作者：韩炯刚,石光成
出版社：机械工业出版社
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新能源汽车高压安全与防护试读：
前言
随着新能源汽车技术的快速发展与国家政策的大力扶持，我国新能源汽车产业将迎来爆发式的增长，新能源汽车的生产制造与售后服务人员的需求逐渐增加。
与传统车辆不同，新能源汽车涉及其他领域的技术，尤其是高压电气系统，与传统汽车区别很大，维修作业过程中也有很大的区别，高压安全操作尤为重要。
本书基于现阶段国内主流新能源汽车，尤其是纯电动汽车的高压安全与防护技术要求，结合电工作业要求，针对诸多典型工作任务进行编写，对安全用电常识、电的危害、触电急救、高压安全防护技术、维修中的安全操作等进行了详细的技术讲解，其中采用了大量的实际操作实物图，适用于职业院校新能源汽车专业维修作业中高压安全防护的教学与学习。
本书由山东交通技师学院韩炯刚、重庆市巴南职业教育中心石光成担任主编，济宁职业技术学院马翠英、长春市机械工业学校赵志明、南昌汽车机电学校范海燕担任副主编，参加本书编写的还有付清洁、陆宇、姚颂氢、石中河、李萍林、姚清、刘娟娟、尹利杰。同时，在编写过程中得到了北京新能源汽车股份有限公司的大力支持。
由于本书涉及主要内容较新，编者水平和经验有限，难免存在缺点和疏漏，恳请相关领域专家和广大读者给予批评指正。编者第1章 安全用电常识
学习目标
• 掌握电流、电压、电阻的基本概念；
• 掌握基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律；
• 掌握电功率和焦耳定律；
• 学会法拉第电磁感应定律；
• 知道电力系统组成，主要发电方式和传输方法；
• 掌握电动汽车的结构组成；
• 知道电动汽车的几种主要充电方式和制动能量回收技术；
• 知道工业用电高低压划分和汽车AB类电压的等级划分。
新能源电动汽车有一个非常明显的特点，就是整车带有“高”压动力电回路，在乘用车上，其最高电压可达600V以上，虽然这在传统的电工分级中远未达到真正的高压电，但和传统汽车的电气系统中的用电电压相比，已经是足以伤害到人们的“高”压电，这样就给人们带来了不容忽视的“高”压安全用电问题。本章主要介绍跟安全用电相关的基础内容，包括电学基本知识、电能的应用、电压等级。1.1电学基本知识1.1.1 电的由来
现今，人们的生活已经离不开电的使用，那么，电是怎么来的呢？一种方式是通过电池，普通电池把化学能转化为电能，光电池把光能转化为电能。另一种方式是直接使用交流电，电厂将热能、风能、水能等各种能量转化为电能，输送到各个角落，供用户使用。1.1.2 电流、电压、电阻、欧姆定律
电流、电压和电阻是电路的基本物理量，欧姆定律揭示了三者之间的关系。
1.电流
电荷有规则的定向移动称为电流。电流的大小用字母I表示，电流的单位为安培（A），常用的单位还有千安（kA）、毫安（mA）和微安（μA），换算关系为：333
1kA=10A；1A=10mA；1mA=10μA
电流不仅有大小，而且有方向，习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向。图1-1所示为金属导体中电流的形成，电子的运动方向为B→A，电流的方向则是A→B。
若电流的方向不随时间变化，则称之为直流电流，用符号DC表示，若电流的大小和方向都随时间变化，则称其为交流电流，简称交流，用符号AC表示，如图1-2所示。图1-1 电流的方向图1-2 直流电流和交流电流
2.电压
电路中有电流流动是电场力做功的结果。在图1-1中，电场力将单位正电荷从A点移动到B点所做的功，称为AB两点间的电压，用U表示，电压的单位为伏特（V），常用的单位还有kV、mV、μV。AB其换算关系为：333
1kV=10V；1V=10mV；1mV=10μV
3.电阻
电阻是反映导体对电流阻碍作用大小的物理量。电阻在电路中用R表示，单位为欧姆（Ω）。常用的单位还有kΩ和MΩ，其换算关系为：36
1MΩ=10kΩ=10Ω
导体的电阻是客观存在的，即使没有外加电压，导体仍然有电阻。金属导体的电阻大小与其几何尺寸及材料有关，实践证明，导体的电阻还与温度有关，一般金属的电阻随温度的升高而增大。一个220V、40W的白炽灯不通电时，灯丝电阻为100Ω；正常发光时，灯丝电阻高达1210Ω。半导体和电解液的电阻，通常随温度的升高而减少。
敏感电阻是生活中常用的一种电阻器，它的电阻值随温度、电压、湿度、光照程度、气体环境、磁场强度、压力等状态的变化而发生显著变化。热敏电阻器、压敏电阻器、湿敏电阻器和光敏电阻器如图1-3所示。
4.欧姆定律
流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，这就是欧姆定律。它是分析电路的基本定律之一。对图1-4a）的电路，欧姆定律可用下式表示：
式中 I——流过导体的电流，单位为A；
U——加在导体两端的电压，单位为V；
R——该段电路的电阻，单位为Ω。
由式（1-1）可见，当所加电压一定时，电阻越大，则电流越小。显然，电阻具有对电流起阻碍作用的物理性质。
根据在电路图上所选电压和电流的参考方向的不同，在欧姆定律的表达式中可带有正号或负号。当电压和电流的参考方向一致时（图1-4a）则有
U=RI
当两者的参考方向选得相反时（图1-4b），则有
U=-RI1.1.3 串联电路、并联电路、基尔霍夫定律图1-3 敏感电阻器图1-4 欧姆定律
把多个元件逐个顺次连接起来，就组成了串联电路。图1-5所示为串联电路的示意图和等效电路图，三个灯泡依次首尾相连。
1.串联电路图1-5 串联电路
串联电路的特点如图1-6所示。
1）电路中流过每个电阻的电流都相等。
2）电路两端的总电压等于各电阻两端的分电压之和，U=U+U+U。123
3）电路的等效电阻（总电阻）等于各串联电阻之和，R=R+R+R。123
4）电路中各个电阻两端的电压与它的阻值成正比，U=IR；11U=IR；U=IR。2233图1-6 串联电路
2.并联电路
把多个元件并列地连接起来，由同一电压供电，就组成了并联电路。各种家用电器都是以并联方式连接在一起。图1-7为并联电路的示意图和等效电路图，两个灯泡的输入端和输出端分别连接在一起。图1-7 并联电路
从图1-8中可以看出并联电路的几个特点：
1）电路中各电阻两端的电压相等，且等于电路两端的电压。
2）电路的总电流等于流过各电阻的电流之和。
3）电路的等效电阻（总电阻）的倒数等于各并联电阻的倒数之和，。图1-8 并联电路等效电阻
3.基尔霍夫定律
电路中的每一个分支称支路。它由一个或几个相互串联的电路元件所构成。含有电源的支路称有源支路，不含电源的支路称无源支路。由3条或3条以上支路所汇成的交点称结点，图1-9所示为结点的例子。
电路中任一闭合路径都称回路。一个回路可能只含一条支路，也可能包含几条支路。其中，最简单的回路又称独立回路或网孔。图1-9 结点
基尔霍夫定律是电路中的一个重要概念，它包括电流定律和电压定律。
基尔霍夫电流定律（KCL）指出：所有流入结点的支路电流的代数和恒等于零。若将流入结点的电流前面取“+”号，则流出节点的电流前面取“-”号，对图1-9的结点有：
结点a：i+i-i=0123
结点b：i+i-i=0345
基尔霍夫电流定律还有另外两种表达方式。一种是：所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。流出结点的电流前面取“+”号，流入节点的电流前面取“-”号，则图1-9的结点有：
结点a：-i-i+i=0123
结点b：-i-i+i=0345
另外一种是：流入结点的电流和等于流出结点的电流和。对于图1-9，得到以下方程式：
结点a：i+i=i123
结点b：i+i=i345
这三组方程式是完全相同的。
基尔霍夫电压定律（KVL）指出：在任一时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致者，在电压前面取“+”号，支路电压的参考方向与回路绕行方向相反者，前面取“-”号。
以图1-10所示电路为例，图中电源电动势、电流和电压的参考方向已标出。按照虚线所示方向循行一周，可列出：图1-10 基尔霍夫电压定律
U-U+U-U=01243
或将上式改写为
U+U=U+U3基尔霍夫电压定律也可表述为：绕行方向上的电142位降之和应该等于电位升之和。1.1.4 电功率、电能、焦耳定律
1.电功率
电流通过电灯时，电灯会发光；当有电流通过电炉时，电炉会发热。这种现象表明，电流通过不同的负载时，负载会将电能转换为其他形式的能量，这种能量转化的过程伴随着电流做功，简称电功，可表示为
W=UIt （1-2）
有时需要知道一个负载消耗能量的快慢，就需要用到电功率，它是电流在单位时间内所做的功，用字母P表示，其公式为
电功率的单位是W。
2.焦耳定律
电流通过导体要产生热量，使导体的温度升高，这就是电流的热效应。英国物理学家焦耳通过实验发现，电流通过导体时产生的热量，跟电流强度的平方、导体的电阻和通电时间成正比，这就是焦耳定律，用公式表示为2
Q=IRt （1-4）
在国际单位制中，热量的单位是焦耳，用字母J表示。
3.电能
发电厂将各种能量转化为电能，电能的单位为度，又称千瓦时，符号为kW·h，千瓦时是一种能量单位，它和焦耳的换算关系为6
1kW·h=1000W×3600s=3.6×10J
1kW·h的电大约可以开1h的空调，或者看10h的电视，或者开50h的灯。1.1.5 电磁感应
1820年4月，丹麦物理学家、化学家奥斯特偶然发现，放置在导线旁边的指南针在通电的一瞬间发生了偏转，后期他通过大量实验证明，电流可以产生磁场。1830年8月法国物理学家法拉第发现，当导体作切割磁感线运动或者线圈中的磁场发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势。这种现象就称为电磁感应现象。如果导体或线圈构成闭合回路，则其中将有感应电流流过。
感应电动势的方向通常由楞次定律再结合右手螺旋定则来确定。楞次定律指出：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。当引起感应电流的磁通量增大时，感生电流的磁场与原电流的磁场方向相反；当引起感应电流的磁通量减小时，感生电流的磁场与原电流的磁场方向相同。
导体中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比，这就是法拉第电磁感应定律。
用ΔΦ表示时间间隔Δt内一个单匝线圈中的磁通变化量，则一个单匝线圈产生的感应电动势的大小为
如果线圈有N匝，则感应电动势的大小为1.2电能的应用
电能要生产并且应用，必须依靠一套完善的系统，也就是电力系统。电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统，如图1-11所示。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化为电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。图1-11 供电系统
作为国民经济发展规划的重要组成部分，电力系统具有以下特点：
1）电力作为电气的本质，它的生产和消费必须同时进行。生产、输配和使用必须处于动态平衡之中。
2）由于发电和用电同时实现，使得电力系统各个环节联系紧密，相互依赖。
3）电能以电磁波形式传播，有极高的传输速度，所以电力系统的过渡过程十分短暂。
4）电能不易储藏。至今未能完全解决经济的、高效率、大容量的储能问题。
下面重点介绍电能的产生和输送，以及电动汽车高压电能的储存与使用。1.2.1 电能的生产
发电厂是直接生产电能的部门，由于所用“燃料”的不同，发电厂的种类也不同，例如：利用矿物燃料，如煤、石油等为能源转换为电能的，称为火力发电厂；利用水能转换为电能的，称为水力发电厂；利用核能转换为电能的称为核电厂；利用风能转换为电能的称为风力发电厂。除此之外，还有地热发电厂、太阳能发电厂等。目前，大多数国家的电能主要来自于火电、核电和风电，下面将分别介绍这三类发电厂的生产过程。
1.火力发电
火力发电是利用煤、石油或天然气等燃料的化学能来生产电能的。现代化的火电厂是一个庞大而又复杂的生产电能与热能的工厂。它由下列5个系统组成。（1）燃料系统 完成燃料输送、储存、制备的系统。燃煤电厂有卸煤设施、煤场、上煤设施、煤仓、给煤机、磨煤机等设备；燃油电厂备有油罐、加热器、油泵、输油管道等设备。（2）燃烧系统 完成燃料燃烧过程，使燃料化学能转化为蒸汽热能的系统，主要包括燃烧器、炉膛、送风机、引风机、除尘器、除灰设备等。（3）汽水系统 完成蒸汽热能转化为机械能的系统，主要包括锅炉的汽水部分、汽轮机及其辅助设备，如凝汽器、除氧器、回水加热器、给水泵、循环水泵、冷却设备等。（4）电气系统 完成机械能转化为电能的系统，主要包括发电机、主变压器、断路器、隔离开关、母线等。（5）控制系统 完成生产过程中的参数测量及自动化监控操作的系统。
在上述系统的所有设备中，最主要的设备是锅炉、汽轮机和发电机（三大主机），它们安装在发电厂的主厂房内。
主变压器和配电设备一般是安装在独立的建筑物内和户外；其他辅助设备如给水系统、供水设备、水处理设备、除尘设备、燃料储运设备等，有的安装在主厂房内，有的则安装在辅助建筑中或在露天场地。
图1-12为单体火力发电厂——内蒙古大唐国际托克托发电公司。图1-12 火力发电厂
电能的基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧，将水加热使其变为蒸汽，蒸汽压力推动汽轮机旋转，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变为电能。电能生产需要经过三次能量转换过程，即
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