电动汽车结构与原理 第5章_电动汽车电气系统

第5章电动汽车电气系统,5.1电气系统概述5.2电动汽车空调系统5.3功率变换器5.4电动汽车高压安全5.5电气系统的电磁兼容性,5.1电气系统概述,电动汽车的“神经” 分类：低压电气系统、高压电气系统,图5-1电动汽车电气系统的结构原理,图5-2典型的电动汽车高低压电路原理,1、低压电气系统 （1）组成：DC/DC功率变换器、辅助蓄电池和若干低压电器设备。如图5-3所示。 （2）低压电器设备主要包括灯光系统、仪表系统和娱乐系统等。 （3）燃油汽车的辅助蓄电池与发动机相连由发电机来充电，而电动汽车的辅助蓄电池则由动力电池通过DC/DC变换器来充电。,图5-3常见低压电气原理,（2）图5-4所示，动力电池的高压能量从正极出发，首先通过位于驾驶员操控台的高压开关DK1，该开关受低压控制，作为整车高压电源的总开关及充电开关。经线路2可以进行充电操作，经线路3与主电机控制器（通过驱动电机驱动车辆）、直流电源变换器（为低压电源充电）、转向系统控制器（控制转向助力机构）、制动控制系统控制器（控制和驱动气泵提供制动能量）及冷暖一体化空调，最后经过分流器FL流回负极，分流器的作用是检测高压线路中的电流值。,2、高压电气系统,（1）组成：动力电池、驱动电机和功率变换器等大功率、高电压的电气设备。,图5-4整车高压电气系统原理,图5-5高压电器组成部件设计图与实物图,5.2电动汽车空调系统,5.2.1电动汽车空调的发展现状,1、空调系统是传统汽车和电动汽车功耗最大的辅助子系统，它的功耗占所有辅助子系统功耗的60%以上。,2、与传统汽车空调系统不同： （1）需要采用热泵型空调系统或辅助加热器； （2）压缩机可以采用电动机直接驱动。,克莱森新型货车电动空调,工程车电动空调, 电驱动压缩机空调系统可以采用全封闭的HFC134a(目前汽车空调主要用制冷剂)系统及制冷剂回收技术，整体的高度密封性可以减小正常运行以及修理维护时制冷剂的泄漏损失，从而减少了对环境的污染。 电动空调的压缩机靠电机驱动，因此可以通过精确的控制以及在常见热负荷工况下的高效率运行来降低空调系统的能耗，从而提高整车的经济性。,3、电动空调系统优点（与传统相比）：, 采用电驱动，噪声较低、可靠性高、使用寿命长、故障率低。 对于一体式电动压缩机，取消了发动机与压缩机之间的传动带，没有了张紧件的质量，相对于传统结构减小了整车质量。 可以在上车之前预先遥控起动电动空调，对车厢内的空气进行预先调节，相比传统空调可增加乘客的舒适性。,图5-6电动空调的应用示例,5.2.2技术特点, 可实现完全由空调自身独立实现制冷、制热功能。 可根据车厢内热负荷的变化自动调节制冷量输出，达到节能降耗的要求。 压缩机直接由电驱动，这对于电动客车而言，动力机构不再布置在发动机舱内，整个系统可集成设计全部放在车顶。, 采用制冷能力更强的R407C制冷剂(传统燃油汽车普遍采用R134a制冷剂)，减少产品尺寸，减少能源消耗。, 电动空调系统采用变频调速的电动一体化压缩机取代了传统的机械传动方式的压缩机；由于取消了冷却系统，将采用电加热器进行冬天供暖。,暖风机空调系列-加热器.PTC加热器,5.2.3关键部件及控制技术,(1)全封闭柔性涡旋压缩机,效率高、体积小、质量轻、噪声低、结构简单、运行平稳。 有内置AC380V3P、50Hz（60Hz）电机可以直接由电驱动，没有开放式活塞压缩机的缺点。 装车的安装方式，运行的可靠性和性能是设计和测试的关键。,24V涡旋式空调压缩机,旋涡式空调压缩机原理,互错开180度的涡旋叶片圈组合一对啮合，动圈2以回旋半径的圆作回转运动 动圈涡旋中心绕定圈涡旋中心连续公转，原最大的月牙容积实现abc的压缩，达到预定压力，由排气口9排出 动圈和定圈的外周形成吸气容积4、8 ，如此周而复始地吸气、压缩、排气,12,(2)高效率的制冷剂,采用制冷能力更强的R407C制冷剂。 R407C的导热系数高，粘度系数小，在同等条件下，其换热系数高。管道的阻力损失也小，这对提高系统能效比、减小系统，减少车辆自重，节约成本有着不可低估的作用。 相比于传统的R134a制冷剂，其破坏臭氧层潜能(ODP)、全球温室效应潜能(GWP)较小。,(3)高效传热和散热机构,传统管片式两器传热管为9.52mm，为市场使用主流。 相比之下，7mm传热管有着重量轻、传热效率高、制冷剂使用少的优点。 管片式冷凝器一般采用铜管铝片式，但存在换热效率不足的缺陷，全铜翅片的应用使得在有限的空间内将芯体的制冷能力发挥到极致。,(4)全焊接、高集成,电动压缩机，安装不受发动机位置的限制，将两器、压缩机、系统管路、电器控制单元集成为一体。这种结构使得安装与维修变得非常的简单。 整个系统采用全焊接形式，实现制冷剂的零泄漏。 技术难点：压缩机、冷凝风扇体积较大，壳体内有两套单独系统，因此零部件较多，所以整个零部件的布置和产品造型是很大的难点。,(5)变频器技术,随着电动压缩机技术的成熟，一种基于电动压缩机控制的变频器孕育而生。 此变频器专用于车载空调交流异步电机的启动和运行，采用脉宽调制方式，变频变压，主电路专门针对电车电网设计，能在频繁的浪涌电压、电流下可靠工作。 主开关器件使用IGBT，体积小，效率高，能实现交流电机的柔性快速启动和变速运行。,(6)智能化模糊控制,随着人们对客车空调系统功能要求的提高，一种基于智能化、人性化的控制器逐步运用于电车空调系统。 他不仅能够完成传统空调的功能，而且能够根据车内负荷大小自动调节压缩机的转速，从而使空调达到最佳节能效果。,(7)独特的控制系统, 电流保护设计。 电压保护设计。 采用IGBT、IPM智能模块。 具备软起动特性，使机组可以正常起动。 防液激保护设计。 系统压力保护设计。 压缩机单机运行保护设计。,(1)制冷系统,半导体制冷又称为热电制冷，是固态制冷技术，不用制冷剂，没有运行件。 热电堆起着压缩式制冷压缩机的作用， 冷端及其热交换器则相当于压缩式制冷蒸发器， 热端及其热交换器相当于冷凝器。,5.2.4 工作原理, 热泵 由传动带驱动的直流无刷电动机的电动汽车热泵式空调系统工作原理如图5-7所示。 空调系统的制冷制热模式由四通换向阀转换，实线箭头表示制冷工况，虚线箭头表示制热工况。,(2)暖风系统,图5-7电动汽车热泵式空调系统原理,空调的制热和制冷的道理是相同的，不过并不是重新把空调反装一次，也不是让压缩机倒转，而是通过一个巧妙的四通阀实现了制冷和制热的切换。,四通阀这个东西很巧妙，让压缩机的运行方向没有改变的情况下，替换了蒸发器和冷凝器的位置，从而改变了冷媒的运行方向，从而实现了冷暖的切换。,【汽车空调可以制热吗？】 普通的汽车上，因为汽车有发动机这个热源，空调系统里是没有设计四通阀的，也就是只能制冷，而不能制热。 【电动车遇到的尴尬？】 电动车上的空调，在夏季还比较好解决，只需要将压缩机变成电动驱动即可。而到了冬季，就会遇到麻烦，因为电动车没有发动机这个热源，所以很多厂家选择了一种最简单的取热方式，就是“电热”，就是利用电阻的热效应产生热量。这样的好处就是简单，但是带来的一个问题就是费电。 具体哪款车用的是空调热泵制热，哪款车使用的是电热制热，这个资料难查：,北汽E电动版：从使用制热会影响续航里程上分析，应该是电阻制热。,北京出租车司机反映：冬天开暖风会缩短续航里程,比亚迪秦：不清楚,沃蓝达：电阻制热，会影响续航里程,特斯拉 ModelS：电阻制热，使用的是PTC制热,趋势：在电动车上，使用热泵来实现制冷和制热，一定是必然趋势，否则电阻制热的方式，对能源的消耗太大，会影响续航里程，也不符合电动车环保的初衷。, PTC电加热器 采用PTC热敏电阻元件为发热源的一种加热器。 通常是用半导体材料制成的，它的电阻随温度变化而急剧变化，当外界温度降低，PTC电阻值随之减小，发热量反而会相应增加。 按材质可以分为陶瓷PTC热敏电阻和有机高分子PTC热敏电阻。用于空调辅助电加热器的是陶瓷PTC热敏电阻。 具有随环境温度高低的变化，其电阻值随之增加或减小的变化特性，所以PTC加热器具有节能、恒温、安全和使用寿命长等特点。,暖风机空调系列-加热器.PTC加热器,图5-8粘接式陶瓷PTC加热器1散热片(铝片)2插片3铝管4绝缘纸5陶瓷PTC发热片6电极(不锈钢),图5-9金属PTC管状加热器1法兰(不锈钢)2电热管3散热片4温度控制组件5熔断器组件, 余热+辅助PTC。利用大功率器件(功率变换、驱动电机、电机控制器等)工作时产生的热量，对车内环境进行热交换。当热量不足时，启用辅助PTC加热器。,5.3功率变换器,分类：直流/直流（DC/DC）变换 直流/交流（DC/AC）变换,电动汽车采用,形式：降压、升压、双向,DC/DC：将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称直流斩波器。,用于无轨电车、地铁列车、电动汽车的无级变速和控制。,DC/DC作用：调压（开关电源）、抑制电网侧谐波电流噪声。,DC/DC变换原理：将原直流电通过调整其占空比（PWM）来控制输出的有效电压大小。,DC/DC变换器分类：硬开关和软开关。,功率变换器的功能：, 不同电源之间的特性匹配。例如，可利用DC/DC变换器实现燃料电池和动力电池之间的特性匹配。 驱动辅助系统中的直流电动机。在小功率(一般低于5kW)直流电动机驱动的转向、制动等辅助系统中，一般直接采用DC/DC变换器供电。 给低压辅助蓄电池充电。在电动汽车中，需要高压电源通过降压变换器给辅助电池充电。,对功率变换器的要求：, 变换功率大。 输出响应快捷。 工作稳定，抗电磁干扰。 控制方便、准确。 具有能量回馈功能。电动汽车的功率变换器一般为双向设计。,(1)直流斩波(Buck)式降压功率变换器(2)单端正激式降压功率变换器,(1)直流斩波(Buck)式降压功率变换器,图5-10Buck式降压变换器的基本电路,Buck电路是非隔离式的，一般用在输入、输出电压相差不大的场合，例如用于车载小功率高压直流电机的调速。,5.3.1降压功率变换器,(2)单端正激式降压功率变换器,图5-11单端正激式降压变换器的电路原理,图5-12降压功率变换器实物及示意,图5-13内部结构组成示意图,(1)Boost型升压功率变换器,图5-14Boost型升压变换器的电路原理,Boost型变换器也称为并联开关变换器，其电路原理如图5-14所示，由开关管、二极管、储能电感和输出滤波电容组成。,5.3.2升压功率变换器,(2)全桥逆变式升压功率变换器,图5-15全桥逆变式升压变换器的电路原理,全桥逆变式变换器的电路原理图如图5-15所示，主要由开关管 、中频升压变压器和输出整流二极管 、 组成。,图5-16双向功率变换器的电路原理,双向功率变换器采用Buck-Boost复合电路结构，如图5-16所示。,5.3.3双向功率变换器,图5-17双向功率变换器实物及示意,(1)直流不停电电源系统(DC-UPS),图5-18DC-UPS电源系统,图5-18是一种DC-UPS的结构框图，由AC/DC变换器、电池包BA和双向DC/DC变换器构成。,(2)电动汽车燃料电池电源系统,图5-19电动汽车燃料电池电源系统结构框图,图5-19为电动汽车燃料电池电源系统结构框图，双向DC/DC变换器是此电源管理系统中的重要组成部分之一。,5.4.1高压系统布置要求, 供电的所有动力电池做到分组串联，且每组电压小于96V，并配熔断器，可在发生意外短路时断开电池组之间的连接。 将一个含有多个动力电池包、两个高压直流接触器以及熔断器各自集成在绝缘封闭壳体内，这样就可以将高电压的带电部件与外部环境隔绝，同时相互之间的电磁干扰也得到了较好的屏蔽。,5.4电动汽车高压安全, 设计的高压电安全监控系统也安装在一个绝缘封闭壳体内，而且布置位置需要尽量靠近电池包以便在发生高压故障时可及时切断高压回路。 高压电安全监控系统包含有高压回路预充电电路，目的是为了防止高压系统容性负载产生的瞬态冲击，在系统断电后，保证预充电继电器能够完全断开。, 高压电安全监控系统通过控制高压接触器通断，可以确保电动汽车高压回路的安全性，且在系统断电后，两个高压接触器能够完全断开。 在高压回路中布置高压环路互锁电路，以确保电池组外的所有高压电路的连续性。 设置手动切断高压回路装置，用于维修或者紧急情况下手动切断高压回路。,5.4.2安全要求及检测参数, 人体的安全电压低于36V，触电电流和持续时间乘积的最大值小于30mA.s。 绝缘电阻除以电池的额定电压至少应该大于100/V，最好是能够确保大于500/V。,1、安全要求, 对于高于60V的高压系统的上电过程至少需要100ms，在上电过程中应该采用预充电过程来避免高压冲击。 在任何情况下继电器断开时间为20ms，当高压系统断开后1s，汽车的任何导电部分应该和可触及的部分对地电压的峰值应当小于42.4V(交流)或60V(直流)，储存的能量应该小于20J。, 高压电气参数：高压系统电压、电流，高压总线剩余电量。 高压电路参数：动力电池绝缘电阻、高压总线等效电容。 非电测量参数：环境温度、湿度。 数字量测控参数：主要是开关量的输入和输出。,2、检测参数,(1)漏电保护器,电动汽车采用漏电保护器是必要的，一旦有正或负母线与车身相连，保护器报警，这就避免了电机壳体漏电成为高压正极，站在车上的人触摸负极造成电击伤。这样的设计也可避免空调系统高压、DC/DC系统高压的泄漏。,5.4.3高压安全防护措施,(2)高压互锁,逆变器封密在高压盒中，非工作人员不能拆开。但会有工作人员疏忽和非工作人员的强行拆开情况，为防止电击伤在逆变器盒盖上设计有高压互锁开关，只要逆变器盒体打开，开关动作，控制器收到信号断开系统的主继电器，可以避免意外电击出现。,(3)绝缘电阻检测,较高的供电电压对整车的电气安全就提出了更高的要求，尤其是对高压系统的绝缘性能提出了更为苛刻的要求。绝缘电阻是表征电动汽车电气安全好坏的重要参数，相关电动汽车安全标准均作了明确规定，目的是消除高压电对车辆和驾乘人员人身的潜在威胁，保证纯电动汽车电气系统的安全。,(1)电气绝缘监测的一般方法, 辅助电源法。在我国某些电力机车采用的漏电检测器中，使用一个直流110V的检测用辅助蓄电池，蓄电池正极与待测高压直流电源的负极相连，蓄电池的负极与车辆机壳实现一点连接。在待测系统绝缘性能良好的情况下，蓄电源没有电流回路，漏电流为零；在电源线缆绝缘层老化或者环境潮湿等情况下，蓄电池通过电源线缆绝缘层形成闭合回路、产生漏电流，检测器根据漏电流的大小进行报警，并关断待测系统电源。,5.4.4高压绝缘监测, 电流传感法。将待测系统中电源的正极和负极一起同方向穿过电流传感器，当没有漏电流时，从电源正极流出的电流等于返回到电源负极的电流，因此穿过电流传感器的总电流为零，电流传感器的输出电压为零；当发生漏电现象时，电流传感器输出电流不为零。根据电压的正负可以进一步判断产生漏电流的来源是来自电源正极引线电缆还是电源负极引线电缆。 但是，应用此方法的前提是待测电源必须处于工作状态。,(2)电动汽车电气绝缘性能的描述,在直流电源系统中，定量描述一种介质绝缘性能和导电性能的物理量是电阻。 导体的电阻小，绝缘体的电阻大，绝缘体电阻的大小表征了介质的绝缘性能。 电阻越大，绝缘性能越好，反之亦然，称该电阻为绝缘电阻。 在电动汽车的高压电气系统中，分别利用电源的正极引线电缆和负极引线电缆对底盘的绝缘电阻，来反映电气系统的绝缘性能。,(3)绝缘电阻检测原理,为了监测上述绝缘电阻，直接将车载高压电源作为监测电源。电源正极、负极和车辆底盘之间建立了桥式阻抗网络，如图5-20所示。,图5-20桥式阻抗网络,5.5电气系统的电磁兼容性,电磁兼容性： 能抵御环境中的电磁干扰、 不对环境造成不能承受的电磁骚扰。,电磁兼容实验室（EMC）：可进行抗电磁干扰强度测试、电磁骚扰强度测试，满足国家最新标准要求的静电放电抗干扰度、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、工频磁场抗扰度、浪涌抗扰度、射频场感应的传导骚扰抗扰度等。 图5-21电磁兼容实验室组织结构。,图5-21电磁兼容实验室组织结构,图5-22电波暗室内部实物,图5-23全电波暗室与半电波暗室示意,5.5.1电磁兼容性主要术语,国家标准电磁兼容术语定义：设备或系统在电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰能力。,5.5.1电磁兼容性主要术语,表5-1国际主要汽车电磁兼容标准,表5-2国内汽车电磁兼容的标准,5.5.2电动汽车电磁环境分析,(1)车载干扰源,这主要是指车上各种电子电气系统产生的电磁干扰。 车载干扰源主要有驱动系统、动力电池、功率变换器、继电器、电动辅助系统、开关、通讯设备以及微处理器等电子设备。 车载干扰源的电磁传播模式很复杂，它有传导干扰和辐射干扰两种形式。 一般情况下，在电动汽车系统的辐射干扰中，共模高频干扰占据着主导地位，而其他频段干扰较小。,(2)自然干扰源,自然干扰源是指由自然现象引起的电磁干扰。 比较典型的自然界电磁现象产生的电磁噪声有大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声以及静电放电等。 大多数情况下，这种电磁噪声非常复杂，并且对汽车的干扰影响可以忽略。 但是，闪电和静电放电可能会产生很大的瞬变场强。,(3)人为干扰源,人为干扰源是指由汽车外部人工装置产生的电磁干扰。 主要有其他车辆的辐射干扰，车外的雷达、无线电台发射机、移动通讯设备等发射的电磁波干扰，以及高压输电线的电晕放电等。,(1)第一层有源器件的选型和印制板设计,为了增强抗扰度并抑制骚扰，应从电磁敏感度、电磁骚扰发射、芯片封装和电源电压等四个方面优选有源器件。由于噪声电流和瞬态负载电流是传导骚扰和辐射骚扰的初始源，为实现电源的完整性，应优选多层板，尽可能减小引线电感；减小门电路驱动线对地分布电容和驱动门输入电容；选用SMD；安装本地去耦电容和整体去耦电容。 PCB设计具体方法主要包括： 优选多层板。布局布线原则 。层间安排原则 。 遵循2H和2W设计原则 。,5.5.3电磁兼容性设计方法,(2)第二层接地设计,分析系统内各类部件的骚扰特性、敏感特性、各电路的工作电平、信号种类和电源电压；将地线分类、划组；画出系统布局；画出系统地线网。在1MHz以下低频电路部分采用单点接地，10MHz以上高频部分采用多点接地；电源地线都接到电源总地线上，信号地都接到信号总地线上，两根总地线最后汇总到一个公共入地点搭车体连接；信号源接地时，屏蔽层在信号侧接地；多个信号屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，360度搭接；采用信号隔离变压器、平衡变压器、光耦合器和差动放大器实现对地环路的隔离；PCB表面覆铜一定要良好接地；多层板中间层的空旷区不要覆铜等。,(3)第三层屏蔽设计,采用高导电率材料加屏蔽体接地进行静电屏蔽和电场屏蔽；采用高磁导率材料进行低频磁场屏蔽；采用高导电率材料进行高频磁场屏蔽；采用高导电率材料加接地进行远场电磁屏蔽。永久性接缝采用焊接方式；非永久性接缝采用导电衬垫。通风空采用蜂窝状通风板。单根导线或电缆穿过屏蔽体时，采用馈通滤波器；一组导线或电缆穿过屏蔽体时，采用滤波器连接器；在I/O端口加装滤波器；屏蔽电缆与屏蔽体连接时应成哑铃状，屏蔽层与屏蔽体360度搭接。,(4)第四层滤波设计和瞬态骚扰抑制,反射式低通滤波器按源阻抗和负载阻抗选择网络结构，并核算其插入损耗和频率特性；反射式低通滤波器安装时使输入线尽可能短，输出线与输入线隔离，并良好接地；吸收式低通滤波器采用铁氧体元件，用于电源线、数据线和PCB上，安装在骚扰附近；采用长而细的铁氧体元件抑制效果好。,(1)屏蔽,屏蔽是在两个区域之间建立电磁屏障保护系统中的电路不受电磁环境损坏的最直接方法。 可采取两种屏蔽方式：其一，主动屏蔽；其二，被动屏蔽。,5.5.4抑制电磁干扰的技术措施,屏蔽的设计原则：高频电场屏蔽应用铜、铝和镁等良导电材料；低频磁场屏蔽应用磁性材料，如铁和镍铁高导磁合金；足够厚度的屏蔽层可屏蔽任何频率的电场，且有很高的屏蔽效能；多层屏蔽（包括机壳与电缆）能在宽频带上提供高屏蔽有效度；用来密封缝隙的各种结合面必须清洁，不能有不导电的涂层；为了保持外壳的屏蔽效能，对必不可少的穿线孔应加导电衬层、弹簧垫圈、波导衰减器和栅网等。,(2)滤波,屏蔽主要是为了解决辐射干扰，而滤波则主要是解决通过传导途径造成的干扰。 完成滤波作用的部件称为滤波器。 滤波器主要抑制通过电路通路直接进入的干扰，它是应用最普遍的抗干扰方法。 根据信号与干扰信号之间的频率差别，可以采用不同性能的滤波器，抑制干扰信号，提高信噪比。,(3)接地, 合理规划线束。在线束布置上，使小功率敏感电路紧靠信号源，大功率干扰电路紧靠负载，尽可能分开小功率电路和大功率电路，减小线束间的感应干扰和辐射干扰。不同用途、不同电平的导线，如输入与输出线、弱电与强电要远离，尽量不要平行；接地线长度要尽量短，截面要尽量大。关键元件、电路和走线都要加屏蔽，屏蔽要合理接地。对较长的线束，为减小传导和辐射干扰，应在线束上增加滤波，比较方便的方法是套接合适的铁氧体磁环。, 元器件选择和电路设计。元器件选择和电路设计是抗电磁干扰和电磁兼容性设计的重点之一。通过选择元件及抗扰筛选，以得到高抗干扰门限值的元件，采用屏蔽的双绞线作连线，缩短元件和电路的连线。另外，还要考虑到数字电路比线性、模拟电路抗扰性强，低速数字电路比高速数字电路有更低的电磁灵敏度。,5.5.5电磁场辐射强度检测实例, 在某所电磁兼容试验室，对某电动客车进行检验，表5-3为试验条件。检测和判定方法依据GB/T 183872001电动车辆电磁场辐射强度的限值和测量方法宽带9kHz30MHz。 电磁场辐射强度检验结果。, 在某所电磁兼容试验室,表5-3试验条件, 电磁场辐射强度检验结果,图5-24v=16km/h、64km/h，棒天线位于车辆后部, 电磁场辐射强度检验结果。,图5-25v=16km/h、64km，环天线与车辆后部平行,