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第八章第八章 电动汽车的能源管理系统与辅助装置电动汽车的能源管理系统与辅助装置 第一节第一节 电动汽车的能源管理系统电动汽车的能源管理系统 第二节第二节 充电器充电器 第三节第三节 电源变换装置电源变换装置 第四节第四节 电动汽车制动能量回收系统电动汽车制动能量回收系统 第五节第五节 燃料电池汽车氢安全系统燃料电池汽车氢安全系统 第六节第六节 电动汽车的基础设施电动汽车的基础设施教学目的和要求：教学目的和要求：了解电动汽车能源管理系统与辅助装置分类，了解电动汽车能源管理系统与辅助装置分类，掌握组成、构造和工作原理、特点、应用。掌握组成、构造和工作原理、特点、应用。本章重点：本章重点：电动汽车的能源管理系统电动汽车的能源管理系统、充电器、电源变换、充电器、电源变换装置和电动汽车制动能量回收系统装置和电动汽车制动能量回收系统本章难点：电动汽车的能源管理系统本章难点：电动汽车的能源管理系统 教学内容要点：教学内容要点：第一节第一节 电动汽车的能源管理系统电动汽车的能源管理系统 定义：定义：电动汽车能源管理系统是对动力系统能源转换电动汽车能源管理系统是对动力系统能源转换装置的工作能量进行协调、分配和控制的软、硬装置的工作能量进行协调、分配和控制的软、硬件系统。件系统。一、概述一、概述组成组成：硬件：传感器、硬件：传感器、ECU控制单元和执行元件。控制单元和执行元件。软件系统主要是对传感器输送来的信号进行计算软件系统主要是对传感器输送来的信号进行计算处理，对能源转换装置的工作能量进行优化分析，处理，对能源转换装置的工作能量进行优化分析，并向执行元件发出指令，控制其动作。并向执行元件发出指令，控制其动作。电动汽车能源管理系统的功用：电动汽车能源管理系统的功用：是是在在满满足足汽汽车车基基本本技技术术性性能能和和成成本本等等要要求求的的前前提提下下，根根据据各各部部件件的的特特性性及及汽汽车车的的运运行行工工况况，使使能能量量在在各各个个能能源源转转换换装装置置之之间间按按最最佳佳路路线线流流动动，从而达到最高的整车能源利用效率。从而达到最高的整车能源利用效率。各能源转换装置为各能源转换装置为:发发动动机机、储储能能装装置置、电电动动机机动动力力传传递递装装置置、功功率变换模块、发电机和燃料电池等。率变换模块、发电机和燃料电池等。纯电动汽车，能源转换装置组成纯电动汽车，能源转换装置组成:由蓄电池、电动机由蓄电池、电动机/发电机、功率变换器及动力发电机、功率变换器及动力传递装置等。传递装置等。能源传递路线能源传递路线:由蓄电池到车轮（行驶）由蓄电池到车轮（行驶）由车轮到蓄电池（能量回收）两条。由车轮到蓄电池（能量回收）两条。混合动力燃料电池汽车和混合动力电动汽车，能混合动力燃料电池汽车和混合动力电动汽车，能量转换装置通常有量转换装置通常有发电装置（发动机发电装置（发动机/发电机或燃发电机或燃料电池）、功率变换器、动力传递装置、能量储料电池）、功率变换器、动力传递装置、能量储存装置、充放电装置存装置、充放电装置等。等。能量传递路线：能量传递路线：一是由发电装置到车轮，一是由发电装置到车轮，二是由蓄电池到车轮，二是由蓄电池到车轮，三是由发电装置到能量储存装置，三是由发电装置到能量储存装置，四是由车轮到能量储存装置（能量回收）。四是由车轮到能量储存装置（能量回收）。二、纯电动汽车的能源管理系统二、纯电动汽车的能源管理系统输入能源管理输入能源管理系统电控单元系统电控单元ECU的参数有的参数有车辆运行状态车辆运行状态参数：行驶速参数：行驶速度、电动机功度、电动机功率等；各电池率等；各电池组的状态参数：组的状态参数：工作电压、放工作电压、放电电流和电池电电流和电池温度等；以及温度等；以及车辆操纵状态：车辆操纵状态：制动、启动、制动、启动、加速和减速等加速和减速等 功能：功能：能量管理系统采集从纯电动汽车各子系统通过能量管理系统采集从纯电动汽车各子系统通过传感器收集到的运行数据，完成下列功能：选择传感器收集到的运行数据，完成下列功能：选择电池的充电方案、显示蓄电池的荷电状态电池的充电方案、显示蓄电池的荷电状态（SOC）、监控蓄电池的动作、预测剩余行驶里）、监控蓄电池的动作、预测剩余行驶里程、调节车灯亮度、调节车内温度以及回收再生程、调节车灯亮度、调节车内温度以及回收再生制动能量为蓄电池充电等。其中，电池管理系统制动能量为蓄电池充电等。其中，电池管理系统（BMS）是能量管理系统（）是能量管理系统（EMS）中的一个主要）中的一个主要子系统，它处理蓄电池的显示、测量、预测和全子系统，它处理蓄电池的显示、测量、预测和全面管理等问题。面管理等问题。1电池管理系统电池管理系统主要包括：主要包括：动力电池组管理系统动力电池组管理系统 热（温度）管理系统热（温度）管理系统 高压电线线路管理系统高压电线线路管理系统 （1）动力电池组）动力电池组组成组成:需要多节单体电池或多个蓄电池串联起来，需要多节单体电池或多个蓄电池串联起来，总电压总电压:200 400V。动力电池组管理系统一般采用微处理器通过标动力电池组管理系统一般采用微处理器通过标准通信接口、准通信接口、CAN总线和控制模块等对动力电池总线和控制模块等对动力电池组进行管理。组进行管理。（2）功能）功能1）动力电池组管理）动力电池组管理 监控动力电池组充电和放电监控动力电池组充电和放电时的电压和电流、动力电池组的温度变化等。通时的电压和电流、动力电池组的温度变化等。通过显示装置来动态显示蓄电池在充电和放电工作过显示装置来动态显示蓄电池在充电和放电工作过程中的过程中的SOC的变化，避免动力电池组过充或过的变化，避免动力电池组过充或过放，保护蓄电池不受损害，保持电池组的最佳工放，保护蓄电池不受损害，保持电池组的最佳工作状态。作状态。2）单节电池管理）单节电池管理 对单节电池动态电压和温升的对单节电池动态电压和温升的变化进行实时测量，对电池组中各个电池的不一变化进行实时测量，对电池组中各个电池的不一致性进行监控和管理，能够及时地发现和剔除有致性进行监控和管理，能够及时地发现和剔除有性能缺陷的单体蓄电池。性能缺陷的单体蓄电池。2电池管理系统的功能电池管理系统的功能 显示荷电状态显示荷电状态（SOC）、提供电）、提供电池温度信息、电池高池温度信息、电池高温报警、电池性能异温报警、电池性能异常早期警报、显示电常早期警报、显示电解液状态、提供电池解液状态、提供电池老化信息、记录电池老化信息、记录电池关键数据。关键数据。图图8-2 电动汽车电池管理电动汽车电池管理系统功能示意图系统功能示意图（1）数据采集）数据采集 电池管理系统的所有算法都以采电池管理系统的所有算法都以采集的数据作为输入，采样速率、精度和前置滤波集的数据作为输入，采样速率、精度和前置滤波特性是影响电池管理系统性能的重要指标。电动特性是影响电池管理系统性能的重要指标。电动汽车电池管理系统的采样速率一般要求大于汽车电池管理系统的采样速率一般要求大于 200HZ（50ms）。）。（2）电池状态估计）电池状态估计 电池状态估计包括电池状态估计包括 SOC（state of charge）和）和 SOH（state of health）两个方面。）两个方面。SOC告诉驾驶员电池的荷电告诉驾驶员电池的荷电量，以此可以估计汽车还能行驶的里程；量，以此可以估计汽车还能行驶的里程；SOH告告诉驾驶员电池的寿命还有多久。诉驾驶员电池的寿命还有多久。SOC和和SOH是进是进行能量管理的重要参数。最常用的行能量管理的重要参数。最常用的SOC估计方法估计方法是是Ah计量结合效率补偿的方法。计量结合效率补偿的方法。（3）能量管理）能量管理 在能量管理中，在能量管理中，SOC、SOH、电流、电压、温度等参数作为输入用来完成下列电流、电压、温度等参数作为输入用来完成下列功能：功能：用用SOC，SOH和温度限制电池放电电流；和温度限制电池放电电流；控制充电过程，包括均衡充电。充放电过程的控制充电过程，包括均衡充电。充放电过程的监控和限制与电池种类、电池工艺关系很大。监控和限制与电池种类、电池工艺关系很大。（4）热管理）热管理 热管理的功能是使电池单体温度保热管理的功能是使电池单体温度保持在合理的范围内并且要求均衡，对高温电池实持在合理的范围内并且要求均衡，对高温电池实施冷却，在低温条件下对电池进行加热等。对于施冷却，在低温条件下对电池进行加热等。对于大功率放电和高温条件下使用的电池，电池的热大功率放电和高温条件下使用的电池，电池的热管理功能更为重要。管理功能更为重要。（5）通信功能）通信功能 电池管理系统与车载设备或非电池管理系统与车载设备或非车载设备的通信也是重要功能之一。根据应用需车载设备的通信也是重要功能之一。根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如：模拟要，数据交换可采用不同的通信接口，如：模拟信号、信号、PWM信号、信号、CAN总线或总线或I2C串行接口。串行接口。（6）安全管理）安全管理 具体功能为：具体功能为：防止电池过热而发防止电池过热而发生热失控；监测电池的电压、电流是否超过限制；生热失控；监测电池的电压、电流是否超过限制；防止电池过度放电，尤其是防止个别电池单体过防止电池过度放电，尤其是防止个别电池单体过度放电。度放电。3、电池、电池SOC的估计和故障诊断的估计和故障诊断 动力电池组管理系统应具有对动力电池组管理系统应具有对SOC的显示功能的显示功能或汽车在线可行驶里程显示功能，或汽车在线可行驶里程显示功能，SOC的误差的误差8%，配备故障诊断专家系统，可以早期预报动力，配备故障诊断专家系统，可以早期预报动力电池组的故障和隐患。具有自检和诊断功能，以电池组的故障和隐患。具有自检和诊断功能，以及高抗干扰能力。及高抗干扰能力。4、电池的热管理系统、电池的热管理系统功能：功能：电池组温度过高时有效散热、低温条件下快速电池组温度过高时有效散热、低温条件下快速加热、保证所有电池单体较好的温度一致性以及加热、保证所有电池单体较好的温度一致性以及有害气体产生时的有效通风。有害气体产生时的有效通风。5、安全防护、安全防护 动力电池组的总电压可以达到动力电池组的总电压可以达到200400V，高电，高电压应采取有效的隔离措施。一般要求将动力电池压应采取有效的隔离措施。一般要求将动力电池组与乘坐区分离。汽车停止使用时，自动切断电组与乘坐区分离。汽车停止使用时，自动切断电源，电动汽车发生碰撞或倾覆时，电池管理系统源，电动汽车发生碰撞或倾覆时，电池管理系统应能立即切断电源并报警，不会发生电解液对人应能立即切断电源并报警，不会发生电解液对人体的伤害或引起火灾。体的伤害或引起火灾。6、典型的电动汽车电池管理系统、典型的电动汽车电池管理系统（1）美国通用汽车公司）美国通用汽车公司EV1电动汽车的电池管理电动汽车的电池管理系统系统 电动汽车由电动汽车由27个铅酸电池供电，电池寿命为个铅酸电池供电，电池寿命为450个深放电周期，可放电深度个深放电周期，可放电深度80，一次充电，一次充电市内行驶里程市内行驶里程113km，高速公路行驶里程，高速公路行驶里程145km。（2）德国柏林大学研制的）德国柏林大学研制的电池管理系统电池管理系统主要功能包括：主要功能包括：防止电池过充过放、电池防止电池过充过放、电池模块加平衡器实现均衡充电、模块加平衡器实现均衡充电、基于模糊专家系统的剩余电基于模糊专家系统的剩余电量估计、电池组热管理、用量估计、电池组热管理、用神经元网络辨识电池老化信神经元网络辨识电池老化信息、电池故障诊断，并且能息、电池故障诊断，并且能及时调整模糊专家系统的参及时调整模糊专家系统的参数、数据记录和存储，存储数、数据记录和存储，存储是为了电池诊断和维护工作是为了电池诊断和维护工作保存历史数据。该电池管理保存历史数据。该电池管理系统是目前国际上功能比较系统是目前国际上功能比较齐全、技术含量比较高的先齐全、技术含量比较高的先进的电动汽车用电池管理系进的电动汽车用电池管理系统。统。图图8-3柏林大学设计的电池管理系统总体结构柏林大学设计的电池管理系统总体结构 在电动汽车上实现能源管理的难点，在于如何在电动汽车上实现能源管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。在电动汽车上，多少能量的较精确的数学模型。在电动汽车上，除了有必要使用电池能量管理系统外，在选用电除了有必要使用电池能量管理系统外，在选用电池组中的电池时，应尽量选用各种特性参数接近池组中的电池时，应尽量选用各种特性参数接近的电池，这对提高电池组中各电池的使用寿命也的电池，这对提高电池组中各电池的使用寿命也是非常重要的。是非常重要的。三、燃料电池汽车和混合动力汽车的三、燃料电池汽车和混合动力汽车的能源管理系统能源管理系统1燃料电池汽车的能源管理系统燃料电池汽车的能源管理系统 能源一般有三个：燃料的化学能、储能装置储能源一般有三个：燃料的化学能、储能装置储存的能量和回收的汽车动能。用燃料电池替代了存的能量和回收的汽车动能。用燃料电池替代了内燃机。内燃机。能源管理策略的任务就是控制汽车动力系统的能源管理策略的任务就是控制汽车动力系统的能量传输和转换过程，从而达到期望的系统响应。能量传输和转换过程，从而达到期望的系统响应。具体地说，就是在不影响汽车性能和部件寿命的具体地说，就是在不影响汽车性能和部件寿命的前提下，均衡各部件的工作负荷，从而降低能量前提下，均衡各部件的工作负荷，从而降低能量损失，提高燃料经济性。损失，提高燃料经济性。能源管理策略主要包括能源管理策略主要包括功率分配策略、速比控功率分配策略、速比控制和制动能量回馈策略制和制动能量回馈策略三个组成部分。功率分配三个组成部分。功率分配是核心问题。只有三者紧密结合，才能降低燃料是核心问题。只有三者紧密结合，才能降低燃料消耗、延长燃料电池和蓄电池的使用寿命。消耗、延长燃料电池和蓄电池的使用寿命。对于采用蓄电池的燃料电池汽车来说，能源管理对于采用蓄电池的燃料电池汽车来说，能源管理策略的主要任务为：策略的主要任务为：在不损害蓄电池的情况下，满足汽车动力性的在不损害蓄电池的情况下，满足汽车动力性的设计要求，保证可接受的驾驶性。设计要求，保证可接受的驾驶性。确定燃料电池系统的运行状态（开启或关闭）确定燃料电池系统的运行状态（开启或关闭）从而获得最大的燃料经济性。从而获得最大的燃料经济性。根据驾驶员转矩需求和子系统的限制条件来确根据驾驶员转矩需求和子系统的限制条件来确定车轮转矩命令。定车轮转矩命令。确定动力系统的驱动模式和各模式之间的转换确定动力系统的驱动模式和各模式之间的转换机制，确定传动系的速比。机制，确定传动系的速比。其中，蓄电池工作状态的控制是能量管理策略所其中，蓄电池工作状态的控制是能量管理策略所要解决的基本问题。主要考虑以下因素：要解决的基本问题。主要考虑以下因素：蓄电池效率是蓄电池效率是SOC的函数，并与内阻密切相关。的函数，并与内阻密切相关。必须选择一个蓄电池的最佳工作区域，降低充放必须选择一个蓄电池的最佳工作区域，降低充放电损失，同时保留额外的吸收峰值功率的空间。电损失，同时保留额外的吸收峰值功率的空间。控制蓄电池的充放电深度，放电深度和频率会控制蓄电池的充放电深度，放电深度和频率会影响到电池的循环寿命。影响到电池的循环寿命。电池所存储的能量在整个循环工况下要达到平电池所存储的能量在整个循环工况下要达到平衡。衡。能源管理系统的结构能源管理系统的结构根据根据当前车速、电池当前车速、电池SOC等，以及驾驶员等，以及驾驶员的转矩需求信号，的转矩需求信号，决决定定当前汽车的最佳档当前汽车的最佳档位。如果转矩需求为位。如果转矩需求为负值，即为制动状态，负值，即为制动状态，就需要根据预先设定就需要根据预先设定的制动能量回馈策略的制动能量回馈策略来确定电机的回馈转来确定电机的回馈转矩。在确定了所有负矩。在确定了所有负载的功率需求后，可载的功率需求后，可以以根据功率分配策略根据功率分配策略计算出对燃料电池系计算出对燃料电池系统的需求功率，来保统的需求功率，来保证在满足当前动力需证在满足当前动力需求的前提下获得较好求的前提下获得较好的整车能量效率。的整车能量效率。图8-5 燃料电池汽车能源管理系统结构2混合动力汽车的能源管理系统混合动力汽车的能源管理系统（1）长安混合动力汽车的系统结构）长安混合动力汽车的系统结构该车的能源传递路线有四条该车的能源传递路线有四条:第第1条路线为从四缸电喷发动机到轮胎；条路线为从四缸电喷发动机到轮胎；第第2条路线为动力电池组到轮胎；条路线为动力电池组到轮胎；第第3条为从发电装置条为从发电装置ISG到动力电池组；到动力电池组；第第4条路线为轮胎到动力电池组，在汽车下坡或制条路线为轮胎到动力电池组，在汽车下坡或制动工况时，由发电机动工况时，由发电机/电动机电动机ISG将汽车的再生或将汽车的再生或制动的能量存储到动力电池。制动的能量存储到动力电池。电控单元电控单元ECU和电和电子油门对发动机进子油门对发动机进行控制。行控制。ISG通过通过ISG控制器和驱动控制器和驱动器进行控制，电池器进行控制，电池能量管理系统对电能量管理系统对电池组的荷电状态进池组的荷电状态进行控制。通过行控制。通过 CAN（Controller Area Network）总线，混合动力系总线，混合动力系统中所有控制子系统中所有控制子系统向多能源动力总统向多能源动力总成管理系统发送子成管理系统发送子系统运行信息，并系统运行信息，并且接受多能源总成且接受多能源总成管理系统的控制命管理系统的控制命令，通过多能源动令，通过多能源动力总成管理系统来力总成管理系统来实现混合动力系统实现混合动力系统的控制协调。的控制协调。图图8-6 长安混合动力汽车的系统结构长安混合动力汽车的系统结构（2）开关型控制）开关型控制策略由系统初始化策略由系统初始化模块、数据采集模模块、数据采集模块、数据处理模块块、数据处理模块和数据显示模块组和数据显示模块组成主要的系统软件。成主要的系统软件。图图8-7 开关型控制策略系统控制流程图开关型控制策略系统控制流程图 蓄电池的充电状态的最小值和最大值分别设定蓄电池的充电状态的最小值和最大值分别设定为为60和和80。系统主要功能包括控制发电机控。系统主要功能包括控制发电机控制器，监控和管理电动机控制器；监控电池组工制器，监控和管理电动机控制器；监控电池组工作状况；根据电池组电量自动启动或关闭发电机作状况；根据电池组电量自动启动或关闭发电机组，对电池组进行充电或停止充电。组，对电池组进行充电或停止充电。开关型控制策略的优点开关型控制策略的优点:是保证发动机工作于效率最高点，所以其热效是保证发动机工作于效率最高点，所以其热效率高，有害排放少。缺点主要是蓄电池充放电频率高，有害排放少。缺点主要是蓄电池充放电频繁，加上发动机启动、停止时的动态损耗，系统繁，加上发动机启动、停止时的动态损耗，系统总的损失功率增大。总的损失功率增大。（3）“功率跟踪型功率跟踪型”控制策略控制策略 “功率跟踪型功率跟踪型”控制策略是由发动机全程跟踪汽控制策略是由发动机全程跟踪汽车功率需求，只有在蓄电池的充电状态为最大值、车功率需求，只有在蓄电池的充电状态为最大值、并且蓄电池提供的功率能满足汽车需求时，发动并且蓄电池提供的功率能满足汽车需求时，发动机才停机或怠速运行。此策略的优点是蓄电池充机才停机或怠速运行。此策略的优点是蓄电池充放电次数减少，因而系统内部损失减少；另外可放电次数减少，因而系统内部损失减少；另外可以采用小容量的蓄电池，从而减轻汽车质量，减以采用小容量的蓄电池，从而减轻汽车质量，减小行驶阻力。其主要不足是发动机必须在较大的小行驶阻力。其主要不足是发动机必须在较大的工况范围运行，平均热效率较低，有害排放较多。工况范围运行，平均热效率较低，有害排放较多。第二节第二节 充电器充电器 目前的电动汽车蓄电池仍以铅酸蓄电池为主，目前的电动汽车蓄电池仍以铅酸蓄电池为主，正确使用蓄电池，及时进行充电可有效降低汽车正确使用蓄电池，及时进行充电可有效降低汽车的使用成本。的使用成本。一、蓄电池的充电方法一、蓄电池的充电方法1恒压充电恒压充电2恒流充电恒流充电3快速充电快速充电 4智能充电智能充电5均衡充电均衡充电1恒压充电恒压充电 恒压充电是是保持蓄电池充电压一定的充电方恒压充电是是保持蓄电池充电压一定的充电方法，对每个单体蓄电池均以某一恒定电压进行充法，对每个单体蓄电池均以某一恒定电压进行充电。电。优点：优点：充电速度较快，且随着充电的进行，充电电流充电速度较快，且随着充电的进行，充电电流会逐渐减小，电压设定适当时，充足电时会自动会逐渐减小，电压设定适当时，充足电时会自动停充。停充。缺点：缺点：不能保证蓄电池彻底充足电，如果蓄电池放电不能保证蓄电池彻底充足电，如果蓄电池放电深度过深，充电的电流会很大，不仅会危及充电深度过深，充电的电流会很大，不仅会危及充电器的安全，而且可能对蓄电池造成损害。若充电器的安全，而且可能对蓄电池造成损害。若充电电压选择过低，后期充电电流过小，又会导致充电压选择过低，后期充电电流过小，又会导致充电时间延长。电时间延长。2恒流充电恒流充电 恒流充电是保持蓄电池的充电电流不变的充电恒流充电是保持蓄电池的充电电流不变的充电方法。恒定电流用调整充电器的电流来控制，在方法。恒定电流用调整充电器的电流来控制，在一般的硅整流器充电器中即可实现，充电操作简一般的硅整流器充电器中即可实现，充电操作简单方便。但要求采用小电流、长时间的充电模式，单方便。但要求采用小电流、长时间的充电模式，恒流充电一般需要恒流充电一般需要15h以上。以上。第一阶段的充第一阶段的充电电流取额定电电流取额定容量的容量的1/10。第二阶段的充第二阶段的充电电流减小一电电流减小一半，即取额定半，即取额定容量的容量的1/20。蓄电池充足电的标志是：蓄电池充足电的标志是：单格蓄电池的充电电压达到约单格蓄电池的充电电压达到约2.7V；电解液中；电解液中有大量气泡产生；电解液的密度上升到最大值。有大量气泡产生；电解液的密度上升到最大值。优点：优点：可以保证蓄电池彻底充足电，延长蓄电池的使可以保证蓄电池彻底充足电，延长蓄电池的使用寿命，减少蓄电池用寿命，减少蓄电池“硫化硫化”故障产生的倾向。故障产生的倾向。缺点：缺点：充电时间比较长。到目前为止。充电时间比较长。到目前为止。恒流两阶段充电法是铅酸蓄电池充电中最常用恒流两阶段充电法是铅酸蓄电池充电中最常用的方法。的方法。3快速充电快速充电 快速充电过程中遵循的原则是，在可能的情况快速充电过程中遵循的原则是，在可能的情况下，向蓄电池施以尽量大的充电电流，又不使蓄下，向蓄电池施以尽量大的充电电流，又不使蓄电池的析气量过大，同时还要防止蓄电池过充电。电池的析气量过大，同时还要防止蓄电池过充电。对铅酸蓄电池的充电可以缩短到对铅酸蓄电池的充电可以缩短到23h。使电流以脉冲的方式输送给蓄电池，对电使电流以脉冲的方式输送给蓄电池，对电池充电，然后让电池短时间、大脉冲放电，池充电，然后让电池短时间、大脉冲放电，在整个充电过程中使电池反复充、放电。在整个充电过程中使电池反复充、放电。4智能充电智能充电 智能充电应用智能充电应用dU/dt的技术，跟踪检测蓄电池端的技术，跟踪检测蓄电池端电压在单位时间内的变化量，尤其在蓄电池充电电压在单位时间内的变化量，尤其在蓄电池充电的后期，各种蓄电池在充电后期呈现不同的变化的后期，各种蓄电池在充电后期呈现不同的变化规律；并且要动态跟踪蓄电池可接受的充电电流，规律；并且要动态跟踪蓄电池可接受的充电电流，使充电电流始终处于蓄电池可接受的充电电流曲使充电电流始终处于蓄电池可接受的充电电流曲线附近。线附近。dU/dt的值只要得到确定，蓄电池的充电的值只要得到确定，蓄电池的充电深度就基本确定，并可以判断终止的条件。深度就基本确定，并可以判断终止的条件。5均衡充电均衡充电 均衡充电是以小电流进行均衡充电是以小电流进行l 3h的过充电过程，的过充电过程，一般来说，均衡充电不能频繁进行。一般来说，均衡充电不能频繁进行。在电动汽车上根据发动机在电动汽车上根据发动机-发电机的发电情况和发电机的发电情况和动力电池组的情况，选择不同的充电方法，各种动力电池组的情况，选择不同的充电方法，各种充电方法可以兼用。充电方法可以兼用。二、充电器的类型二、充电器的类型1充电站、停车场和维修站用大中型充电器充电站、停车场和维修站用大中型充电器 充电站、停车场和维修站用大中型充电器通充电站、停车场和维修站用大中型充电器通常采用常采用380V三相交流充电器。要求体积小、质三相交流充电器。要求体积小、质量轻、操作简便、工作可靠、能够自动控制和量轻、操作简便、工作可靠、能够自动控制和有自检系统等。可供多辆汽车在夜间停驶时进有自检系统等。可供多辆汽车在夜间停驶时进行充电，充电时间一般行充电，充电时间一般510h。2家庭用小型充电器家庭用小型充电器 家庭用小型充电器一般采用单相交流充电器或家庭用小型充电器一般采用单相交流充电器或单相单相/三相交流充电器。一般要求体积小、质量轻、三相交流充电器。一般要求体积小、质量轻、便于安装和移动、操作简便、工作可靠、显示准便于安装和移动、操作简便、工作可靠、显示准确和能够自动控制等。确和能够自动控制等。可供私家汽车在夜间停驶时进行充电，功率可供私家汽车在夜间停驶时进行充电，功率35kW，充电时间，充电时间510h。也可以用于快速充电。也可以用于快速充电。美国福特汽车公司研制的美国福特汽车公司研制的Posicharge快速充电器，快速充电器，只用只用1020 min时间即可完成电动汽车的充电，时间即可完成电动汽车的充电，每次充电可以供电动汽车行驶约每次充电可以供电动汽车行驶约90km。3车载小型充电器车载小型充电器 车载小型充电器一般为单相交流充电器或单相车载小型充电器一般为单相交流充电器或单相/三相交流充电器，要求体积小、质量轻、可靠性三相交流充电器，要求体积小、质量轻、可靠性好、便于在汽车上安装、使用方便等。通常以感好、便于在汽车上安装、使用方便等。通常以感应式为主要形式，能够全天候地进行充电和快速应式为主要形式，能够全天候地进行充电和快速充电。充电。三、电动汽车的蓄电池充电器三、电动汽车的蓄电池充电器 汽车蓄电池充电器的基本功能有三个：汽车蓄电池充电器的基本功能有三个：一是由市电进行电力变换提供直流电，一是由市电进行电力变换提供直流电，二是供给与蓄电池额定条件相对应的电力，二是供给与蓄电池额定条件相对应的电力，三是当蓄电池充满后自动停止充电。三是当蓄电池充满后自动停止充电。根据充电器是否安装在车内，充电器可分为根据充电器是否安装在车内，充电器可分为车载和非车载车载和非车载两种。两种。根据充电时的能量转换方式的不同，充电器分为根据充电时的能量转换方式的不同，充电器分为接触式和感应式接触式和感应式两类。两类。车载充电器车载充电器一般设计为一般设计为小充电率小充电率，充电时间长，充电时间长，一般为一般为5 8h，要求其尽可能体积小、质量轻，要求其尽可能体积小、质量轻（一般小于（一般小于5kg）。）。由于充电器和电池管理系统都装在车上，所以由于充电器和电池管理系统都装在车上，所以它们相互之间容易利用电动汽车的内部线路网络它们相互之间容易利用电动汽车的内部线路网络进行通讯，而且蓄电池的充电方式是预先定义好进行通讯，而且蓄电池的充电方式是预先定义好的。的。非车载充电器非车载充电器没有质量和体积的限制，一般设计没有质量和体积的限制，一般设计为为大充电率大充电率。由于非车载充电器和电池管理系统。由于非车载充电器和电池管理系统是分开的，它们之间必须通过某种方式进行通讯。是分开的，它们之间必须通过某种方式进行通讯。根据电池管理系统提供的关于电池的类型、荷电根据电池管理系统提供的关于电池的类型、荷电状态、电压和温度等信息，非车载充电器选择一状态、电压和温度等信息，非车载充电器选择一种合适的充电方式为蓄电池充电，以避免蓄电池种合适的充电方式为蓄电池充电，以避免蓄电池的过充和过热。的过充和过热。接触式接触式是将带插头的交流动力电缆线插到电动是将带插头的交流动力电缆线插到电动汽车的插座中给电池充电。汽车的插座中给电池充电。适合于户内充电。适合于户内充电。感应式感应式则通过电磁感应耦合的方式进行能量转则通过电磁感应耦合的方式进行能量转换给电池充电。换给电池充电。适合于户外充电。适合于户外充电。车载和非车载充电器都可以是接触式或感应式车载和非车载充电器都可以是接触式或感应式的。的。1接触式充电器接触式充电器采用插头与插座金属接触的方式来导电，优点是工采用插头与插座金属接触的方式来导电，优点是工艺简单、技术成熟和成本低廉。艺简单、技术成熟和成本低廉。组成：组成：一个是将输入一个是将输入的交流电转换的交流电转换为直流电的整为直流电的整流器；另一个流器；另一个是调节直流电是调节直流电功率的功率转功率的功率转换器。换器。图图8-11非车载接触式充电器的布置方案非车载接触式充电器的布置方案 把电线的插头插入电动汽车上相对应的插座中，把电线的插头插入电动汽车上相对应的插座中，直流电能就输入蓄电池对其充电。直流电能就输入蓄电池对其充电。根据非车载充电器和车上电池管理系统相互之根据非车载充电器和车上电池管理系统相互之间的通讯，功率转换器能在线调节直流充电功率，间的通讯，功率转换器能在线调节直流充电功率，而且非车载充电器能显示充电电流、电压、充电而且非车载充电器能显示充电电流、电压、充电的电能、所需的充电费用等。的电能、所需的充电费用等。2感应式充电器感应式充电器感应充电器将电能从感应充电器将电能从充电器感应到电动汽充电器感应到电动汽车上来给蓄电池充电。车上来给蓄电池充电。感应充电器是利用高感应充电器是利用高频变压器原理，高频频变压器原理，高频变压器的一边绕组装变压器的一边绕组装在离车的充电器上，在离车的充电器上，另一边绕组嵌在电动另一边绕组嵌在电动汽车上。汽车上。图图8-12 感应式充电器的充电原理感应式充电器的充电原理 充电器将充电器将5060Hz的市电转换成的市电转换成 80300Hz的的高频电，然后再感应到电动汽车一方。整流电路高频电，然后再感应到电动汽车一方。整流电路将高频交流电变换为能够为蓄电池充电的直流电。将高频交流电变换为能够为蓄电池充电的直流电。特点：特点：任何天气条件下，包括雨雪天或者是暴风雨，任何天气条件下，包括雨雪天或者是暴风雨，安全的进行充电，其不足之处是充电时不可避免安全的进行充电，其不足之处是充电时不可避免地有感应损耗，而且投资成本高。地有感应损耗，而且投资成本高。第三节第三节 电源变换装置电源变换装置一、电动汽车电子设备对电源的要求一、电动汽车电子设备对电源的要求 各功能块对电源的要求：如所需的电压和电流各功能块对电源的要求：如所需的电压和电流的大小、功率等级、电磁兼容性、安全可靠性等的大小、功率等级、电磁兼容性、安全可靠性等指标也各不相同。指标也各不相同。功率变换器可分为功率变换器可分为 DC/DC、DC/AC、AC/DC三种类型。三种类型。它们各自有不同的适用范围，使用最多的是前它们各自有不同的适用范围，使用最多的是前两种。两种。二、二、DC/DC功率变换器功率变换器 （一）电动汽车的（一）电动汽车的DC/DC变换器的主要功用：变换器的主要功用：将宽范围变化的直流电压变换成稳定性能良好将宽范围变化的直流电压变换成稳定性能良好的直流电压。的直流电压。（二）（二）DC/DC的种类的种类从开关控制方式来分从开关控制方式来分，DC/DC功率变换电路有：功率变换电路有：脉宽调制式脉宽调制式PWM（PulseWidth Modulation）、）、脉冲频率调制式脉冲频率调制式 PFM（Pulse Frequency Munition）、）、脉宽和频率混合调制式脉宽和频率混合调制式“硬开关电路硬开关电路”、零电压或零电流零电压或零电流“软开关软开关”PWM电路、电路、谐振式、谐振式、准谐振式变换器。准谐振式变换器。从拓扑结构来分，从拓扑结构来分，DC/DC功率变换电路有：功率变换电路有：升压型、升压型、降压型、降压型、升升/降压型、降压型、正激型、正激型、反激型、反激型、反相型、反相型、全桥式正激型、全桥式正激型、半桥式正激型、半桥式正激型、推挽式正激型等。推挽式正激型等。辅助子系统能量供给的辅助子系统能量供给的DC/DC变换器变换器非绝缘型：负极与车身相连，结构简单、非绝缘型：负极与车身相连，结构简单、成本低；成本低；绝缘型绝缘型：负极与车身绝缘，主电源的高等：负极与车身绝缘，主电源的高等 级电压与辅助电源的低等级电压级电压与辅助电源的低等级电压 隔离开来。隔离开来。共性：共性：工作效率都很高，一般为工作效率都很高，一般为8595，并且适于商，并且适于商用。用。（三）（三）DC/DC变换器的电路举例变换器的电路举例以控制电路的驱以控制电路的驱动信号为基础，动信号为基础，功率回路打开或功率回路打开或者关闭晶闸管，者关闭晶闸管，输入输入直流电直流电，供，供给变压器交流电给变压器交流电压。在变压器中压。在变压器中变压之后得到的变压之后得到的交流电压交流电压，经过，经过整流二极管的整整流二极管的整流作用，得到流作用，得到断断续直流电压续直流电压，再，再经平滑电路平滑经平滑电路平滑后对辅助电池充后对辅助电池充电。控制回路还电。控制回路还具有输入过电压具有输入过电压保护、输出限流、保护、输出限流、过热保护和警报过热保护和警报功能。功能。（四）燃料电池汽车的（四）燃料电池汽车的DC/DC功率变换器功率变换器1燃料电池汽车燃料电池汽车DC/DC变换器的作用变换器的作用 要使汽车电子设备正常工作，必须使用一个要使汽车电子设备正常工作，必须使用一个DC/DC功率变换模块，将宽范围变化的直流电压功率变换模块，将宽范围变化的直流电压变换成稳定性能良好的直流电压。变换成稳定性能良好的直流电压。（l）燃料电池的特性）燃料电池的特性：实现燃料电池输出电压与动力总线电压匹配。实现燃料电池输出电压与动力总线电压匹配。（2）混合动力型燃料电池汽车的特点）混合动力型燃料电池汽车的特点 燃料电池系统的输出电压通常在燃料电池系统的输出电压通常在240V430V，而且燃料电池的外特性（电压随电流的变化），而且燃料电池的外特性（电压随电流的变化）曲线斜率较大。曲线斜率较大。蓄电池组的标称电压一般设计在蓄电池组的标称电压一般设计在380V以上，而以上，而且由于蓄电池的充放电特性及其使用安全性的要且由于蓄电池的充放电特性及其使用安全性的要求，蓄电池的端电压求，蓄电池的端电压应在较小的范围内变化应在较小的范围内变化。在燃料电池的输出端串接一个对燃料电池的输在燃料电池的输出端串接一个对燃料电池的输出电压进行升压变换及稳压调节的出电压进行升压变换及稳压调节的DC/DC变换器，变换器，使使DC/DC变换器的输出电压和蓄电池工作电压相变换器的输出电压和蓄电池工作电压相匹配，并且控制燃料电池的最大输出电流和功率，匹配，并且控制燃料电池的最大输出电流和功率，起到保护燃料电池系统的目的。起到保护燃料电池系统的目的。燃料电池或发动机燃料电池或发动机-发电机组只提供电能，电流发电机组只提供电能，电流的方向只是的方向只是单向流动。单向流动。而蓄电池和超级电容器在充放电时，电流的方而蓄电池和超级电容器在充放电时，电流的方向是向是可逆性流动可逆性流动。各种电源的电压和电流受工况变化影响而不稳各种电源的电压和电流受工况变化影响而不稳定，但驱动电动机不能适应其变化，所以在电源定，但驱动电动机不能适应其变化，所以在电源与驱动电动机之间需要装置与驱动电动机之间需要装置DC/DC变换器。变换器。在电源与驱动电动机之间需要装置在电源与驱动电动机之间需要装置DC/DC变换变换器。器。在燃料电池或发动机在燃料电池或发动机-发电机组与电动机之间需发电机组与电动机之间需要装置