纯电动汽车基础电子教案.ppt

,*,新能源汽车基础,新能源技术中心,1,靳旭,2010-04-06,1,人 车 梦想,2,电动汽车的分类,纯电动车,燃料电池车,混合动力车,电能存储系统,电能再生系统,电能存储/再生系统+可消耗燃料,电动机,电动机,电动机+内燃机,（蓄电池、超级电容、飞轮）,（燃料电池）,（+汽油/柴油/天然气等）,能源种类,蓄电池+燃料电池,混合能源型,单一能源型,串联式,并联式,混联式,能源组合,EV,FEV,HEV,蓄电池/超级电容,以蓄电池+内燃机为主,零排放,正在科研阶段，产业化尚有距离,排放程度降低,仍依赖内燃机，结构复杂，技术难度大,动力输出,零排放,关键技术在蓄电池,本次重点研究对象,基本评价,新能源汽车简介,3,纯电动,混动,氢能源,技术特征,由电机驱动，电池为能量源，驱动形式分为单电机驱动和轮毂电机驱动，目前单电机为主流技术，轮毂电机技术尚不成熟,在传统内燃机驱动基础上增加电机驱动实现混合动力，提高内燃机经济性，具体实现形式有多种,适用氢气作为动力源驱动车辆，分为氢内燃机和氢电池，氢内燃机在传统内燃机技术基础上开发，氢燃料电池车型以纯电动为技术基础,性能特点,零排放、污染低、但续驶里程低，成本高，存在安全性问题,保证整车性能基础上提高燃油经济性，成本增加相对较低，但在满足电气性能要求的同时还需保证排放等法规要求，技术要求高,零排放、无污染，同时可解决续驶里程低等问题，目前技术尚不成熟，存在安全性问题,技术难点,电池及管理系统,整车控制策略及发动机管理系统,氢储能装置,控制策略,较简单,较复杂,很复杂,技术资源,VCU自主开发，电池系统国际合作,国际合作,国内高校开发,总布置难易程度,布置相对简单,动力总成集成，布置相对困难,总布置难度更大,整车成本,受电池成本影响最大，整车成本相对较高,整车成本相对较低,系统非常复杂，成本最高,新能源汽车简介,4,单一电机驱动,纯电动为未来技术发展方向，同时为其他新能源技术基础；,零排放，有利于节能环保；,不受传统发动机资源限制；,核心技术整车控制策略VCU可自主开发；,受电池成本和比能量的限制，整车成本较高，续驶里程较短，高速性能低于传统动力；,基础设施建设尚不完善；,安全性有待于进一步验证；,优点：,缺点：,适合于市内中短途客货运输以及上下班代步工具车等，可通过补电增程提高续驶里程，不适合于高速公路行驶工况。,轮毂电机驱动,成熟系统，成本较低，技术稳定可靠，本方案产业化可行性较强，近期开发技术方案,技术较先进，驱动力控制较为灵活，车内空间和布置自由度得到极大改善，易于应用在传统车辆中实现四驱，目前技术尚不成熟，不具备应用性,纯电动技术路线分析,5,新能源汽车简介,5,发动机,发电机,电动机/控制器,蓄电池组,整车控制器,补电增程与串联混合动力技术路线对比分析,补电增程,串联混合动力,以纯电动驱动为基础，必要时采用内燃机发电增加续驶里程，以纯电动为技术基础,为提高内燃机效率，通过内燃机发电保证内燃机始终工作在高效区域内，动力电池作为备用能量储备单元，以内燃机技术为基础,技术来源,核心技术,系统要求,内燃机仅工作在有限的功率点，内燃机控制技术相对简单，技术可自主突破，对动力电池同时充放电能力要求较高，核心技术依赖纯电动,保持内燃机工作在高效区域，EMS控制策略相对复杂，对动力电池要求稍低于补电增程，核心技术依赖于内燃机控制技术,要求动力电池具有一定容量，对内燃机补电功率要求不高,要求内燃机补电功率满足任何工况下电机驱动功率要求，对电池容量要求不高,补电增程技术相对简单，对传统内燃机技术依赖程度较低,新能源汽车简介,6,EV,降低油耗、排放，提高动力性能,找到控制参数和控制策略的修正的方法和规律，得到修正的数学模型,主要解决发动机、电机、控制器、电池等部件热管理的关键技术,主要是提高各ECU的升级维护的可操作性、离线故障诊断、故障安全报警、行车等过程的逻辑控制、整车上电等CAN总线控制技术的工程应用,开展动力系统机电耦合装置研究，实现动力系统一体化功能,4、动力系统集成技术,主要解决动力电池成组监控管理及提高电池充电速度等关键技术,1、动力电池成组及管理技术,6、热管理技术,7、基于CAN总线的网络通讯和控制技术,5、整车的试验及匹配标定技术,3、整车控制技术,2、电机及控制技术,主要开展电机系统应用研究，建立电机系统的测试试验平台,新能源汽车简介,EV核心技术简介,7,主控制器软件平台,整车控制器硬件平台,并联式HEV能量管理,混联式HEV能量管理,纯电动EV能量管理,整车控制器系统构成,整车控制器主要作用为协调发动机和电机能量分配问题、整车工况模式转换、突发事件处理以及电池能量管理协调等问题,新能源汽车简介,8,主要功能：,整车状态的实时获取：,驾驶者意愿识别和控制模式判断,动力装置（发动机、电动机）控制,和电池组的合理应用,制动能量的回馈储存,整车故障的检测和处理,控制器内部中断和及时的管理,外围相连驱动模块的管理,辅助系统（制动、转向和空调）的控制,整车控制器的作用及功能,整车控制器控制功能示意图,新能源汽车简介,高可靠性、舒适性、经济性的控制策略的制定及实现。,技术关键点：,9,动力电池主要技术要素,关键技术,成组应用技术研究和设备研制,关键材料,新能源汽车简介,10,动力电池的关键材料、关键技术在电池厂家积极参与下都得到了快速发展，电池单体的性能已满足电动汽车技术指标的要求。然而，电池的不一致性是绝对的，一致性则是相对的。从相关实验数据得知，模块电池（一般为5至10单体组合）的性能与寿命仅为单体电池性能与寿命的50%左右，若整组估计只能达到单体寿命的30%-40%，而实际车辆工况将会更恶劣。,当前国内绝大多数电池厂家负责电池的生产，对电池应用状态了解甚小，基本不具备成组能力，并且缺乏实车成组应用的条件；整车厂虽具有电池成组应用技术的条件且具备简单的工程经验，但缺乏系统的成组应用技术管理，基本都是依赖电池厂家打包电池成组理念，动力电池成组技术，成组充、放电和维护管理等成组应用技术和设备研究没有受到应有的关注；使其严重滞后于动力电池的发展，且制约了整车的性能。随着电池技术的快速发展，成组应用技术已经突显为制约锂离子等新型动力电池和电动汽车产业发展的首要问题。,混合动力汽车成组技术,纯电动汽车成组技术,新能源汽车简介,11,动力电池成组技术要素及分析,动力电池成组技术要素涉及到材料学、电化学、制造、测试、检测、信号传输等学科领域和工程应用实践，动力电池成组技术是实现优质、高效、灵活生产，取得理想技术经济效果的制造技术的总称。主要包含以下要素：,新能源汽车简介,12,镍氢与锂离子电池对比,比较项,比能量,比功率,寿命,安全性,成本,温度范围,自放电,备注,镍氢,较低,30C充放电,600次全充放(单体),优秀,低,广,20%每月,自放电严重(20%/月)。,其技术突破依赖于储氢技术,锂离子,是镍氢电池的2倍左右,30C放电，10C充电,1500次全充放(单体),差于镍氢电池,较高，但有很大下降空间,低温下稍差,3%每月,锂离子电池是一族电池体系的总称，有很大进步空间。,注：锂离子动力电池以目前应用较广的磷酸铁锂电池为例,结论：镍氢电池在混合动力车中还有机会，但几乎不可能适用EV。,电池类型,新能源汽车简介,13,镍钴铝酸锂（NCA）,三元材料（NCM）,锰酸锂（LMO）,磷酸铁锂,(LFP),备注,比能量,高,高,较高,较高,比功率,好,好,优,较优,包括充放电,寿命,良好,良好,良好,优秀,石墨负极、单体、剩余80%时,安全性,中等,好,良好,优,安全性放在首位,成本,中高,高,低,中低,从动力电池方面考虑,温度范围,广,广,-3050,-2060,优势,比能量高,比能量高,功率、成本,安全性,劣势,安全性差、成本高,安全性差、成本高,高温下衰退严重,低温性能差,简单比较几种技术成熟度较高的锂离子电池正极体系,新能源汽车简介,14,电机系统,电机本体,电机控制器,普通电机,异步电机控制器,混合动力用盘式电机,永磁电机,永磁电机,异步,电机,电机系统业务构成,永磁电机控制器,注：直流电机技术成熟，控制简单，资源丰富，不再进行规划分析；开关磁阻电机尚处于预研阶段，技术上进行跟踪。,新能源汽车简介,15,电机类型,特点,控制技术,发展趋势,直流有刷电机驱动系统,优点,：结构简单，成本低，起步加速牵引力大,缺点,：有机械换向器，最高速受限，需定期维护保养；体积大,脉宽调制技术,控制系统,：较简单,逐步被替代,异步电机驱动系统,优点,：结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，转速极限高,缺点,：低速小负载时效率低；控制系统结构负载，故障率高，成本高,控制技术,：V/F 控制、转差频率控制、矢量控制和直、接转矩控制(DTC)和无转速传感器的控制法,有被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代的趋势；,美国倾向于采用异步电机驱动系统,无刷永磁同步电机驱动系统,优点,：具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围；,缺点,：但造价较高，永磁材料会有退磁效应，抗腐蚀性差，磁场不可变,低速时常采用矢量控制，包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向；高速时用弱磁控制,得到日本和美国汽车公司亲睐,已在国内外多种电动车辆中获得应用，发展前景十分广阔,开关磁阻电机驱动系统,优点,：高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速,缺点,：但具有高度的非线性,应用较多的是智能控制，如神经网络,模糊控制,滑模控制等智能控制方法,无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一；极具潜力，但目前应用还受限制；,德国、英国等大力开发开关磁阻电机,各种电机性能、控制技术和应用趋势,各种类型电机比较,1、异步电机目前广泛应用，国内异步电机本体达到国际水平，直接采购即可。,2、永磁电机为主要发展趋势，特别是在混动上。永磁电机国内外水平差距较大，国内尚无量产机型，混合动力用永磁电机目前主要靠系统供货进口解决。包头长安永磁电机厂、大连横田电机厂处于国内领先。比亚迪采用自行开发的永磁电机。,新能源汽车简介,16,异步,电机,永磁同步,电机,开关磁阻,电机,功率密度,中,高,中,效率(%),79-85,90-92,78-86,功率因数(%),82-85,90-93,60-65,调速范围,1：5,1：2.25,1：3,可靠性,好,一般,优秀,可控性,好,好,好,综合性能,差,最好,中,新能源汽车简介,17,电动汽车电机系统应用情况,在电动汽车（不包含低速场地车）中应用的主流电机系统有异步电机和永磁同步电机两类。应用情况如下：,1、永磁同步电机具有较宽的横转矩区和恒功率区，具有较好的牵引特性，是当前和今后电动汽车用电机的主流。如丰田的PRIUS和本田的CIVIC混合动力汽车。,2、异步电机也是较适合应用于电动汽车的牵引电机，但因其功率密度较低且效率低，因此比较适合于大型电动汽车上应用。,电机种类应用状态：美国倾向于异步电机系统，日本则倾向于永磁电机系统。异步和永磁电机系统在国内当前都属于应用主流，业界普遍认为永磁电机是以后电动车用电机发展的趋势。丰田和本田电动汽车中应用的电机系统已实现产品化，国内尚处在样机或小批量试验阶段,雪佛莱Silverado 感应电动机,异步电动机系统,Daimler2克莱斯勒Durango,丰田PRIUS,永磁同步电机系统,Nissan Tino 永磁无刷电动机,丰田RAV4,福特Escape Hybrid,本田CIVIC,日美代表车型电机系统应用情况：,新能源汽车简介,18,电机控制器功能介绍,1、是能量转换单元,将电池的直流电转换成电机所需要的电力方式，驱动电机运转。,2、额定功率,额定功率要于被驱动电机相匹配，最好大些,3、最大过载电流,要和电机的最大过载倍数匹配。使电机能发挥其最大转矩,4、具有反向充电功能,车辆制动时，电机处于发电状态。应能将此电能反充至电池,5、能量转换效率,一般地都应该在97%以上。须有较好的通风冷却性能,电动汽车中的电机驱动器,6、安全、可靠、耐久,应能适应车辆的各种行驶环境，且耐久、安全,电动汽车用电机控制器技术水平国内外差距较大，也是制约国内电机系统批量化生产的主要因素之一，同时控制器的性能是电机系统性能优劣的关键，也是整车提升竞争力的关键，是降低电机系统成本的关键点之一。,新能源汽车简介,19,电机控制器开发技术介绍,功率器件制造及保护技术：,大功率器件（IGBT，高压大容量电容、功率二极管等）制造技术掌握在国外公司中，目前国内应用的全靠采购国外产品，是电机控制器成本的主要构成；国内科研院所、高校以及电机控制器厂家都停留在如何应用和保护电路的技术状态。,软件控制算法,：需根据整车工况匹配电机效率以及电机扭矩，协调整车控制策略开发，国内外电机控制器的控制基本理论是相同的，为矢量控制和直接转矩控制；但国内控制算法在细节及智能化（参数自整定技术和系统热管理技术）等高端控制处落后于国外。,电机特性测试,需建设电机系统测试试验室。,新能源汽车简介,20,新能源汽车简介,电机控制器程序框图,21,新能源汽车简介,什么是CAN?,CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。,CAN 是怎样发展起来的？,CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年，CAN 已成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。,CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。,由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、工程机械、安全防护等领域中得到了广泛应用。,CAN总线技术,22,新能源汽车简介,CAN总线技术,CAN的作用：相当于整车的神经网络,8T纯电动环卫车CAN网络简图,23,我们的追求：,世界知名汽车品牌！,人类因梦想而伟大,24,