（3）為了防止汽車發(fā)生滑移，加在前后輪上的最大制動力應(yīng)該低于允許的最大值（主要由滾動阻力系數(shù)決定）。（4）由于在電動汽車上沒有發(fā)動機驅(qū)動的液壓泵，所以需要一個電動泵來提高液壓。,當(dāng)駕駛員踩下制動踏板，電動泵使制動液增壓產(chǎn)生制動力。制動控制子系統(tǒng)與電動機控制子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，確定汽車前后輪上的液壓制動力?；厥罩苿幽芰繒r，制動能量回收控制系統(tǒng)回收制動能量，并且反充到蓄電池中。電動汽車上的ABS及其控制閥與傳統(tǒng)燃油車上的相同，其作用是產(chǎn)生最大的制動力。,電動汽車上的總制動力矩是制動能量回收力矩與液壓制動力矩之和。,其目的是保持最大制動能量回收力矩的同時，為駕駛員提供與燃油車相同的制動感。當(dāng)制動踏板力較小時，只有制動能量回收力矩施加在驅(qū)動輪上，并且與制動踏板力成正比；而非驅(qū)動輪上的制動力由液壓制動提供，液壓制動力也與制動踏板力成正比。當(dāng)制動踏板力超過一定值時，最大制動能量回收力矩和液壓制動力矩全部加在驅(qū)動輪上，以獲得所需的制動力矩。因而最大制動能量回收力矩可以保持不變，以便能完全回收汽車的動能。,第五節(jié)燃料電池汽車氫安全系統(tǒng),一、氫安全系統(tǒng)1燃料電池汽車氫安全控制系統(tǒng)燃料電池汽車整車氫安全控制系統(tǒng)主要包括氫泄漏監(jiān)測及報警處理系統(tǒng)。在燃料電池汽車內(nèi)安裝的氫泄漏監(jiān)測系統(tǒng)由4個氫傳感器和安裝在車體下部的一套監(jiān)控器組成，4個氫傳感器分別安裝在車頂部的儲氫瓶艙、燃料電池發(fā)動機艙、乘客艙以及發(fā)動機水箱附近，實時檢測車內(nèi)氫的體積分數(shù)。當(dāng)任何一個傳感器檢測到氫的體積分數(shù)超過規(guī)定的范圍時，監(jiān)控器會發(fā)出聲光報警信號，并通知安全報警處理系統(tǒng)。安全報警處理系統(tǒng)接收到報警信號時，啟動聲光報警系統(tǒng)，駕駛員則關(guān)閉燃料電池發(fā)動機和氫氣瓶組出口的電磁閥，并采取相應(yīng)的處理措施。,燃料電池汽車上的氫安全處理系統(tǒng)中所用的繼電器采用防爆固態(tài)繼電器，氫檢測傳感器則采用防爆型的。為了確保安全，當(dāng)氫安全系統(tǒng)報警時，汽車上嚴禁使用可能引起電弧的用電裝置。燃料電池汽車存有氫氣時，車內(nèi)嚴禁進行可能引起火花、電弧的操作。為了保證行車安全，燃料電池汽車車體底部設(shè)有接地導(dǎo)線，可以將加氫時及汽車行駛過程中產(chǎn)生的靜電泄放回大地。,2燃料電池汽車車庫的氫安全系統(tǒng)（l）車庫氫安全控制系統(tǒng)（2）氫安全操作規(guī)程,（l）車庫氫安全控制系統(tǒng)車庫氫安全控制系統(tǒng)主要包括氫泄漏監(jiān)測及報警處理系統(tǒng)以及能自動送、排風(fēng)的設(shè)施等。燃料電池汽車車庫內(nèi)的氫泄漏監(jiān)測系統(tǒng)由安裝在車庫頂部的多個氫傳感器和安裝在控制室的一套監(jiān)控器組成。,（2）氫安全操作規(guī)程必須制定嚴格的氫安全操作規(guī)程，并在燃料電池汽車進、出庫及調(diào)試過程中嚴格遵守，以確保安全。操作規(guī)程主要有：發(fā)動機啟動前，對管路必須進行氣密性檢查；嚴禁在車庫內(nèi)對燃料電池汽車進行大規(guī)模的加氫操作；雷雨天氣禁止做氫氣系統(tǒng)調(diào)試及實驗等。,二、燃料電池電動轎車的安全系統(tǒng)實例1氫氣監(jiān)測系統(tǒng)整車共有4只氫傳感器，分別用于監(jiān)測車