新能源汽車電氣技術(shù)教學(xué)課件-新能源汽車電源系統(tǒng)的認知

新能源汽車電源系統(tǒng)的認知

傳統(tǒng)的燃油汽車的電源是蓄電池和發(fā)電機，發(fā)動機未起動或起動時由蓄電池供電，起動以后則由發(fā)電機供電，同時為蓄電池充電。新能源汽車的電源分為主電源和輔助電源。主電源為驅(qū)動汽車行駛的高壓電源也就是動力蓄電池；輔助電源（即輔助蓄電池——低壓的鉛蓄電池）是為車載各種儀表、控制系統(tǒng)提供的直流低壓電源。新能源汽車電源模塊是整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的保障。電源的可靠性對于整個系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。

傳統(tǒng)燃油汽車的交流發(fā)電機利用發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)發(fā)電，發(fā)出的電提供給用電器并為蓄電池充電。混合動力汽車及新能源汽車采用DC/DC變換器之后，可省去交流發(fā)電機。新能源汽車的動力蓄電池容量很大。因此，以動力蓄電池為電源，能夠利用DC/DC變換器為低壓蓄電池充電，從而可以省去原來的交流發(fā)電機。一、新能源汽車電源系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)燃油汽車當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低時，如果同時使用空調(diào)、音響及車燈等，有時“電池的電量會用盡”。即使發(fā)動機仍在運行，有些條件下（如用電器全開）也會出現(xiàn)電力不足現(xiàn)象。而混合動力汽車和新能源汽車使用動力蓄電池和DC/DC變換器，便不存在這種情況。混合動力汽車和新能源汽車理論上說也可以省去低壓的蓄電池，但實際上還是保留了蓄電池，如圖1-2所示。這樣做有兩個主要原因：一是保留低壓的蓄電池更能夠降低車輛的成本，二是確保電源的冗余度。一、新能源汽車電源系統(tǒng)概述

無論是傳統(tǒng)汽車、混合動力汽車，還是純新能源汽車，都離不開的蓄電池。蓄電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置，并且可以通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)再充電。蓄電池已有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力電源。蓄電池也是成熟的新能源汽車動力電源，它可靠性好、原材料易得、價格便宜；比功率也基本上能滿足新能源汽車的動力性要求。但蓄電池有兩大缺點；一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個是使用壽命短，使用成本高。二、新能源汽車輔助蓄電池的特點二、新能源汽車輔助蓄電池的特點

常用的12V蓄電池主要分為四類,分別為普通蓄電池、干荷蓄電池、濕荷蓄電池和免維護蓄電池，而就目前為止汽車上使用的基本上都是免維護電池。

新能源汽車，特別是純新能源汽車，12V蓄電池不需要給起動機提供起動時的大電流，容量變小，此外結(jié)構(gòu)和類型也與傳統(tǒng)汽車有所區(qū)別。從圖1-5上可以看出，比亞迪秦12V蓄電池與傳統(tǒng)汽車用的蓄電池主要區(qū)別是：

1）用于發(fā)動機的起動正極與其他用電器的供電正極分開了。

2）蓄電池內(nèi)部具有智能控制模塊（BMS），用于對蓄電池進行智能控制。例如蓄電池電壓低時，關(guān)閉多媒體系統(tǒng)的電源。三、新能源汽車動力蓄電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

目前，比較常用的新能源汽車動力蓄電池主要、鎳氫電池、鋰離子蓄電池、超級電容、燃料電池等。其中鉛酸蓄電池是所有電池研究中最為成熟的動力蓄電池，它具有成本低廉、支持大電流放電、安全性高的優(yōu)點，但由于其較低的比能量而無法滿足新能源汽車續(xù)駛里程的需要，因而主要用于混合動力新能源汽車中為平穩(wěn)路況中行駛的汽車提供動力。目前，混合動力新能源汽車已普遍存在于人們的日常生活中。在中國的東部、中部地區(qū)的城鎮(zhèn)中，混合動力公交汽車已完全取代傳統(tǒng)的公交汽車，轎車的生產(chǎn)、私家車的運行也日漸以混合動力新能源汽車為主，混合動力新能源汽車已真正實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，鉛酸蓄電池在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用也日漸成熟。但是，混合動力新能源汽車并未擺脫對石油的依賴，對環(huán)境依舊有一定污染。三、新能源汽車動力蓄電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

純新能源汽車的動力完全由電池提供，它擺脫了對石油的依賴，極大地節(jié)省了能源，減小了對環(huán)境的污染，具有很好的發(fā)展前景，是目前世界各國都在致力研究投產(chǎn)的新能源汽車。純新能源汽車的動力蓄電池主要有鎳氫電池、鋰離子蓄電池和超級電容。由于現(xiàn)有的氫鎳電池存在單體電壓低、自放電損耗大、對環(huán)境溫度敏感等許多不足，因而還需進一步研究、改進。鋰離子蓄電池是目前所有可充電電池中，綜合性能最優(yōu)的一種新型電池。它具有比容量大、重量輕、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，十分適合作為動力裝置，構(gòu)建輕巧靈便的純新能源汽車。超級電容的最大優(yōu)點是符合電動車輛在加速與制動時能量快速吸收和提供的要求，動力強勁，放電電流大，使用壽命長，其未來使用范圍非常廣泛。三、新能源汽車動力蓄電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

燃料電池新能源汽車以氫氣作為燃料，與氧氣反應(yīng)時能釋放大量的能量且反應(yīng)生成物為水，具有效率高、零排放、燃料補充速度快等優(yōu)點，因而將成為未來汽車的主流。但就燃料電池而言，氫氣的制備與儲存還存在很多問題，燃料電池的制備價格極高，電池與整車的技術(shù)還在研究階段，所以燃料電池及其相關(guān)技術(shù)還有待進一步的研究。四、新能源汽車對動力蓄電池的性能要求

動力蓄電池作為新能源汽車的能量來源，其性能直接關(guān)系著新能源汽車續(xù)航里程、加速性能、爬坡能力以及安全性能等，因此動力蓄電池的選擇必須滿足高比能量、高比功率以及安全可靠等特點。

1.高比能量

比能量是指單位體積或重量的電池能夠存儲和釋放的電量，其單位為：Wh/kg、Wh/L。存儲相同的電量，比能量高的電池，其重量和體積就會越小，對新能源汽車的發(fā)展越有利。固定重量和體積的情況下，新能源汽車可以攜帶更多的電池，具有更高的電量。

2.高比功率

比功率是指單位質(zhì)量或體積的電池存儲或放出的功率，其單位為：kW/kg或kw/T，決定著新能源汽車的動力性能，對汽車最大車速以及爬坡能力都有很大的影響。

3.安全可靠

安全可靠是新能源汽車對動力蓄電池的基本要求，能否安全可靠地使用電池直接關(guān)系著駕駛?cè)藛T的人身安全。因此，動力蓄電池在出廠前經(jīng)過安全測試，即使在溫度過高、劇烈碰撞等情況下也不會發(fā)生爆炸。另外，廢棄的電池要能夠回收利用，防止重金屬、電解質(zhì)溶解等對環(huán)境造成污染。四、新能源汽車對動力蓄電池的性能要求

4.較長的使用壽命

電池的使用壽命直接關(guān)系著新能源汽車的應(yīng)用及市場化程度，如果使用壽命太短，將無法適應(yīng)新能源汽車的發(fā)展。目前，動力蓄電池的循環(huán)壽命要求不少于1000次，壽命使用期間內(nèi)，不需要進行維護。

5.充電技術(shù)成熟

新能源汽車的發(fā)展使得快速充電成了必然要求，動力蓄電池除了能常規(guī)充電外，還要具有快速充電的能力，以適應(yīng)現(xiàn)在的快節(jié)奏生活。一般新能源汽車要求6小時左右要能充滿，快速充電時，20分鐘即可充滿50%電量。

6.價格合適

新能源汽車一般需要幾百節(jié)電池，如果動力蓄電池的價格過于昂貴，將會加大新能源汽車的成本，使得新能源汽車的價格大幅提升，影響新能源汽車的市場份額。目前，鋰離子蓄電池的價格仍然比較昂貴，并不利于新能源汽車的市場化發(fā)展，不過隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，鋰離子蓄電池的工藝更加成熟，市場規(guī)模也會逐漸擴大，價格也會逐漸的降低。五、新能源汽車常用動力蓄電池種類

1.鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池是一種電化學(xué)儲能電池，是目前性能相對比較成熟的新能源汽車動力蓄電池。其通過兩個電極的化學(xué)反應(yīng)來存儲能量，正極采用二氧化鉛，負極采用海綿狀的鉛，電解液采用稀硫酸溶液，單節(jié)電池的基本電壓為2V。鉛酸蓄電池具有安全性能好、成本低的優(yōu)點，但其質(zhì)量大、容量小、含有重金屬鉛，容易對環(huán)境造成污染。

為了不被其他電池所取代，鉛酸蓄電池目前朝膠體電池發(fā)展，即往硫酸中添加膠凝劑，使硫酸電解質(zhì)由液體變?yōu)槟z態(tài)，使用起來更加方便安全?，F(xiàn)在電動車領(lǐng)域應(yīng)用最多的就是密閉性鉛酸膠體電池。五、新能源汽車常用動力蓄電池種類

2.鎳金屬電池

新能源汽車所使用的鎳金屬電池有鎳鎘電池、鎳氫電池兩種，兩種電池皆是儲能的堿性蓄電池，單節(jié)電池電壓為1.2V，且電池正極皆為氫氧化鎳。鎳鎘電池的負極為金屬鎘，電解質(zhì)為氫氧化鈉溶液。單體電池電壓較低，具有高比能量、質(zhì)量輕、壽命長的特點，能夠進行深度放電。但是金屬鎘具有毒性，容易對環(huán)境造成污染，所以發(fā)達國家已經(jīng)禁止使用此類電池。

鎳氫電池的負極是儲氫合金，電解質(zhì)為氫氧化鉀，與鎳鎘電池相比，鎳氫電池沒有環(huán)境污染的問題，質(zhì)量更輕，電池壽命也更長，能比鎳鎘電池多存儲30%的電量，能夠承受一定程度的過充電和過放電，也可進行快速充電。但是鎳氫電池的成本相對較高，電池之間的不一致性較難控制，使得鎳氫電池的使用受到很大的限制。五、新能源汽車常用動力蓄電池種類

3.鋰離子蓄電池

鋰離子蓄電池也是一種儲能電池，具有能量密度大、自放電小、平均輸出電壓高、無記憶效應(yīng)、使用壽命長、工作溫度范圍寬、綠色環(huán)保等優(yōu)點，單體電池電壓更是達到3V以上，因此在許多方面都得到應(yīng)用，更被廣泛應(yīng)用于新能源汽車。相同質(zhì)量的電池組，新能源汽車可以攜帶數(shù)量更多的鋰離子蓄電池，使其擁有更高的容量，行駛更遠的里程。但是鋰離子蓄電池也存在一定的缺陷，其生產(chǎn)成本高，材料的穩(wěn)定性較差，使用時需要合理管理，以防危險事故的發(fā)生。

通過以上的分析比較，可以看出鋰離子蓄電池的性能最優(yōu)越，最符合新能源汽車的動力需求。但鋰離子蓄電池種類眾多，最具代表性的當屬最新研發(fā)的磷酸鐵鋰電其性能優(yōu)越、安全性能好、成本較低、價格也合適，是目前最為理想的動力蓄電池。六、動力蓄電池系統(tǒng)功用

動力蓄電池系統(tǒng)功用主要是為車輛行駛提供動力，檢測計算電量，檢測溫度、電壓、濕度，檢測漏電等異常情況并進行發(fā)出警報，控制充放電，控制預(yù)充電，系統(tǒng)自檢等.七、新能源汽車動力蓄電池系統(tǒng)組成

新能源汽車動力蓄電池系統(tǒng)主要由動力蓄電池模組、蓄電池管理系統(tǒng)、動力蓄電池箱及輔助元器件等四部分組成。七、新能源汽車動力蓄電池系統(tǒng)組成

1.動力蓄電池模組的組成及工作原理動力蓄電池模組由多個單體電芯或電池模塊串聯(lián)組成的一個組合體。單體電芯是構(gòu)成動力蓄電池模塊的最小單元，由正極、負極、電解質(zhì)及外殼等構(gòu)成。電池模塊是一組并聯(lián)的電池單體的組合，該組合額定電壓與電池單體的額定電壓相等，是電池單體在物理結(jié)構(gòu)和電路上連接起來的最小分組，可作為一個單元替換。七、新能源汽車動力蓄電池系統(tǒng)組成

2.蓄電池管理系統(tǒng)的組成及作用蓄電池管理系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件主要由主板、從板及高壓盒，還包括采集電壓線、電流、溫度等數(shù)據(jù)的電子器件組成。七、新能源汽車動力蓄電池系統(tǒng)組成

3.動力蓄電池箱的組成及作用

主要包含上蓋和下托盤，還有輔助元器件，如過渡件，護板，螺栓等。動力蓄電池箱是支撐、固定、包圍電池系統(tǒng)的組件，有承載及保護動力蓄電池組及電氣元件的作用。電池箱體螺接在車身地板下方，其防護等級為IP67，螺栓擰緊力矩為80～100Nm。整車維護時需觀察電池箱體螺栓是否有松動，電池箱體是否有破損嚴重變形，密封法蘭是否完整，確保動力蓄電池可以正常工作。電池箱體外表面顏色要求為銀灰或黑色，亞光；電池箱體表面不得有劃痕、尖角、毛刺、焊縫及殘余油跡等外觀缺陷，焊接處必須打磨圓滑。七、新能源汽車動力蓄電池系統(tǒng)組成

4.輔助元器件的組成主要包括動力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)部的電子電器元件，如熔斷器，繼電器，分流器（電流傳感器），接插件，緊急開關(guān)，煙霧傳感器等，維修開關(guān)以及電子電器元件以外的輔助元器件，如密封條，絕緣材料等。八、鋰離子蓄電池分類鋰離子蓄電池分類分類情況按鋰離子蓄電池的外型分方型鋰離子蓄電池和柱形鋰離子蓄電池按鋰離子蓄電池正負極材料分沽酸鋰離子蓄電池或錳酸鋰、磷酸鐵鋰離子蓄電池、一次性二氧化錳鋰離子蓄電池按不同的性能用途方面分一次性鋰離子蓄電池；高容量鋰離子蓄電池；高倍率鋰離子蓄電池；高溫鋰離子蓄電池；低溫鋰離子蓄電池按電池是否可充電分不可充電電池的和可充電電池九、鋰離子蓄電池的工作原理

鋰離子蓄電池在結(jié)構(gòu)上可分為正極、負極、電解液、隔膜、外殼與電極引線五大塊。鋰離子蓄電池內(nèi)部的鋰離子在電場的驅(qū)動下從正極經(jīng)過電解質(zhì)溶液嵌入到負極上完成充電。而放電的過程則是鋰離子由負極到正極運動過程，只是放電過程中鋰離子運動路徑是通過外電路回到負極的。十、電力分配單元（PDU）

PDU就是英文PowerDistributeUnit的首字母的縮寫，中文意思就是電力分配單元。車上使用動力蓄電池電力的模塊主要有直流轉(zhuǎn)化模塊（DC/DC變換器）、電機控制模塊（MCU）、電動空調(diào)壓縮機（EAS）和PTC電阻加熱器四個系統(tǒng)。另外還有給動力蓄電池充電使用的快速充電系統(tǒng)和車載充電系統(tǒng)（OBC）；基于這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)，將這些系統(tǒng)優(yōu)化后釆用集成化設(shè)計，于是就有了PDU，如圖1-13所示，釆用PDU后主要有以下優(yōu)點：

1）為了減少高壓線束的數(shù)量、便于高壓線束的布置。

2）將大部分高壓母線的接線端子置于PDU內(nèi)提高了安全性。

3）并提高各系統(tǒng)的可靠性和可維修性。

4）高壓線束