新能源汽车电力电子技术 课件 第10章 新能源汽车技术应用基础

第10章新能源汽车技术应用基础10.1动力电池及其管理充电技术10.1.1

动力电池10.1.2

动力电池管理技术10.1.3

动力电池充电技术10.1.1动力电池1.铅酸蓄电池铅酸蓄电池已有90多年的历史,广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的电动汽车蓄电池,可靠性好、原材料易得、价格便宜、使用安全、再生率高，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但是由于铅酸蓄电池的比能量低、循环寿命短、供电不稳定、使用寿命短等缺点，目前铅酸蓄电池已不做为动力电池使用。10.1.1动力电池2.镍氢电池镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池,因具有能量高、使用寿命长、无污染等特点而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。镍氢电池具有高比能量、高功率、适合大电流放电、可循环充放电、无污染等优点,被誉为“绿色电池”。(1)镍氢电池的性能优点①功率性能好。②低温性能好。③循环寿命长。④耐过充、过放。⑤应用比较成熟。⑥管理系统相对简单。⑦具有较高的回收价值。(2)镍氢电池的缺点①电池的热效应。②蓄电池比能量较低。③标称电压低。④高温充电性能差⑤自放电大⑥材料成本高。

10.1.1动力电池3.锂离子电池锂离子蓄电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是一种在电极材料中使用了锂元素作为主要活性物质的一类电池,锂离子电池作为高电压、高能量密度的可充电电池,其突出的特点是:重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、使用寿命长、、开发前景非常光明。同时它是一种真正的绿色环保电池,不会对环境造成污染,是目前最佳的能应用到电动车上的电池。(1)锂商子电池的分类根据材料的不同,锂电池可分为磷酸铁锂电池、钻酸锂电池与三元聚合物锂电池。10.1.1动力电池3.锂离子电池(2)锂商子电池的结构锂离子电池一般使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料,使用非水电解质,锂离子蓄电池根据正极材料的不同,分为磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钻酸锂电池以及三元材料锂离子电池等。锂离子电池由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和导电材料等组成,如图10-1所示,其中正、负极材料的选择和质量直接次定锂离子蓄电池的性能与价格。图10-1锂离子电池的结构构10.1.1动力电池3.锂离子电池

10.1.1动力电池4.燃料电池燃料电池是将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。燃料电池电动汽车是以燃料电池系统作为动力源或主动力源的车辆。燃料电池构造原理如10-2所示。主要由三部分组成,电极、电解质和外部电路。燃料主要是氢气、甲醇等碳氢化合物。图10-2燃料电池构造、原理10.1.1动力电池4.燃料电池(1)燃料电池的性能①优点A.热效率高。B.零污染或超低污染。C.在宽广的范围内保持高效率且过载能力强。D.配置灵活及机动性大。②缺点A.辅助设备复杂。B.辅助设备重而体积大。C.起动时间长并需提高系统的耐振能力。(2)燃料电池与普通电池的区别①燃料电池通过电化学反应转化为电能的活性物质是从外部输入,不是在内部的。②燃料电池放电过程中所消耗的活性物质无需通过充电来还原,只需向电池内部不断输入燃料及氧化剂,并将反应产物及时排出即可持续提供电能。10.1.1动力电池5.超级电容器超级电容电池又称为双电层电容,是一种通过极化电解质来储能的新型储能装置,它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

超级电容器的突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。相对于传统的电池产品,超级电容能存储的电量并不多。(1)充电速度快,只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上。(2)循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达50万次。(3)大电流放电能力超强,能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率≥90%。(4)功率密度高,可达300～5000W/kg,相当于普通电池的数十倍。(5)产品原材料构成、生产、使用、储存及拆解过程均没有污染,是理想的环保电源。(6)充放电电路简单,无需充电电池那样的充电电路,安全系数高,长期使用免维护。(7)超低温特性好,使用环境温度范围宽达40～70℃。(8)检测方便,剩余电量可直接读出。(9)单体容量范围通常为及其0.1～3400F。10.1.1动力电池6.飞轮电池飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。轮电池内部结构如图10-3所示。飞轮电池兼顾化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的优点,主要表现在以下几个方面:(1)能量密度高。(2)能量转换效率高。(3)体积小、重量轻。(4)工作温度范围宽。(5)使用寿命长。(6)低损耗、低维护。

图

10-3飞轮电池内部结构10.1.1动力电池7.动力电池性能指标10.1.1动力电池7.动力电池性能指标10.1.1动力电池7.动力电池性能指标10.1.1动力电池

8.电动汽车对动力蓄电池的要求10.1.2动力电池管理技术电池管理系统BMS与电池紧密结合在一起，通过对对电池组和电池单元（电芯）的电压、电流、温度等参数采集、计算,进而监控和管理动力电池的充放电过程,实现对电池的保护,提升电池组综合性能，使电池工作在最佳状。1.BMS的基本结构电池管理系统基本结构如图10-4所示。主要包括数据采集、电池状态计算、能量管理、安全管理、热管理、均衡控制、通信功能和人机接口等功能模块组成。图10-4电池管理系统基本结构10.1.2动力电池管理技术

2.BMS的工作原理数据采集单元采集电池状态信息(电压、电流、温度等)数据后,通过CAN总线将数据传送给电控单元进行数据处理和分析,然后电池管理系统根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令,并向外界传递电池状态信息,同时电池管理系统通过CAN总线与组合仪表及车载充电机等进行通信,实现电池状态信息显示、电池充电监控等功能。10.1.2动力电池管理技术3.BMS的功能BMS是电池保护和管理的核心部件,它不仅要保证电池安全可靠地使用,而且要充分发挥电池的性能和延长其使用寿命。在动力电池系统中,它的作用就相当于人的大脑。BMS作为电池和整车控制器以及驾驶者沟通的桥梁,通过控制接触器进而控制动力电池组的充放电,并向VCU传送动力电池系统的基本参数及故障信息。BMS的的主要功能包括数据采集、状态分析、均衡控制、安全保护、热管理、数据通信等。均衡控制示例如图10-5所示。

（a）被动均衡

(b)被动均衡图10-5均衡控制示例10.1.2动力电池管理技术3.BMS的功能动力电池数据通如图10-6所示。通过电池管理系统实现蓄电池参数和信息与车载设备或非车载设备的通信,为充、放电控制和整车控制提供数据依据是电池管理系统的重要功能之一。图10-6动力电池数据通信示意图10.1.3动力电池充电技术10.1.3动力电池充电技术1.电动汽车充电概述(1)充电设施①充电桩。充电桩如图10-7所示。充电桩分为交流充电桩(慢充)、直流充电桩(快充)两种。②充电机。充电机作通过接口与电动汽车进行连接,为电动汽车提供一定规格的电源。，图10-7充电桩10.1.3动力电池充电技术1.电动汽车充电概述③充电站。充电站基本构成如图10-8所示,基本构成包括充电机、监控系统、安全防护设施和其他配套设施等。图10-8充电站基本构成10.1.3动力电池充电技术1.电动汽车充电概述充电站布局图如图10-9所示。目前,电动汽车充换电设施接入配电网的典型方式主要有:a.充电桩:就近接入380V低压配电网。b.充/换电站:采用专用变压器接入或专线接入9kV中压配电网。图10-9充电站布局图10.1.3动力电池充电技术1.电动汽车充电概述(2)动力电池充电的类型按照不同的分类要求，对动力电池的充电进行分类：①按照充电方法的不同，可分为恒压充电、恒流充电、脉冲充电、智能充电、补充充电、②按照充电方法的不同,可分为传导式充电、感应式充电、远程无线充电。10.1.3动力电池充电技术1.电动汽车充电概述(3)电动汽车充电的基本要求电动汽车对充电系统的基本要求如下:①安全性。包括驾乘人员和操作人员的人身安全和动力电池的安全。(2)易用性。操作简单便捷,具有较高的智能性,操作人员不需要过多地干预充电过程。②高效性。能够高效率地完成充电过程是对纯电动汽车充电系统最为重要的要求之一。③经济性。价格低廉、性能优异的充电设备有助于降低纯电动汽车的整体成本,增强纯电动汽车的市场竞争力。10.1.3动力电池充电技术2.快速充电系统快速充电系统如图10-10所示。主要由直流充电桩、直流充电枪、快充接口、高压配电盒等组成。其作用在于从公共电网获取电能并为动力蓄电池进行充电。(a)示意图

(b)基本组成图10-10快速充电系统10.1.3动力电池充电技术3.慢速充电系统电动汽车常规慢充充电是通过慢速充电线束(家用慢速充电线束或充电桩慢速充电线束)与220V家用交流插座或交流充电桩相连对整车进行充电的交流慢充方式，以实现对动力电池的电能补给。慢充充电示意图如图10-11所示。图10-11慢充充电示意图10.1.3动力电池充电技术3.慢速充电系统慢充充电桩原理拓扑图如图10-12所示。是一种利用专用充电接口为具有车载充电机的电动汽车提供交流电能,并提供友好的人机操作界面,具有相应的控制、计费和通信等功能的电动汽车专用交流供电装置。慢充充电方式对电网没有特殊要求,只要能够满足照明要求的供电质量就能够使用。图10-12慢充充电桩原理拓扑图10.2电机及其驱动控制技术10.2.1电动汽车驱动电机10.2.2

电动汽车电机驱动技术10.2.3驱动电机控制技术10.2.1电动汽车驱动电机1.电机的基本概念电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩,作为车用电器或各种机械的动力源。电机通常指电动机与发电机。电动汽车的驱动电机有有刷或无刷直流电机、永磁或电磁直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等,它们的选用也与整车配置、用途和档次有关。另外,驱动电机的调速控制可分为有级调速和无级调速,有采用电子调速控制器和不用调速控制器之分。10.2.1电动汽车驱动电机2.驱动电机的作用驱动电机的在电动汽车上的具体任务是:在驾驶人操纵控制下,将内燃机-发电机系统、动力电池组的电能转化为车轮的动能驱动车辆,并在车辆制动时把车辆的动能再生为电能反馈到动力电池中以实现车辆的再生制动。近90%的电动机由旋转场设备组成,其主要优势在于可通过旋转场从定子向转子进行非接触式能量传输。这样就不需要直流电机换向器等磨损件。因此,这类设备磨损低,所需维护少。10.2.1电动汽车驱动电机3.驱动电机主要性能指标10.2.1电动汽车驱动电机4.电动汽车对驱动电机的要求10.2.2电动汽车电机驱动技术

1.电机驱动系统基本组成电机驱动系统是电动汽车的心脏，也是电动汽车的关键子系统。它由电机、功率转换器、控制器、各种检测传感器和电源(蓄电池组)组成,其任务是在驾驶人的控制下,高效地将蓄电池的电能转化为车轮的动能,或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。电机驱动系统的基本组成如图10-13所示。图10-13电机驱动系统的基本组成框图10.2.2电动汽车电机驱动技术

2.电机驱动系统的特点10.2.3驱动电机控制技术1.直流变换技术直流变换器(DC/DC)是将一个直流电源变换为另一个直流电源的电力电子电路。通过PWM技术控制功率半导体器件的导通和关断时间,连续调节DC/DC变换器输出的直流电压,可实现输入/输出电压之间的下降或上升。(1)DC/DC升降压变换器（双向）图10-14所示的直流功率变换器是双向直流功率变换器,实现动力电池组和电机逆变器两个高压母线电压之间的双向功率转换。图10-14某典型混合动力电动汽车的驱动系统结构10.2.3驱动电机控制技术1.直流变换技术(2)DC/DC降压变换器（单向）与传统汽车一样,车灯、音响、刮水器等低压电器对新能源汽车来说同样重要。这样,就需要DC/DC变换器,将动力电池组提供的几百伏高电压降为安全电压的12V或24V,为低压铅蓄电池补充电能,满足车载低压电器的功率和能量需求。如图10-15所示，低压DC/DC变换器采用隔离变压器的DC/DC技术,常用全桥式的功率电路拓扑。图10-15高电压直流母线与12V直流母线的电能转换电路框图10.2.3驱动电机控制技术2.逆变技术逆变器是一个将直流电能变换成交流电能的电路系统,它能够输出频率、幅值和相位可调的正弦波。根据输入电源类型,逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。电压型逆变器的特点是:1)直流侧为电压源或并联大电容。2)交流侧输出脉冲波电压,交流电流波形由负载决定。电压型逆变器的基本电路结构如图10-16所示。图10-16电压型逆变器的基本结构10.2.3驱动电机控制技术2.逆变技术(1)三相电压源逆变器工作原理三相电压源逆变器的标准电路拓扑如图10-17所示。它由直流输入滤波电容和三个两开关串联的桥臂组成。每个功率半导体开关并联了一个用于感性负载续流的反向二极管,而且使逆变器具备了再生能量回馈的功能。图10-17全桥式三相电压源逆变器电路10.2.3驱动电机控制技术2.逆变技术(2)三相电压源逆变器应用举例三相交流电机控制电路由直流链路、功率电子电路和电子控制单元三个部分组成,如图1