汽车电源系统的作用_新能源汽车基本构造及原理之电源系统知识

（一）动力电池主要类型与性能参数

目前新能源汽车采用的动力电池主要有镍氢电池和锂电池两大类。

（1）锂电池

1、锂电池的基本分类

目前锂电池类型有锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂、钴酸锂、三元材料等，因能量性能和稀有金属成本的原因，锰酸锂、钛酸锂和钴酸锂电池逐渐变为小众选择，而磷酸铁锂和三元锂电池则得到更广泛的应用。

1）三元锂电池全称是“三元材料电池”，一般是指采用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2，NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）三元正极材料的锂电池，把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整，所以称之为“三元”，包含了许多不同比例类型的电池。从形状上来区分，可分为软包电池、圆柱电池和方形硬壳电池。其标称电压可达到3.6～3.8V，能量密度比较高，电压平台高，振实密度高，续航里程长，输出功率较大，高温稳定性差，但低温性能优异，造价也比较高。

2）磷酸铁锂电池则是采用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，用铁来做电池原料一来成本低廉，二不含重金属，对环境污染较小，工作电压为3.2V。磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，因此在零电压存放时并不会有泄漏，高温条件下或过充时安全性非常高，可快速充电，高放电功率，无记忆效应，循环寿命高，缺点为低温性能差，正极材料振实密度小，能量密度较低，产品的成品率和一致性也饱受质疑。

日本松下、韩国LG化学、三星SDI等多采用三元锂电池，特斯拉就采用了松下的镍钴铝酸锂三元锂电池，就是所谓的NCA，国内的新能源汽车企业多采用磷酸铁锂电池。

三元锂电动力电池在漏液、变形、燃烧和爆炸上的风险不容忽视，目前新能源企业都在电池管理系统中增加诸如过充保护OVP、过放保护UVP、过温保护OTP、过流保护OCP等功能，也采用了高强度的铝合金保护结构，正极材料中加入硅钛纳米管、无溶剂PI粘合剂、固态电解质等技术路线上取得不俗成就，大大降低了风险和成本。

比亚迪在磷酸铁锂电池中加入锰元素，探索磷酸铁锰锂电池，突破了原有的能量密度限制，成本控制也非常优秀，但是对于充电时间提出了新的挑战。

（2）镍氢电池

镍氢电池目前主要应用在混动车型上，与其他类型的电池比较，镍氢电池的具体优势如下：

1）镍氢电池安全可靠

2）镍氢电池具有良好的快速充电性能

3）镍氢电池具有良好的低温性能

4）镍氢电池具有良好的环保性和可回收性

（二）电池管理系统工作模式

（1）下电模式是整个系统的低压与高压处于不工作状态的模式。在下电模式下，动力电池管理系统控制的所有高压接触器均处于断开状态，低压控制电源处于不供电状态。下电模式属于省电模式。

（2）在准备模式下，系统所有的接触器均处于未吸合状态。在该模式下，系统可随时接受外界的点火开关、整车控制器、电动机控制器、充电插头开关等部件发出的硬线信号或受CAN报文控制的低压信号来驱动控制各高压的高压接触器，从而使动力电池管理系统进人所需工作模式。

（3）动力电池管理系统监测到点火开关的高压上电信号(Key-ST信号)后，系统首先闭合B一接触器，由于电动机是感性负载，为防止过大的电流冲击，B一接触器闭合后即闭合预充接触器进人预充电状态1当预充电容两端电压达到母线电压的90%时，立即闭合B十接触器并断开预充接触器进人放电模式。目前汽车常用低压电源由12V的铅酸器电池提供，不仅可为低压控制系统供电，还需为助力转向电动机、刮水器电动机、安全气囊及后视镜调节电动机等提供电源。为保证低压著电池能持续为整车控制系统供电，低压蓄电池需有充电电源，直流转换器接触器的开启即可满足这一需求，因此，当动力电池系统处于放电状态时，B十接触器闭合后即闭合直流转换器接触器，以保证低压电源持续供电。

（4）动力电池管理系统检测到充电唤醒信号(ChargeWakeUp)时，系统即进入充电模式。在该模式下，B一接触器与车载充电器接触器闭合，同时为保证低压控制电源持续供电，直流转换器接触器仍需处于工作状态。在充电模式下，系统不响应点火开关发出的任何指令，充电插头提供的充电唤醒信号可作为充电模式的判定依据。

对于磷酸铁锂电池，由于其低温下不具备有很好的充电特性，甚至还伴随有一定的危险性，因此基于安全考虑，还应在系统进入充电模式之前对系统进行一次温度判别。当电池温度低于0℃时，系统进入充电预热模式，此时可通过接通直流转换器接触器对低压蓄电池进行供电，并为预热装置供电以对电池组进行预热，当电池组内的温度高于0℃时，系统可进入充电模式，即闭合B一接触器。

无论在充电状态还是在放电状态，电池的电压不均衡与温度不均衡将极大地妨碍动力电池性能的发挥。在充电状态下，极易出现电压、温度不均衡的状态，充电过程中可通过电压比较及控制电路使得电压较低的单体电池充电电流增大，而让电压较高的电池单体充电电流减小，进而实现电压均衡的目的。温度的不均匀性会大大降低动力电池组的使用寿命，因此，当电池单体温度传感器监测出各单体电池温度不均衡时，可选择强制风冷的方式，实现电池组内气流的循环流动，以达到温度均衡的目标。

（5）故障模式是控制系统中常出现的一种状态。由于车用动力电池的使用关系到用户的人身安全，因而系统对于各种相应模式总是采取“安全第一”的原则。动力电池管理系统对于故障的响应还需根据故障等级而定，当其故障级别较低时，系统可采取报错或者发出报警信号的方式告知驾驶人，而当故障级别较高，甚至伴随有危险时，系统将采取断开高压按触器的控制策略。低压电池是整车控制系统的供电来源，无论是处于充电模式，放电模式还是故障模式，直流转换器接触器的闭合都可使低压电池处于充电模式，从而保证低压控制系统工作正常。

（三）动力电池组的均衡充电管理和热管理

由于电动汽车动力电池组中众多动力电池之间存在制造工艺、材质、使用环境，按线方式等差异，单个电池之间存在容量、端电压和内阻的不一致在所难免，使用充电机直接为电池组进行预充电，必然导致单个电池之间不一致性的加剧，出现个别电池的过电压充电。同样，单个电池间不一致性的存在也会导致电池组放电过程中的个别电池的过放电。在车上的布置分散、动力电池单体的使用环境不同，导致电池组单体间不一致性的积累和恶化，严重影响动力电池组的使用寿命，对电池组的均衡充电以及有效的热管理是BMS的主要功能。

（1）动力电池组的热管理

由于动力电池的充放电特性在很大程度上取决于电池电解液的温度，所以BMS的一个重要作用是在动力电地的充放电过程中将电池组的温度保持在正常的工作温度范围内。

动力电池的充放电是典型的电化学过程，其伴生的反应很容易引起动力电池组内部的升高升及一定的温差，如果不及时散热，对动力电池的安全性、可靠性及动力电池寿命都有很大的影响。因此在热管理方面主要面临的问题有，充放电时产生的反应热如何散出。

电池组模块内部单体之间的温度如何均衡，寒冷环境下，如何将电池预热到设定的温度范围。影响动力电池热管理的因素主要包括产热率、电池形状、冷媒类型、冷媒流速、流道厚度等。目前车载动力电池主要考患外部散热结构，很少将动力电池内部传热与外部散热过程结合分析，因此无法从根本上控制电池散热所带来的负面影响。

从控制的角度看，目前的动力电池组热管理系统可以分为主动式、被动式两类，从传热介质的角度看，热管理系统主要包括气体冷却法、液体冷却法、相变材料冷却法、热管冷却法及一些带加热的热管理系统。

1）气体冷却法

2）液体冷却法

液体冷却法（如下图所示）以液体为介质的传热，需在动力电池组与液体介质之间建立传热通道，比如水套，以对流和导热两种形式进行问接式加热和冷却，传热介质可以采用水、乙二矽，甚至制冷剂，也有把动力电池组沉没在电介质的液体中直接传热，但必须采用绝缘措施以免发生短路，液体冷却法主要有被动式液体冷却系统和主动式液体冷却系统。被动式液作冷却一般是通过液体环境空气换热后再将其引人动力电池进行二次换热，而主动式则是通过发动机冷却液液体介质换热器，进行散热。

3）相变材料冷却法

近年来在国外和国内出现了采用相变材料PCM冷却的动力电池热管理系统，针对动力电池在充电时吸热、放电时放热的特点，在全封闭的动力电池单体之间填充相变材料，靠相变材料的融化或凝固来工作。当动力电池进行大电流放电时，PCM吸收动力电池放出的热量，自身发生相变(熔化)，而使动力电池温度迅速降低，此过程是系统把热量以相变热的形式储存在PCM中;在动力电池进行充电时，特别是在比较冷的天气环境下(亦即大气温度远低于相变温度)，PCM把热放热凝固使电池迅速升温。相变材料用于动力电池热管理系统中不需要在动力电池连接处插人额外的冷却元件，也不需要动力电池组间的冷却通道或封装外部流体循环的冷却系统，更不需要耗费动力电池额外能量，同时对于寒冷环境下给动力电池进行加热也有借鉴作用。

（四）电源变换器

绝大多数新能源汽车都将以上功能集成在一个模块中，不同品牌对该模块的称呼也不同，如丰田称之为功率控制单元、大众称之为电力电子装置等，但基本功能相同。

新能源汽车一般都采用12V低压电网和高压电网（超过200V）并行的方式进行工作，这样车上就出现了12V低压蓄电池和超过200V的高压电池两个电源，同时这类车辆上也不再有传统的12V车载发电机，在车辆运行中所有车载用电器及两个电池的充电就都由电动机的逆向工作（发电机模式）实现。基于这个因素，能够有效进行电压转换的电源转换器也就随之出现了，它的作用如下：

（1）将发电机输出的三相交流电（超过200V）转换成直流电（超过200V）为高压蓄电池充电。

（2）将发电机输出的三相交流电（超过200V）转换成直流电（降压为12V）为12V蓄电池充电。

（3）将高压电池的直流电（超过200V）转换为三相交流电（超过200V）驱动电动机为车辆提供动力。

（4）将发电机输出的三相交流电（超过200V）转换成直流电（降压为12V）为车辆12V车载电网的用电器供电（如灯光等）。

（5）将高压蓄电池的直流电（超过200V）输送至其他高压驱动部件（如空调压缩机等）。

一般电源变换器有如下接口

（1） 用于连至高压蓄电池线路的接口

（2）用于连至驱动电机线路的接口

（3）用于连至空调压缩机线路的接口

（4）用于连至12V蓄电池充电电缆的接头

（5）用千12V车载供电系统的接口

（6）用于连至车辆冷却液回路的接口

（五）充电管理与充电方式

新能源汽车如果支持外接式充电（即插电式），绝大多数都可使用两种方式充电，即交流充电和直流充电。充电时总为高压蓄电池加载直流电，高压蓄电池充电期间也同时为12V蓄电池充电。如果使用交流电为高压蓄电池充电，车辆控制系统会使用集成在车内的变压器（该装置一般都集成在功率控制单元中），充电器将充入的交流电转换为直流电。如果使用直流电为高压蓄电池充电，车辆控制系统会使用集成在高压蓄电池内的充电装置接口直接充电。在充电装置中产生直流电。目前市场上的新能源车型有些提供两个充电接口，有些则只提供单个充电接口。