《新能源汽车电气技术》教案
授课班级 | 班级人数 | 授课教师 | |||||
课题序号 | 3 | 授课课型 | 授课课时 | 课时 汽车电瓶如何充电 | |||
授课章节 名 称 | 任务一 新能源汽车充电系统认知 | ||||||
教学目标 | 知识 目标 | 1.能描述充电系统基本术语。 2.能描述新能源汽车充电系统的作用。 3.能描述充电系统的组成。 | |||||
技能 目标 | 1.能正确给电动汽车充电。 2.能正确进行充电机拆装。 3.能正确进行高压控制盒拆装。 4.能正确进行高压控制盒主熔断器拆装。 | ||||||
情感 目标 | 1. 培养勤于思考、举一反三的学习习惯； 2. 培养良好的团队合作精神。 | ||||||
教学重点 | 充电系统基本术语 | ||||||
教学难点 | 充电系统的组成 | ||||||
教学方法 | 讲授法、自主学习法、探究法、小组讨论法 | ||||||
教学资源 | 教材、网络资源、教学视频、相关PPT，多媒体教室 | ||||||
板书设计 | 任务一 新能源汽车电源系统的认知 | ||||||
[知识学习] 1.电动汽车充电系统的发展历史 2.新能源汽车充电技术概况 3.充电系统基本术语 4.常用充电方法 5.新能源汽车充电系统的作用 6.充电系统的组成 7.DC/DC变换器的功能与工作原理 8.DC/DC变换器的类型 9.电动汽车充电模式 10.电动汽车充电方式 11.吉利帝豪EV450充电系统 12.吉利帝豪EV450充电系统工作原理 [技能训练] 1.新能源汽车充电系统（快充模式）组成部件认知 2.新能源汽车充电系统（慢充模式）组成部件认知 | |||||||
教 学 过 程
主 要 教 学 内 容 及 步 骤 | 教师活动 | 学生活动 | 教学目标 | |
【一】导入新章节 案例导入：你作为一名纯电动汽车销售人员，客户需要你向她介绍日常充电的方式，以及快充和慢充的利弊，以便于客户更好了解自己的爱车，你能完成这个任务吗？ 【二】新 授 任务一 新能源汽车充电系统认知 [学习目标] 知识目标 1.能描述充电系统基本术语。 2.能描述新能源汽车充电系统的作用。 3.能描述充电系统的组成。 能力目标 1.能正确给电动汽车充电。 2.能正确进行充电机拆装。 3.能正确进行高压控制盒拆装。 4.能正确进行高压控制盒主熔断器拆装。 [知识学习] 一、电动汽车充电系统的发展历史 上个世纪初，随着二次电池的研究成功，与之相配套的充电系统应运而生。这种充电系统采用常规充电法，即用小电流，长时间对蓄电池进行充电。这种充电方式由于充电时间太长，不能满足电动汽车等要求快速充电的需求。国内外广泛开展了快速充电系统研究。快速充电系统的产生大致经历了三个发展阶段: l.摸索阶段 最早是在上个世纪50年代，美国由于军事上的需要，开始研究快速充电技术，制成了金属整流器型快速充电系统，用于6～24V铅酸蓄电池的快速充电，其重量为40kg，有快、中、种充电模式。 2.理论研究阶段 1967年美国人马斯（Mas）研究了充电过程中产生气泡的问题，发现出气的原因和规律，以最低出气率为前提，出了蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线，对蓄电池快速充电的理论进行了探讨，并在实践的基础上，提出了蓄电池快速充电的一些基本规律。 3.实际应用阶段 1970年美国麦卡洛克电子公司制成了铅酸蓄电池快速充电系统，对190AH的电池施以50OA的电流充电，而以12O0A的电流短时间放电去极化处理，结果30分钟就把电池充好。除美国外，其他如日本、英国、法国、德国、前苏联等国也在快速充电技术方面有不同程度的发展。 英国联营公司发明的“TEC总能量智能式充电控制技术”及其控制系统，有效地控制了粉粒充电时所需的能量，克服现有电晕式充电系统及磨擦式充电系统所引致的各种问题，解决了“法拉第屏蔽效应”及“反向电离作用”等问题。 目前电动汽车的电池在使用过程中，由于受动力蓄电池能量和端电压的限制，需要采用多块电池进行串联组合，而动力蓄电池特性的高度非线性，单体差别非常大，为此蓄电池管理系统成为电动汽车的必备装置。BMS最基本的功能是监控电池的工作状态（电池的电压、电流和温度）、预测动力蓄电池的电池容量（SOC），进行电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，最大限度地利用电池存储能力和循环寿命。 二、新能源汽车充电技术概况 新能源汽车，特别是纯电动汽车的充电技术，最关键的问题是如何能实现高效率的快速充电。这关系到充电器的容量和性能，电网的承载能力和动力蓄电池的承受能力等。随着动力蓄电池本身的充放电速度的不断提高，充电系统的性能也在不断地改进，以满足在多种不同的应用情况下的快速充电需求。由于电力的储运和使用比汽油方便得多，充电设备的建造也呈现出多样性和灵活性，既可以为集中式的充电站，也可以设置在马路边、停车场、购物中心等任何方便停车的地方。除了固定充电装置以外，电动汽车还带有车载充电器，可以在夜间从家里的市电插座进行充电，甚至还可以在用电高峰期把电力逆变后返送回电网。目前根据不同的汽车动力蓄电池电压和容量、充电速度要求，以及电网供电容量等因素的考量，固定充电器的容量一般在15KW到100KW的范围，输出电压一般为50V到500V。车载充电器容量则在3KW左右。 目前，世界各国都在研究电动汽车的快速充电技术。欧洲已研发出10分钟充电可行驶100公里的快速充电系统。美国也已经研发出了6分钟充电可以行驶100公里的超快速充电系统。这些系统都采用国际通用的快速充电标准接口，输入电源可以用交流电，也可以用直流电。 由于快速充电系统需要强大的瞬时功率，所以在快速充电设施中电网的承载能力是一个关键的制约因素。如果想要把充电速度进一步提高，从普通电网直接供电基本上不可能。为了解决这个矛盾，技术人员正着手研发新一代带有储能缓冲环节的超快速充电系统。这项技术目前还处于早期发展阶段，但已经有示范系统展示。汽车在行驶中充电叫做在线充电。这也是技术人员将要研究和开发的技术之一。这种技术一旦实施，车载的电池容量将可以降低。随着电动汽车市场的迅速发展，这些技术一定会得到广泛的应用并产生巨大的经济效益。 近年来，电动汽车充电技术取得了长足的进步，充电方式的分类化使充电设施的设计针对性更强、指标更明确，为电池的安全充电提供了准则保障；充电电源各器件运行环境的高频化提高了主功率变换器件的开关速度、工作效率，减小磁性变压器和电解电容体积、重量等；功率变换器的集成化使系统控制、驱动、保护、检测以及后级功率放大集成为一体，减小了能量的传输损耗，减轻了系统的重量，促进了系统智能化的发展；控制系统的智能化加大了充电判断的精确度，促进了充电系统工作效率的提高等。 三、充电系统基本术语 1.交流充电（ACcharging） 指通过交流电对带充电系统的新能源汽车的动力蓄电池组充电。进行交流充电时，车辆的车载充电器必须将交流电整流成直流电，并调节充电电压，使其符合动力蓄电池组的要求。如图2-1所示 图2-1交流充电桩 2.直流充电（DCcharging） 指通过直流电对带充电系统的新能源汽车的动力蓄电池组充电。进行直流充电时，直流电被输送到动力蓄电池组，由充电站来调整动力蓄电池组的充电电压。如图2-2所示 图2-2直流充电桩 3.充电器（Charger） 指将电气设备或其他电能供应设备输出的交流电，转变成直流充电电流的设备。车载充电器安装在车辆上，而非车载充电器则是EVSE的一部分。如图2-3所示 图2-3充电器 4.充电插头（Chargeconnector） 充电插头即充电，插入汽车充电端口对动力蓄电池组充电。在北美地区，一级和二级充电插头遵循SAE标准J1772，该标准规定了充电插头的形状、电路和通信协议。如图2-4所示 图2-4充电插头 5.充电口或充电插口（Chargingport或Chargeinlet） 指安装在电动汽车及插电式混合动力汽车上的电气插座，通常位于保护盖后面。充电端口或充电插口的技术标准必须与插入车辆的充电插头一致，才能进行充电。如图2-5所示 图2-5充电口 6.充电电缆（Chargingcable） 一级交流充电的便携式充电装置，其一端插入车辆，另一端插入220V墙壁插座。如图2-6所示 图2-6充电电缆 7.充电桩（Chargingstation） 一种用来将电能输送到插电式混合动力汽车或纯电动汽车的固定设备（通常安装在家庭车库、工作地点、停车装置或公共区域）。充电站可能如220V电气插座那样简单，也可能是适合多种车型、多种充电标准的复杂充电装置。一些公共充电站可免费使用，而有些则需缴费，并由专人操作。如图2-7所示 图2-7充电桩 四、常用充电方法 在日常人们使用电动汽车时一般采用的有恒流充电方式或恒压充电方式，在实际生产应用实践中，经过大量的实践后人们一步步对其进行改进，研究开发了许多不同的充电方式。接下来介绍目前常采纳的一些充电方法，在如下的充电电路图中，用虚线表示充电电流的大小，用实线表示充电电压的大小。 1.恒压充电方式 恒压充电是人们最常采用的充电方式，在日常使用中也是最广泛使用的。开始时，设定一个电压值指示值，该电压不大于电池所能承受的最大电压且与其他电压值相比充电耗时短，当与电源接通后，蓄电池开始充电，充电电流随充电时间的增加渐渐减小；当充电电流小于一定值后，认为电池充满，此时充电过程结束。如图2-8所示 图2-8恒压充电方式曲线 控制简单、易于操作实现是恒压充电的最大特点，但往往待充电电池的初始电压值与期望电压值差别很大，充电初期，充电电流就会很大，过大的电流容易使电池出现迅速变热的现象，极容易烧坏电池，酿成事故，当蓄电池深度放电时，开始过大电流给电池充电往往会造成电池极化现象的发生，反而影响充电速度，严重时还会对电池造成很大的伤害。所以一般在充电开始阶段，一般要加对充电电流进行保护的措施，限制电流的值，让电池始终在一个可接受的电流范围内充电。 2.恒流充电方式 恒流充电方式也是人们常采用的方法。一开始充电系统以一定的恒定的电流为蓄电池充电，该电流保持在电池可接受的范围内，当控制系统检测将要充满时，改用恒定的小电流为其充电，进入所谓的浮充阶段，浮充的作用是用来充足剩余的电量和补偿电池的自放电，当充电电压达到电池的额定电压时，停止充电。该种充电方式避免了恒压充电电流过大的问题，电流始终被限制在电池组可接受的范围内，但由于电流始终恒定，无形中延长了充电所需的时间。如图2-9所示 图2-9恒流充电方式曲线 3.恒流恒压充电方式 恒流恒压充电方式结合了恒压与恒流充电方式的优点，起始段采用恒定的电流给蓄电池充电，当控制系统检测充电电压或者电量达到一定程度后改用恒定的电压给蓄电池充电，直至控制系统检测充电电流很小时，结束充电，实际中也常采用该种充电方法。如图2-10所示 图2-10恒流恒压充电方式 以上介绍的三种方法它们的特点是充电电压电流是连续的，没有间断，它们一同的问题是不间断的充电电流没有给电池休息的时间去去除极化现象的影响，导致蓄电池极化现象的发生，极化现象的产生反而限制了充电速度，而且容易使电池过热，损害电池影响电池的使用寿命。因此人们一直在寻一种充电方法可以减少甚至避免电池极化现象的发生，这样充电速度就可以就很大的提高、效率就会得到明显的改善。下面将要介绍两种充电方法采用是不连续的充电电流的充电方法，就可以解决极化现象，真正加快充电速度和加长电池的使用寿命，一系列研究实验表明这样的充电策略能够得到很好充电效果，能有效地减少或消除极化现象的发生，使电池始终保持很高的充电速度与充电效率，大大挖掘出电池的优良性能。 4.脉冲充电方式 脉冲充电方式采用脉冲充电间歇为电池提供充足的休息时间，让电池内部的反应物充分的中和，能够有效地减少和消除极化现象的发生，防止充电过程电池过热，能有效延长电池的使用寿命。有了充足的充电休息时间，充电时就可以采用比较大的电流为电池充电，而不用担心过大的电流造成极化现象影响充电速度，因此充电效率与充电时间都得到了很大的提升，也延缓了电池的寿命。如图2-11所示 图2-11脉冲充电方式 5.正负脉冲充电方式 正负脉冲充电方式可以说是对脉冲充电方式的改进，在整个充电过程中电池具有正脉冲充电、间歇休息和负脉冲放电三个阶段。首先充电控制系统给电池较大电流的短暂的正脉冲充电，停止一段时间过后，再对其进行比之前更大电流的脉冲放电，过后让电池短暂的休息一段时间。对电池短暂的脉冲放电是为了去除极化现象的发生，加快电池内部的化学反应，从而使电池一直保持较高的可接受充电电流，加快充电速度和提高效率，延缓电池的寿命。这种去极作用的充电方式叶可以有效降低电池内的温度，加快电池化学反应的进行。表面上看损失了部分电能，但是这部分电能与过长时间充电造成的能量损失和损失的电池寿命相比微不足道，如图2-12所示 图2-12正负脉冲充电方式 五、新能源汽车充电系统的作用 新能源汽车充电系统能够给电动汽车动力蓄电池及时补充能量，并能根据动力蓄电池电量情况和充电时环境状态，及时调整充电电流。如图2-13所示 图2-13新能源汽车充电 六、充电系统的组成 纯电动汽车充电系统包含很多零部件，包括车载充电机、车载充电接口、DC/DC变换器及相关线束。车载充电机主要功能是将交流220V市电转换为高压直流电给动力蓄电池进行充电，保证车辆正常行驶。充电接口是充电桩与车辆对接的唯一接口。DC/DC变换器主要功能是将动力蓄电池高压电转换为12V低压电，供整车低压系统用电。主要相关的线束有：高压线束、充电线束、充电线、前机舱线束（低压控制及低压供电）。 1.车载充电机 车载充电机主要功能是将交流220V市电转换为高压直流电给动力蓄电池进行充电，保证车辆正常行驶。同时车载充电机提供相应的保护功能，包括过压、欠压、过流、欠流等多种保护措施，当充电系统出现异常会及时切断供电。车载充电机同时将内部故障信息通过CAN总线发送至网络，可以通过诊断仪或CAN卡读出相应的数据。 车载充电机内部可分为3部分，主电路、控制电路、线束及标准件。主电路分成2部分，前端将交流电转换为恒定电压的直流电，主要是全桥电路+PFC电路。后端为DC/DC变换器，将前端转出的直流高压电变换为合适的电压及电流供给动力蓄电池。控制电路是控制MOS管的开关，与BMS之间通讯，监测充电机状态，与充电桩握手等功能。线束及标准件的作用是用于主电路及控制电路的连接，固定元器件及电路板。如图2-14所示 图2-14车载充电机 2.车载充电接口 充电接口是指用于连接活动电缆和电动汽车的充电部件，它由充电插座和充电插头两部分组成，是传导式充电机的必备设备，充电插头在充电过程中与充电插座进行结构耦合，从而实现电能的传输。GBT20234.2-2015《电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》和GBT20234.3-2015《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》两个国家标准，对充电接口进行了规范。 3.DC/DC变换器 DC/DC变换器相当于传统车的发电机，将动力蓄电池的高压电转为低压电给蓄电池及低压系统供电。具有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境等特点。 DC/DC变换器工作首先需要整车On档上电或充电唤醒上电，然后动力蓄电池完成高压系统预充电流程，最后VCU发给DC/DC变换器使能信号，DC/DC变换器开始工作。如图2-15所示 图2-15DC/DC变换器 七、DC/DC变换器的功能与工作原理 如前所述，DC/DC变换器是新能源汽车一个非常重要的部件。DC/DC到底是什么呢？将一个不受控制的输入直流电压转换成为另一个受控的输出直流电压称之为DC/DC转换。目前，DC/DC变换器在计算机、航空、航天、水下行器、汽车、通信及电视等领域得到了广泛的应用，同时这些应用也促进了DC/DC变换技术的进一步发展。如图2-16所示 图2-16DC/DC变换器 DC/DC变换器在汽车上的应用可以这么理解，在传统的燃油汽车中，发动机装了个发电机来给车上的设备供电，那么新能源汽车里这个DC/DC变换器就是取代了传统燃油汽车中的发电机。 以下以比亚迪秦混合动力汽车为例，介绍DC/DC变换器的功能。比亚迪秦DC/DC变换器与驱动电机控制器安装在一起，如图所示。如图2-17所示 图2-17比亚迪秦DC/DC变换器位置（与驱动电机控制器一体） 1）在纯电模式下，DC/DC变换器的功能替代了传统燃油汽车挂接在发动机上的12V发电机，和蓄电池并联给各用电器提供低压电源。DC/DC在高压（500V）输入端接触器吸合后便开始工作，输出电压标称13.5V。 2）发动机原地启动发电机发出13.5V直流电，经过DC/DC升压转换成500V直流给动力蓄电池包充电。如图2-18所示是DC/DC变换器的控制原理框图。 图2-18 DC/DC变换器控制原理框图 八、DC/DC变换器的类型 目前在新能源汽车里DC/DC变换器有三种类型： 1.高低压转换器（辅助功率模块） 此模块主要作用是取代传统燃油汽车的12V发电机，在混和动力车辆里，发动机输出的动力直接驱动高压继电器直接给电池系统补充电力，传统的12V的用电负荷就完全依靠DC/DC供给，功率范围可以从1KW-2.2KW。 2.12V电压稳定器 这个12V电压稳定器，主要用在部分启停start-stop系统，在启动中避免电压波动对一些敏感的负载造成影响或损坏，例如用户可见的负载，车内照明等，收音机和显示屏等，电压稳压器的功率等级随着用电器负荷而定，一般是200-400W。 3.高压升压器 为了提高动力系统的效率，选用一个升压器来提高逆变输入的电压，这个部件是动力总成的一部分，集成在动力总成中。如果采用锂离子蓄电池作为动力蓄电池，升压器是一个十分重要的部分。如图2-19所示 图2-19高压升压器 九、电动汽车充电模式 现今普遍存在常规充电、快速充电和蓄电池组快速更换三种模式。 1.常规充电方式 蓄电池在放电终止后应立即采用小电流或中电流以恒压或恒流方式充电（在特殊情况下也不应超过24小时），一般充电时间为5～8小时，甚至长达10～20小时，这种充电称为常规充电（普通充电）。尽管常规充电的充电时间较长，但可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本，并可提高充电效率和延长蓄电池的使用寿命。如图2-20所示 图2-20常规充电方式原理图 常规充电分为小电流充电和中电流充电两种方式。小电流充电方式是以较小的电流根据动力蓄电池的充电曲线进行充电，充电时间通常为8～10小时，因采用恒流、恒压充电方式对蓄电池动力蓄电池充电，使整个充电过程更接近动力蓄电池的固有特性，可有效避免动力蓄电池的过充和欠充问题。这种方式以比较低的充电电流为动力蓄电池充电，相关技术成熟可靠，充电机的工作和安装成本也比较低。小电流充电方式主要应用于家庭充电场合，典型的充电电流约为15A，充电时间为8～10小时（充到95%以上）。这种充电方式对电网没有特殊要求，直接从低压照明电路取电，充电功率小，一般为1～3kW。如图2-21所示 图2-21小电流充电 中电流充电方式主要应用在购物中心、饭店门口、停车场等公共场所的小型充电站。小型充电站的充电电流为30〜60A,充电功率一般为5～20kW，采用三相四线制380V供电或单相220V供电，计费方式是投币或刷卡，用户只需将车停靠在小型充电站指定的位置上，接上电线即可开始充电。该方式的充电时间是：补电1～2h，充满5～8h（充到95%以上），在小型充电站使用中电流充电1小时，电动汽车的行驶里程可增加40km。如图2-22所示。 图2-22中电流充电 2.快速充电 快速充电又称应急充电，是以较大电流短时间在电动汽车停车的20分钟至2小时内,为其提供短时充电服务，一般充电电流为150～400A。快速充电不同于常规充电所采用的恒流、恒压充电方式。该充电方式是以150〜400A的大电流对蓄电池进行恒流充电，力求在短时间内充入较大的电量，充电时间应该与燃油车的加油时间接近，因此快速充电也可称为迅速充电，主要应用于大型充电站。如图2-23所示 图2-23快速充电原理 3.蓄电池组快速更换 蓄电池组快速更换，通过直接更换电动汽车的蓄电池组来达到为其充电的目的。蓄电池组快速更换的时间与燃油汽车加油时间相近，需要5～10分钟，快换可以在充电站、换电站完成，电动汽车蓄电池不需现场充电，但是需要电动汽车的车载蓄电池实现标准化，即蓄电池的外形、容量等参数完全统一，同时，还要求电动汽车的构造设计能满足更换蓄电池的方便性、快捷性。由于蓄电池组重量较大，更换蓄电池的专业化要求较强，需配备专业人员借助专业机械来快速完成蓄电池组的更换。换电站的主要设备是蓄电池拆卸、安装设备。如图2-24所示 图2-24蓄电池组快速更换 十、电动汽车充电方式 1.传导式充电方式 传导式充电方式又称接触充电方式，接触充电方式通常采用传统的接触器控制，使用者把充电电源接头（插头）连接到汽车上（插座），即利用金属接触来导电。 接触充电方式的最大优点是：技术成熟、工艺简单和成本低廉。接触充电方式的缺点是：导体裸露在外面不安全，而且会因多次插拔操作，引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能。接触式电的最大问题在于它的安全性和通用性，为了使它满足严格的安全充电标准，必须在电路上采用许多措施使充电设备能够在各种环境下安全充电。如图2-25所示 图2-25传导式充电方式 2.无线充电方式 电动汽车无线充电方式的研究目前主要集中在感应式充电方式，不需要接触即可实现充电。感应充电方式是采用感应耦合方式充电，即充电电源和汽车接受装置之间不采用直接电接触的方式，而是采用由分离的高频变压器组合而成，通过感应耦合，无接触式传输能量。采用感应耦合方式充电，可以有效解决接触式充电的缺点。感应充电的最大优点是安全，因为充电器与车辆之间并无直接的电接触，即使车辆在恶劣的气候下，如雨雪天，充电也无触电的危险。如图2-26所示 图2-26无线充电方式 【三】小结与评价 1.交流充电指通过交流电对带充电系统的新能源汽车的动力蓄电池组充电。 2.直流充电指通过直流电对带充电系统的新能源汽车的动力蓄电池组充电。 3.新能源汽车充电系统能够给电动汽车动力蓄电池及时补充能量，并能根据动力蓄电池电量情况和充电时环境状态，及时调整充电电流。 【四】作业布置 1.简述充电系统基本术语。 2.简述新能源汽车充电系统的作用。 3.简述充电系统的组成。 | 展示一段实车故障案例的视频 出示并分析本次课学习目标 对电动汽车充电系统的发展历史讲解 新能源汽车充电技术概况理论讲解 讲解、分析 讲解、分析 讲解、图片资料例举 引导观看图片、视频资源，并进行讲解 引导观看图片、视频资源，并进行讲解 引导观看图片、视频资源，并进行讲解 引导观看图片、视频资源，并进行讲解 引导观看图片、视频资源，并进行讲解 教师引导总结小结、评价 | 听讲、思考 听讲、思考 听讲、思考 听讲、思考 听讲、思考 听讲、思考 观看案例、思考 听讲、思考 观看、思考 观看、思考 观看、思考 观看、思考 学生评价并小结 | 培养对本节课内容学习兴趣 目标导向 对电动汽车充电系统的发展历史总体认知 理解新能源汽车充电技术概况 了解充电系统基本术语 掌握常用充电方法 直观认识新能源汽车充电系统的作用 了解充电系统的组成 DC/DC变换器的功能与工作原理 DC/DC变换器的类型 了解电动汽车充电模式 了解电动汽车充电方式 巩固本节课内容，分享成果，培养表达能力 | |
教后记 （教学反思） | ||||
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