《新能源汽车技术》项目5

新能源汽车技术

授课教师：xxx授课时间：xxx绪论项目一纯电动汽车的概述项目二动力蓄电池及管理技术项目三驱动电机及控制技术项目四整车控制及轻量化技术项目五纯电动汽车其他关键技术项目六混合动力电动汽车项目七燃料电池电动汽车全课导航项目一纯电动汽车的概述项目五

纯电动汽车其他关键技术

纯电动汽车的充电是指将交流或直流电网（电源）的电压/电流调整为校准的电压/电流，为动力蓄电池提供电能，同时也额外地为车载电气设备供电。充电技术是纯电动汽车的关键技术，它决定了纯电动汽车的安全性和使用便利性。制动能量回收技术是目前纯电动汽车普遍采用的技术，它可将车辆在制动或惯性滑行中多余的机械能转换为电能储存在动力蓄电池中，从而有效增加车辆的续驶里程，提高车辆的能量利用率。本项目主要介绍充电技术、制动能力回收技术等纯电动汽车关键技术的原理及应用情况。项目导读学习目标（1）了解传导充电系统的充电模式和连接方式。（2）掌握交、直流充电设备的作用以及充电接口的触头布置方式。（3）熟悉常用的高压安全防护及充电保护技术。（4）掌握制动能量回收系统的结构和制动能量回收的实现过程。（5）熟悉制动能量回收控制策略。（1）能够分析充电系统的工作原理和特点。（2）能够分析制动能量回收控制策略。（1）弘扬追求突破、追求革新的创新精神。（2）坚固树立安全生产意识和集体责任感。知识目标技能目标素质目标项目导航任务5.1认识充电系统任务5.2认识制动能量回收系统任务5.1

认识充电系统任务引入2023年2月3日，工业和信息化部等八部门下发了《关于组织开展公共领域车辆全面电动化先行区试点工作的通知》，在全国范围内启动公共领域车辆全面电动化先行区试点工作，试点期为2023—2025年。预期将建成适度超前、布局均衡、智能高效的充换电基础设施体系，新增公共充电桩（标准桩）与公共领域新能源汽车推广数量（标准车）比例力争达到1∶1，高速公路服务区充电设施车位占比不低于小型停车位的10%，形成一批典型的综合能源服务示范站。同时，智能有序充电、大功率充电、快速换电等新技术应用有效扩大，车网融合等新技术将得到充分验证。

任务要求：学生从交流充电、直流充电等方面认识纯电动汽车的充电系统，并熟悉与之相关的高压安全防护及充电保护技术。任务引入表1知识与技能要求任务内容认识充电系统学习程度识记理解应用学习任务交流充电●直流充电●高压安全防护及充电保护技术●实训任务认识交、直流充电设备●分析交、直流充电系统的工作原理和特点●自我勉励任务工单——认识动力蓄电池1．任务描述

学生以3～5人为一组，选出组长并进行任务分工。各小组根据实际情况，认识实训车辆所用交、直流充电设备，分析交、直流充电系统的工作原理和特点。序号名称型号与规格单位数量备注2．工具和器材准备

各小组查阅资料，熟悉实训车辆所用充电系统的结构特点和相关技术参数，并进行工作规划，将实训所需的工具和器材填入表2中。表2任务工单3．制订方案（1）各小组针对工作规划展开讨论，制订实施方案。（2）指导教师对各小组的实施方案给出评价。（3）各小组根据指导教师的评价对实施方案进行调整。（4）调整合格后的实施方案即最终实施方案。4．工作实施

各小组按照最终实施方案，系统地认识实训车辆所用充电系统，并将实施内容及完成情况填入表3中。班级组号日期姓名学号指导教师实施内容完成情况任务总结表3相关知识5.1.1交流充电5.1.2直流充电5.1.3高压安全防护及充电保护技术相关知识为了保证纯电动汽车使用和维修安全，纯电动汽车上采用了大量高压安全防护及充电保护技术。充电方式交流充电直流充电无流充电更换电池传导充电应用最为广泛5.1.1交流充电1．充电模式和连接方式充电模式是指连接车辆到电网（电源）为动力蓄电池供电的方法，有模式1、模式2、模式3、模式4四种。连接方式是指使用电缆和连接器将车辆接入电网（电源）的方法，分为A、B、C三种。根据国家标准《电动汽车传导充电系统第1部分通用要求》（GB/T18487.1—2015），传导充电系统的充电模式、连接方式分别如表4、表5所示。5.1.1交流充电1．充电模式和连接方式充电模式表述备注模式1将车辆连接到交流电网（电源）时，在电源侧使用了符合GB2099.1和GB1002要求的插头插座，在电源侧使用了相线、中性线和接地保护的导体能量传输过程中中应采用单相交流供电，且不允许超过8A和250V；在电源侧应使用剩余电流保护装置，由于缺少揽上控制与保护装置，模式1多用来对电动自行车、代步车等充电，不可用来对车辆充电模式2将车辆连接到交流电网（电源）时，在电源侧使用了符合GB2099.1和GB1002要求的插头插座，在电源侧使用了相线、中性线和接地保护的导体，并且在充电连接时使用了缆上控制与保护装置（IC-CPD）能量传输过程中应采用单相交流供电；电源侧使用符合GB2099.1和GB1002要求的16A插头插座时，输出电流不能超过13A；电源侧使用符合GB2099.1和GB1002要求的10A插头插座时，输出电流不能超过8A；应具备剩余电流保护和过电流保护功能模式3将车辆连接到交流电网（电源）时，使用了专用供电设备，将车辆与交流电网直接连接，并且在专用供电设备上安装了控制引导装置应具备剩余电流保护功能；连接方式A、B、C均适用于模式3；采用单相供电时，电流不大于32A；采用三相供电且电流大于32A时，应采用连接方式C模式4将车辆连接到交流电网或直流电网时，使用了带控制导引功能的直流供电设备可直接连接至交流电网或直流电网；仅连接方式C适用于模式4表4传导充电系统的充电模式5.1.1交流充电1．充电模式和连接方式连接方式表述图示A将车辆和交流电网连接时，使用和车辆永久连接在一起的充电电缆和供电插头B将车辆和交流电网连接时，使用带有车辆插头和供电插头的独立的活动电缆组件

C将车辆和交流电网连接时，使用了和供电设备永久连接在一起的充电电缆和车辆插头

表5传导充电系统的连接方式5.1.1交流充电2．交流充电方法交流充电是指以较低的交流电流经车载充电机对动力蓄电池进行充电。交流充电的充电时间较长，一般为10～20h。交流充电可以充分利用电力低谷时段对车辆进行充电，降低电网负担和充电成本，减少电能损耗，并延长动力蓄电池的使用寿命。常用的交流充电方法有恒电压充电、恒电流充电、阶段充电等。小贴士选择合适的充电方法不仅能够最大限度地发挥动力蓄电池的性能，还可以延长动力蓄电池的使用寿命。5.1.1交流充电2．交流充电方法1）恒电压充电恒电压充电是最基本的交流充电方法，其特性曲线如图1所示。先设定一个期望电压，交流充电系统按照期望电压开始充电，充电电流随充电的进行不断减小；当充电电流小于一定值时，充电过程结束。图1控制简单恒电压充电动力蓄电池的析气量小，充电能耗小在充电初始阶段，一定要采取保护措施，限制最大充电电流一般用于车辆行驶中途的补给充电5.1.1交流充电2．交流充电方法2）恒电流充电恒电流充电是以恒定较大的电流为动力蓄电池充电，其特性曲线如图2所示。

为了补偿动力蓄电池自放电的影响，在动力蓄电池将要充满电时，通常会改用恒定的小电流为动力蓄电池充电，即浮充电。恒电流充电消除电池单体之间的电压不均衡充电时间很长动力蓄电池的析气量大、充电能耗大目前纯电动汽车广泛使用的一种交流充电方法图25.1.1交流充电2．交流充电方法3）阶段充电图3图4阶段充电比较常用的方法有二阶段充电和三阶段充电，其特性曲线分别如图3、图4所示。恒电流充电恒电压充电二阶段充电以恒电流将动力蓄电池充电至预定的电压值改用恒电压充电的方法完成剩余的充电过程一般两个阶段之间的转换电压就是第二阶段所保持的恒电压。5.1.1交流充电2．交流充电方法3）阶段充电图4第一阶段采用恒电流充电第二阶段采用恒电压充电第三阶段采用恒电流充电再采用恒电压充电；当充电电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段，采用恒电流充电。先以恒电流将动力蓄电池充电至预定的电压值；三阶段充电可以有效减小动力蓄电池的析气量。5.1.1交流充电4．交流充电接口纯电动汽车采用传导充电时，充电接口一般由供电接口、充电连接装置、车辆接口等组成，如图7所示。图75.1.1交流充电4．交流充电接口国家标准《电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》（GB/T20234.2—2015）规定了交流充电接口插头、插座的触头布置方式，分别如图8、图9所示。图8图95.1.1交流充电4．交流充电接口交流充电接口触头电气参数及功能定义如表6所示。编号/标识额定电压和额定电流功能定义1—（L1）250V，10A/16A/32A交流电源（单项）440V，16A/32A/63A交流电源（三项）2—（L2）440V，16A/32A/63A交流电源（三项）3—（L3）440V，16A/32A/63A交流电源（三相）4—（N）250V，10A/16A/32A中线（单相）440V，16A/32A/63A中线（三相）5—（PE）保护接地，连接供电设备地线和车辆电平台6—（CC）0~30V，2A充电连接确认7—（CP）0~30V，2A控制导引表6交流充电接口触头电气参数及功能定义5.1.2直流充电经验传承低压辅助电池不能直接进行直流充电，因为短时间内接受大量电荷会导致低压辅助电池失效。直流充电是以较高的直流电流在短时间内直接为动力蓄电池充电。直流充电的充电时间短，可在10～30min完成，但所使用的充电器（桩）安装成本相对较高，充电能耗较大，对动力蓄电池的使用寿命也有一定的影响。此外，直流充电对电网要求较高，通常需要电网为其提供较大的瞬时功率。脉冲充电首先采用脉冲电流对动力蓄电池进行充电，停止一段时间后再用脉冲电流进行充电，如此循环，其特性曲线如图10所示。5.1.2直流充电1．直流充电方法常用的直流充电方法主要有脉冲充电、变电流间歇充电、变电压间歇充电等。1）脉冲充电增大动力蓄电池的放电容量;减少动力蓄电池在充电时的发热量;提高充电效率;缩短充电时间。能量转换效率较低对动力蓄电池的损害较大。图105.1.2直流充电变电流间歇充电是建立在恒电流充电和脉冲充电的基础上的，是将脉冲充电中恒电流充电阶段改为限制电压充电，从而改变不同脉冲周期的充电电流的间歇充电方法，其特性曲线如图11所示。充电前期采用恒电流间歇充电的方法，以保证较大的充电电流；充电后期采用恒电压充电的方法，直至动力蓄电池蓄满电。图111．直流充电方法2）变电流间歇充电5.1.2直流充电与变电流间歇充电不同，变电压间歇充电在第一阶段不是采用恒电流间歇充电，而是采用恒电压间歇充电，其特性曲线如图12所示。

变电压间歇充电更加符合动力蓄电池的最佳充电曲线。在每个恒电压充电阶段，充电电流一般按照指数规律下降，符合动力蓄电池充电接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。图121．直流充电方法3）变电压间歇充电5.1.2直流充电3）变电压间歇充电经验传承在动力蓄电池投入使用前，需要按照规定对其进行小电流长时间的初充电。深度放电或长期浮充电时，电池单体的电压和容量都可能出现不均衡现象，为了消除不均衡现象，必须适当提高充电电压，以均衡电池模块中各个电池单体的特性，延长动力蓄电池的使用寿命。可实现这种功能的充电方法称为均衡充电。在多种充电方法基础上发展起来的智能充电，是一种通过跟踪检测动力蓄电池端电压在单位时间内的变化量，保持充电电流始终处于动力蓄电池最佳充电曲线附近，使其几乎无气体析出的充电方法。智能充电可以很大程度地降低充电对动力蓄电池使用寿命的影响。5.1.2直流充电2．直流充电设备直流充电的充电设备为直流充电桩，大型充电站多采用这种充电方式。大型充电站的充电设备主要包括直流充电桩、充电站监护系统、配电室及相关安全防护设施等。直流充电桩（见图13）一般具有计时、计电度、计金额充电等功能。图13点击播放微课视频5.1.2直流充电3．直流充电接口国家标准《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》（GB/T20234.3—2015）规定了直流充电接口插头、插座的触头布置方式，分别如图14、图15所示。图14图155.1.2直流充电3．直流充电接口直流充电接口触头电气参数及功能定义如表7所示。编号/标识额定电压和额定电流功能定义1—（DC+）750V/1000V，80A/125A/200A/250A直流电源正，连接直流电源正极与动力蓄电池正极2—（DC-）750V/1000V，80A/125A/200A/250A直流电源负，连接直流电源负极与动力蓄电池负极3—（PE）——保护接地，连接供电设备地线和车辆电平台4—（S+）0～30V，2A充电通信CAN-H，连接非车载充电机与车辆的通信线5—（S-）0～30V，2A充电通信CAN-L，连接非车载充电机与车辆的通信线6—（CC1）0～30V，2A充电连接确认7—（CC2）0～30V，2A充电连接确认8—（A+）0～30V，20A低压辅助电源正，连接非车载充电机为车辆提供的低压辅助电源9—（A-）0～30V，20A低压辅助电源负，连接非车载充电机为车辆提供的低压辅助电源表7直流充电接口触头电气参数及功能定义5.1.3高压安全防护及充电保护技术动力蓄电池的电压普遍为几百伏。此外，纯电动汽车上还存在大量高压（直流60V以上、交流30V以上）设备。为保证车辆和人员安全，纯电动汽车上采用了大量高压安全防护及充电保护技术。

以避开危险为目的的技术称为被动安全技术，以主动防护实现安全的技术称为主动安全技术。1．被动安全技术为避免人员直接接触高压设备或高压电路，高压部件上的高压导线和线束均采用橙色作为警示色，并在高压设备附近设置高压警示标志。5.1.3高压安全防护及充电保护技术2．主动安全技术（1）防接触保护（2）低压电路与高压电路物理隔离（3）高压电路与低压电路电气隔离（4）高压互锁（5）维修开关（6）碰撞高压防护（7）过充电、过热保护高压导线，尤其是壳体穿孔部位的高压导线，应采用至少三层绝缘保护，防止导体意外裸露，造成人员直接或间接接触高压电。同时，充电接口在车辆未充电时应不带电，以防止人员误碰。

低压电路一般采用负极与车身搭铁，而高压电路的正极和负极（或三相交流电路）均与车身金属之间绝缘，从而实现低压电路与高压电路的物理隔离。为防止高压漏电，通常还会设置绝缘检测装置，对高压正、负极母线与车身金属之间的绝缘电阻进行检测。当检测到绝缘电阻过低时，高压上电继电器动作，切断高压电路，并在仪表盘上显示相关故障信息。

DC/DC变换器负责高压电路与低压电路的电气连接，它采用变压器实现高压电路与低压电路电气隔离，防止高压电“窜”入低压电路。同时，如果DC/DC变换器的壳体发生高压漏电，也可通过绝缘检测装置检测到，并及时切断动力蓄电池的高压输出。高压回路在断开时会有触电和母线短路的隐患。通常对整个高压回路设置一个导通环，当高压回路断开时，导通环传送的信号就会中断，控制系统会控制高压上电继电器断开，切断动力蓄电池的高压输出。同时，DC/AC逆变器内的电容器通过电阻自行放电。

工作人员在进行检测、维修时，高压上电继电器会断开，以确保切断动力蓄电池的高压输出。但是如果发生误操作，如转动启动开关，会使高压上电继电器重新接通，此时高压电路输出的高电压（电流）便会对工作人员造成危害。因此，纯电动汽车一般设置有专门的维修开关，用于切断动力蓄电池的高压输出，以保证工作人员的安全。BMS会根据来自安全气囊碰撞识别装置的触发信号，断开高压上电继电器，并停止制动能量回收模式，将母线电容器自动放电，以保证车辆发生碰撞后，动力蓄电池停止输出高压电。纯电动汽车应设有过充电、过热保护功能。当动力蓄电池充满电，或因充电导致充电系统、动力蓄电池过热时，应自动切断充电电路，防止动力蓄电池。课堂小结任务5.2

认识制动能量回收系统为鼓励先进节能减排技术应用，助力实现碳达峰、碳中和目标，我国在2021—2023年度企业平均燃料消耗量积分核算中，对标准配置制动能量回收系统、高效空调且具有循环外节能效果的车型，其燃料消耗量相应减免一定额度（可累加）。其中，对标配有制动能量回收系统且车载可充电储能系统（on-boardrechargeableenergystoragesystem，REESS）标称电压等级超过12V的车型，燃料消耗量核算减免额度为0.08L/100km；对所有标配有制动能量回收系统的车型，企业可根据《乘用车循环外技术/装置节能效果评价方法第4部分：制动能量回收》（GB/T40711.4—2021）进行实车测试，基于试验值核算减免额度。本任务要求：学生从制动能量回收系统的结构、制动能量回收的实现过程、制动能量回收控制策略等方面认识制动能量回收系统。任务引入任务引入表8知识与技能要求任务内容认识制动能量回收系统学习程度识记理解应用学习任务制动能量回收系统的结构●制动能量回收的实现过程●制动能量回收控制策略●实训任务认识制动能量回收系统的基本结构●分析制动能量回收控制策略●自我勉励任务工单——认识制动能量回收系统1．任务描述

学生以3～5人为一组，选出组长并进行任务分工。各小组根据实际情况，在实训车辆或整车实训平台上认识制动能量回收系统的基本结构，并分析该制动能量回收系统的控制策略序号名称内容描述单位数量备注2．数据资料准备各小组查阅资料，熟悉实训车辆所用制动能量回收系统的结构特点和技术参数，并进行工作规划，将实训所需的工具和器材填入表9中。表9任务工单3．制订方案（1）各小组针对工作规划展开讨论，制订实施方案。（2）指导教师对各小组的实施方案给出评价。（3）各小组根据指导教师的评价对实施方案进行调整。（4）调整合格后的实施方案即最终实施方案。4．工作实施各小组按照最终实施方案，系统地认识实训车辆所用制动能量回收系统，并将实施内容及完成情况填入表10中。班级组号日期姓名学号指导教师实施内容完成情况任务总结表10相关知识5.2.1制动能量回收系统的结构5.2.2制动能量回收的实现过程5.2.3制动能量回收控制策略5.2.1制动能量回收系统的结构目前，纯电动汽车普遍采用电池储能式制动能量回收，在制动能量回收过程中需要将机械能转换成电能并产生电气制动力矩，在车辆需要时将电能转换成机械能来驱动车辆。能量转换的工作可由驱动电机或轮毂电机完成。5.2.1制动能量回收系统的结构以采用四轮轮毂电机驱动的纯电动汽车为例，其制动能量回收系统的结构如图16所示。图16轮毂电机MCU逆变器制动控制器动力蓄电池BMS制动能量回收系统车辆的制动过程是由液压摩擦制动与轮毂电机再生制动协调完成的。

当车辆进行制动时，制动控制器根据不同的制动工况发出不同的指令，通过MCU控制轮毂电机进行能量回收。123456

制动开始时BMS将动力蓄电池的SOC发送给制动控制器当SOC>80%时，不进行能量回收；当70%≤SOC≤80%时，制动能量回收受动力蓄电池允许的最大充电电流制约；当SOC<70%时，制动能量回收不受动力蓄电池允许的最大充电电流制约。5.2.2制动能量回收的实现过程点击播放微课视频制动控制器接收由压力变送器传送的制动主缸压力信号，并计算出车辆所需的轮毂电机制动强度上限。制动控制器根据轮毂电机的转速，计算轮毂电机实际能够提供的制动强度。比较需求的轮毂电机制动强度上限和轮毂电机实际能够提供的制动强度，并将结果作为电信号发送给MCU。轮毂电机工作在发电机状态下，对外输出交流电，MCU通过逆变器限制轮毂电机产生的最高电压并对电压进行升压，以满足动力蓄电池的充电要求，从而将电能转移到动力蓄电池中。为了保护动力蓄电池，BMS需要时刻监测动力蓄电池的温度，如果温度过高则停止制动能量回收。5.2.3制动能量回收控制策略1．影响制动能量回收的因素以采用四轮轮毂电机驱动的纯电动汽车为例，影响其制动能量回收的因素主要有以下几个方面。1）轮毂电机的特性2）动力蓄电池的特性3）车辆行驶工况4）操作的便利性与制动的安全性

轮毂电机既作为制动能量回收时的发电机，又作为提供驱动力的电动机，其空载特性、负载特性、功率特性、转矩特性、转速特性、效率特性等机械特性直接影响了制动能量回收的效果。此外，在制订制动能量回收控制策略时，还要考虑轮毂电机温升效应的影响。

在动力蓄电池SOC较高时，应不进行制动能量回收或者只进行小功率的制动能量回收。当动力蓄电池SOC较低时，在不影响安全的情况下，应适当提高制动能量回收效率。在城市道路工况下通常需要频繁进行制动能量回收，同时如果充电时间过长或者充电电流过大将影响动力蓄电池的性能，这就要求动力蓄电池具有较高的充放电循环寿命和快速充放电能力。

车辆在不同工况下行驶时，对制动频率、制动强度的要求也不同。制动越频繁、制动强度越低，车辆可以回收的制动能量就越多。

车辆在制动时，首先需要保证的是满足驾驶员的制动需求和制动时车辆对稳定性的要求。在此前提下，应尽可能多地回收制动能量。

车辆滑行阶段（驾驶员无制动需求），制动能量回收会使车辆明显减速，此时为了保证车速，驾驶员需要踩踏加速踏板；而在车辆制动时，制动能量回收会使轮毂电机提供电气制动力矩，并与机械制动力矩共同作用于制动系统，这会加快车辆的制动，容易使车辆出现车轮抱死。因此，在制订制动能量回收控制策略时，必须考虑操作的便利性与制动的安全性。5.2.3制动能量回收控制策略2．常用的制动能量回收控制策略不同的车型，其制动能量回收控制策略也大不相同。下面从制动力矩的控制方面出发，介绍并联式、串联式两种常用的制动能量回收控制策略。1）并联式制动能量回收控制策略并联式制动能量回收控制策略是在车辆原有的机械制动基础上，叠加一部分电气制动力矩，具有成本低、改动小的特点，目前应用较为广泛。并联式制动能量回收系统的制动力矩特性曲线如图17所示。图17