電動汽車結構與原理課件：電動汽車的電氣系統(tǒng)

電動汽車技術與原理

第1

頁電動汽車電氣系統(tǒng)7.1電動汽車電氣系統(tǒng)的組成7.2電動汽車整車網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)7.3整車網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)設計實例7.4車輛高低壓電系統(tǒng)電動汽車技術與原理

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頁7.1電動汽車電氣系統(tǒng)的組成7.1.1一般電動汽車電氣系統(tǒng)的組成7.1.2基于CAN總線技術的電動汽車電氣系統(tǒng)的組成7.1.3電動汽車控制系統(tǒng)工作流程電動汽車技術與原理

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頁電動汽車的電氣系統(tǒng)主要包括低壓電氣系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)和整車網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)。高壓電氣系統(tǒng)主要由動力電池/燃料電池、驅動電機和功率轉換器等大功率、高電壓電氣設備組成，根據(jù)車輛行駛的功率需求完成從動力電池或燃料電池到驅動電機的能量變換與傳輸過程。低壓電氣系統(tǒng)采用直流12V或24V電源，一方面為燈光、刮水器等車輛的常規(guī)低壓電器供電，另一方面為整車控制器、高壓電氣設備的控制電路和輔助部件供電。電動汽車各種電氣設備的工作統(tǒng)一由整車控制系統(tǒng)協(xié)調控制。7.1.1一般電動汽車電氣系統(tǒng)的組成一般電動汽車電氣系統(tǒng)結構原理圖電動汽車技術與原理

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頁7.1.2

基于CAN總線技術的電動汽車電氣系統(tǒng)的組成如果電動汽車采用CAN總線控制技術，則可以將各個分系統(tǒng)（模塊）通過通信方式連接，從而實現(xiàn)整車控制。采用CAN總線的電氣系統(tǒng)更加簡潔，布置更加簡單。基于CAN總線的電氣系統(tǒng)結構原理圖電動汽車技術與原理

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頁7.1.3電動汽車控制系統(tǒng)工作流程啟動過程啟動過程中，當鑰匙打到“ACC”擋位時，車輛部分電器如音響系統(tǒng)，視頻系統(tǒng)等娛樂系統(tǒng)啟動。當鑰匙達到“ON”擋位時，此時需要對車輛的部分系統(tǒng)進行供電，此時多數(shù)車輛低壓輔助系統(tǒng)全部工作，為高壓啟動進行準備工作。當鑰匙打到“ST”擋時，車輛高壓啟動系統(tǒng)開始工作，進行一系列預充電和自檢后將主接觸器接通，啟動高壓系統(tǒng)。為了保證車輛安全，還要進行一系列絕緣監(jiān)測、電池系統(tǒng)檢測以及主電機控制器等檢測，這些檢測通過之后，車輛方能進入可行駛狀態(tài)。電動汽車技術與原理

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頁7.1.3電動汽車控制系統(tǒng)工作流程行駛過程為了保障安全，車輛在行駛中需要隨時監(jiān)測各種參數(shù)，如電量參數(shù)、溫度參數(shù)、電壓參數(shù)、絕緣性能、車輛其它關鍵輔助系統(tǒng)的參數(shù)等，這些參數(shù)將影響車輛的行駛功能、行駛距離和行駛安全。電動汽車尤其注重安全性能。為了安全行駛，電量參數(shù)、溫度參數(shù)、電壓參數(shù)及絕緣性能均設有兩級報警。

電量參數(shù)控制溫度參數(shù)控制絕緣性能控制

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頁7.1.3電動汽車控制系統(tǒng)工作流程充電過程在充電時需要對電量參數(shù)、溫度參數(shù)、電壓參數(shù)及絕緣性能進行檢測。一旦有部分系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)故障，就會提示斷開充電系統(tǒng)，停止充電，避免出現(xiàn)安全隱患。電動汽車控制系統(tǒng)工作流程圖返回電動汽車技術與原理

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頁7.2電動汽車整車網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)7.2.1整車控制器7.2.2能源管理系統(tǒng)7.2.3通信系統(tǒng)電動汽車技術與原理

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頁組成整車控制器主要由控制器主芯片，F(xiàn)lash存儲器和RAM儲存器及相關電路組成，控制器主芯片的輸出與Flash存儲器和RAM存儲器的輸入相連。整車控制器通過CAN總線接口連接到整車的CAN網(wǎng)絡上與整車其余控制節(jié)點進行信息交換和協(xié)調控制?？刂破饔布ㄎ⑻幚砥?、CAN通信模塊、BOM調試模塊、串口通信模塊、電源及保護電路模塊等。7.2.1整車控制器電動汽車技術與原理

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頁功能（1）接受、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個部件控制器發(fā)送控制指令，使車輛按駕駛期望狀態(tài)行駛。（2）與電機、DC/DC、蓄電池組等進行可靠通信，通過CAN總線進行狀態(tài)的采集輸入及控制指令的輸出。（3）接收并處理各個零部件信息，結合能源管理單元提供當前的能源狀況信息。（4）系統(tǒng)故障的判斷和存儲，動態(tài)檢查系統(tǒng)信息，記錄出現(xiàn)的故障。（5）對整車具有保護功能，視故障的類別對整車進行分級保護，緊急情況下可以關掉發(fā)電機及切斷母線高壓系統(tǒng)。（6）協(xié)調管理車上其它電器設備。7.2.1整車控制器電動汽車技術與原理

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頁原理整車控制器是一個多輸入、多輸出、模塊電路共存的復雜系統(tǒng)，其各個功能電路相對獨立。因此，按照模塊化思想設計硬件系統(tǒng)的各個模塊，主要包括：最小應用系統(tǒng)模塊，電源模塊，CAN通信模塊，串口通信模塊及數(shù)/模輸入輸出模塊。其中MCU是整車控制器的核心，它負責數(shù)據(jù)采集和處理、邏輯運算以及控制的實現(xiàn)等，MCU的選取是整個硬件設計過程中最重要的任務。7.2.1整車控制器豐田公司整車控制器原理圖天津大學設計的整車控制器原理圖電動汽車技術與原理

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頁7.2.2

能源管理系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)的功用對電動汽車動力系統(tǒng)能源轉換裝置的工作能量進行協(xié)調、分配和控制的軟、硬件系統(tǒng)統(tǒng)稱為能源管理系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)的硬件由一系列傳感器、控制單元ECU和執(zhí)行元件等組成，軟件系統(tǒng)的功能主要是對傳感器的信號進行分析處理，對能源轉換裝置的工作能量進行優(yōu)化分析，并向執(zhí)行元件發(fā)出指令。在滿足汽車基本技術性能和成本等要求的前提下，根據(jù)各部件的特性及汽車的運行工況，實現(xiàn)能量在能源轉換裝置之間按最佳路線流動，使整車的能源利用效率達到最高。電動汽車技術與原理

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頁7.2.2

能源管理系統(tǒng)純電動汽車的能源管理系統(tǒng)組成電動汽車技術與原理

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頁7.2.2

能源管理系統(tǒng)純電動汽車的能源管理系統(tǒng)電池荷（充）電狀態(tài)指示器電動汽車蓄電池中儲存多少電能，是電動汽車行駛中必須知道的重要參數(shù)，滿足這一需要的儀表即電池荷（充）電狀態(tài)指示器。電池充、放電時呈現(xiàn)明顯的非線性和非常小的動態(tài)內阻，并且隨著充電次數(shù)的增加，各特性參數(shù)均有變化。電池能夠放出電量的多少與充電狀態(tài)、放電方式等有關。計算靜態(tài)剩余電量時，應考慮電池放電電流、溫度、電池老化和自放電等對容量的影響。剩余電量的預測可采用檢測電壓和內阻，進一步計算電量的方法。電動汽車技術與原理

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頁7.2.2

能源管理系統(tǒng)純電動汽車的能源管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（1）防止蓄電池過充電。（2）防止蓄電池過放電。（3）溫度控制及平衡。（4）能源系統(tǒng)信息顯示。（5）電池狀態(tài)測試及顯示。一種標準的電池管理系統(tǒng)電動汽車技術與原理

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能源管理系統(tǒng)純電動汽車的能源管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（1）防止蓄電池過充電。（2）防止蓄電池過放電。（3）溫度控制及平衡。（4）能源系統(tǒng)信息顯示。（5）電池狀態(tài)測試及顯示。電動汽車技術與原理

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能源管理系統(tǒng)制動能量回饋系統(tǒng)1.制動能量回饋系統(tǒng)組成電動汽車技術與原理

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頁7.2.2

能源管理系統(tǒng)制動能量回饋系統(tǒng)2.制動能量回饋發(fā)電系統(tǒng)的基本原理一般而言，制動能量回饋發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電電壓總是低于蓄電池電壓。因此為了使制動能量回饋發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能充入蓄電池，必須采用專門的控制系統(tǒng)，使電動機工作于再生制動模式。工作時，將電動機電樞驅動電流斷開，電樞兩端接入一個開關電路。電動汽車技術與原理

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頁再生制動、能量回饋系統(tǒng)原理圖再生制動能量回饋電動汽車技術與原理

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頁7.2.2

能源管理系統(tǒng)制動能量回饋系統(tǒng)2.制動能量回饋發(fā)電系統(tǒng)的基本原理當開關閉合時，電動機感應電勢引起的感應電流經(jīng)開關K形成回路，感應電流

當開關K斷開時，則回饋電流為制動電流

于是，電極再生制動過程的電能便充入蓄電池儲存起來。電動汽車技術與原理

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頁制動能量回饋的具體過程可分為三個階段電動汽車技術與原理

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能源管理系統(tǒng)制動能量回饋系統(tǒng)制動能量回饋發(fā)電系統(tǒng)的基本原理三個階段（1）續(xù)流階段（2）電流反向階段（3）回饋能階段充電電能電動汽車技術與原理

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能源管理系統(tǒng)制動能量回饋系統(tǒng)3.電動汽車制動能量回（收）饋系統(tǒng)由于制動能量回收系統(tǒng)是和液壓制動系統(tǒng)一起工作的，因此經(jīng)常把此二者合稱為制動能量回收液壓制動系統(tǒng)。當儲能器被完全充滿時，制動能量回收則不能起到制動作用，制動力就只能由常規(guī)的液壓制動系統(tǒng)來提供。制動能量回收液壓制動系統(tǒng)的功用是節(jié)約制動能源、回收部分制動動能。電動汽車技術與原理

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能源管理系統(tǒng)制動能量回饋系統(tǒng)3.電動汽車制動能量回（收）饋系統(tǒng)由于制動能量回收系統(tǒng)是和液壓制動系統(tǒng)一起工作的，因此經(jīng)常把此二者合稱為制動能量回收液壓制動系統(tǒng)。當儲能器被完全充滿時，制動能量回收則不能起到制動作用，制動力就只能由常規(guī)的液壓制動系統(tǒng)來提供。制動能量回收液壓制動系統(tǒng)的功用是節(jié)約制動能源、回收部分制動動能。電動汽車技術與原理

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能源管理系統(tǒng)制動能量回饋系統(tǒng)3.電動汽車制動能量回（收）饋系統(tǒng)制動能量回收液壓制動系統(tǒng)一般應滿足四方面的要求（1）液壓制動力矩應該可以根據(jù)制動能量回收力矩的變化進行控制，最終使駕駛員獲得所希望的總力矩。（2）為了使車輛能夠穩(wěn)定的制動，前后輪上的制動力必須很好的平衡分配。（3）由于在電動汽車上沒有發(fā)動機驅動的液壓泵，所以需要有個電動泵來提高液壓。（4）為了防止汽車發(fā)生滑移，加在前后輪上的最大制動力應低于允許的最大值。電動汽車技術與原理

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頁制動能量回收-液壓制動系統(tǒng)組成單軸驅動電動汽車技術與原理

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頁制動能量回收-液壓制動系統(tǒng)組成雙軸驅動電動汽車技術與原理

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頁電動汽車制動力矩的分配比例電動汽車技術與原理

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頁制動能量回收時所損失的能量

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頁制動能量回收制動系統(tǒng)的協(xié)調系統(tǒng)

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頁1．CAN總線7.2.3

通信系統(tǒng)CAN總線拓撲結構圖電動汽車技術與原理

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頁1．CAN總線7.2.3

通信系統(tǒng)主要特點（1）CAN采用多主機工作方式，網(wǎng)絡上任一節(jié)點都可以在任何時刻主動向網(wǎng)絡請求發(fā)送報文。（2）采用非破壞性的總線仲裁技術。（3）通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點甚至全局廣播的通信，不必專門“調度”。（4）采用短幀結構，減小傳輸時間。差分方式的數(shù)據(jù)傳輸，具有較強的抗干擾能力。（5）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉的功能。（6）節(jié)點數(shù)取決于總線驅動電路，最多可達110個，報文標識符可達2032種（CAN2.0A）。電動汽車技術與原理

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頁2．LIN總線7.2.3

通信系統(tǒng)主要特點（1）低成本。（2）極少的信號線即可實現(xiàn)國際標準ISO9141規(guī)定。（3）傳輸速率最高可達200kbit/s。（4）單主控器/多從設備模式，無需仲裁機制。（5）從節(jié)點不需要晶振或陶瓷振蕩器就能實現(xiàn)自同步。（6）保證信號傳輸?shù)难舆t時間。（7）不需要改變LIN從節(jié)點的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡上增加節(jié)點。（8）一個LIN網(wǎng)絡上節(jié)點數(shù)目小于12個，共有64個標識符。電動汽車技術與原理

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頁3．TTCAN總線7.2.3

通信系統(tǒng)主要特點

帶寬利用率高、通信延遲低以及消息傳輸可管理與可預測等特點。對于解決分布式實時控制系統(tǒng)中的消息延遲與容錯具有重要的意義。電動汽車技術與原理

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頁4．FlexRay總線7.2.3

通信系統(tǒng)主要特點（1）支持靜態(tài)時間和動態(tài)時間驅動的兩種信息機制。（2）高的數(shù)據(jù)傳輸傳輸率和網(wǎng)絡使用率。（3）靈活的容錯能力，支持單通道和雙通道操作。（4）可靠的錯誤檢錯功能。（5）滿足汽車環(huán)境要求和質量要求的控制器和物理層。（6）可采用多種網(wǎng)絡拓撲結構。返回電動汽車技術與原理

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頁整車網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能（1）實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調控制。根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的能量信息，保證車輛在正常模式行駛、安全模式（能量低時提前報警）和強制停車。（2）對整車各個系統(tǒng)進行監(jiān)控。檢測整車各個系統(tǒng)信息，并進行報警。（3）整車信息顯示及故障報警。對全車信息進行顯示并對故障進行分析、報警。（4）實現(xiàn)對車身電氣包括燈光、車門、殘疾人踏板等的控制。7.3

整車網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)設計實例整車網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)原理返回電動汽車技術與原理

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頁7.4車輛高低壓電系統(tǒng)7.4.1高低壓電氣系統(tǒng)組成7.4.2高壓電氣系統(tǒng)的安全性 7.4.3電磁兼容設計的必要性和常用方法電動汽車技術與原理

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頁高壓電氣系統(tǒng)主要功用是：根據(jù)車輛行駛的功率需求完成從動力電池或燃料電池到驅動電機的能量變換與傳輸過程。在傳統(tǒng)的燃油汽車中，電動助力轉向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等主要由低壓電氣系統(tǒng)供電，而在電動汽車中，為了節(jié)約能源，對于功率較大的子系統(tǒng)如制動氣泵電機、電動助力轉向系統(tǒng)和電動空調等一般采用高壓供電。燃油汽車與電動汽車低壓電氣系統(tǒng)二者主要區(qū)別在于，燃油汽車的輔助蓄電池由與發(fā)動機相連的發(fā)電機來充電，而電動汽車的輔助蓄電池則由動力電池通過DC/DC變換器來充電。7.4車輛高低壓電系統(tǒng)電動汽車技術與原理

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頁電動汽車高低壓電路原理圖電動汽車技術與原理

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頁組成動力電池/燃料電池驅動電機功率轉換器

7.4.1高低壓電氣系統(tǒng)組成整車高壓電氣系統(tǒng)原理

電動汽車技術與原理

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頁功率轉換器功率轉換器可分為直流/直流（DC/DC）變換和直流/交流（DC/AC）變換兩類。電動汽車電氣系統(tǒng)中的功率轉換器主要是DC/DC變換器，它是實現(xiàn)電氣系統(tǒng)電能變換和傳輸?shù)闹匾姎庠O備。電動汽車的DC/DC變換器主要功能是給車燈、ECU、小型電器等車輛附屬設備供給電力和向附屬設備電源充電，其作用與傳統(tǒng)內燃機汽車的交流發(fā)電機相似。7.4.1高低壓電氣系統(tǒng)組成電動汽車技術與原理

第51

頁功率轉換器DC/DC功率變換電路拓撲結構正激型反激型升壓型降壓型升/降壓型反相型推挽式正激型半橋式正激型全橋式正激型7.4.1高低壓電氣系統(tǒng)組成電動汽車技術與原理

第52

頁DC/DC變換器絕緣型電動汽車技術與原理

第53

頁DC/DC變換器非絕緣型電動汽車技術與原理

第54

頁功率轉換器電路原理Buck式降壓變換器電動汽車技術與原理

第55

頁功率轉換器電路原理單端激式降壓變換器電動汽車技術與原理

第56

頁功率轉換器電路原理全橋逆變式升壓變換器電動汽車技術與原理

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頁DC/DC功率變換模塊的穩(wěn)壓精度檢測方法首先，用直流可變電源向DC/DC變換設備輸入額定直流電壓、允許的最小電壓和允許變化的最大電壓；其次，調整可變直流負載使前述的三個不同輸入電壓下的可變直流負載的電流依次為穩(wěn)定值的0%、50%、100%，把各個條件下的輸出電壓值分別計入表中。最后根據(jù)表中記錄的所測電壓變化的極限值（最大值和最小值）U和額定電壓U0，即可由下式計算出不同輸入電壓條件下的穩(wěn)壓精度。7.4.1高低壓電氣系統(tǒng)組成電動汽車技術與原理

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頁DC/DC變換器穩(wěn)定壓精度測試記錄表

輸入電壓輸出電壓測量值/V空載50%額定負載100%額定負載額定輸入電壓值允許的最小值輸入電壓允許的最大值輸入電壓電動汽車技術與原理

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頁DC/DC變換效率的測量在輸入直流電壓、輸出直流電壓和電流均為額定值時，輸入功率和輸出功率之比的百分數(shù)稱之為DC/DC的變換效率η，其計算公式為：

7.4.1高低壓電氣系統(tǒng)組成將輸入直流電壓、輸出直流電壓、輸出直流電流均調至額定值，從輸入端和輸出端的電壓表、電流表