第二章　纯电动汽车电源系统

纯电动汽车电源系统主要由动力电池、电池管理系统、车载充电机、辅助电源等组成，其功用是向用电装置提供电能、监测动力电池使用情况以及控制充电设备向蓄电池充电。

第一节　动力电池主要性能指标

电动汽车上的动力电池主要是化学电池，即利用化学反应发电的电池，可以分为原电池、蓄电池和燃料电池；物理电池一般作为辅助电源使用，如超级电容器。

动力电池是电动汽车的储能装置，要评定动力电池的实际效应，主要是看其性能指标。动力电池性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、使用寿命等，根据动力电池种类不同，其性能指标也有差异。

1.电压

电池电压主要有端电压、标称（额定）电压、开路电压、工作电压、充电终止电压和放电终止电压等。

（1）端电压　电池的端电压是指电池正极与负极之间的电位差。

（2）标称电压　标称电压也称额定电压，是指电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。铅酸蓄电池的标称电压是2V，金属氢化物镍蓄电池的标称电压为1.2V，磷酸铁锂电池的标称电压为3.2V，锰酸锂离子电池的标称电压为3.7V。

（3）开路电压　电池在开路条件下的端电压称为开路电压，即电池在没有负载情况下的端电压。

（4）工作电压　工作电压也称负载电压，是指电池接通负载后处于放电状态下的端电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。

（5）充电终止电压　蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。铅酸蓄电池的充电终止电压为2.7～2.8V，金属氢化物镍蓄电池的充电终止电压为1.5V，锂离子蓄电池的充电终止电压为4.25V。

（6）放电终止电压　放电终止电压是指电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池再不宜继续放电时，电池的最低工作电压称为放电终止电压。如果电压低于放电终止电压后电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电。这样，极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。放电终止电压和放电率有关，放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，电池的容量越小。金属氢化物镍蓄电池的放电终止电压为1V，锂离子蓄电池的放电终止电压为3.0V。

2.容量

容量是指完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总的电量，单位为A·h或kA·h，它等于放电电流与放电时间的乘积。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定，通常电池体积越大，容量越高。电池的容量可以分为额定容量、n小时率容量、理论容量、实际容量、荷电状态等。

（1）额定容量　额定容量是指在室温下完全充电的蓄电池以I1（A）电流放电，达到终止电压时所放出的容量。

（2）n小时率容量　n小时率容量是指完全充电的蓄电池以n小时率放电电流放电，达到规定终止电压时所释放的电量。

（3）理论容量　理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量的电池所能给出的理论电量，单位为A·h/L或A·h/kg。

（4）实际容量　实际容量也称可用容量，是指蓄电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量。实际容量反映了蓄电池实际存储电量的大小，蓄电池容量越大，电动汽车的续驶里程就越远。在使用过程中，电池的实际容量会逐步衰减。国家标准规定新出厂的电池实际容量大于额定容量值为合格电池。

（5）荷电状态　荷电状态（state of charge, SOC）是指蓄电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值，反映蓄电池容量变化的特性。SOC=1即表示蓄电池为充满状态。随着蓄电池的放电，蓄电池的电荷逐渐减少，此时蓄电池的充电状态可以用SOC值的百分数的相对量来表示电池中电荷的变化状态。一般蓄电池放电高效率区为50％～80％SOC。对蓄电池SOC值的估算已成为电池管理的重要环节。

3.内阻

电池的内阻是指电流流过电池内部时所受到的阻力，一般是蓄电池中电解质、正负极群、隔板等电阻的总和。电池内阻越大，电池自身消耗掉的能量越多，电池的使用效率越低。内阻很大的电池在充电时发热很严重，使电池的温度急剧上升，对电池和充电机的影响都很大。随着电池使用次数的增多，由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低，蓄电池的内阻会有不同程度的升高。电池内阻通过专用仪器测量得到。

绝缘电阻是电池端子与电池箱或车体之间的电阻。

4.能量

电池的能量是指在一定放电制度下，电池所能输出的电能，单位为W·h或kW·h。它影响电动汽车的续驶里程。电池的能量分为总能量、理论能量、实际能量、比能量、能量密度、充电能量、放电能量等。

（1）总能量　总能量是指蓄电池在其寿命周期内电能输出的总和。

（2）理论能量　理论能量是电池的理论容量与额定电压的乘积，指一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量。

（3）实际能量　实际能量是电池实际容量与平均工作电压的乘积，表示在一定条件下电池所能输出的能量。

（4）比能量　比能量也称质量比能量，是指电池单位质量所能输出的电能，单位为W·h/kg。常用比能量来比较不同的电池系统。

比能量有理论比能量和实际比能量之分。理论比能量是指1kg电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量；实际比能量是指1kg电池反应物质所能输出的实际能量。由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。

电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。电池的比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，是评价电动汽车的动力电池是否满足预定的续驶里程的重要指标。

（5）能量密度　能量密度也称体积比能量，是指电池单位体积所能输出的电能，单位为W·h/L。

（6）充电能量　充电能量是指通过充电机输入蓄电池的电能。

（7）放电能量　放电能量是指蓄电池放电时输出的电能。

5.功率

电池的功率是指电池在一定的放电制度下，单位时间内所输出能量的大小，单位为W或kW。电池的功率决定了电动汽车的加速性能和爬坡能力。

（1）比功率　单位质量电池所能输出的功率称为比功率，也称质量比功率，单位为W/kg或kW/kg。

（2）功率密度　从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的输出功率称为功率密度，单位为W/kg或W/L。从蓄电池的单位质量所获取的输出功率称为质量功率密度；从蓄电池的单位体积电池所获取的输出功率称为体积功率密度。

6.输出效率

动力电池作为能量存储器，充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把电能释放出来。在这个可逆的电化学转换过程中，有一定的能量损耗。通常用电池的容量效率和能量效率来表示。

（1）容量效率　容量效率是指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比，即

式中，ηc为电池的容量效率；Co为电池放电时输出的容量，A·h；Ci为电池充电时输入的容量，A·h。

影响电池容量效率的主要因素是副反应。当电池充电时，有一部分电量消耗在水的分解上。此外，自放电以及电极活性物质的脱落、结块、孔率收缩等也降低容量输出。

（2）能量效率　能量效率也称电能效率，是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比，即

式中，ηE为电池的能量效率；Eo为电池放电时输出的能量，W·h；Ei为电池充电时输入的能量，W·h。

影响能量效率的原因是电池存在内阻，它使电池充电电压增加，放电电压下降。内阻的能量损耗以电池发热的形式损耗掉。

7.自放电率

自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度，它表示蓄电池搁置后容量变化的特性。自放电率用单位时间容量降低的百分数表示，其表达式为

式中，ηΔc为电池自放电率；Ca为电池存储前的容量，A·h；Cb为电池存储后的容量，A·h；Tt为电池存储的时间，常以天、月为单位。

8.放电倍率

电池放电电流的大小常用“放电倍率”表示，即电池的放电倍率用放电时间表示或者说以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示，由此可见，放电时间越短，即放电倍率越高，则放电电流越大。

放电倍率等于额定容量与放电电流之比。根据放电倍率的大小，可分为低倍率（<0.5C）、中倍率（0.5～3.5C）、高倍率（3.5～7.0C）、超高倍率（>7.0C）。

例如，某电池的额定容量为20A·h，若用4A电流放电，则放完20A·h的额定容量需用5h，也就是说以5倍率放电，用符号C/5或0.2C表示，为低倍率。

9.使用寿命

使用寿命是指电池在规定条件下的有效寿命期限。电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。

电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。使用周期是指电池可供重复使用的次数，也称循环寿命。

除此之外，成本也是一个重要的指标。目前，电动汽车发展的瓶颈之一就是电池价格高。

第二节　动力电池主要类型

电动汽车用动力电池主要有铅酸蓄电池、金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、锌空气电池、超级电容器等。

一、铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是指正极活性物质使用二氧化铅，负极活性物质使用海绵状铅，并以硫酸溶液为电解液的蓄电池。铅酸蓄电池主要用在低速电动汽车上。

1.铅酸蓄电池的分类

铅酸蓄电池分为免维护铅酸蓄电池和阀控密封式铅酸蓄电池。

（1）免维护铅酸蓄电池　免维护铅酸蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它具有耐振、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通铅酸蓄电池的2倍。市场上的免维护铅酸蓄电池也有两种：第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要添加补充液；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。

（2）阀控密封式铅酸蓄电池　阀控密封式铅酸蓄电池在使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有溢气阀（也叫安全阀），其作用是当电池内部气体量超过一定值，即当电池内部气压升高到一定值时，溢气阀自动打开，排出气体，然后自动关闭，防止空气进入电池内部。

阀控密封式铅酸蓄电池分为玻璃纤维（AGM）和胶体（GEL）电池两种。AGM电池采用吸附式玻璃纤维棉作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，电池内无流动的电解液，电池可以立放工作，也可以卧放工作；GEL电池以二氧化硅（SiO2）作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。无特殊说明，皆指AGM电池。

电动汽车使用的动力电池一般是阀控密封式铅酸蓄电池。

2.铅酸蓄电池的结构

铅酸蓄电池的基本结构如图1-21所示。它由正负极板、隔板、电解液、溢气阀、外壳等部分组成。极板是铅酸蓄电池的核心部件，正极板上的活性物质是二氧化铅，负极板上的活性物质为海绵状纯铅；隔板是隔离正、负极板，防止短路，作为电解液的载体，能够吸收大量的电解液，起到促进离子良好扩散的作用；电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配制而成，主要作用是参与电化学反应，是铅酸蓄电池的活性物质之一；溢气阀位于蓄电池顶部，起到安全、密封、防爆等作用。

3.铅酸蓄电池的工作原理

使用铅酸蓄电池时，把化学能转换为电能的过程叫放电。在使用后，借助于直流电在电池内进行化学反应，把电能转变为化学能而储蓄起来，这种蓄电过程叫作充电。铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为

PbO+H2SO4→PbSO4+H2O

充电时，把铅板分别和直流电源的正、负极相连，进行充电电解，阴极的还原反应为

阳极的氧化反应为

充电时的总反应为

2PbSO4+2H2O→Pb+PbO2+2H2SO4

随着电流的通过，PbSO4在阴极上变成蓬松的金属铅，在阳极上变成黑褐色的二氧化铅，溶液中有H2SO4生成，如图1-22所示。

放电时蓄电池阴极的氧化反应为

Pb→Pb2++2e-

由于硫酸的存在，Pb2+立即生成难溶解的PbSO4。

阳极的还原反应为

PbO2+4H++2e-→Pb2++2H2O

同样，由于硫酸的存在，Pb2+也立即生成PbSO4。

放电时总的反应为

Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O

蓄电池充电的时候，随着电池端电压的升高，水开始被电解，当单体电池电压达到约2.39V时，水的电解不可忽视。水电解时阳极和阴极的化学反应式分别为

2H++2e-→H2

阳极给出电子，阴极得到电子，从而形成了回路电流。端电压越高，电解水也越激烈，此时充入的大部分电荷参加水电解，形成的活性物质很少。

4.对铅酸蓄电池的要求

电动汽车对铅酸蓄电池有以下要求。

（1）外观　用目测法检测蓄电池外观时，外壳不得有变形及裂纹，表面干燥、无酸液，且标志清晰、正确。

（2）极性　用电压表检查蓄电池极性时，电池极性应与标志的极性符号一致。

（3）外形尺寸及质量　蓄电池外形尺寸、质量应符合相关标准。

（4）端子　端子的位置以及端子的外观、结构等具体要求由用户与厂家协商决定。

（5）3h率额定容量　蓄电池按规定试验时，第一次容量应不低于额定值的90％；蓄电池应在第10次容量试验或之前达到额定值，且最终放电容量不应高于企业提供额定值的110％。

（6）大电流放电　完全充电的蓄电池在温度为20℃±5℃的环境中静止5h，然后以3I3（A）的电流恒电流放电到单体蓄电池电压为1.5V终止，放电时间应不少于40min；完全充电的蓄电池在温度为20℃±5℃的环境中静止5h，然后以9I3（A）的电流恒电流放电3min，单体蓄电池电压应不低于1.4V。

（7）快速充电能力　蓄电池按规定方法放电时，充电容量应不小于额定值的70％。

（8）-20℃低温放电　完全充电的蓄电池在温度为-20℃±2℃环境中搁置20h，并在该环境中以6I3（A）的电流连续放电至单体蓄电池电压为1.4V，放电时间应不少于5min；完全充电的蓄电池在温度为-20℃±2℃环境中搁置20h，并在该环境中以I3（A）的电流连续放电至单体蓄电池电压为1.4V，容量应不低于额定值的55％。

（9）安全性　蓄电池按规定方法完全充电后，以0.7I3（A）的电流连续充电5h，然后目视检查蓄电池外观，外壳不得出现漏液、破裂等异常现象。

（10）密封反应效率　对于阀控密封式铅酸蓄电池，按规定方法试验时，其密封反应效率应不低于90％。

（11）水损耗　对于免维护铅酸蓄电池，按规定方法试验时，按额定容量计算，其水损耗应不大于3g/（A·h）。

（12）荷电保持能力　蓄电池按规定方法试验时，其常温容量应不低于储存前容量的85％；高温容量应不低于储存前容量的70％。

（13）循环耐久能力　蓄电池按规定方法试验时，当蓄电池容量降至额定值的80％时，循环次数应不少于400次。

（14）耐振动性能　蓄电池按规定方法进行试验，试验期间，蓄电池放电电压应无异常；试验后，检查蓄电池应机械损伤，无电解液渗漏。

具体试验方法参照QC/T 742—2006《电动汽车用铅酸蓄电池》。

二、金属氢化物镍蓄电池

金属氢化物镍蓄电池也称镍氢蓄电池，是指正极使用镍氧化物、负极使用可吸收释放氢的储氢合金、以氢氧化钾为电解质的蓄电池。金属氢化物镍蓄电池在混合动力电动汽车上应用较多。

电动汽车用金属氢化物镍蓄电池可分为方形和圆柱形两种。

1.金属氢化物镍蓄电池的结构

圆柱形金属氢化物镍蓄电池结构如图1-23所示，主要由正极、负极、分离层、外壳、电解液等组成。金属氢化物镍蓄电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，分离层是隔膜纸，用氢氧化钾作为电解质，在正、负极之间有分离层，共同组成金属氢化物镍单体电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。在圆柱形电池中，正、负极用隔膜纸分开卷绕在一起，然后密封在金属外壳中。在方形电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在外壳中。

电动汽车用金属氢化物镍蓄电池的基本单元是单体电池，按使用要求组合成不同电压和不同电荷量的金属氢化物镍蓄电池总成，如图1-24所示。

2.金属氢化物镍蓄电池的工作原理

金属氢化物镍蓄电池是将物质的化学反应产生的能量直接转化成电能的一种装置。金属氢化物镍蓄电池的性能特点主要取决于本身体系的电极反应。

充电时正、负极的电化学反应为

Ni（OH）2-e-+OH-→NiOOH+H2O

2MH+2e-→2M-+H2

放电时正、负极的电化学反应为

NiOOH+H2O+e-→Ni（OH）2+OH-

2M-+H2→2MH+2e-

3.金属氢化物镍蓄电池的规格和外形尺寸

金属氢化物镍蓄电池结构示意图如图1-25所示。

金属氢化物镍蓄电池最大外形尺寸见表1-6。

注：1.表中所列尺寸是优选值，不绝对限值电池容量。

2.表中所列尺寸是最大值，外形尺寸小于等于60mm时，负公差是0～-2mm；外形尺寸大于60mm、小于等于120mm时，负公差是0～-3mm；外形尺寸大于120mm时，负公差是0～-4mm。

3.表中所列高度值是包含端子或泄气阀的两个高度值中的较大者。

4.金属氢化物镍蓄电池的要求

金属氢化物镍蓄电池的要求分为单体蓄电池的要求和蓄电池模块的要求。单体蓄电池是构成蓄电池的最小单元，一般由正极、负极及电解质等组成，其标称电压为电化学偶的标称电压；蓄电池模块是指一组相连的单体蓄电池的组合。

对金属氢化物镍单体蓄电池具有以下要求。

（1）外观　在良好的光线条件下，用目测法检查单体蓄电池的外观，外壳不得有变形及裂纹，表面平整、干燥、无碱痕、无污物，且标志清晰。

（2）极性　用电压表检查蓄电池的极性时，电池极性应与标志的极性符号一致。

（3）外形尺寸及质量　单体蓄电池的外形尺寸及质量应符合生产企业提供的技术条件。

（4）室温放电容量　单体蓄电池按规定方法进行试验时，其放电容量应不低于额定容量，并且不超过额定容量的110％，同时所有测试对象初始容量极差不大于初始容量平均值的5％。

对金属氢化物镍蓄电池模块具有以下要求。

（1）外观　在良好的光线条件下，用目测法检查蓄电池模块的外观，外观不得有变形及裂纹，表面平整干燥、无外伤，且排列整齐、连接可靠、标志清晰等。

（2）极性　用电压表检查蓄电池模块的极性时，蓄电池极性应与标志的极性符号一致。

（3）外形尺寸及质量　蓄电池模块的外形尺寸及质量应符合生产企业提供的技术条件。

（4）室温放电容量　蓄电池模块按规定方法进行试验时，其放电容量应不低于额定值，并且不超过额定容量的110％，同时所有测试对象初始容量极差不大于初始容量平均值的7％。

（5）室温倍率放电容量　按照厂家提供电池类型分别进行试验，高能量蓄电池模块按规定方法进行试验时，其放电容量应不低于初始容量的90％；高功率蓄电池模块按规定方法进行试验时，其放电容量应不低于初始容量的80％。

（6）室温倍率充电性能　蓄电池模块按规定方法试验时，其放电容量应不低于初始容量的80％。

（7）低温放电容量　蓄电池模块按规定方法试验时，其放电容量应不低于初始容量的80％。

（8）高温放电容量　蓄电池模块按规定方法试验时，其放电容量应不低于初始容量的90％。

（9）荷电保持与容量恢复能力　蓄电池模块按规定方法试验时，其室温荷电保持率应不低于初始容量的85％，高温荷电保持率应不低于初始容量的70％，容量恢复应不低于初始容量的95％。

（10）耐振动性　蓄电池模块按规定方法进行耐振动性试验时，不允许出现放电电流锐变、电压异常、蓄电池壳变形、电解液溢出等现象，并保持连接可靠、结构完好。

（11）储存　蓄电池模块按规定方法试验时，容量恢复应不低于初始容量的90％。

（12）安全性　蓄电池模块按规定方法进行短路、过放电、过充电、加热、针刺、挤压等试验时，应不爆震、不起火、不漏液。

具体试验方法参照GB/T 31486—2015《电动汽车动力蓄电池电性能要求及试验方法》和GB/T 31485—2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》。

三、锂离子蓄电池

锂离子蓄电池是用锰酸锂、磷酸锂或钴酸锂等锂的化合物作正极，用可嵌入锂离子的碳材料作负极，使用有机电解质的蓄电池。目前纯电动汽车上应用的储能装置主要是锂离子蓄电池。

1.锂离子蓄电池的分类

按照锂离子蓄电池的外形，可以分为方形锂离子蓄电池和圆形锂离子蓄电池，如图1-26所示。

按照锂离子蓄电池正极的材料不同，汽车用锂离子蓄电池主要分为锰酸锂离子蓄电池、磷酸铁锂离子蓄电池、钴酸锂离子蓄电池、镍钴锰锂离子蓄电池等。

（1）锰酸锂离子蓄电池　锰酸锂离子蓄电池是指正极使用锰酸锂材料的电池，其标称电压达到3.7V，以成本低、安全性好被广泛使用。锰酸锂（LiMn2O4）具有尖晶石结构，其理论容量为148mA·h/g，实际容量为90～120mA·h/g，工作电压范围为3～4V。主要优 点是锰资源丰富、价格便宜、安全性高、比较容易制备。缺点是理论容量不高；材料在电解质中会缓慢溶解，即与电解质的相容性不太好；在深度充放电的过程中，材料容易发生晶格畸变，造成电池容量迅速衰减，特别是在较高温度下使用时更是如此。

（2）磷酸铁锂离子蓄电池　磷酸铁锂离子蓄电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子蓄电池。磷酸铁锂（LiFePO4）具有橄榄石晶体结构，其理论容量为170mA·h/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110mA·h/g。通过对磷酸铁锂进行表面修饰，其实际容量可高达165mA·h/g，已经非常接近理论容量，工作电压为3.4V左右。磷酸铁锂具有高稳定性、更安全可靠、更环保并且价格低廉的特性。磷酸铁锂正极材料被认为是最有发展前途的动力电池正极材料。其缺点是电阻率较大，电极材料利用率低。

目前，正极材料广泛采用碳复合磷酸铁锂。碳复合磷酸铁锂正极材料按照充放电特性和使用要求分为能量型和功率型。

（3）钴酸锂离子蓄电池　钴酸锂离子蓄电池是指用钴酸锂作为正极材料的锂离子蓄电池。钴酸锂离子蓄电池电化学性能优越，易加工，性能稳定，一致性好，比容量高，综合性能突出；但是安全性较差，而且成本高。

（4）镍钴锰锂离子蓄电池　镍钴锰锂离子蓄电池是指用镍钴锰三元材料作为正极的锂离子蓄电池。镍钴锰锂离子蓄电池能量密度大，功率密度高，循环寿命长，易加工，且安全性较好。

几种正极材料的比较见表1-7。

2.锂离子蓄电池的结构

锂离子蓄电池主要由正极、负极、隔膜板、电解液和安全阀等组成。圆形锂离子蓄电池的基本结构如图1-27所示。

（1）正极　正极物质由含锂的过渡金属氧化物组成，在锰酸锂离子蓄电池中以锰酸锂为主要原料，在磷酸铁锂离子蓄电池中以磷酸铁锂为主要原料，在镍钴锂离子蓄电池中以镍钴锂为主要材料，在镍钴锰锂离子蓄电池中以镍钴锰锂为主要材料。在正极活性物质中再加入导电剂、树脂黏合剂，并涂覆在铝基体上，呈细薄层分布。

（2）负极　负极活性物质是由碳材料与黏合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基上，呈薄层状分布。

（3）隔膜板　隔膜板的功能是关闭或阻断通道，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。所谓关闭或阻断功能是指电池出现异常温度上升时，阻塞或阻断作为离子通道的细孔，使蓄电池停止充放电反应。隔膜板可以有效防止因外部短路等引起的过大电流而使电池产生异常发热现象。这种现象即使产生一次，电池也不能正常使用。

（4）电解液　电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液。为了使主要电解质成分的锂盐溶解，必须具有高电容率，并且具有与锂离子相容性好的溶剂，即不阻碍离子移动的低黏度的有机溶液为宜，而且在锂离子蓄电池的工作温度范围内，必须呈液体状态，凝固点低，沸点高。电解液对于活性物质具有化学稳定性，必须良好适应充放电反应过程中发生的剧烈的氧化还原反应。又由于使用单一溶剂很难满足上述严酷条件，因此电解液一般混合不同性质的几种溶剂使用。

（5）安全阀　为了保证锂离子蓄电池的使用安全性，一般通过对外部电路的控制或者在蓄电池内部设有异常电流切断的安全装置。即使这样，在使用过程中也有可能其他原因引起蓄电池内压异常上升，这样，安全阀释放气体，以防止蓄电池破裂。安全阀实际上是一次性非修复式的破裂膜，一旦进入工作状态，便保护蓄电池使其停止工作，因此是蓄电池的最后保护手段。

3.锂离子蓄电池的工作原理

锂离子蓄电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如锂化合物LiCoO2、LiNiO2或尖晶石结构的LiMn2O4，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上；负极材料一般采用锂碳层间化合物LixC6；电解液一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。

如图1-28所示为锂离子蓄电池的工作原理，充电时，锂离子在正极脱嵌，通过电解质进入负极，同时由于隔膜的作用，电子只能通过外电路从正极流向负极，形成充电电流，保持正、负极电荷平衡。同理，放电时锂离子在负极脱嵌，流向正极，电子在外电路形成放电电流。

锂离子蓄电池的正、负极的电化学反应为

总反应为

式中，M表示Co、Ni、Fe、W等。

例如，以LiCoO2为正极材料、石墨为负极材料的锂离子蓄电池，正、负极的电化学反应为

总反应为

电池反应过程中既没有消耗电解液，也不产生气体，只是锂离子在正负极间移动，所以锂离子蓄电池的结构可以做成完全封闭的。此外，正常条件下，电池充放电过程中没有其他副反应，所以锂离子蓄电池充电效率很高，甚至达到100％。

4.锂离子蓄电池的规格和外形尺寸

锂离子蓄电池单体结构示意图如图1-29所示。

锂离子蓄电池最大外形尺寸见表1-8。

注：1.表中所列尺寸是优选值，不绝对限值电池容量。

2.表中所列尺寸是最大值，外形尺寸小于等于60mm时，负公差是0～-2mm；外形尺寸大于60mm、小于等于120mm时，负公差是0～-3mm；外形尺寸大于120mm时，负公差是0～-4mm。

3.表中所列高度值是包含端子或泄气阀的两个高度值中的较大者。

5.锂离子蓄电池的要求

锂离子蓄电池的要求分为单体蓄电池的要求、蓄电池模块的要求以及蓄电池总成的要求。其中对锂离子单体蓄电池的要求和对金属氢化物镍单体蓄电池的要求是一样的；对锂离子蓄电池模块的要求与对金属氢化物蓄电池模块的要求相比，只有低温放电容量、荷电保持与容量恢复能力不同，其他是一样的。

锂离子蓄电池模块低温放电容量要求是，锂离子蓄电池模块按规定方法进行试验时，其放电容量应不低于初始容量的70％；锂离子蓄电池模块荷电保持与容量恢复能力要求是，锂离子蓄电池模块按规定方法进行试验时，其室温及高温荷电保持率应不低于初始容量的85％，容量恢复应不低于初始容量的90％。

锂离子蓄电池总成是指由一个或若干个锂离子蓄电池模块、电路设备（保护电路、锂离子蓄电池管理系统、电路和通信接口）等组成的，用来为用电装置提供电能的电源系统。对锂离子蓄电池总成主要有以下技术要求。

（1）锂离子蓄电池的一致性　锂离子蓄电池的一致性是指组成锂离子蓄电池模块和总成的单体蓄电池性能的一致性特性。这些性能主要包括实际电能、阻抗、电极的电气特性、电气连接、温度特性差异、衰变速度等多种复杂因素。这些因素的差异，将直接影响运行过程中输出电参数的差异。组成锂离子蓄电池模块和总成的蓄电池的一致性特性应在规定的负荷条件和荷电状态下进行试验。锂离子蓄电池的一致性特性分为充电状态一致性特性和放电状态一致性特性。若没有具体规定，应以放电状态测试的一致性特性为锂离子蓄电池模块或总成的一致性特性。

锂离子蓄电池的一致性划分为5个等级，见表1-9。一致性指数超过5级的为不合格产品。

（2）正极和负极输出连接　组成锂离子蓄电池总成的锂离子蓄电池模块正极和负极连接可采用螺栓连接方式或可插拔连接器连接方式。正极和负极连接处应有清晰的极性标志。正极采用红色标志和红色电缆，负极采用黑色标志和黑色电缆。

（3）接口和协议　组成锂离子蓄电池总成的蓄电池管理系统的接口和协议包括电路接口和接口协议、通信接口和通信协议。其中电路接口和接口协议包括充电控制导引接口和接口协议、单体蓄电池电压监测电路接口和接口协议、充放电控制电路接口和接口协议、I/O充放电接口电路和接口协议；通信接口和通信协议包括内部通信接口和通信协议、充放电通信接口和通信协议、用户通信接口和通信协议。蓄电池总成接口和通信协议应符合JB/T 11138—2011《锂离子蓄电池总成接口和通信协议》的规定。

（4）额定电能　当采用标称电压相同的锂离子蓄电池模块组成锂离子蓄电池总成时，蓄电池总成的额定电能值等于组成动力锂电池总成中电能最小的蓄电池模块的电能与模块数量的乘积。当采用不同标称电压的蓄电池模块组成蓄电池总成时，蓄电池总成的额定电能等于由蓄电池模块的额定电能除以蓄电池模块标称电压最小值与蓄电池总成标称电压的乘积。

（5）电源功率消耗　特指组成锂离子蓄电池总成的蓄电池管理系统电路消耗的峰值功率，应符合制造厂商提供的产品技术文件的规定。

（6）标称电压　采用锂离子蓄电池模块组成的锂离子蓄电池总成的标称电压见表1-10。

注：锰酸锂动力电池模块没有12V系列的锂离子蓄电池模块。

（7）使用寿命　锂离子蓄电池总成的使用寿命分为标准循环使用寿命和工况循环使用寿命。磷酸亚铁锂蓄电池标准循环使用寿命大于或等于1200次；锰酸锂蓄电池标准循环使用寿命应大于或等于800次。电动汽车用锂离子蓄电池总成的工况循环使用寿命可采用行驶里程数来表示。

四、锌空气电池

锌空气电池是以空气中的氧作为正极活性物质的一种高效环保型电池，理论上锌空气电池的质量比能量为340W·h/kg，体积比能量为1050W·h/L，这是现在所有化学电源中最高的，实际比能量也是最高的，锌空气电池放电电压平稳，放电持续时间长，无环境污染，成本低，原材料易得，制作工艺简单，被誉为面向21世纪的环保型新能源，在电动公交车上有应用。

1.锌空气电池的结构

锌空气电池的基本结构如图1-30所示，主要由阳极、阴极、隔离层、绝缘和密封层、电解液和外壳等组成。阳极是起催化作用的炭从空气中吸收氧；阴极是锌粉和电解液的混合物，呈糊状；隔离层用于隔离两极间固体粉粒的移动；绝缘和密封层是尼龙材料；电解液是高浓度的氢氧化钾水溶液；外壳是镍金属，具有良好的防腐性的导体。

2.锌空气电池的工作原理

锌空气电池是以空气中的氧气为正极活性物质，金属锌为负极活性物质的一种新型化学电源。锌空气电池是一种半蓄电池半燃料电池。首先，负极活性物质同锌锰、铅酸等蓄电池一样封装在电池内部，具有蓄电池的特点；其次，正极活性物质来自电池外部的空气中所含的氧，理论上有无限容量，是燃料电池的典型特征。

锌空气电池放电时阳极和阴极发生的电化学反应为

Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-

O2+2H2O+4e-→4OH-

总的电化学反应为

2Zn+O2→2ZnO

由于锌空气电池要在接触空气后才开始产生电能，一个新的锌空气电池，只要不撕掉它的密封胶带，它就不会开始工作，因此，锌空气电池保存时间很长。

如图1-31所示为锌空气电池纯电动公交车。

五、超级电容器

超级电容器是一种具有超级储电能力、可提供强大脉冲功率的物理二次电源。它是介于蓄电池和传统静电电容器之间的一种新型储能装置。超级电容器主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第准电容来实现电荷和能量的储存的。超级电容器又称双电层电容器、黄金电容器、法拉第电容器，它是一种电化学元件，在电极与电解液接触面间具有极高的比电容和非常大的接触表面积，但其储能的过程并不发生化学反应，并且这种储能过程是可逆的，因此超级电容器可反复充放电数十万次。超级电容可以作为城市公交的储能装置，也可以作为电动汽车的辅助储能装置。

1.超级电容器的分类

超级电容器可以按不同的方式进行分类。

（1）按照储能原理分类　因电荷分离而产生的双电层电容器，欠电位沉积或吸附电容而产生的法拉第准电容器，还有双电层与准电容混合型电容器。

（2）按照结构形式分类　两电极组成相同且电极反应相同，但反应方向相反，称为对称型；两电极组成不同或反应不同，称为非对称型。

（3）按照电极材料分类　以活性炭粉末、活性炭纤维、炭气凝胶、纳米炭管、网络结构活性炭为电极材料的超级电容；以贵金属二氧化钌、氧化镍、二氧化锰为电极材料的超级电容；以聚吡咯、聚苯胺、聚对苯等聚合有机物为电极的超级电容。

（4）按照电解液不同分类　水溶液体系超级电容器，这种电容器电导率高、成本低、分解电压低（1.2V）；有机体系超级电容器，这种电容器电导率低、成本高、分解电压高（3.5V）；固体物电解质超级电容器，这种电容器可靠性高、电导率低、无泄漏、高比能量、薄型化。

（5）按形状分类　超级电容器有圆形和方形之分，如图1-32所示。

2.超级电容器的结构原理

超级电容器的结构原理如图1-33所示，主要由电极、电解液、隔膜、壳体等组成。超级电容器使用的电极材料多为活性炭材料，同时在相对的活性炭电极之间填充电解质溶液，当两个电极接上电压后，相对的多孔电极上聚集极性相反的电子，根据双电层理论，电解液中靠近两个电极的离子，由于电场作用聚集到两个电极附近，这些离子分别与极板所带电子极性相反，从而形成双电层电容。多孔活性炭的比面积非常高，高达1000～3000m2/g，于是电容器获得了很大的极板面积，又因为电解质与多孔电极之间的界面距离很小，仅为几个电解质分子，达纳米级，从而使电容器获得了极小的极间距离，可得到超大容量的电容器，可以储存很大的静电能量。

超级电容器中的能量以电子的形式储存在电解液界面的双电层内部和电极表面，充电时，电子从正极传到负极，同时，电解液中的正负离子分开，分别向负极、正极移动到电解液表面；放电时，电子通过负载经过负极传到正极，正负离子则从电极表面释放而返回到电解液中。因此，超级电容器的充放电过程是物理过程，不涉及化学反应，性能稳定，具有高度的循环使用能力。超级电容器中电解液的分解电压决定了超级电容器的最大工作电压。当两电极间的电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器工作在正常状态；当电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液分解，超级电容器为非正常状态，从而决定了超级电容器的额定电压很低，通常在3V以下。

如图1-34所示是超级电容城市客车，车辆进站后，利用乘客上下车的时间，车顶的充电设备会自动升起，搭到充电站的电缆上充电，补充能源。

第三节　动力蓄电池循环寿命测试

蓄电池循环寿命是衡量蓄电池性能的一个重要参数。在一定的充放电制度下，蓄电池容量降至某一规定值之前，蓄电池所能承受的循环次数，称为蓄电池的循环寿命。影响蓄电池循环寿命的因素有电极材料、电解液、隔膜、制造工艺、充放电制度、环境温度等，在进行循环寿命测试时，要严格控制测试条件。

动力蓄电池循环寿命主要分为标准循环寿命和工况循环寿命。标准循环寿命是指测试样品按规定办法进行标准循环寿命测试时，循环次数达到500次时放电容量应不低于初始容量的90％，或者循环次数达到1000次时放电容量应不低于初始容量的80％。工况循环寿命根据电动汽车类型的不同而不同。

一、动力蓄电池充电方法

室温下，按照企业规定的充电方法进行充电；若企业未提供充电方法，则依据以下方法充电。对于锂离子蓄电池，以I1（A）电流恒流充电至企业规定的充电终止电压时转恒压充电，至充电终止电流降至0.05I1（A）时停止充电，充电后搁置1h；对于金属氢化物镍蓄电池，以I1（A）电流恒流充电1h，再以0.2I1（A）充电1h，充电后静置1h。

二、动力蓄电池容量和能量测试方法

①以I1（A）电流放电至企业规定的放电终止条件。

②搁置不低于30min或企业规定的搁置时间。

③按充电方法进行充电。

④搁置不低于30min或企业规定的搁置时间。

⑤以I1（A）电流放电至企业规定的放电终止条件。

⑥计算步骤⑤放电容量（以A·h计）和放电能量（以W·h计）。

三、动力蓄电池标准循环寿命

按照以下步骤测试标准循环寿命。

①以I1（A）电流放电至企业规定的放电终止电压。

②搁置不低于30min或企业规定的搁置条件。

③按充电方法对蓄电池进行充电。

④搁置不低于30min或企业规定的搁置条件。

⑤以I1（A）电流放电至企业规定的放电终止条件，记录放电电量。

⑥按照②～⑤连续循环500次，若放电容量高于初始容量的90％，则终止试验；若放电容量低于初始容量的90％，则继续循环500次。

⑦计量室温放电容量和放电能量。

四、动力蓄电池工况循环寿命

纯电动汽车分为纯电动乘用车和纯电动商用车。

1.纯电动乘用车用能量型蓄电池

纯电动乘用车用能量型蓄电池循环测试由两部分组成，充电部分按充电方法进行，放电部分按照表1-11的主放电工况进行，纯电动乘用车能量型蓄电池大循环SOC波动示意图如图1-35所示。

按照以下步骤进行测试。

①按充电方法进行充电。

②搁置30min。

③运行主放电工况直到20％SOC或者企业规定的最低SOC值，或企业规定的放电终止条件。

④搁置30min。

⑤重复步骤①～④共xh（x约为20且循环次数为图1-35所示大循环的整数倍）。

⑥搁置2h。

⑦重复步骤①～⑦共6次。

⑧按照容量和能量测试方法测试容量和能量。

⑨计算总放电能量与电池初始能量的比值。

⑩重复步骤①～⑨，直至总放电能量与电池初始能量的比值达500。

2.纯电动商用车用能量型蓄电池

纯电动商用车用能量型蓄电池循环测试由两部分组成，充电部分按照充电方法进行，放电部分按照表1-12的主放电工况进行，纯电动商用车能量型蓄电池大循环SOC波动示意图如图1-36所示。

按照以下步骤进行测试。

①按照充电方法进行充电。

②搁置30min。

③运行主放电工况直到20％SOC或者企业规定的最低SOC值，或企业规定的放电终止条件。

④搁置30min。

⑤重复步骤①～④共xh（x约为20且循环次数为图1-36所示大循环的整数倍）。

⑥搁置2h。

⑦重复步骤①～⑦共6次。

⑧按照容量和能量测试方法测试容量和能量。

⑨计算总放电能量与电池初始能量的比值。

⑩重复步骤①～⑨，直至总放电能量与电池初始能量的比值达500。

第四节　电池管理系统

电池管理系统（battery management system, BMS）是由电池电子部件和电池控制单元组成的电子装置，可以控制电池输入和输出功率，监视电池的状态（温度、电压、荷电状态），为电池提供通信接口的系统。

一、电池管理系统的功能

电池管理系统主要是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。电动汽车电池管理系统主要用于对电动汽车的动力电池参数进行实时监控、故障诊断、SOC值估算、续驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警、充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与整车控制器或充电机进行信息交互，保障电动汽车高效、可靠、安全运行，并保证在车辆使用过程中的安全。

1.典型电池管理系统具备的功能

典型的电池管理系统应具备以下功能。

（1）实时采集电池系统运行状态参数　实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流以及电池组总电压等。由于电池组中的每块电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电池的电压、电流和温度数据都要进行监测。

（2）确定电池的SOC值　准确估计动力电池组的SOC值，从而随时预报电动汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的SOC值，使电池的SOC值控制在30％～70％的工作范围。

（3）故障诊断与报警　当蓄电池组电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止蓄电池过放电而损害电池的使用寿命；当蓄电池组的温度过高，非正常工作时，及时报警，以保证蓄电池正常工作。

（4）电池组的热平衡管理　电池热管理系统是电池管理系统的有机组成部分，其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置使电池温度处于正常工作温度范围内。

（5）一致性补偿　当电池之间有差异时，有一定措施进行补偿，保证电池组表现能力更强，并有一定的手段来显示性能不良的电池位置，以便修理替换。一般采用充电补偿功能。设计有旁路分流电路，以保证每个单体都可以充满电，这样可以减缓电池老化的进度，延长电池的使用寿命。

（6）通过总线实现各检测模块和中央处理单元的通信　在电动汽车上实现电池管理的难点和关键在于如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即准确估计电动汽车蓄电池的SOC值。

2.实例

如图1-37所示为某电动汽车动力电池管理系统所具备的基本功能框图。

（1）电池状态监测　电池状态监测一般是对电池电压、电流及温度的监测，其中温度包括电池温度、电池箱的温度和环境温度。电池状态监测是电池管理系统最基本的功能，它是其他各项功能的前提与基础。

（2）电池状态分析　电池状态分析包括电池的剩余电量评估和电池的老化程度评估。剩余电量评估是动力电池管理系统中最重要的功能之一，系统中的许多其他功能都依赖于剩余电量评估的结果。剩余电量常用荷电状态（SOC）来表示，SOC是指电池中剩余电荷的可用状态，一般用百分比来表示，即电池中剩余的电荷容量与电池的标称电荷容量之比。电池的老化程度也常用一个百分比来反映，也就是说，如果一个电池在“新”的时候的最大容量为1，那么经过多次循环以后，电池所能装载的最大容量相对于“新”的时候的百分比。

（3）电池安全保护　电池安全保护是电动汽车电池管理系统首要的、最重要的功能，过流保护、过充过放保护、过温保护是最为常见的电池安全保护的内容。过流保护指的是在充、放电过程中，如果工作电流超过了安全值，则应该采取相应的安全保护措施。过充保护是指在电池的荷电状态为100％的情况下，为了防止继续对电池充电造成的电池损坏，而采取切断电池的充电回路的保护措施。另外，在电池的荷电状态为0的情况下，若继续对电池进行放电，也会对电池造成损坏，此时应采取措施，切断电池的放电回路，这就是过放保护。过温保护是当温度超过一定限值的时候对动力电池采取保护性的措施，过温保护需要考虑环境温度、电池组的温度以及每个单体电池本身的温度。

（4）能量管理控制　能量管理控制包括电池的充电控制管理、电池的放电控制管理和电池的均衡控制管理。电池的充电控制管理是指电池管理系统在电池充电过程中对充电电压、充电电流等参数进行实时的优化控制，优化的目标包括充电时长、充电效率以及充电的饱满程度等。电池的放电控制管理是指在电池的放电过程中根据电池的状态对放电电流大小进行控制。电池的均衡控制管理是指采取一定的措施，尽可能降低电池不一致的负面影响，以达到优化电池组整体放电效能，延长电池组整体寿命的效果。

（5）电池信息管理　电池信息管理包括电池的信息显示、系统内外信息的交互和电池历史信息储存。电池管理系统通常通过仪表把电池状态信息显示出来，告知驾驶员。需要显示的信息通常包括实时电压、电流、温度信息，电池剩余电量信息和告警信息。先进的电动汽车控制，离不开车载信息通信网络。对于电池管理系统，往往同时具有内网和外网两级网络，其中内网用于传递电池管理系统的内部信息，外网用于电池管理系统与整车控制器、电机控制器等其他部件交互信息。历史信息储存并非电池管理系统所必需的功能，但在先进的动力电池管理系统中往往考虑这项功能。历史信息储存可以提高分析估算的精度，有助于电池状态分析，有助于故障分析和排除。

二、电池管理系统的组成

电动汽车电池管理系统的功能和形式主要是根据实际情况确定，受电池类型、电动汽车类型、成本等多种因素影响。

电池管理系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统设计取决于管理系统实现的功能。基本要实现对动力电池组的合理管理，即保证采集数据的准确性、可靠稳定的系统通信、抗干扰性。在具体实现过程中，根据设计要求确定需要采集动力电池组的数据类型；根据采集量以及精度要求确定前向通道的设计；根据通信数据量以及整车的要求选用合理的总线。

电池管理系统的基本组成如图1-38所示，它主要由检测模块、均衡电源模块和控制模块三部分组成。检测模块能够对电池组中各单体电池的电压、电流、温度等关键状态参数进行准确、实时的检测，并通过SPI上报给控制模块；均衡电源模块能够平衡单体电池间的电压差异，解决电池组“短板效应”；控制模块能够根据既定策略完成控制功能，实现SOC估计，同时将电池状态数据通过CAN总线发送给整车其他电子单元。

电池的SOC值是经过对电流的积分得到的，电流信号检测的精度直接影响系统的SOC值的准确度，因此要求电流转换隔离放大单元在较大范围内有较高的精度，较快的响应速度，较强的抗干扰能力，较好的零飘、温飘抑制能力和较高的线性度。

电池的温度是判断电池能否正常使用的关键性参数，如果电池的温度超过一定值，有可能造成电池的不可恢复性破坏。电池组之间的温度差异造成电池组的单体之间的不均衡，从而会造成电池寿命的降低。

电压是判断电池组好坏的重要依据，系统要求能得到电池组在同一时刻的电压值的变化和各电池组的值，通过算法来找出问题电池组，因此电压的采样精度要求比较高。

电动汽车中电机等强电磁干扰源的存在对系统的抗干扰性要求较高，所以要求系统从硬件设计、印制电路板的制作和软件程序方面提高系统的抗干扰性。

三、电池管理系统的要求

电池管理系统的要求分为一般要求和技术要求。

1.一般要求

①电池管理系统应能检测电池电和热相关的数据，至少应包括电池单体或者电池模块的电压、电池组回路电流和电池包内部温度等参数。

②电池管理系统应能对动力电池的荷电状态、最大充放电电流（或者功率）等状态参数进行实时估算。

③电池管理系统应能对电池系统进行故障诊断，并可以根据具体故障内容进行相应的故障处理，如故障码上报、实时警示和故障保护等。

④电池管理系统应有与车辆的其他控制器基于总线通信方式的信息交互功能。

⑤电池管理系统应用在具有可外接充电功能的电动汽车上时，应能通过与车载充电机或者非车载充电机的实时通信或者其他信号交互方式实现对充电过程的控制和管理。

2.技术要求

（1）绝缘电阻　电池管理系统与动力电池相连的带电部件及其壳体之间的绝缘电阻值应不小于2MΩ。

（2）绝缘耐压性能　电池管理系统应能经受规定要求的绝缘耐压性能试验，在试验过程中应无击穿或闪络等破坏性放电现象。

（3）状态参数测量精度　电池管理系统所检测状态参数的测量精度要求见表1-13。

注：应用在具有可外接充电功能的电动汽车上时，电流值精度同时应满足小于或等于±1.0A（当电流值小于30A时）。

（4）SOC值估算精度　SOC值估算精度要求不大于10％。按照规定方法进行试验后，分别比较在不同SOC值范围内电池管理系统上报的SOC值与SOC测试真值的偏差。

（5）电池故障诊断　电池管理系统对于电池系统进行故障诊断的基本项目和可扩展项目分别见表1-14和表1-15。表1-14中所列的故障诊断项目是基本要求。根据整车功能设计和电池系统的具体需要，电池管理系统的具体诊断内容可以不限于表1-14和表1-15所列项目。

①制造商可以自行规定故障项目的具体名称、故障等级划分以及相关故障条件的设定值。

②电池系统具有均衡功能时，该项目不作为基本要求项目。

（6）过电压运行　电池管理系统应能在规定的电源电压下正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。

（7）欠电压运行　电池管理系统应能在规定的电源电压下正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。

（8）高温运行　电池管理系统应能经受规定的高温运行试验，在试验过程中及试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。

（9）低温运行　电池管理系统应能经受规定的低温运行试验，在试验过程中及试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。

（10）耐高温性能　电池管理系统应能经受规定的高温试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。

（11）耐低温性能　电池管理系统应能经受规定的低温试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。

（12）耐温度变化性能　电池管理系统应能经受规定的温度变化试验，在试验后应能正常工作，满足规定状态参数测量精度的要求。

（13）耐盐雾性能　电池管理系统应能经受规定的盐雾试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参测量精度的要求。厂家如果能够证明电池电子部件或电池控制单元实车安装在车辆内部或者具备防尘防水条件的电池包内部，可不要求该零部件进行耐盐雾性能试验。试验条件的差异性内容需在试验报告中说明。

（14）耐湿热性能　电池管理系统应能经受规定的湿热试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参测量精度的要求。

（15）耐振动性能　电池管理系统应能经受规定的振动试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参测量精度的要求。

（16）耐电源极性反接性能　电池管理系统应能经受规定的电源极性反接试验，在试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。

（17）电磁辐射抗扰性　电池管理系统按规定进行电磁辐射抗扰性试验，在试验过程中及试验后应能正常工作，且满足规定状态参数测量精度的要求。

四、电池SOC估算方法

动力电池的荷电状态SOC是反映动力电池当前状态的重要的参数之一，也是整车能量分配策略的重要依据之一。在电池管理系统中，SOC估算是重要的研究内容。

由于无法通过直接测量的方法来得到电池的SOC，因此一般采用间接测量电池其他参数，如电池电流、电压等来估算电池的SOC。常见的估算动力电池SOC的方法有放电法、开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法、神经网络法。

（1）放电法　在某一温度下对电池进行1/3C倍率的恒流放电，直到电池端电压达到最低值（此时SOC=0），此温度和电流下放电容量即为电流与时间的积，SOC值即为放电容量占电池额定容量的比值。放电法是按照SOC的定义去估算的，因此也是最准确的方法，但是此方法只适用于实验室内，而无法在汽车实际运行过程中使用。

（2）开路电压法　电池的开路电压是可直接测量的物理量，其与SOC有一定的联系。一般来说，当SOC处于较高值时，电池的开路电压也比较大。因此可预先通过试验的手段来获取SOC与开路电压两者的对应关系，之后测量电池开路电压即可得到此状态下电池的SOC。这种方法原理简单，操作方便，但在测量开路电压时电池还要单独进行静置处理，因而也无法在实际情况下进行实时测量。

（3）安时积分法　电池在一段时间内放出的容量是电流对时间的积分，故测量电池工作状态下的电流值，计算已放出容量，然后根据电池总容量与已放出容量之差即可计算出当前状态下电池的SOC。该方法是电池管理系统中SOC估算最常用的方法之一，此方法不需要考虑电池模型，但不可避免会产生误差，尤其是SOC估算误差会随着时间而积累，因此需要对SOC进行校正。

（4）卡尔曼滤波法　卡尔曼滤波法的核心是根据已建立的电池状态模型，利用卡尔曼滤波原理，根据电池工作时的电流、电压以及温度等进行状态递推，得到SOC的实时估算值以及估算误差。需要指出的是由于电池的动态仿真模型并不是线性的，故在利用卡尔曼滤波算法时通常需要将电池的动态仿真模型进行一定处理，从而能够更加精确地对电池SOC进行估算，此方法被称为扩展卡尔曼滤波算法。

（5）神经网络法　神经网络法是依据大量的样本数据和神经网络模型，通过大量的数据分析，实时将SOC与输入端数据建立一定的联系。人工神经网络模型缺少对动态工况的验证，在使用这种模型时，还必须采集大量的变电流工况数据。否则，当燃料电池汽车行驶在复杂工况下时，模型的SOC估计精度势必将受到影响。

随着各种先进算法的提出，SOC估算精度已经得到了明显提高。

五、电池管理系统的应用实例

特斯拉电动汽车的核心技术之一就是电池管理系统。

特斯拉电动汽车选用松下的NCA系列18650型号镍钴铝酸锂电池串并能量包作为动力源，每台特斯拉Model S使用约8000节。特斯拉坚持不使用大容量电池单元，是因为小容量的18650型号锂电池工艺成熟，成本低，安全性好，一旦电池单元出现热失控，不容易影响到周围的电池单元。但是将8000节的小电池单体组成电池组，将会大幅增加电池单体之间的不一致性，导致单体温度、电荷、电压出现不平衡现象，引起个别电池过充、过放并产生静电反应，从而降低电池组寿命以及安全性。这就是特斯拉的核心技术——电池管理系统。特斯拉电动汽车用锂离子蓄电池如图1-39所示。

特斯拉电动汽车对这些电池采用了分层管理的设计，每69个单体电池并联成一个电池模块，9个电池模块又串联成一个电池方块，最后再串联成整块电池板。每个单体电池、电池模块和电池方块都有保险丝，每个层级都会有电流、电压和温度的监控，一旦电流过大立刻熔断。特拉斯电动汽车电池管理系统主要具有以下功能。

1.电荷平衡系统，有效排除18650故障单体

每个锂电池单体都有一个电压上限和下限，电池在此范围内可正常工作，但一旦单体电压接近这一限值其化学性能将发生突变，必须立即停止放电或充电，否则电池将会受到不可逆的损坏，将会大幅增加电池的自放电率、产生静电反应进而引起爆炸。众多电池单体所组成的电池组大大增加了单体之间的不一致性，导致电池电压的安全范围各不相同，安全性大幅降低。为此特斯拉自主研发单体电荷平衡系统，可有效排除故障单体，保证整车安全性能。特斯拉电池组尾部安装有印制电路板，内置众多电源开关，每个电源开关一端连接某个18650电池单体，另一端连接一个中型的集电器（单体电荷监控器）。当电池组中某一电池因过充、过放、温度过高导致电量与其他电池不同时，集电器就会将能量在电池之间进行相互转移，防止其电压超过安全范围而产生异变。而当该电池真的产生异变时，电子集成器将控制电路板上相对应的电源开关弹开，从而将此电池单体隔离，避免产生静电反应而引起爆炸。

2.电池温度管理系统，提升整车安全性能

特斯拉高达60kW·h、85kW·h的电池组容量使其运行过程中会释放更多的热量，从而加大了电池组温度过高引起爆炸的概率，这是特斯拉电池管理系统解决的最为核心的问题之一。特斯拉所申请的核心知识产权大都与电池安全控制系统相关，包括电池冷却系统、安全系统、电荷平衡系统等。

电池温度管理系统又包括电池组温度检测系统和电池组液体冷凝系统。

电池组温度检测系统的主要任务是智能温度监测。电动汽车安全性能主要体现在对电池组温度以及电流的控制上，尤其对于大容量的电池组，当电池组过充、过放、碰撞以及运行过程中电池过度发热都会引发电池组温度过高而引发爆炸。特斯拉汽车电池组中的每一个单体电池都连接着一个热敏电阻以及一系列的光导纤维，同时将热敏电阻连接到电池监控器，将光导纤维连接到光敏感应器。当某个单体电池温度超过安全标准时，热敏电阻将产生一个电信号传达至电池监控器以便启动电池冷凝系统，保证电池安全性能。当电池发生热逃逸等现象时，将影响光导纤维中光束的传输，进而刺激光敏感应器发出相应信号进行热度调节。而当汽车发生剧烈碰撞时，电池组与电机的能量传输路径将被立即阻断，电池组外保护层将保护电池组免受碰撞影响，从而避免发生剧烈爆炸。

电池组液体冷凝系统的主要任务是实时温度控制。特斯拉自主研发的机体液体冷凝系统为双模式冷却系统，其中第一层冷却回路专门为电池组降温，电池回路将电池组与冷却泵相连接，回路中充满了冷却剂，且延伸多个冷却管覆盖至每个单体电池。第一层冷却回路将控热系统、通风设备以及其他散热装置与电池组热量管理系统连接起来，从而保证每个单体电池温度低于其安全值以下，保证其散热性以及安全性能。第二层冷却回路包括第二冷却储液罐并与至少一个转动部件进行热交换，并立于第一个冷却回路，保证电池组冷却系统的独立性。

如图1-40所示为特斯拉电池管理系统中的温度管理系统示意图。

如图1-40（a）所示是一层内部的热管理系统，冷却管道曲折布置在电池间，冷却液在管道内部流动，带走电池产生的热量；如图1-40（b）所示是冷却管道的结构示意图；冷却管道内部被分成四个孔道，如图1-40（c）所示；为了防止冷却液在流动过程中温度逐渐升高，使末端散热能力不佳，热管理系统采用了双向流动的流场设计，冷却管道的两个端部既是进液口，也是出液口，如图1-40（d）所示。电池之间及电池和管道间填充电绝缘但导热性能良好的材料，其作用是将电池与散热管道间的接触形式从线接触转变为面接触，有利于提高单体电池间的温度均一性，有利于提高电池包的整体热容，从而降低整体平均温度。

第五节　电源变换器

电源变换器可分为直流/直流（DC/DC）变换、直流/交流（DC/AC）变换和交流/直流（AC/DC）变换，在纯电动汽车中采用的主要是DC/DC变换器，是实现电气系统电能变换、传输和电力拖动的重要电气设备。

DC/DC变换器是表示在直流电路中将一个电压值的电能变换为另一个电压值的电能的装置，它分为降压DC/DC变换器、升压DC/DC变换器以及双向DC/DC变换器。

DC/DC变换器主要实现以下功能。

（1）驱动直流电机　在小功率直流电机驱动的转向、制动等辅助系统中，一般直接采用DC/DC电源变换器供电。

（2）向低压设备供电　向电动汽车中的各种低压设备如车灯等供电。

（3）给低压蓄电池充电　在电动汽车中，需要高压电源通过降压型DC/DC变换器给低压蓄电池充电。

（4）不同电源之间的特性匹配　以燃料电池电动汽车为例，一般采用燃料电池组和动力电池的混合动力系统结构。在能量混合型系统中，采用升压型DC/DC变换器；在功率混合型系统中，采用双向型DC/DC变换器。

降压DC/DC变换器的电路原理如图1-41所示，当开关S闭合时，加在电感两端的电压为（Ui-U0），此时电感由电压（Ui-U0）励磁，电感增加的磁通为（Ui-U0）Ton，其中Ton为开通时间。当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感消磁，电感减少的磁通为U0Toff，其中Toff为断开时间。

当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Ui-U0）Ton=（U0）Toff，由于占空比小于1，所以Ui>U0，实现降压功能。

升压DC/DC变换器电路原理如图1-42所示，当开关S闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压Ui励磁，电感增加的磁通为UiTon。当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感消磁，电感减少的磁通为（U0-Ui）Toff。

当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，UiTon=（U0-Ui）Toff，由于占空比小于1， 所以U0>Ui，实现升压功能。

双向DC/DC变换器电路原理如图1-43所示，当开关闭合时，此时电感由电压Ui励磁，电感增加的磁通为UiTon；当开关断开时，电感消磁，电感减少的磁通为U0Toff。

当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，增加的磁通等于减少的磁通，UiTon=U0Toff，根据Ton和Toff值不同，可能Ui>U0，也可能U0>Ui。

DC/AC变换器是将直流电变换成交流电，也称为逆变器。使用交流电机的电动汽车必须通过DC/AC变换器将蓄电池或燃料电池的直流电变换为交流电。

AC/DC变换器是将交流电压变换成电子设备所需要的稳定直流电压，电动汽车中AC/DC的功能主要是将交流发动机发出的交流电变换为直流电提供给用电设备或储能装置储存。

电源变换器在电动汽车上的应用实例如图1-44所示。

电动汽车动力电池电压为320V，由电池管理系统进行管理和监测，并通过一个车载充电机（含AC/DC变换器）进行充电，交流电压范围是从110V的单相系统到380V的三相系统；动力电池通过一个双向的DC/DC变换器和DC/AC变换器来驱动交流电机，同时用于再生制动，将回收的能量存入动力电池；同吋，为了将动力电池的320V高电压转换为可供车载电子设备使用和给蓄电池充电的12V电源，需要一个降压型DC/DC变换器。

第六节　电动汽车充电技术

电动汽车产业能否得到快速发展，充电技术是关键因素之一。智能、快速的充电方式成为电动汽车充电技术发展的趋势。

一、电动汽车对充电设备的要求

电动汽车充电设备是指与电动汽车或动力蓄电池相连接，并为其提供电能的设备，是电动汽车充电站最主要的设备。

电动汽车对充电设备具有以下要求。

（1）安全性　电动汽车充电时，要确保人员的人身安全和蓄电池组的安全。

（2）使用方便　充电设备应具有较高的智能性，不需要操作人员过多干预充电过程。

（3）成本经济　成本经济、价格低廉的充电设备有助于降低整个电动汽车的成本，提高运行效益，促进电动汽车的商业化推广。

（4）效率高　高效率是对现代充电设备最重要的要求之一，效率的高低对整个电动汽车的能量效率具有重大影响。

（5）对供电电源污染要小　采用电力电子技术的充电设备是一种高度非线性的设备，会对供电网及其他用电设备产生有害的谐波污染，而且由于充电设备功率因数低，在充电系统负载增加时，对其供电网的影响也不容忽视。

二、电动汽车充电设备的类型

电动汽车充电设备的类型很多，一般分为非车载充电机、车载充电机、交流充电桩、直流充电桩和交直流充电桩等。

（1）非车载充电机　非车载充电机是指安装在电动汽车车体外，将电网的交流电能变换为直流电能，采用传导方式为电动汽车动力蓄电池充电的专用装置，如图1-45所示。

非车载充电机一般由高频开关电源模块、监控单元、人机操作界面、与电动汽车电气接口、计量系统和通信接口等组成。

（2）车载充电机　车载充电机是指固定安装在电动汽车上运行，将交流电能转换为直流电能，采用传导方式为电动汽车动力蓄电池充电的专用装置，如图1-46所示。

车载充电机由交流输入接口、功率单元、控制单元、直流输出接口等部分组成，充电过程中由车载充电机提供电池管理系统、充电接触器、仪表盘、冷却系统等低压用电电源。

（3）交流充电桩　交流充电桩是指固定在电动汽车外、与交流电网连接，采用传导方式为具有车载充电装置的电动汽车提供交流电源的专用供电装置。交流充电桩只提供电力输出，没有充电功能，需连接车载充电机为电动汽车充电。如图1-47所示为电动汽车交流充电桩。

交流充电桩由桩体、电气模块和计量模块3部分组成。桩体外部结构包括外壳和人机交互界面；电气模块包括充电插座、供电电缆、电源转接端子排、安全防护装置等；计量模块包括电能表、计费管理系统、非接触式读写装置等。

（4）直流充电桩　直流充电桩是指固定在电动汽车外、与交流电网连接，可以为非车载电动汽车动力电池提供小功率直流电源的供电装置。直流充电桩的输入电压采用三相四线AC380V±15％，频率为50Hz，输出为可调直流电，直接为电动汽车的动力电池充电。如图1-48所示为电动汽车直流充电桩。

直流充电桩主要由监控器、刷卡区、充电指示灯、插枪接口、充电桩体等部分组成。

（5）交直流充电桩　交直流充电桩是采用交直流一体的结构，既可实现直流充电，也可以交流充电。白天充电业务多的时候，使用直流方式进行快速充电，当夜间充电站用户少时可用交流充电进行慢充操作。如图1-49所示为电动汽车交直流充电桩。

车载充电机和交流充电桩是电动汽车最主要、应用最广泛的充电设备。

三、电动汽车充电方法

电动汽车蓄电池充电方法主要有恒流充电、恒压充电和恒流限压充电，现代智能型蓄电池充电机可设置不同的充电方法。

1.恒流充电

恒流充电是指充电过程中使充电电流保持不变的方法。恒流充电具有较大的适应性，容易将蓄电池完全充足，有益于延长蓄电池的寿命。缺点是在充电过程中，需要根据逐渐升高的蓄电池电动势调节充电电压，以保持电流不变，充电时间也较长。

恒流充电是一种标准的充电方法，有4种方式。

（1）涓流充电　即维持电池的满充电状态，恰好能抵消电池自放电的一种充电方法，其充电电率对满充电的电池长期充电无害，但对完全放电的电池充电，电流太小。

（2）最小电流充电　是指在能使深度放电的电池有效恢复电池容量的前提下，把充电电流尽可能地调整到最小的方法。

（3）标准充电　即采用标准速率充电，充电时间为14h。

（4）高速率（快速）充电　即在3h内就给蓄电池充满电的方法，这种充电方法需要自动控制电路保护电池不损坏。

2.恒压充电

恒压充电是指充电过程中保持充电电压不变的充电方法，充电电流随蓄电池电动势的升高而减小。合理的充电电压，应在蓄电池即将充足时使其充电电流趋于0。如果电压过高会造成充电初期充电电流过大和过充电，如果电压过低则会使蓄电池充电不足。充电初期若充电电流过大，则应适当调低充电电压，待蓄电池电动势升高后再将充电电压调整到规定值。

恒压充电的优点是充电时间短，充电过程无需调整电压，较适合于补充充电。缺点是不容易将蓄电池完全充足，充电初期大电流对极板会有不利影响。

3.恒流限压充电

先以恒流方式进行充电，当蓄电池组端电压上升到限压值时，充电机自动转换为恒压充电，直到充电完毕。

四、电动汽车充电方式

电动汽车充电方式主要有常规充电方式、快速充电方式、电池更换方式、无线充电方式和移动式充电方式等。

1.常规充电方式

常规充电方式采用恒压、恒流的传统充电方式对电动汽车进行充电，相应的充电机的工作和安装成本相对比较低。电动汽车家用充电设施（车载充电机）和小型充电站多采用这种充电方式。车载充电机是电动汽车的一种最基本的充电设备，如图1-50所示。充电机作为标准配置固定在车上或放在后备厢里。由于只需将车载充电机的插头插到停车场或家中的电源插座上即可进行充电，因此充电过程一般由客户自己独立完成。直接从低压照明电路取电，充电功率较小，由220V/16A规格的标准电网电源供电。典型的充电时间为8～10h（SOC值达到95％以上）。这种充电方式对电网没有特殊要求，只要能够满足照明要求的供电质量就能够使用。由于在家中充电通常是晚上或者是在电低谷期，有利于电能的有效利用。

小型充电站是电动汽车的一种最重要的充电方式，如图1-51所示，充电桩设置在街边、超市、办公楼、停车场等处。采用常规充电电流充电。电动汽车驾驶员只需将车停靠在充电站指定的位置上，接上电线即可开始充电。计费方式是投币或刷卡，充电功率一般在5～10kW，采用三相四线制380V供电或单相220V供电。其典型的充电时间是，补电1～2h，充满5～8h（SOC值达到95％以上）。

常规充电方式主要优点是，充电技术成熟，技术门槛低，使用方便，容易推广普及；充电设施配置简单，占地较小，投资少；电池充电过程缓和，电池能够深度充满；充电时电池发热温和，不易发生高温短路或爆炸危险，安全性较高；接口和相关标准较低；充电功率相对低，对配电网要求降低，基础设施配套需求小；一般选择夜间充电，可避开傍晚用电高峰期，节能效果较好。

常规充电方式主要缺点是，充电时间长，续驶里程有限，使用受到限制；用于有慢速充电需求的停车场所，如住宅小区停车场、社会公共停车场等。

2.快速充电方式

快速充电方式以150～400A的高充电电流在短时间内为蓄电池充电，与常规充电方式相比安装成本相对较高。快速充电也可称为迅速充电或应急充电，其目的是在短时间内给电动汽车充满电。大型充电站（机）多采用这种充电方式。

大型充电站（机）的快速充电方式如图1-52所示，它主要针对长距离旅行或需要进行快速补充电能的情况进行充电，充电机功率很大，一般都大于30kW，采用三相四线制380V供电。其典型的充电时间是10～30min。这种充电方式对电池寿命有一定的影响，特别是普通蓄电池不能进行快速充电，因为在短时间内接受大量的电量会导致蓄电池过热。快速充电站的关键是非车载快速充电组件，它能够输出35kW甚至更高的功率。由于功率和电流的额定值都很高，因此这种充电方式对电网有较高的要求，一般应靠近10kV变电站附近或在监测站和服务中心中使用。

快速充电方式主要优点是，技术较为成熟，接口标准要求较低；充电速度快，增加电动汽车长途续航能力，是一种有效的补充方案。

快速充电方式主要缺点是，充电功率较大，接口和用电安全提高，电池散热成为重要因素；电池不能深度充电，一般为电池容量的80％左右，容易损害电池寿命，需要承担更多的电池折旧成本；短时用电消耗大，对配电网要求较高，基础设施配套需求巨大。

3.电池更换方式

采用更换电池的方式迅速补充车辆电能，电池更换可在10min以内完成，理论上无限提升了车辆续驶里程。

如图1-53所示为利用换电机器人为电动汽车更换电池。

电池更换方式主要优点是，电池更换客户感受接近传统的加油站加油；用户只需购买裸车，电池采用租赁的方式，大幅降低了车辆价格；采用适合的充电方式保证电池的健康以及电池效能的发挥，电池集中管理便于集中回收和维护，减小环境污染；选择夜间用电低谷时段慢速充电，降低服务机构运行成本，对电网起到错峰填谷作用。

电池更换方式主要缺点是，基础设施建设成本较高，占用场地大，电网配套要求高；需解决电动汽车更换电池方便的问题，如电池设计安装位置、电池拆卸难易程度等；需要电动汽车行业众多标准的严格统一，包括电池本身外形和各项参数的标准化，电池和电动汽车接口的标准化，电池和外置充电设备接口的标准化等；电池更换容易导致电池接口接触不良等问题，对电池及车辆接口的安全可靠要求提高；电池租赁带来的资产管理、物流配送、计价收费等一系列问题，运作复杂性和成本提高。

4.无线充电方式

电动汽车无线充电方式是利用无线电能传输技术对蓄电池进行充电的一种新型充电方式，主要有电磁感应充电方式、磁共振充电方式和微波充电方式。

（1）电磁感应充电方式　电磁感应充电方式是通过送电线圈和接收线圈之间传输电力，这是最接近实用化的一种充电方式。当送电线圈中有交变电流通过时，发送（初级）、接收（次级）两线圈之间产生交替变化的磁场，由此在次级线圈产生随磁场变化的感应电动势，通过接收线圈端对外输出交变电流。该充电方式存在的问题是，送电距离比较短（约100mm），并且送电与受电两部分出现较大偏差时，电力传输效率就会明显下降；有异物进入时，会出现局部发热的情况；电磁波及高频方面的防护问题也不易解决；功率大小与线圈尺寸直接相关，需要大功率传送电力时，需在基础设施建设和电力设备方面加大投入。

（2）磁共振充电方式　磁共振充电方式主要由电源、电力输出、电力接收、整流器等组成，基本原理与电磁感应方式基本相同。电源传送部分有电流通过时，所产生的交变磁束使接收部分产生电势，为电池充电时输出电流。与电磁感应充电方式的不同之处在于，磁共振充电方式加装了两个高频驱动电源，采用兼备线圈和电容器的LC共振电路，而并非由简单线圈构成送电和接收两个单元。共振频率的数值会随送电与接收单元之间距离的变化而改变，当传送距离发生改变时，传输效率也会像电磁感应一样迅速降低。因此，可通过控制电路调整共振频率，使两个单元的电路发生共振，即“共鸣”，也称这种磁共振状态为“磁共鸣”。在控制回路的作用下改变传送与接收的频率，可将电力传送距离增大至数米左右，同时将两单元电路的电阻降至最小以提高传送效率。传输效率还与发送和接收电单元的直径相关，传送面积越大，传输效率越高。目前的传输距离可达400mm左右，传输效率可达95％。目前磁共振充电方式技术上的难点是小型、高效率化比较难。现在的技术能力大约是直径0.5m的线圈，能在1m左右的距离提供60W的电力。

（3）微波充电方式　微波充电方式使用2.45GHz的电波发生装置传送电力。传送的微波也是交流电波，可用天线在不同方向接收，用整流电路转换成直流电为电动汽车蓄电池充电，并且可以实现一点对多点的远距离传送。为防止充电时微波外漏，充电部分装有金属屏蔽装置，使用中，送电与受电之间的有效屏蔽可防止微波外漏。该充电方式目前存在的主要的问题是磁控管产生微波时的效率过低，造成许多电力变为热能被白白消耗。

相对于电动汽车的有线充电而言，无线充电具有使用方便、安全、可靠，没有电火花和触电的危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损，没有相应的维护问题，可以适应雨、雪等恶劣的天气和环境等优点。无线充电技术用于电动汽车充电可以降低人力成本，节省空间，不影响交通视线等。如果可以实现电动汽车的动态无线充电，则可以大幅减少电动汽车配备的动力电池容量，从而减轻整车重量，降低电动汽车的运行成本。

有了无线充电技术，公路上行驶的电动汽车或双能源汽车可通过安装在电线杆或其他高层建筑上的发射器快速补充电能。电费将从电动汽车上安装的预付卡中扣除。

电动汽车无线充电示意图如图1-54所示。

5.移动式充电方式

对电动汽车蓄电池而言，最理想的情况是电动汽车在路上行驶时充电，即所谓的移动式充电。这样，电动汽车用户就没有必要去寻找充电站、停放车辆并花费时间去充电。移动式充电系统埋设在一段路面之下，即充电区，不需要额外的空间。

接触式和感应式的移动式充电系统都可实施。接触式的移动式充电系统需要在车体的底部装一个接触拱，通过与嵌在路面上的充电元件相接触，接触拱便可获得瞬时高电流。当电动汽车行驶通过移动式充电区时，其充电过程为脉冲充电。对于感应式的移动式充电系统，车载式接触拱由感应线圈所取代，嵌在路面上的充电元件由可产生强磁场的高电流绕组所取代。很明显，由于机械损耗和接触拱的安装位置等因素的影响，接触式的移动式充电对人们的吸引力不大。

目前的研究主要集中在感应充电方式，因为它不需要机械接触，也不会产生大的位置误差。当然，这种充电方式的投资巨大，现在仍处于实验阶段。

总之，方便、高效的充电方式，是大量推广使用电动汽车的基础。

五、电动汽车车载充电机

车载充电机具有为电动汽车动力电池安全、自动充满电的能力，充电机依据电池管理系统提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。

1.电动汽车车载充电机的组成

车载充电机由交流输入端口、功率单元、控制单元、低压辅助单元、直流输出端口等部分组成。车载充电机连接示意图如图1-55所示。

（1）交流输入端口　交流输入端口是车载充电机与地面供电设备的连接装置，当使用车载充电机对电动汽车充电时，推荐使用如图1-56所示的典型引导电路作为充电接口连接状态及车载充电机输入的判断装置。

（2）功率单元　功率单元作为充电能量的传递通道，主要包括电磁干扰抑制模块、整流模块、功率因数校正模块、滤波模块、全桥变换模块、直流输出模块，其作用是在控制单元的配合下，把电网的交流电转换成蓄电池需要的高压直流电。

（3）控制单元　控制单元主要包括原边检测及保护模块、过流检测及保护模块、过压/欠压监测及保护模块、DSP主控模块，其作用是通过电力电子开关器件控制功率单元的转换过程，通过闭环控制方式精确完成转换功能，并提供保护功能。

（4）低压辅助单元　低压辅助单元主要包括CAN通信模块、辅助电源模块、人机交互模块，其作用是为控制单元的电力电子器件提供低压供电及实现系统与外界的联系。

（5）直流输出端口　直流输出端口是车载充电机与蓄电池之间的连接装置，车载充电机输出控制引导电路如图1-57所示。

2.电动汽车车载充电机的技术参数

车载充电机输入技术参数的推荐值见表1-16。

车载充电机输出技术参数的推荐值见表1-17。

输出电流可根据各厂家蓄电池组的电压情况设定。车载充电机在额定输入电压、额定负载的状态下，效率应不低于90％，功率因数应不低于0.92。

车载充电机的技术参数误差要求：输入电压波动范围为额定输入电压±15％；输入电压频率波动范围为额定频率±2％；车载充电机在恒压输出状态下运行时，其输出电压与设定电压的误差应为±1％；车载充电机在恒流输出状态下运行时，其输出电流与设定电流的误差应为±5％；车载充电机在允许的输出电流的范围内，输出电流的周期和随机偏差不能大于设定电流值的10％；车载充电机在稳流区间工作时，其稳流精度应小于1％，在稳压区间工作时，稳压精度应小于0.5％。

3.电动汽车车载充电机充电接口

电动汽车车载充电机属于交流充电，其接口应满足交流充电接口的要求。

车载充电机车辆供电插头和插座的触头布置方式如图1-58所示。

车载充电机车辆供电插头和充电插座如图1-59所示。

在充电连接过程中，首先接通保护接地触头，最后接通控制确认触头与充电连接确认触头；断开过程相反。车辆充电接口的电气连接界面如图1-60所示，其供电接口的电气连接界面如图1-61所示。

4.电动汽车车载充电机的充电过程

利用车载充电机对电动汽车进行充电的过程如下。

①将车辆插头和插座插合后，车辆的总体设计方案可以自动启动某种触发条件，通过互锁或者其他控制措施使车辆处于不可行驶状态。

②电动汽车车辆控制装置通过测量图1-56中检测点3与PE之间的电阻值，判断车辆插头与车辆插座是否已完全连接。

③在操作人员对供电设备完成充电启动设置后，如供电设备无故障，并且供电接口已完全连接，则闭合S1，供电控制装置发出脉冲宽度调制（PWM）信号，电动汽车车辆控制装置通过测量图1-56中检测点2的PWM信号，判断充电连接装置是否已完全连接。

④在电动汽车和供电设备建立电气连接及车载充电机完成自检后，通过图1-56中检测点2的PWM信号确认充电额定电流值；车载充电机给电动汽车控制装置发送充电感应请求信号，同时或延时给车辆控制装置供电；根据充电协议进行信息确认，若需充电，则电动汽车控制装置发送需充电报文并控制充电接触器闭合，车载充电机按所需功率输出。

⑤车辆控制装置通过判断图1-56中检测点2的PWM信号占空比确认供电设备当前能提供的最大充电电流值；车辆控制装置对供电设备、充电连接装置及车载充电机的额定输入电流值进行比较，将其最小值设定为车载充电机当前最大允许输入电流；当判断充电连接装置已完全连接，并完成车载充电机最大允许输入电流设置后，车辆控制装置控制图1-56中K3、K4闭合，车载充电机开始对电动汽车进行充电。

⑥充电过程中，车辆控制装置可以对图1-56中检测点3的电压值PWM信号占空比进行监测，供电控制装置可以对图1-56中检测点1的电压值进行监测。

⑦在充电过程中，当充电完成或者因为其他不满足充电条件时，车辆控制装置发出充电停止信号给车载充电机，车载充电机停止直流输出、CAN通信和低压辅助电源输出。

六、电动汽车非车载充电机

作为推动电动汽车发展的重要因素，电动汽车充电站这一基础设施的建设显得尤为重要，没有充电站就相当于现在没有加油站，充电站的建设对于提供电动汽车远程旅行，提高续驶里程具有非常重要的作用。而作为充电站的核心，非车载充电机是必不可少的。

1.电动汽车非车载充电机组成

非车载充电机主要由充电机主体和充电终端两个部分组成，如图1-62所示。充电机主体通过三相输入接触器与电网相连，将交流电转换为输出电压和电流可调的直流电。输出经过充电终端的充电接口与电动汽车的蓄电池相连。充电终端面向用户，并与整流柜控制系统、电池管理系统、充电站监控系统等实现通信。充电终端也有一个单独的MCU控制系统，对整个终端进行管理。充电终端包括IC卡计费系统、打印系统、人机面板显示系统、电能测量系统，并与整流柜控制系统、电池管理系统、充电站监控系统等实现通信，它们之间的相互间关系如图1-63所示。

功率模块是非车载充电机中实现能量传递的主体，是充电机中最关键的部件，单个功率模块难以实现充电机的大功率输出，必须选择分布式系统来实现，即多个相同的功率模块并联均流。

人机界面不但要提供给充电时客户所关心的一些信息，还要提供给充电站维护人员一些必要信息，主要有电池类型、充电电压、充电电流、电能量计量信息，单体电池最高/最低电压，故障及报警信息等。在充电完成后，需要充电机打印输出交易信息，比如用电量、交易金额及充电时间等。

管理模块和充电终端以及各功率模块进行数据交互，通过RS485总线下发正确的充电控制命令和参数设置命令给各功率模块。功率模块作为充电的具体执行模块，按照管理模块下发的命令上传自身参数，或者接受管理模块的命令，设置相关参数完成充电过程。管理模块和功率模块协同工作实现充电功能。

2.电动汽车非车载充电机的技术参数

电动汽车非车载充电机输入技术参数见表1-18。

根据蓄电池组电压等级的范围，非车载充电机输出电压一般分为三级，即150～350V、300～500V、450～700V。

非车载充电机输出额定电流宜采用10A、20A、50A、100A、160A、200A、315A、400A、500A。

当非车载充电机的输出功率为额定功率的50％～100％时，效率不应小于90％，功率因数不应小于0.9。

非车载充电机技术参数误差要求：当交流电源电压在标称值的±15％范围内变化，输出直流电压在规定的相应调节范围内变化时，输出直流电流在额定值的20％～100％范围内任一数值上应保持稳定，充电机输出电流精度不应超过±1％；当交流电源电压在标称值的±15％范围内变化，输出直流电流在额定值的0～100％范围内变化时，输出直流电压在规定的相应调节范围内任一数值上应保持稳定，充电机输出电压精度不应超过±0.5％。

3.电动汽车非车载充电机的充电接口

电动汽车非车载充电机车辆插头和插座的触头布置方式如图1-64所示。

非车载充电机车辆供电插头和充电插座如图1-65所示。

车辆插头和车辆插座在连接过程中触头耦合的顺序为：保护接地，直流电源正、直流电源负、车辆端连接确认，低压辅助电源正与低压辅助电源负，充电通信与供电端连接确认；在脱开的过程中则顺序相反。非车载充电机直流充电接口的连接界面如图1-66所示。

4.电动汽车非车载充电机的充电过程

非车载充电机直流充电安全保护系统基本方案如图1-67所示，包括非车载充电机控制装置，电阻R1、R2、R3、R4、R5，开关S，直流供电回路接触器K1和K2（可以仅设置1个）、低压辅助供电回路接触器K3和K4（可以仅设置K3）、充电回路接触器K5和K6（可以仅设置1个），电子锁以及车辆控制装置，其中车辆控制装置可以集成在电池管理系统中。 电阻R2和R3安装在车辆插头上，电阻R4安装在车辆插座上。开关S为车辆插头的内部常闭开关，当车辆插头和车辆插座完全连接后，开关S闭合。在整个充电过程中，非车载充电机控制装置应能监测接触器K1、K2，接触器K3、K4，以及电子锁状态，并控制其接通和关断；电动汽车车辆控制装置应能监测接触器K5和K6状态并控制其接通及关断。

利用非车载充电机对电动汽车进行充电的过程如下。

①将车辆插头和插座插合后，车辆的总体设计方案可以自动启动某种触发条件，通过互锁或者其他控制措施使车辆处于不可行驶状态。

②操作人员对非车载充电机进行充电设置后，非车载充电机控制装置通过测量检测点1的电压值判断车辆插头与车辆插座是否已完全连接，如检测点1的电压值为4V，则判断车辆接口完全连接，非车载充动机控制电子锁锁止。

③在车辆接口完全连接后，如非车载充电机完成自检，则闭合接触器K3和K4，使低压辅助供电回路导通，同时开始周期发送“充电机辨识报文”；在得到非车载充电机提供的低压辅助电源供电后，车辆控制装置通过测量检测点2的电压值判断车辆接口是否已完全连接；如检测点2的电压值为6V，则车辆控制装置开始周期发送“车辆控制装置（或电池管理系统）辨识报文”，该信号也可以作为车辆处于不可行驶状态的触发条件之一。

④车辆控制装置与非车载充电机控制装置通过通信完成握手和配置后，车辆控制装置闭合接触器K5和K6，使充电回路导通；非车载充电机控制装置闭合接触器K1和K2，使直流供电回路导通。

⑤在整个充电阶段，车辆控制装置通过向非车载充电机控制装置实时发送充电级别需求来控制整个充电过程，非车载充电机控制装置根据电池充电级别需求来调整充电电压和充电电流以确保充电正常进行，此外，车辆控制装置和非车载充电机控制装置还相互发送各自的状态信息。

⑥车辆控制装置根据电池系统是否达到满充状态或是否收到“充电机中止充电报文”来判断是否结束充电。在满足以上充电结束条件时，车辆控制装置开始周期发送“车辆控制装置（或电池管理系统）中止充电报文”，在一定时间后断开接触器K5和K6；非车载充电机控制装置开始周期发送“充电机中止充电报文”，并控制充电机停止充电，之后断开接触器K1、K2、K3和K4，然后电子锁解锁。

七、电动汽车光伏充电站

目前，电动汽车充电站主要是利用电网供电，如果电动汽车得到大量推广使用，必将额外消耗大量不可再生资源用于发电，煤、石油等化石能源在燃烧发电过程中又造成环境污染，加重了传统能源消耗和环境问题，因此，开发利用清洁的可再生能源给电动汽车充电站供电势在必行，光伏充电站是电动汽车未来最理想的充电站。

电动汽车光伏充电站可以分为两类，即离网运行的电动汽车光伏充电站和并网运行的电动汽车光伏充电站，目前应用较多的是并网运行的电动汽车光伏充电站。

并网运行的电动汽车光伏充电站主要由光伏电池阵列、储能电池组、多组DC/DC变换器、交流电源、中央控制器等单元组成，如图1-68所示。

光伏电池阵列由太阳能电池板串、并联组成，它吸收太阳能并发出直流电，经DC/DC变换器接入充电系统，是站内电动汽车充电的主要电源。

储能电池组在系统中启动能量储存和调节作用，当光伏发电量过剩时，储存多余的电能；光伏不足时，由储能或与交流配网一起向电动汽车充电。

多组DC/DC变换器是作为光伏电池阵列、储能电池组和电动汽车充电系统的变流单元，其中，光伏发电系统和电动汽车充电系统使用能量单向流动的DC/DC变换器，储能电池组使用能量双向流动的DC/DC变换器。

DC/AC变换器是作为交流配电网与光伏充电系统的连接单元，根据站内充电需要，将配电网输入的交流电转换为直流接入充电系统。

中央控制器协调系统内各组成单元正常运行，实现能量的监测与控制。

电动汽车光伏充电站的原理是利用高储能电池把太阳能发的电能储存并及时提供给电动汽车充电使用或是给其他系统供应电力，而在太阳能发的电能不足以满足充电站使用时可以从电网中输送电能到充电站中储存，以便于及时给电动汽车提供电力。

光伏充电站具有以下主要特点。

①光伏充电站不需要建设专门的电站或是电网来供电给充电站使用，也不需要加大电网的电容量。因为光伏发电系统不但有自身的发电功能，在遇到供不应求的情况时，光伏充电站系统会在电网低谷时段选择从国家电网购买电量储存在储能系统里，这样不仅利于使充电站的电量能满足快速的给电动汽车充电并不影响电网的使用，而且也对国家电网低谷时段的电力做了有效利用。相反地，当国家电网到高峰时段用电压力较大时，也同样可以利用充电站储电优势反供电给电网。

②因为储能光伏充电站是多个储能电池组合成的，所以尽管在遇到供不应求的情况，也不需要重新建造更大的充电站，其扩大能量的方法非常简单，只要按需求增加电池组数量即可。这样就在很大程度上节约了充电站的建设成本，给充电站的长远发展提供了更多的可能性。

特斯拉在北京首个光伏超级充电站已经投入使用，如图1-69所示。该光伏超级充电站由一个充电机带两个充电桩组成，采用电网电能和太阳能联合供电方式，并备有电池组储电。所谓超级，即高压大电流，可实现快速充电。交流输入电压为380V，电流为192A；直流输出功率为125kW，给电动汽车充电。以电力用尽的特斯拉Model S85为例，20min充电一半，40min充电80％，80min充电100％。

宝马公司和EIGHT设计公司共同开发了一款电动汽车光伏充电站，现已安装在慕尼黑的宝马博物馆，如图1-70所示。该充电站的外形类似一个拱形的鸟翼。以太阳能板作为顶棚，内部基于LED的电气照明系统可以与用户进行交互式体验。当用户接近充电站的时候，LED灯的颜色和亮度会发生改变。LED照明系统也可以告诉人们该充电站是有人占用还是处于空闲状态。

充电站的集成触摸显示屏会显示车辆相关的信息，例如当前电池续驶里程、启动之前的安全信息以及收费方式。它还会告诉用户电动汽车的电池能使用多久，在到达目的地之前，用户需要在何时何地进行充电。充电站靠收集太阳能为电动汽车充电，同时也将平日不用的能量重新输送回输电网。