1、 新能源汽车 维护与保养 纯电动汽车电源系统组成纯电动汽车蓄电池电源蓄电池电源能源管理系统能源管理系统充电控制器充电控制器一、蓄电池电源（1 1）蓄电池的作用）蓄电池的作用蓄电池是电动汽车的动力源，它供给汽车供给汽车驱动行驶所需的电能驱动行驶所需的电能，同时它也是供应汽车上各种辅助装置的工作电源各种辅助装置的工作电源。动力电池一直以来被视为电动车发展的重要标志性技术，也是制约电动车发展的重要瓶颈，其性能好坏直接关系到整车续航里程整车续航里程的长短。（2 2）蓄电池的组合）蓄电池的组合蓄电池在车上安装前需要通过串并联串并联的方式进行组合，组合后电压一般为12V12V或或24V24V，电动机驱动一
2、般要求为高压电源高压电源，并且所采用的电动机类型不同，其要求的电压等级也不同。为满足该要求，可以用多个12V或24V的蓄电池串联成9696384V384V高高压直流电池组压直流电池组，再通过DCDCDCDC转换器转换器供给所需的不同电压。也可按所需要求的电压等级，直接由蓄电池组合成不同电压等级的电池组，不过这样会给充电和能源管理带来相应的麻烦。另外，由于制造工艺制造工艺等因素，即使同一批量的蓄电池其电解液浓度和性能也会有所差异，所以在安装电池组之前，要求对各个蓄电池进行认真的检测并记录，尽可能把性能接近性能接近的蓄电池组合成同一组，这样有利于动力电池组性能的稳定和延长使用寿命。如图3-21所示
3、，电池需要经过国家碰撞试验检验，正面和侧面碰撞不能发生过正面和侧面碰撞不能发生过短路或漏电现象短路或漏电现象。图图3-21 3-21 正面和侧面碰撞试验正面和侧面碰撞试验 （3 3）蓄电池的类型）蓄电池的类型电池从广义上讲主要可分为化学电池化学电池、物理电池物理电池和生物电池生物电池三大类，常见的的电动汽车使用化学电池，见表3-1所示。类型类型重量能量重量能量密度密度(WhWh/kg)/kg)电池单体电池单体标称电压标称电压（通常情（通常情况）况）安全性安全性理论循环理论循环使用寿命使用寿命（次）（次）商品化程商品化程度度代表车型代表车型镍氢电池镍氢电池701001.2V好1000现使用现款普
4、锐斯锂离子电锂离子电池池磷酸铁锂电池1001103.2V好1500-2000现使用腾势三元锂电池2003.8V较差2000现使用特斯拉MODEL S （4 4）锂离子电池）锂离子电池锂离子电池是目前电动汽车上最常用的电池种类之一，其优点是能量密度高能量密度高、循环使用寿命长循环使用寿命长等。如今，在售电动汽车配备的锂电池主要有磷酸铁锂电池及三元锂电池两种。1 1）磷酸铁锂电池）磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂磷酸铁锂(LiFePO4)(LiFePO4)材材料作电池正极料作电池正极的锂离子电池，是2002年后推出的产品，是锂离子电池家族的新成员。磷酸铁锂电池外形如图3-22所示，它的能量密度
5、约为100110Wh/kg，其热稳定性热稳定性是目前车用锂电池中最好的，当电池温度处于500600高温时，其内部化学成分才开始分解，而同属锂电池的钴酸锂电池在180250时就内部化学成分就已处于不稳定状态。所以，在锂电池中磷酸铁锂电池的安全性较高安全性较高，也正因如此，其在电动汽车高压电池市场占有率非常高占有率非常高。例如，比亚迪e6,k9及秦上的ET-POWER铁电池实际上是磷酸铁锂电池。电动汽车领域巨头通用VOLT沃蓝达也是使用该类型电池。使用在比亚迪e6B上的每个电池单体3.3V3.3V，终止充电电压为3.6V3.6V，终止放电电压2.0V。电池组由11个模组构成，共96节电池组成，电池
6、包标称电压为316.8V316.8V，容量为210Ah,一次充电61度。磷酸铁锂电池的内部结构如图3-23所示。左边是电池的正极正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳(石墨)组成的电池负负极极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质电解质，电池由金属外壳密闭封装。磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离子正极中的锂离子Li+Li+通过聚合物隔膜向负极迁移通过聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程中，负极中的锂离子负极中的锂离子Li+Li+通过隔膜向正极迁移通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子
7、在充放电时来回迁移而命名的。图图3-23 3-23 磷酸铁锂原理磷酸铁锂原理 2 2）三元锂电池）三元锂电池与磷酸铁锂电池相比，特斯拉MODEL S使用的三元锂电池在重量能量密度上要高出许多，约为200Wh/kg,这也就意味着同样重量的三元锂电池比磷酸铁锂电池的续航三元锂电池比磷酸铁锂电池的续航里程更长里程更长。不过其缺点也显而易见，当自身温度为当自身温度为250250350350时，内部化学成分就开始分解时，内部化学成分就开始分解，因此对电池管理系统提出了极高的要求，需要为每节电池分别加装保险装置保险装置，除此之外，由于单体体积很小，所以单车要的电池单体数量非常庞大，如图3-24所示。以MO
8、DEL S为例，7000余节18650三元锂电池才能满足一辆车的装配用量，这无疑又为电池管理系统进一步加大了控制难度。因此，目前市场在售车型中，只有特斯拉一家使用的是三元锂电池。图图3-24 3-24 三元锂电池三元锂电池 3 3）镍氢电池）镍氢电池镍氢电池外形如图3-25所示，以丰田普锐斯为代表的很多混合动力汽车均采用镍氢很多混合动力汽车均采用镍氢电池电池，其其能量密度与普通的锂电池差距并不大，约为70100Wh/kg，但由于电池单体电压仅为1.2V，是锂电池的1/3，因此在需求电压一定的情况下在需求电压一定的情况下，其电池组的体其电池组的体积要比锂电池大上一些积要比锂电池大上一些。图图3-
9、25 3-25 镍氢电池镍氢电池 与锂电池一样，镍氢电池也需要电池管理系统，不过其更注重电池的充放电管理。之所以存在这样的区别，主要是源于镍氢电池具有“记忆效应记忆效应”，即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减，而过度充电或放电，都可能加剧电池的容量损耗。因此对于厂商来说，镍氢电池控制系统在设定上都会主动避主动避免过度充放电免过度充放电，如将电池的充放电区间人为控制在总容量的一定百分比范围内，以降低容量衰减速度。丰田普锐斯采用的就是镍氢电池组，与锂电池相比其稳定性更好稳定性更好，但由于记忆效应，其电池充放电控制较为严格，除电池管理系统控制外，使用时也尽量避免电量耗尽尽量避免电量耗尽再进行充电再
10、进行充电。6.6.电池的防漏电措施电池的防漏电措施电池必须具有防漏电安全设计防漏电安全设计，例如比亚迪e6电池具有8重全面防电措施：地板地板屏蔽屏蔽、漏电保护器漏电保护器、高压线自屏蔽高压线自屏蔽、电电池包自密封池包自密封、电池锁止机构电池锁止机构、强撞击自强撞击自动断电动断电、异常状态监视报警系统异常状态监视报警系统、防短防短路散压阀及紧应急开关自熔保险路散压阀及紧应急开关自熔保险，保证消除漏电隐患，保持电动汽车安全。二、动力电池管理系统由于电池的原理像木桶效应，某一节短某一节短板的话，所有电池性能都将按照这一节板的话，所有电池性能都将按照这一节性能计算性能计算，这将对电池可靠性提出及其高的
11、要求，为了防止过充、过放、过温为了防止过充、过放、过温等一系列影响单节电池性能的问题出现，通过电池管理系统进行监控通过电池管理系统进行监控，时时保证每节串联电池的电压、电流等个性指标的一致性，保证电池工作在正常工作状态下。电池管理系统电池管理系统是电动汽车电池系统的参数测电动汽车电池系统的参数测试机控制装置试机控制装置，其核心部件是电池管理器电池管理器，其位置如图3-26所示，电池管理系统具有安安全预警与控制全预警与控制、剩余电量估算与指示剩余电量估算与指示、充放充放电能量管理与国产控制电能量管理与国产控制、信息处理与通讯信息处理与通讯等主要功能。图图3-26 3-26 电池管理器位置电池管理
12、器位置 （1 1）能源管理系统的）能源管理系统的作用作用1）为提高蓄电池性能的稳定性稳定性和延长使用寿命延长使用寿命，需要实时监控电源的使用情况。对蓄电池的温度温度、电解液浓度电解液浓度、蓄电池内阻蓄电池内阻、电池端电电池端电压压、当前电池剩余电量当前电池剩余电量、放电时间放电时间、放电电流放电电流或放电深放电深度度等蓄电池状态参数进行检测，并按蓄电池对环境温度的要求进行调温控制，通过限流控制避免蓄电池过充、放电，对有关参数进行显示和报警，其信号流向辅助模块的驾驶室显示操纵台，以便驾驶员随时掌握并配合其操作，按需要及时对蓄电池充电并进行维护保养。2）能源管理系统在汽车行驶中进行能源分配能源分配
13、，协调各功能部分工作的能量管理，使有限的能量源最大限度地得到利用。3）能源管理系统与电机驱动系统的中央控制单元配合在一起控制发电回馈发电回馈，使在纯电动汽车降速制动和下坡滑行时进行能量回收进行能量回收，从而有效地利用能源，提高纯电动汽车的续程能力。4）能源管理系统还需与充电控制器一同控制充充电控制器一同控制充电电。（2 2）动力电池管理器）动力电池管理器动力电池管理器是动力电池管理单元的核动力电池管理单元的核心心，如图3-27所示，它上面有温度采样线、电压采样线和通讯口，它负责整车电动系统的电力控制并实施监测高压电力系统的用力状态，采取保护措施，保证车辆安全。动力电池管理器的主要作用是动力电池
14、状态监动力电池状态监测，充放电功能控制，预充控制等测，充放电功能控制，预充控制等。图图3-27 3-27 动力电池管理器动力电池管理器 （3 3）高压配电箱）高压配电箱高压配电箱是整车高压的配电装置整车高压的配电装置，实实现电源分配、接通、断开现电源分配、接通、断开。如图3-28所示，通过高压配电箱高压配电箱对电池包体中巨大电池包体中巨大的能量的能量进行控制，相当于一个大型的电闸，通过接触器（继电器）的吸合接触器（继电器）的吸合来控制电流通断，将电流进行分流等等。图图3-28 3-28 高压配电箱系统框图高压配电箱系统框图 如图3-29所示，高压配电箱关键零部件为接接触器触器，为了控制如此大的
15、电流通过整车，需要通过几个接触器的并联并联工作，这也为接触器工作一致性和可靠性一致性和可靠性提出了苛刻的要求。三、充电控制器如图3-30所示，动力电池系统充电分为快充快充、慢充慢充和制动能量回收制动能量回收三种方式。红色红色 为高压电力为高压电力 蓝色为蓝色为1212伏电源伏电源 黑色机械传动黑色机械传动 如图3-31所示，由于可以使用外部交流电源为车载电池组充电，绝大多数电动车都会在后备箱备齐充电装置，车主可以家用220V220V交流电为电池充电。如图3-32所示，比亚迪e6先行者拥有两个充电接口，其中左边的是快速充电接口左边的是快速充电接口，需要到专业的充电站充电，仅需仅需1515分钟就可
16、达到分钟就可达到电池容量的电池容量的80%80%，右侧的接口为普通充电接口，可以使用普通的家用220V电压充电。当动力电池组电量不足时，利用220V的家用电源给动力电池组充电的工作系统。交流充电时，能量的流向是220V的家用电源通过充电口与充电系统连接，在车载充电器的作用下整流升压后，再经过高压配电箱为动力电池组充电。四、电池组的连接由于每一节电池的电源电压和所能提供的电流都是一定的，因此当实际应用中实际应用中需要更高的电压和更大的电流输出需要更高的电压和更大的电流输出时，就需要将几个电池连接在一起使用将几个电池连接在一起使用，这就是电池组。（1 1）串联电池组）串联电池组 实际当中，由于电池
17、的额定电压一般都偏额定电压一般都偏低低，往往不能满足负载额定电压的要求，这时就需要将多个电池串联起来使用需要将多个电池串联起来使用，称为串联电池组。设串联电池组中每个电池的电动势都是 E1E1，内阻都是r1r1，则串联电池组的总电动势和总内阻分别为：E总E1N（N为串联电池个数）r总r1N（N为串联电池个数）串联电池组所能提供的电流为：I总=E1/r1=E总/r总小结：串联电池组适用于输出电流不太大，而输出电压要求较高的场合。串联电池组的应用：串联电池组的应用：串联电池组在电动车上应用极广。如现在电动车所用蓄电池多为每节可提供12V电压的电池。若电动车的电动机需要36V电压，则需串联3节电池；
18、若电动车的电动机需要48 V电压，则需串联4节电池。另外，手电筒、便携式收音机等的电池也都采用串联电池组一般情况下，当使用时间过长引起串联电池组电压过低时，应同时更换其中的全部电池。若只更换其中一节电池，会产生什么后果？若安装时其中一节电池的极性装反，会产生什么后果？2 2、并联电池组、并联电池组由于每个电池的输出电流是一定每个电池的输出电流是一定的，往往不能满足实际应用中负载额定电流的要求，这时就需要将多个电池并联起来使用需要将多个电池并联起来使用，称为并联电池组。设并联电池组中每个电池的电动势都是E1E1，内阻都是r1r1，则并联电池组的总电动势：E总并联电池组的总内阻为：r总并联电池组所
19、能提供的电流为：I总=并联电池组适用于每个电池的电动势能够每个电池的电动势能够满足负载所需的电压，而单个电池的输出满足负载所需的电压，而单个电池的输出电流小于负载所需的电流的情况电流小于负载所需的电流的情况。电池电池并联使用时，要求各个电池的电动势并联使用时，要求各个电池的电动势必须相等、内阻也相等必须相等、内阻也相等。新、旧电池一般不要并联使用。同时要注意电池的极性不能接错，否则将损坏电池。如果负载需要的电压和电流都大于单个电池的电压和输出电流，你知道该怎么办吗？3 3、混联电池组、混联电池组实际中当需要电源的电压较高且电流较大电压较高且电流较大时时，就会用到混联电池组。假设下图中每节电池的电动势E11.5V，内阻r10.1，则根据电池串并联的特点，可求出该混联电池组的总电动势为：E总混联电池组的总内阻为：r总某用电器的额定电压为6 V，额定电流为0.25A。现用电池组为该用电器供电。已知每节电池的电动势为1.5V，额定输出电流为0.3A。问应选用几节电池，做怎样的连接才能满足要求？课堂小结1.串联电池组适用于输出电流不太大输出电流不太大，而输出电压要求较高输出电压要求较高的场合。2.并联电池组适用于每个电池的电动势能每个电池的电动势能够满足负载所需的电压够满足负载所需的电压，而单个电池的输单个电池的输出电流小于负载所需的电流出电流小于负载所需的电流的情况。
