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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①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。②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）：③采用电驱动，噪声较低、可靠性高、使用寿命长、故障率低。④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。⑤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①可实现完全由空调自身独立实现制冷、制热功能。②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。③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。④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。⑤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AC380V－3P、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a—b—c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①电流保护设计。②电压保护设计。③采用IGBT、IPM智能模块。④具备软起动特性，使机组可以正常起动。⑤防液激保护设计。⑥系统压力保护设计。⑦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①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。②PTC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③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：①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。②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。③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：①变换功率大。②输出响应快捷。③工作稳定，抗电磁干扰。④控制方便、准确。⑤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。1V4V1VD2VD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①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。②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③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。④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。⑤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。⑥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