《新能源汽車電氣技術(shù)》課件：新能源汽車電源系統(tǒng)認知

項目一新能源汽車電源系統(tǒng)項目一新能源汽車電源系統(tǒng)本項目的主要內(nèi)容為新能源汽車電源系統(tǒng)的認知和檢修，分為2個任務：任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知；任務2新能源汽車電源系統(tǒng)檢修。通過2個任務的學習，熟悉新能源汽車12V電源系統(tǒng)的作用以及結(jié)構(gòu)組成，掌握12V電源系統(tǒng)相關(guān)部件的檢修方法。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知提出任務

有人說，既然插電式混合動力汽車和純電動汽車上有動力電池，那就沒必要再裝傳統(tǒng)汽車的12V低壓蓄電池，你認為他說得對嗎？任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知任務要求知識要求1．能夠描述新能源汽車12V電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別；2．能夠描述DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能與工作原理；3．能夠描述新能源汽車12V蓄電池的特點。能力要求能夠介紹新能源汽車12V電源系統(tǒng)的特點與組成部件。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知相關(guān)知識1．新能源汽車12V電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別傳統(tǒng)燃油汽車的電源是蓄電池和發(fā)電機，發(fā)動機未起動或起動時由蓄電池供電，起動以后則由發(fā)電機供電，同時為蓄電池充電。電動汽車的電源分為主電源和輔助電源。主電源為驅(qū)動汽車行駛的高壓電源；輔助電源（低壓的鉛蓄電池）是為車載各種儀表、控制系統(tǒng)供電的直流低壓電源。電動汽車電源模塊是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障。電源的可靠性對于整個系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。電動汽車設(shè)計和選擇電源時要考慮配電方案、布局、搭鐵回路等，以實現(xiàn)對負載良好的供電，達到高電壓調(diào)整精度、低噪聲，同時避免系統(tǒng)中電路之間的干擾、振蕩以及過熱等問題的出現(xiàn)。以北汽電動汽車為例，輔助電源DC/DC模塊框圖，如圖1-1-1所示。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知圖1-1-1輔助電源DC/DC模塊框圖任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

傳統(tǒng)燃油汽車的交流發(fā)電機利用發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)發(fā)電，發(fā)出的電能提供給用電器并為蓄電池充電?；旌蟿恿ζ嚰半妱悠嚥捎肈C/DC轉(zhuǎn)換器之后，可省去交流發(fā)電機。電動汽車的動力電池容量很大。因此，以動力電池為電源，能夠利用DC/DC轉(zhuǎn)換器為低壓蓄電池充電，從而可以省去原來的交流發(fā)電機，如圖1-1-2所示。圖1-1-2DC/DC轉(zhuǎn)換器為蓄電池充電任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

新能源汽車12V電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別，如圖1-1-3所示。圖1-1-3新能源汽車12V電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

傳統(tǒng)燃油汽車，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低時，如果同時使用空調(diào)、音響及車燈等，有時“電池的電量會用盡”。即使發(fā)動機仍在運行，有些條件下（如用電器全開）也會出現(xiàn)電力不足現(xiàn)象。而混合動力汽車和電動汽車使用動力電池和DC/DC轉(zhuǎn)換器，便可不必考慮發(fā)動機的轉(zhuǎn)速而使用電力?；旌蟿恿ζ嚭碗妱悠嚴碚撋峡梢允∪サ蛪盒铍姵兀珜嶋H上還是將其保留，如圖1-1-4所示。這樣做主要有兩個原因：一是保留低壓蓄電池更能夠降低車輛的成本，二是確保電源的冗余度。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知圖1-1-4混合動力汽車DC/DC轉(zhuǎn)換器為蓄電池供電圖任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

蓄電池能在短時間內(nèi)向空調(diào)、刮水器及車燈等釋放大電流。如果省去蓄電池而將高壓動力電池的電力用于空調(diào)及刮水器等，DC/DC轉(zhuǎn)換器的尺寸勢必就要增大，從而使整車成本增加，蓄電池價格便宜，因此，目前將蓄電池取消在成本上沒有優(yōu)勢。蓄電池還具有確保向輔助類電器供電的冗余度的作用。DC/DC轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障停止供電時，如果沒有蓄電池，輔助類電器就會立即停止運行。如夜間車燈不亮、雨天刮水器停止運行等，將會影響駕駛。如果有蓄電池，便能夠?qū)⑵嚲徒_到家里或者工廠。部分混合動力車型，發(fā)動機保留了發(fā)電機，低壓電器系統(tǒng)由12V蓄電池、DC/DC和發(fā)電機三個電源共同提供，如圖1-1-5所示是比亞迪秦的低壓電源系統(tǒng)。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知圖1-1-5比亞迪秦的低壓電源系統(tǒng)任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知2．DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能與工作原理1）DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能如前所述，DC/DC轉(zhuǎn)換器是新能源汽車一個非常重要的部件。DC/DC到底是什么呢？將一個不受控制的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換成為另一個受控的輸出直流電壓，稱為DC/DC轉(zhuǎn)換。目前，DC/DC轉(zhuǎn)換器在計算機、航空、航天、水下航行器、汽車、通信及電視等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，同時這些應用也促進了DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)的進一步發(fā)展。DC/DC轉(zhuǎn)換器，如圖1-1-6所示。DC/DC轉(zhuǎn)換器在汽車上的應用可以這么理解，在傳統(tǒng)的燃油汽車中，發(fā)動機裝上發(fā)電機給車上的設(shè)備供電，那么新能源汽車中的DC/DC轉(zhuǎn)換器就是取代了傳統(tǒng)燃油汽車中的發(fā)電機，將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)化為整車低壓12V直流電，給整車用電系統(tǒng)供電及為鉛酸蓄電池充電。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知圖1-1-6DC/DC轉(zhuǎn)換器任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

以下以比亞迪秦混合動力汽車為例，介紹DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能。比亞迪秦DC/DC轉(zhuǎn)換器與驅(qū)動電機控制器安裝在一起，如圖1-1-7所示。圖1-1-7比亞迪秦DC/DC轉(zhuǎn)換器位置（與驅(qū)動電機控制器一體）任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

（1）在純電模式下，DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能替代了傳統(tǒng)燃油汽車掛接在發(fā)動機上的12V發(fā)電機，和蓄電池并聯(lián)給各用電器提供低壓電源。DC/DC轉(zhuǎn)換器在高壓（500V）輸入端接觸器吸合后便開始工作，輸出電壓標稱13.5V。（2）發(fā)動機原地起動，發(fā)電機發(fā)出13.5V直流電，經(jīng)過DC/DC升壓轉(zhuǎn)換成500V直流電給動力電池包充電。如圖1-1-8所示是DC/DC轉(zhuǎn)換器的控制原理框圖。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知圖1-1-8DC/DC轉(zhuǎn)換器控制原理框圖任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知2）DC/DC轉(zhuǎn)換器的類型目前，在新能源汽車中DC/DC轉(zhuǎn)換器有三種類型：（1）高低壓轉(zhuǎn)換器（輔助功率模塊）此模塊主要作用是取代傳統(tǒng)燃油汽車的12V發(fā)電機，在混合動力車輛中，發(fā)動機輸出的動力直接驅(qū)動高壓繼電器直接給電池系統(tǒng)補充電力，傳統(tǒng)的12V用電負荷就完全依靠DC/DC供給，功率范圍從1～2.2kW。（2）12V電壓穩(wěn)定器12V電壓穩(wěn)定器主要用在部分起停（start-stop）系統(tǒng)，在起動中避免電壓波動對一些敏感的負載造成影響或損壞，例如用戶可見的負載，車內(nèi)照明、收音機和顯示屏等，電壓穩(wěn)壓器的功率等級隨著用電器負荷而定，一般是200～400W。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

（3）高壓升壓器為了提高動力系統(tǒng)的效率，選用一個升壓器來提高逆變輸入的電壓（圖1-1-9），這個部件是動力總成的一部分，集成在動力總成中。如果采用鋰電池作為動力電池，那么升壓器就是一個十分重要的部分。圖1-1-9高壓升壓器任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知3．新能源汽車12V蓄電池的特點1）12V低壓蓄電池的特點與類型無論是傳統(tǒng)汽車、混合動力汽車，還是純電動汽車，都離不開蓄電池。蓄電池是將化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置，并且可以通過可逆的化學反應實現(xiàn)再充電。蓄電池已有100多年的歷史，廣泛用作燃油汽車的起動動力電源。蓄電池也是成熟的電動汽車動力電源，它可靠性好、原材料易得、價格便宜；比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但蓄電池有兩大缺點：一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個是使用壽命短，使用成本高。以常見的鉛酸蓄電池為例，采用填滿海綿狀鉛的鉛基板柵（又稱格子體）作負極，填滿二氧化鉛的鉛基板柵作正極，并用密度1.26～1.33g/mL的稀硫酸作電解質(zhì)。鉛酸蓄電池在放電時，金屬鉛是負極，發(fā)生氧化反應，生成硫酸鉛；二氧化鉛是正極。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知發(fā)生還原反應，生成硫酸鉛。鉛酸蓄電池能反復充電、放電，在用直流電充電時，兩極分別生成單質(zhì)鉛和二氧化鉛。移去電源后，又恢復到放電前的狀態(tài)，組成化學電池。常見的蓄電池單體電壓是2V，可以由一個或多個單體構(gòu)成電池組。如汽車上用的蓄電池（俗稱電瓶）是6個鉛酸蓄電池單體串聯(lián)成的12V電池組，如圖1-1-10所示。常用的12V蓄電池主要分為四類，分別為普通蓄電池、干荷蓄電池、濕荷蓄電池和免維護蓄電池，而目前為止汽車上使用的基本都是免維護電池。圖1-1-10汽車上的12V蓄電池任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知2）新能源汽車蓄電池的特點新能源汽車，特別是純電動汽車，12V蓄電池不需要給起動機提供起動時的大電流，因此其容量變小，此外它的結(jié)構(gòu)和類型也與傳統(tǒng)汽車有所區(qū)別。從圖1-1-11上可以看出，比亞迪秦12V蓄電池與傳統(tǒng)汽車用的蓄電池主要區(qū)別是：圖1-1-11比亞迪秦12V蓄電池任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

（1）用于發(fā)動機的起動正極與其他用電器的供電正極分開了。（2）蓄電池內(nèi)部具有智能控制模塊（BMS），用于對蓄電池進行智能控制，例如蓄電池電壓低時，關(guān)閉多媒體系統(tǒng)的電源。如圖1-1-11所示是比亞迪秦12V蓄電池的外形，圖1-1-12是蓄電池的注意事項說明，圖1-1-13是BMS功能之一，當蓄電池電壓低時，多媒體系統(tǒng)關(guān)閉。圖1-1-12比亞迪秦12V蓄電池注意事項說明任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知圖1-1-13BMS在系統(tǒng)電壓低時關(guān)閉多媒體任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知任務實施1．工作準備（1）防護裝備：常規(guī)實訓著裝。（2）車輛、臺架、總成：比亞迪E6/榮威E50/北汽EV160純電動汽車；比亞迪秦/普銳斯混合動力汽車；或其他同類新能源汽車。（3）專用工具、設(shè)備：無。（4）手工工具：無。（5）輔助材料：無。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知2．實施步驟根據(jù)實訓室的車輛配置，識別新能源汽車12V低壓電源系統(tǒng)，注意其安裝位置、作用、組成以及與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別。1）典型純電動汽車電源系統(tǒng)的特點與組成部件認知（1）比亞迪E612V電源系統(tǒng)。（2）榮威E5012V電源系統(tǒng)。（3）北汽EV16012V電源系統(tǒng)。2）典型混合動力汽車電源系統(tǒng)的特點與組成部件認知（1）比亞迪秦12V電源系統(tǒng)。（2）豐田普銳斯12V電源系統(tǒng)。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知拓展知識1．早期的混合動力汽車DC/DC拓撲結(jié)構(gòu)全橋電路的使用在早期大功率設(shè)備里非常常見，在純電動汽車中也可以應用。全橋電路在較寬的范圍內(nèi)都有比較好的穩(wěn)定特性，但是控制比較復雜，需要用到較多的MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）和驅(qū)動單元。驅(qū)動光耦合智能功率模塊（IPM）的結(jié)合應用，如圖1-1-14所示。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知圖1-1-14驅(qū)動光耦合智能功率模塊（IPM）的結(jié)合應用任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知ACPL-K43T為采用八引腳微型封裝的單通道耐高溫、高CMR（共模抑制）、高速數(shù)字車用級IPM光電耦合器，專門用于汽車。ACPL-K44T為ACPL-K43T的同類雙通道光電耦合器。兩款產(chǎn)品均采用擴展型SO-8封裝結(jié)構(gòu)，符合8mm的電氣間隙和爬電距離要求，設(shè)計上兼容標準的表面貼裝工藝。ACPL-K4XT內(nèi)部圖和管腳定義，如圖1-1-15所示。圖1-1-15ACPL-K4XT內(nèi)部圖和管腳定義任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

這款數(shù)字IPM光電耦合器在發(fā)光二極管與集成型光子探測器之間設(shè)置絕緣層，為輸入和輸出電路提供電氣絕緣。光電二極管偏置電路與輸出晶體管集電極的單獨接線，可以通過降低基極到集電極電容，將速度提高至傳統(tǒng)光晶體管耦合器的百倍以上。ACPL-K43T和ACPL-K44TIPM光電耦合器的共模瞬變抑制能力在擴展級溫度范圍內(nèi)有所提高，可確保其在VCM＝1500V時至少達到30kV/μs典型值。其典型應用電路，如圖1-1-16所示。圖1-1-16典型應用電路任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知ACPL-K44T采用雙路設(shè)計，一個ACPL-K44T可以有兩路驅(qū)動信號，為布板帶來了便利，降低了成本。它們的主要特點：－40～125℃高溫度范圍和可靠的低速度，超低的驅(qū)動電流為0.8mA或1.5mA，在1500V時具有30kV/μS高共模抑制，通過AECQ100一級測試，最高傳輸速度為1MBd，在10mA時超低的傳輸時延，最大為1μs，世界范圍內(nèi)的安全認證；另外，在外圍電路上不需要較多的元器件，成本上有較大的降低，同時還有多路產(chǎn)品的選擇，一個芯片可以支持上下管的邏輯開關(guān)，成本和PCB（印刷電路板的布局上）有很多便利。對于產(chǎn)量日益增加的新能源汽車，以及對其核心部件的要求越來越嚴格、成本要求越來越低廉，ACPL-K43T/K44T作為DC/DC的IPM驅(qū)動，在應用上具有極大的優(yōu)勢。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知2．合理選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器的外部元件實現(xiàn)穩(wěn)定和高效的工作過去數(shù)十年來，電子產(chǎn)品的發(fā)展可謂一日千里。以個人通信設(shè)備為例，由最初的奢侈品到現(xiàn)在的廣泛普及，電子產(chǎn)品無論從質(zhì)量、體積還是效率，都發(fā)生了翻天覆地的變化。但是不論電子產(chǎn)品變化多快，種類多么繁多，電源———這一電子產(chǎn)品的“動力”裝置，往往很容易被很多電子工程師所忽視。下面便以MAX8640Y/Z為例，重點闡述如何選取DC/DC轉(zhuǎn)換器外圍器件以及電路設(shè)計的注意事項。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知1）DC/DC轉(zhuǎn)換器的選擇當今電子設(shè)備正朝更輕、更薄、更小巧的方向發(fā)展，采用小型封裝，例如SOT23、TDFN或者SC70等封裝的器件正越來越受到設(shè)計人員的青睞。對于DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，其工作頻率越高，所要求的外部元件，比如電感以及電容值就越低，尺寸就越小。但MOSFET的開關(guān)損耗也與開關(guān)頻率成正比。因此，選擇的開關(guān)頻率應該折中考慮物理尺寸和轉(zhuǎn)換效率。以MAX8640Y/Z為例，該系列器件采用SC70封裝，工作在4MHz/2MHz的開關(guān)頻率下，能夠在500mA的輸出電流下保證高效率。該器件適合用于為微處理器或DSP內(nèi)核供電，或者用于I/O供電。所采用的SC70封裝僅為2mm×2.1mm，是業(yè)界尺寸最小的解決方案。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知2）轉(zhuǎn)換器外圍器件的選取以及布局這里包括輸出電感值的選擇、電感類型的選擇、續(xù)流二極管的選擇（對于非同步整流轉(zhuǎn)換器而言）、輸入/輸出電容的選擇。（1）電感的選擇對于便攜設(shè)備來說，電感所占的空間往往最大，同時也增加了開關(guān)調(diào)節(jié)器的成本。電感值越小，電感的物理尺寸就越小，瞬態(tài)響應就越快，但同時也將產(chǎn)生較大的紋波電流，從而降低調(diào)節(jié)器的效率，也使輸出電壓的紋波變大。理論上，最小的電感值應使電路工作在臨界傳導狀態(tài)，即負載電流最大時電感電流在每個周期正好回零。實際應用中，通常結(jié)合LIR（電感紋波電流與設(shè)計的最大負載電流之比）、輸入/輸出電壓、工作頻率以及最大負載電流選擇電感值。通常建議LIR取值為20%～50%，可以參考式（1）選擇電感的值。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

另外，除了電感值，電感的類型也是優(yōu)化電路設(shè)計所必須考慮的一個關(guān)鍵所在，這也是手機制造商成本的關(guān)鍵所在。以目前手機中常用的繞線電感和疊層電感為例，疊層電感相比繞線電感而言，具有較大的成本優(yōu)勢，且尺寸上比繞線電感要小50%以上。另外，在滿足尺寸和電感值要求的前提下，應選擇電感直流阻抗盡可能小的電感，以降低電感的直流損耗。

任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知此外，電感磁芯材料也是選擇電感時應該加以考慮的重要因素。常用的磁芯材料分為兩大類，一類是粉狀磁芯，以鐵粉芯、HighFlux高磁通磁粉芯以及KoolMμ為代表；另一類是鐵氧體磁芯。兩種磁芯材料各有優(yōu)缺點，設(shè)計人員在選擇的時候，應根據(jù)成本、性能、尺寸等因素綜合考慮。相對粉狀磁芯電感，鐵氧體磁芯的電感具有較低的磁芯損耗，同時具有較高的開關(guān)頻率，因此，鐵氧體磁芯通常是此類應用的最佳選擇。當然，鐵粉磁芯也有其優(yōu)越性，例如鐵粉磁芯的成本相對鐵氧體要低得多；另外，粉狀磁芯的電感隨著流過電感的直流偏置電流的變大要下降得緩慢些，相當于具有“軟”飽和特性，而鐵氧體磁芯的電感值在飽和以后就會迅速下降，因此在設(shè)計的時候需要留有更多的余量，防止電感出現(xiàn)飽和。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

（2）輸出電容的選擇選擇輸出電容時應考慮兩點：一是輸出的電容值；二是輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）。電容應具有一定的容值，以確保輸出的穩(wěn)定。ESR必須足夠低，以降低輸出電壓的紋波，可參考公式（2）。輸出電容的ESR大小取決于能接受的輸出紋波電壓。降壓控制器的紋波電壓大小大約等于輸出電容的ESR乘以電感的紋波電流。實際選取電容時，除了與滿足低ESR要求所需要的物理尺寸有關(guān)外，還與電容器的化學類型有關(guān)。因此，通常在選擇電容時，首先應考慮的是ESR和額定電壓值，而不是容值的大小（這一原則是用于鉭、OS-CON和其他類型的電解電容）。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

同時，電容的ESR還不能太低，必須保證ESR足夠高以滿足穩(wěn)定性的要求，還應保證ESR零點遠低于開關(guān)頻率。鑒于陶瓷電容的低ESR特性，很多應用中都推薦使用。（3）輸入電容的選擇輸入電容可以降低電源側(cè)的電流尖峰以及IC（集成電路）的開關(guān)噪聲。輸入電容的阻抗應盡可能小。建議采用陶瓷電容，因為陶瓷電容具有很小的尺寸以及很低的ESR。（4）整流二極管對于非同步整流的DC/DC轉(zhuǎn)換器，整流二極管的壓降上將產(chǎn)生比較大的功率損耗，因此，為了提高效率，應該選擇具有超低正向壓降的肖特基二極管。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知

圖1-1-17所示為MAX8640Z針對手機應用中SDRAM（同步動態(tài)隨機存儲器）供電的應用電路，該電路設(shè)計能夠輸出1.8V電壓，可提供100mA的最大輸出電流。電容選擇TaiyoYuden的LB1608T1R0M或LBMF1608T1R0M，輸入/輸出電容選擇TDK的C1005X5R0J105K，所有器件所占的總面積：2mm×2.1mm（SC70的尺寸）＋1.6mm×0.8mm（電感的尺寸）＋2×1.0mm×0.5mm（輸入/輸出電容的尺寸）＝6.48mm2，比現(xiàn)有解決方案節(jié)省超過25%的面積。DC/DC轉(zhuǎn)換器的外圍元件選取，直接關(guān)系到電路的電氣性能（包括電壓輸出紋波、輸出帶載能力、功耗）、體積、成本等多方面因素。因此，必須在設(shè)計初期就對電源的要求有清晰的了解，以便為設(shè)計留下充足的余量。任務1新能源汽車電源系統(tǒng)認知圖1-1-17MAX8640Z對手機中SDRAM供電電路任務1新能源汽車