纯电动汽车的电源系统主要由动力电池、电池管理系统、充电系统、电池冷却系统及低压辅助电源等组成(详见本项目二维码资源——纯电动汽车电源系统组成),有些纯电动汽车有辅助动力电源,在提高纯电动汽车续航里程的同时,也降低了对动力电池的性能的要求,有些纯电动汽车将超级电容和飞轮电池作为辅助动力电池使用。
(一)动力电池
动力电池是电源系统的核心部件,主要由动力电池模组、动力电池箱、动力电池辅助加热装置和高压维修开关等组成,有些则没有维修开关。动力电池是纯电动汽车的动力电源,其作用是给驱动电机提供所需的电能,从而带动汽车行驶;动力电池辅助加热装置主要在工作温度较低的情况下给动力电池加热,使其达到正常温度范围,保证良好的工作性能;动力电池箱相当于动力电池的壳体,主要用于安装动力电池组合。
1.动力电池模组
电动汽车动力电池组是能量储存装置,是电动汽车日常行驶的唯一能量来源,它是电动汽车的核心组成部件之一,其性能好坏直接关系到电动汽车的动力性能、续驶能力,同时也影响电动汽车的使用安全性。
(1)纯电动汽车对动力电池要求。
纯电动汽车行驶完全依赖动力电池存储的能量,电池容量越大,可以实现的续驶里程越长,但其体积、质量也越大。纯电动汽车要根据电源系统设计、道路情况和行驶工况的不同来选配电池,其对动力电池的具体要求归纳如下:
①动力电池组要有足够的能量和容量,以保证典型的连续放电不超过1C(C,库伦,电量单位,代表单位质量物质的电容量),典型峰值放电一般不超过3C;如果电动汽车上安装了回馈制动装置,动力电池组必须能够接受高达5C的脉冲电流充电。
②电池要能够实现深度放电而不影响其寿命,如放电80%不影响寿命,在必要时能实现满负荷功率和全放电。
③能实时检测动力电池的工作状态,所以需要安装电池管理系统和热管理系统,显示电池组的剩余电量和实现温度控制。
④动力电池要在整车上合理布置。由于动力电池组体积和质量大,电池箱的设计,电池的空间布置和安装问题都需要认真研究。
(2)类型。
动力电池按照不同的分类标准分为不同的类型,纯电动汽车常用的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂电池三种,如图3-2所示。电动汽车所用电池以锂电池为主流。
图3-2 动力电池类型
①铅酸电池。
铅酸电池由于其成本低、适应性宽、可逆性好、大电流放电性能良好、可制成密封免维护结构等优点,被广泛应用于电力、通信、邮电、铁路、采掘等多个领域。在汽车领域,铅酸电池作为启动、点火、照明电池应用于传统内燃机车上;作为动力电池,主要用于纯电动汽车、高尔夫车、观光车、电动叉车等车上。铅酸电池可分为两大类:普通(注水式)铅酸电池和免维护(阀控式)铅酸电池。其中,后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内充电和工作异常产生的多余气体,免维护,更符合电动汽车的要求。
铅酸电池在外形上各异,但其内部结构相似,主要由极板、隔板、电解液、壳体等组成。极板是铅酸电池的核心部件,分为正极和负极;电解液是铅酸电池的血液,它是弱酸性的。正极板上的活性物质是二氧化铅,负极板上的活性物质是海绵状的铅,电解液是稀硫酸,所以称为铅酸电池。这种电池在放电时,正极板上的活性物质分离出的铅离子与电解液中硫酸根反应生成硫酸铅附在正极板上,同时电池中氢离子和阳离子结合生成水;在充电过程中硫酸铅分解,生成正极板上的二氧化铅和负极板上的铅,充电末期水电解,生成氧气和氢气分别从正负极板上析出。铅酸蓄电池在充足电的情况下可以长时间保持电池内化学物质的活性,而在电池放电以后,如果不及时充足电,电池内的活性物质很快就会失去活性,使电池内部产生不可逆的化学反应。所以铅酸蓄电池应充足电保存,并定期给电池补充电。
如果作为纯电动汽车动力电池使用,铅酸电池必须解决提高比容量和比功率、延长蓄电池使用寿命、能够实现快速充电三个方面的问题。因此纯电动汽车使用铅酸电池作为动力电池的不多,也有些纯电动汽车用铅酸电池作为低压蓄电池,给整车电控和低压辅助电器供电。
②镍氢电池。
镍氢电池(Ni-MH)属于碱性电池,它的许多基本特性和镍镉(Ni-Cd)电池相似,但镍氢电池不存在重金属污染问题,被称为“绿色电池”。镍氢电池的高能量密度、大功率、无污染等综合特点使其适合作为动力电池使用,一些镍氢电池厂以此开发出动力汽车、电动摩托车和电动自行车的镍氢电池。
镍氢电池正极活性物质为Ni(OH)2(称NiO电极),负极活性物质为金属氢化物,也称储氢合金(电极称储氢电极),电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。充电时正极的Ni(OH)2和OH-反应生成NiOOH和H2O,同时释放出e-一起生成MH和OH-,总反应是Ni(OH)2和M生成NiOOH,储氢合金储氢;放电时与此相反,MHab释放H+,H+和OH-生成H2O和e-,NiOOH、H2O和e-重新生成Ni(OH)2和OH-。
镍氢电池优点为:比能量密度高、深度放电性能好、充放电效率高、无重金属污染、绿色环保、无记忆效应、全密封免维护、常规拆卸简单等,且其能量密度和功率密度均高于铅酸电池和镍镉电池,循环使用寿命在实际电动汽车用电池中是最高的,在正确使用条件下可循环使用500次以上。
镍氢电池缺点为:成本高,价格为相同容量铅酸电池的5~8倍;自放电损耗高,满电常温下存储自放电率30%~35%;高温性能差,在过充和过放电时会排出气体、耐高温性能差等。
近几年来,随着混合动力汽车的产业化和燃料电池汽车的研制开发,镍氢电池受到了非常普遍的关注,其能量密度、功率密度、循环寿命和快速充电能力还会提高,价格将会进一步降低。
③锂电池。
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料,使用非水电解质溶液的电池。锂金属电池通常是不可充电的,且内含金属态的锂;而锂离子电池不含有金属态的锂,如液态锂离子电池、聚合物锂离子电池等,并且是可以充电的,纯电动汽车使用的大都是锂离子电池。
早期锂离子电池主要用于笔记本电脑、手机等电器上,伴随着现在电池管理软件的进步,很多电动车也陆续采用了锂离子电池。锂离子动力电池能够在电动汽车上广泛应用,主要原因是其能量密度是铅酸动力电池的3倍,并且还有继续提高的可能性。特斯拉采用的18650锂电池,18650即指电池的直径为18mm,长度为65mm,圆柱形的电池。
锂离子电池是在二次锂电池的基础上发展起来的。这种锂离子电池的正负极均由可以嵌入和脱出Li+的化合物或材料组成。其中,正极为锂化跃迁金属氧化物,如LimO或Mn、Ni等跃迁金属;而负极可嵌入Li+的碳,形成LixC-碳化锂;电解质为有机溶液或固体聚合物。在电池充电时,Li+从正极脱出,经过电解质嵌入负极;电池放电时,Li+则从负极脱出,经过电解质再嵌回正极。电池的操作过程实际上是Li+在两电极之间来回嵌入和脱出的过程,故Li+电池也称为“摇椅式电池”。由于锂离子在正负极中有相对固定的空间和位置,因此锂离子电池充放电反应的可逆性很好。
锂离子电池具有能量密度高、平均输出工作电压高、自放电小、无效记忆、可快速充放电、充电效率高、环保性高、循环寿命长等多种优点。缺点是成本高、必须有特殊的保护电路,以防止过充或过放、与普通电池的相容性差等。具有技术竞争性的适用于电动汽车的锂离子电池,根据正极材料的不同分为锂镍钴铝(NCA)、锂镍锰钴(NMC)、三元材料(NCM)、磷酸铁锂(LFP)四种。但是从安全、寿命、性能、比能量、比功率和成本等对这四种锂离子电池进行比较,没有哪一种电池技术能在这几个方面都具有优势。
(3)动力电池组结构。
纯电动汽车常用的动力电池为锂电池,本节以锂离子电池为例来讲述动力电池组的结构。锂电池的动力电池组主要由电池模组组成,每个电池模组主要由多个电池模块组成,每个电池模块又由多个单体电芯组成。动力电池组中,把多个锂电池模块串联可以提高电池的电压;把多个锂单体电芯并联可以提高动力电池的容量和供电电流。纯电动汽车为了达到高电压高容量标准,一般使用串联和并联这两种方法组合连接单个电池。具体如下:
动力电池额定电压=单体电芯额定电压×单体电芯串联数
动力电池容量=单体电芯额定电压×单体电芯并联数
动力电池总能量=动力电池系统额定电压×动力电池系统容量
如:一个36V/10A·H电动车的电池是把5节2000mA·H的3.6V锂离子电池并联起来,这样容量就可以达到10A·H;然后再把10组并联的电池串联在一起,电压就可以达到36V以上。
动力电池组主要由多个电池模块串联而成,电池模块是单体电芯在物理结构和电路上连接起来的最小分组,每一个电池模块由多个并联的单体电芯组合而成,它是单体电芯的并联集成体。单体电芯是构成动力电池模块的最小单元,如图3-3所示,相邻单体电池之间用电芯绝缘板隔开。电池模组是由电池模块串联而成的单元。动力电池包是对外输出电能量的电源体,由若干电池模组串联而成。动力电池的形成过程详见本项目二维码资源。
图3-3 单体电芯
①单体电芯组成。
单体电芯一般由正极、负极、电解质(电解液)、隔膜及外壳等构成,如图3-4所示。可实现电能与化学能之间的直接转换,常见的磷酸铁锂单体电池电压为3.2V。
图3-4 单体电池结构
②单体电池工作原理。
以磷酸铁锂动力电池为例讲解单体电池工作原理。磷酸铁锂动力电池的充放电是在LiFePO4和FePO4两者之间进行的,参见图3-5对动力电池进行充电时,电池的正极上有锂离子脱出,脱出的锂离子经过电解质运动到负极。因负极的碳呈层状结构,有很多微孔,到达负极的锂离子就会嵌入到碳层的微孔中,生成FePO4,嵌入的锂离子越多,充电容量就会越高,即
而放电时则正好相反:当动力电池放电时,负极板上的锂离子从碳层中脱出,使得负极板处于富锂状态,脱出的锂离子通过电解质运动到正极,与正极板上FePO4反应,生成LiFePO4,移动至正极板的锂离子越多,动力电池的电量越低,即
需要注意的是磷酸铁锂电池在工作过程中既不能过充也不能过放,否则会影响电池的使用寿命。
锂离子电池的工作原理详见本项目二维码资源。
2.动力电池辅助加热装置
动力电池辅助加热装置是在温度较低的情况下预热动力电池使其达到正常的工作温度,从而保证动力电池的使用性能。动力电池辅助加热装置主要有电池PTC(正的温度系数)组成。当纯电动汽车需要工作时,电池管理器根据车辆的上电信号和动力电池的温度信号,控制电池PTC工作,逐步加热动力电池的温度,使动力电池的工作温度达到正常的温度范围。
3.动力电池箱
动力电池箱是支撑、固定、包围动力电池的组件,多由铸铝和玻璃钢制成。动力电池箱有承载及保护动力电池组及电气元件的作用。
动力电池箱主要由动力电池箱体的上盖和下托盘、辅助元器件等组成,如图3-5所示。辅助元器件包括过渡件、护板、螺栓等。
图3-5 动力电池箱组成
动力电池箱体通过螺栓连接在车身地板下方,其防护等级一般为IP67。电池箱体的外表面颜色要求为银灰色、黑色或亚光色,并且外表面还包含有产品铭牌、动力电池包序号、出货检测标签、物料追溯编码以及高压警告标志。
4.高压维修开关
纯电动汽车上的高压维修开关,也称为高压维修塞,它可以在维修纯电动汽车的高压电力系统时,起到防短路的保护作用,提供安全的维修环境,也可以对电力系统起到安全保护功能。一般,在纯电动汽车保养及维修时,都要先断开高压维修开关。某款汽车的高压维修开关,如图3-6所示。
图3-6 高压维修开关
(二)电池管理系统
电池管理系统(Battery Management System,BMS)是电动汽车必备的系统,如图3-7所示。它承担着动力电池组的全面管理,与电机控制系统、整车控制系统共同构成电动汽车的三大核心技术。BMS通过检测动力电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态,并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施,实现对动力电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定的运行。即一方面保证动力电池组的正常运作,显示动力电池组的动态响应并及时报警,以便使驾驶人随时都能掌握动力电池组的情况;另一方面对人身和车辆进行安全保护,避免因电池引起的各种事故。
图3-7 电池管理系统
1.电池管理系统的功能
电池管理系统的功能:通过电压、电流及温度检测等功能实现对动力电池系统的过电压、欠电压、过电流、过高温和过低温保护,继电器控制、剩余电量(SOC)估算、充放电管理、均衡管理、故障报警处理、与其他控制器通信等功能。此外,电池管理系统还具有高压回路绝缘检测功能,以及动力电池系统加热功能。
(1)过充电保护。
电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命,过充电还会使电解液分解,内部压力过高而导致漏液、变形、起火等问题。过充电保护,就是当电池组中的某个单元电池的电压高于设定的过充保护电压值,且该状态的保持时间超过预设延时,保护功能动作,切断充电电路,停止对电池组的充电,并锁定为过充电状态。
(2)过放电保护。
电池过放会导致大量活性物质不可逆地衰减,并可能导致漏液、零电压以及负电压,也是损害电池性能的主要原因之一。过放电保护就是当电池组中的某个单元电池的电压低于设定的过放保护电压值,且该状态的保持时间超过预设延时,保护功能动作,切断放电电路,停止对电池组的放电,并锁定为过放电状态。
(3)过流保护。
过流保护分为充电过流和放电过流。当电池组的充电电流或放电电流超过预设值,且该状态的保持时间超过预设延时,保护功能动作,切断充电电路或放电电路,停止对电池组的充电或放电,并锁定为过流状态。过流保护在一定时间后自动释放。
(4)短路保护。
当电池组发生短路,且该状态的保持时间超过预设延时,启动保护功能动作,切断充电电路和放电电路,禁止对电池组进行充电和放电。
(5)温度保护。
系统可进行多点温度采样,包括电池体温度、环境温度、功率器件温度等,根据不同的采样位置,预设相应的保护值。当检测到的温度超过设定的高温保护值,且该状态的保持时间超过预设延时,保护功能动作,切断充电电路和放电电路,禁止对电池组进行充电和放电,并锁定为短路状态。当检测到的温度恢复至设定的高温释放温度以下,且保持时间超过预设延时,高温保护释放。
(6)电压检测。
管理系统可对电池组中每个单元电池的电压进行监控,并转换为数字值。
(7)电流检测。
管理系统应可对电池组中的充放电的电流进行监控,并转换为数字值。
(8)温度检测。
管理系统应可对电池体温度、环境温度、功率器件温度等温度状态量进行监控,并转换为数字值。
(9)SOC检测。
通过相应的方法估算电池的剩余容量,为系统进行相应的控制提供依据并为驾驶员合理安排驾驶提供参考。
(10)监控显示。
管理系统通过液晶显示屏,显示相关检测数据,便于用户直观了解电池使用情况。
(11)通信功能。
电池管理系统应具备通信功能,可扩充多种总线接口,通过通信接口与设备总线相连,收集电池组的参数和状态。
(12)受控功能。
电池管理系统应可以通过通信接口接受设备总线上发来控制指令,并做出相应响应,如按照总线指令对电池组完成开启或关闭等操作。电池管理系统也可以通过通信接口接收设备总线上下传的参数信息,可通过软件编程的方式更新或调整电池管理的相关参数,包括保护参数、电压参数、电流参数、温度参数、时间参数等。
(13)均衡功能。
由于电池制作工艺等的差异,生产出来的电池性能不可能完全一致,而使用中充放电的不同又加剧了电池的不一致性。这就需要对电池进行有效的均衡,以保证电池组在使用周期内的一致性,从而有效地改善电池组的使用性能、延长电池组的使用寿命。
(14)散热功能。
管理系统包含散热组件,可对电池体、功率器件等进行被动散热和主动散热。被动散热采用普通热传递方式,满足系统在正常温度下的散热需求。被动散热无须进行管理控制,不消耗电源功耗。当电池系统的温度超过正常值,被动散热无法满足要求时,管理系统可以开启主动散热功能,通过风扇加速空气循环,风扇的转速可根据温度高低自动调整。
(15)自检功能。
电池管理系统具备自检功能,系统每次运行首先完成初始化检测,如发现问题则自动做出相应的处理,并通过液晶显示屏或总线接口上报告警。电池组在工作过程中,管理系统定时巡检,及时发现可能出现的问题,自动做出相应安全处理,并告警显示。
2.电池管理系统的组成
动力电池管理系统主要由数据检测模块、中央处理器、显示单元模块、控制部件等组成,一般通过采用内部CAN总线技术实现模块之间的数据信息通信,如图3-8所示。控制部件主要是指继电器、加热继电器及熔断装置等;数据检测模块主要进行数据采集,包括电流传感器、电压传感器、温度传感器等;中央处理器指电池管理模块,主要与整车系统进行通信,控制充电机等;显示单元模块主要指显示装置,可以进行数据呈现,实现人机交互。
图3-8 电池管理系统组成
3.电池管理系统的工作原理
电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起,通过传感器对电池的电压、电流、温度进行实时检测,同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒。它能计算剩余容量(SOC)和放电功率,报告电池劣化程度(SOH)和剩余容量(SOC)状态,还根据电池的电压、电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程,以及用算法控制充电机进行最佳电流充电,通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信。
电池管理系统的工作原理详见本项目二维码资源。
(三)充电系统(www.xing528.com)
纯电动汽车充电系统可以为车载储能装置补充电能,它是电源系统中提供持续且平衡电能的关键系统。充电系统应该能够满足在多种不同应用情况下的充电需求。随着动力电池本身充放电速度的不断提高,充电系统的性能也在不断改进。
1.充电系统的类型
(1)按照输入电能的供给方式分类。
在对电动汽车进行充电时,根据输入的充电电流的不同可分为交流充电系统和直流充电系统两种。两种不同的充电方式,充电速度不一样。
①交流充电系统。
所谓交流充电系统就是使用交流电源与交流电网连接,对新能源电动汽车进行充电。我国标准规定的电动汽车充电用交流电源电压的额定值最大可达660V,交流标称电压为单相250V、三相415V,允许偏差为标称电压的±10%,频率的额定值为(50±1)Hz。交流标称电流可以为16A、32A、60A、100A、150A或250A。
将电动汽车和交流电网相连时,可以采用下述3种方式中的一种或多种。
连接方式A:将电动车辆和交流电网相连时,使用和电动车辆连在一起的供电电缆和插头。
连接方式B:将电动车辆和交流电源连接时,使用带有电动车辆连接器和电源连接器的独立活动电缆,如图3-9所示。
连接方式C:将电动车辆和交流电源连接时,使用和交流电网连在一起的供电电缆和连接器,如图3-10所示。
图3-9 带有车辆及电源连接器的独立活动电缆
图3-10 供电电缆及连接器与交流电网连在一起
②直流充电系统。
所谓直流充电系统是指采用直流电给纯电动汽车进行充电的系统。一般,电动汽车采用的直流电是在对交流电源进行整流后得到的,但这种充电系统需要单独设置整流装置或直流电源。如某充电站利用城市无轨电车的供电网作为输入电源,则对该充电站内的充电装置而言,输入电源即为直流电源。我国标准规定用于电动汽车充电的整流电源的电压最高为1 000V。
(2)按充电时长分类。
按照充电时间的不同,电动汽车的充电系统可分为快充充电系统和慢充充电系统两种。
①快充充电系统。
快充充电系统可以不用车载充电机而完成对电动汽车的充电,所以快充充电系统可以用于没有车载充电机的充电系统。根据电动汽车动力电池性能的不同,充电电流一般在(0.2~1)C,少数动力电池的充电电流可达到3C。C为放电倍率,等于充放电电流与额定容量的比值。根据电动汽车蓄电池剩余容量和充电电流大小的不同,一般充电时间在20~60min。
②慢充充电系统。
慢充充电系统主要将220V交流电转化为直流电,以实现动力电池的电能补给。
慢充充电系统一般采用交流充电桩进行交流充电,适用于有车载充电机的小型电动乘用车。充电电流相对较小,输出功率通常不超过5kW。根据车载充电机功率的不同,一般慢充电模式充电时间为3~5h,部分车辆长达8~9h。由于充电时间较长,通常不用于车辆紧急充电。
慢充系统使用的交流充电桩成本较低且安装比较简单,可建在停车场、住宅小区等场所,充分利用停车时间特别是夜间等用电负荷低谷时段对车辆进行充电,充电成本相对较低。
总体来说,快充充电系统的充电机通常固定安装在地面上,输入侧的交流电经过电能变换后转变为直流输出,并给电动汽车的动力电池组充电,因此也称为直流充电机;慢充充电系统的整流等电能变换环节都在电动汽车内完成,车外仅需要一个交流输入供电电源,因此也称为交流充电机。
纯电动汽车本身使用的是慢充(交流)充电机,慢充(交流)充电机是慢充(交流)充电系统的核心组成部件,下面将重点讲解慢充(交流)充电系统的组成及工作原理。
2.充电系统的组成
纯电动汽车充电系统主要由车载充电机、充电口、DC-DC转换器等部分组成,并辅以正负极母线接触器(继电器)、预充接触器(继电器)和预充电阻等辅助装置,如图3-11所示。
图3-11 充电系统组成
(1)车载充电机。
①车载充电机的功用(详见本项目二维码资源)。
车载充电机是充电系统的主要装置,它以受控的方式将220V交流电转化成高压直流电传输到纯电动汽车或插电式混合动力汽车车载储能装置从而实现电能补充,即给车载充电装置充电。
充电机工作过程需协调BMS等部件进行充电综合管理,由BMS通过CAN通信控制车载充电机的工作状态,当监测到车载充电机温度高于75°C时,充电机的输出电流变小;若温度高于80°C,车载充电机将切断供电,停止输出电能。电池管理系统为车载充电机提供过压、欠压、过流、欠流等多种保护措施。若充电系统出现异常,电池管理系统会及时采取应对措施甚至切断供电。
③电动汽车充电机的组成。
电动汽车充电机主要由散热风扇组、低压通信端、直流输出端、交流输入端几部分组成,如图3-12所示。
图3-12 充电机组成
a.散热风扇组在充电机工作温度超过预设温度范围后工作,用于充电机的散热。
b.低压通信端主要实现车载充电机与慢充充电枪以及车上其他控制单元之间进行信息交互等功能。输出端口包括新能源CAN-H、新能源CAN-L信号传输、互锁输出(到高压控制盒低压插件)、CC信号输出(到集成控制器)、互锁输入(到空调压缩机低压插件)、12V+输入、慢充唤醒(到集成控制器)。
c.直流输出端与高压控制盒相连,将车载充电机转换的直流高压电输出至高压控制盒。
d.交流输入端与慢充口相连,将220V交流电输入至车载充电机中。
(2)充电接口。
充电接口是指用于连接活动电缆和电动汽车的充电部件,纯电动汽车的充电接口有快充充电口和慢充充电口两种。它相当于充电插座,用于与充电插头结构和电气进行耦合,是充电系统的主要充电部件。
①慢充充电口。
慢充充电口是完成慢速(交流)充电的接口,适用于电动汽车传导充电使用,其接口功能定义执行国家标准GB/T 20234—2015《电动汽车传导充电用连接装置》的规定,参数见表3-1。
表3-1 慢充充电接口的额定值
慢充充电孔为7孔式,各个针脚含义分别为控制连接确认(CP)、充电连接确认(CC)、交流电源(零线,N)、交流电源(火线,L)、备用连接1(NC1)、备用连接2(NC2)、车身接地(PE),如图3-13示。
图3-13 慢充充电口针脚名称
慢充充电口各针脚的电气参数和功能定义见表3-2。
表3-2 慢充充电口针脚定义及参数
②快充充电口。
快充充电口是与快充充电桩上的快充充电枪进行物理连接的部件,负责完成充电和控制引导。快充充电桩与电动汽车的快充充电口功能定义执行国家标准GB/T 20234—2015《电动汽车传导充电用连接装置》的规定,参数见表3-3。
表3-3 快充充电口额定值
快充充电口为9孔式,其针脚布置形式如图3-14所示。
图3-14 快充充电口针脚名称
快充充电口各针脚功能定义及参数见表3-4。
表3-4 快充充电口针脚定义及参数
注:非车载充电机控制装置和车辆控制装置应用CAN总线终端电阻,建议为120Ω。通信线宜采用屏蔽双绞线,非车载充电机端屏蔽层接地。
(3)DC-DC转换器。
DC-DC转换器是为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器,又被称为直流变换器。DC-DC转换器分为三类:升压型DC-DC转换器、降压型DC-DC转换器以及升降压型DC-DC转换器。DC-DC转换器主要由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管、电容器等构成。DC-DC转换器主要有输入低压保护、输入反接保护、输出短路保护、温度过高保护等四个功能。
①输入低压保护功能。
当输入电压低于220V时,DC-DC转换器就会锁死输出,同时故障指示灯点亮,提示输入电压过低,需要对电池组进行检测与维护。
当电压高于220V时,DC-DC转换器自动解除输出闭锁,恢复正常工作,故障指示灯灭。
②输入反接保护功能。
若DC-DC转换器输入端接反,便进入反接保护锁死输入,DC-DC转换器不会被损坏,反接消除后DC-DC转换器恢复正常。
③输出短路保护功能。
输出端的负载存在短路时,DC-DC转换器会自动进入短路保护状态,不再向外输出电量;当短路故障排除后,DC-DC转换器会自动恢复输出功能。
④温度过高保护功能。
DC-DC转换器工作温度不允许超过363K。工作温度超过353K时,DC-DC转换器首先自动降低功率进行自身降温;达到363K时就会自动关闭,不再工作;当温度降到353K时,DC-DC转换器又恢复工作。
(4)正负极母线接触器(继电器)。
正负极母线接触器也称为主继电器,主要包含正极母线接触器和负极母线接触器。在部分纯电动汽车电池系统中,高压正极母线接触器由BMS控制,负极母线接触器由整车控制器控制。
(5)预充接触器(继电器)。
预充继电器与预充电阻在充电初期需要闭合预充继电器进行预充电,以防止汽车电路中出现过大的初始充电电流击穿电容。充电初期需要给各单体电池进行预充电,确保单体电池无短路。充放电初期需要低压、小电流给各控制器电容充电,当电容两端电压接近电池总电压时,断开预充继电器,闭合高压正极继电器,从而防止电容初充电流过大而被击穿。
3.充电系统的工作过程
充电系统分为慢充充电系统和快充充电系统,本节主要介绍这两种充电系统的工作过程。
(1)慢充充电系统工作过程。
将充电枪对准慢充充电口,匹配成功后按下慢充插口上的蓝色按键,通过12V低压唤醒整车控制系统以及电池管理系统等低压部件,电池管理系统会首先检测动力电池有无充电需求,检测完毕后如有充电需求就会将充电指令发送给车载充电机并闭合动力电池的继电器,开始充电。车载充电机将外部供电设备提供的220V交流电转换为高压直流电储存到动力电池。当电池管理系统检测到充电完成后,发送指令给车载充电器机停止工作,动力电池继电器断开,如图3-15所示。
图3-15 慢充充电系统工作过程
(2)快充充电系统工作过程。快充充电桩通过接口与电动汽车相连,在将快充充电枪插入快充充电口后,用户在充电桩人机交互界面刷卡并进行相应操作。确认充电枪物理连接成功之后,快充充电桩与动力电池通过CAN总线进行数据信息交互。确认动力电池的状态信息之后,闭合高压控制盒与动力电池的继电器,开始充电。直流充电桩将输出的高压直流电直接输入到动力电池中,充电过程中,动力电池与充电桩之间时刻进行着信息交互,若检测到充电完成,充电桩主控制器将关闭充电模块并断开高压充电继电器,同时电池管理系统也将断开动力电池继电器,如图3-16所示。若控制器在充电过程中监测到故障,将停止充电。
图3-16 快充充电系统工作过程
(四)电池冷却系统
动力电池在充放电过程中会散发热量,为了保证其正常工作,一般纯电动汽车的动力电池系统专门设置了单独的冷却系统,从而使高压电池包的温度始终保持在正常的范围内,如图3-17所示。纯电动汽车电池冷却系统的功用详见本项目二维码资源。
1.动力电池冷却系统的类型
目前,纯电动汽车电池冷却系统有空调循环冷却式、水冷式和风冷式三种类型。
(1)空调循环冷却式。
在高端电动汽车中,动力电池内部有与空调系统连通的制冷剂循环回路。动力电池单元直接通过冷却液进行冷却,冷却液循环回路与制冷剂循环回路通过冷却液热交换器连接。采用空调循环方式电池冷却系统的电动汽车有宝马i3、特斯拉等。
(2)水冷式。
水冷式电池冷却系统是使用特殊的冷却液在动力电池内部的冷却液管路中流动,将动力电池产生的热量传递给冷却液,从而降低动力电池的温度。比亚迪E5采用的就是水冷方式。
(3)风冷式。
风冷式电池冷却系统是利用散热风扇将来自车厢内部的空气吸入动力电池箱,以冷却动力电池以及动力电池的控制单元等部件。丰田普锐斯、凯美瑞(混动版)、卡罗拉双擎、雷凌双擎等电动汽车都是采用风冷式电池冷却系统。
现代纯电动汽车应用较多的冷却系统为水冷式冷却系统。
2.水冷式电池冷却系统的组成
水冷式电池冷却系统主要由电动水泵、散热器、冷却水管、储液罐等部件组成,如图3-17所示。其电动水泵、散热器、冷却水管及储液罐的组成与电机冷却系统的基本相同,这里不做赘述。
图3-17 水冷式电池冷却系统结构
3.水冷式电池冷却系统的工作原理
当电动水泵接收到高压电池包内的温度传感器信号后,电动水泵旋转将高压电池包中温度较高的冷却液输送到散热器进行冷却。在电动水泵的作用力下,经散热之后的冷却液进入到高压电池包对其进行冷却。冷却过程中,若冷却液不足则由储液罐进行补偿,并且部分高温冷却液以水蒸气形式返回储液罐以平衡整个管路系统的压力。在电动水泵的作用下如此循环往复达到冷却目的,如图3-18所示。
图3-18 水冷式电池冷却系统工作原理
(五)低压辅助电源
纯电动汽车的低压辅助电源的作用是给纯电动汽车控制单元、控制电路以及其他各种辅助装置,如动力转向单元、制动压力调节器、灯光、空调、电动门窗、电动座椅等提供所需要的低压稳定电源,一般为12V或24V的稳定直流电。一般,纯电动汽车用铅酸蓄电池、低压铁锂电池作为低压辅助电源。
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