项目二-新能源汽车关键技术认知PPT课件.ppt

项目二新能源汽车关键技术认知 1 项目二新能源汽车关键技术认知 学习目标了解新能源汽车各种动力电池的主要种类 构造 原理以及充电方法 熟悉新能源汽车电机驱动系统的组成 类型 以及常用电机的基本结构和原理 了解逆变器和变频控制器的基本功能和原理 了解电动汽车的整车控制 电机控制 电源管理系统 制动能量回馈系统等控制技术的基础知识 学习任务描述 对新能源汽车的三大关键技术的认知 电池 电机 电控 2 学习任务 1 新能源汽车动力电池2 电机的基础知识3 逆变器与变频器4 电动汽车的控制系统 3 学习任务 1 新能源汽车动力电池2 电机驱动系统3 逆变器与变频器4 电动汽车的控制系统 4 引导问题1 动力电池的基本概念 1 电压 工作电压 电池在一定负载条件下实际的放电电压 如铅酸蓄电池的工作电压为1 8V 2V 镍氢电池的工作电压 1 1V 1 5V 锂离子电池的工作电压 2 75 3 6V 额定电压 电池工作时公认的标准电压 如镍镉电池额定电压 1 2V 铅酸蓄电池的额定电压 2V 终止电压 放电终止时的电压值 通常与负载 使用要求有关 充电电压 外电路直流电压对电池充电的电压 一般 充电电压要大于开路电压 如镍镉电池的充电电压 1 45 1 5V 锂离子电池的充电电压 4 1 4 2V 铅酸蓄电池的充电电压 2 25 2 7V 5 引导问题1 动力电池的基本概念 2 容量与比容量 容量是指在充电以后 在一定放电条件下所能释放出的电量 其单位为 容量与放电电流大小有关 与充放电截止电压有关 比容量是指单位质量或单位体积的电池所能给出的电量 额定容量 是指设计与制造电池时 按照国家或相关部门颁布的标准 保证电池在一定的放电条件下能够放出的最低限度的电量 实际容量 是指电池在定的放电条件下实际放出的电量 它等于放电电流与放电时间的乘积 值得注意的是 实际电池中正负极容量不等 多为负极容量过剩 6 引导问题1 动力电池的基本概念 3 功率与比功率电池的功率是指电池在一定放电制度下 单位时间内输出的能量 单位为 比功率则是指单位质量或单位体积电池输出的功率 单位为KW kg或KW L 4 放电率放电率是指放电时的速率 常用 时率 和 倍率 表示 时率是指以放电时间表示的放电速率 即以一定的放电电流放完额定容量所需的时间 倍率是指电池在规定时间内放出额定容量所输出的电流值 数值上等于额定容量的倍数 放电深度 Depthofdischarge DOD 表示放电程度的一种量度 它是放电容量与总放电容量的百分比 7 引导问题1 动力电池的基本概念 5 荷电状态 荷电状态 Stateofcharge SOC 是指剩余电量与额定容量或实际容量的比例 这一参数是在电动汽车使用中十分关键却不易获取的数据 6 自放电与存储性能 对所有化学电源 即使在与外界电路无任何接触的条件下开路放置 其容量也会自然衰减 这种现象称为自放电 电池自放电的大小用自放电率衡量 通常以单位时间内容量减少的百分比表示 自放电率 储存前电池容量 储存后电池容量 储存前电池容量x100 8 引导问题1 动力电池的基本概念 7 使用寿命 使用寿命是指电池实际使用的时间长短 对于充电电池而言 电池的寿命分为充放电循环寿命和湿搁置寿命 充放电循环寿命是衡量充电电池性能的重要参数 它是指在一定的充放电制度下 电池容量降到某规定值前 电池能耐受的充放电次数 充放电循环寿命赵长 电池性能越好 目前 镍镉电池的充放电循环寿命为500 800次 铅酸蓄电池为200 500次 锂离子电池为600 1000次 充电电池的充放电循环寿命与放电深度 温度 充放电制度工等条件有关 9 引导问题2 新能源汽车对动力电池的要求 1 比能量高 为保证电动汽车的续驶里程 电动汽车的动力电池须尽可能储存多的能量 同时电动汽车的重量不能过大 电池的安装空间也受整车分布限制 因此动力电池必须有足够的比能量 2 比功率大 为满足电动汽车在加速 上坡 负载等行驶条件下的动力要求 电池必须具备大的比功率 3 连续放电率高 自放电率低 电池能够适应快速放电的要求 自放电率低 以保证电池能够长期存放 4 充电技术成熟 时间短 充电技术通用性强 能够实现快速充电 10 引导问题2 新能源汽车对动力电池的要求 5 适应车辆运行环境 电池除能在常温条件下正常稳定地工作 不受环境温度影响 不需要特殊的加热 保温系统 能够适应电动汽车行驶过程中的振动 6 安全可靠 电池应干燥 洁净 电解质不会渗漏腐蚀接线柱 外壳 不会引起自燃或燃烧 在发生碰撞等事故时 不会对乘员造成伤害 废电池能够回收处理及再生利用 电池中的有害重金属能够集中回收处理 电池组可采用机械装置进行整体拆解 更换 线路连接方便 7 长寿命 免维护 电池的循环寿命不低于1000次 在使用寿命限定期间内 不需要进行维护与修理 11 引导问题3 常用电动汽车动力电池 常用的车用动力电池主要包括铅酸电池 镍氢电池和锂电池等 铅酸电池广泛应用于内燃机汽车的低压供电电源 是一种成熟的汽车电池 但存在比能量低 质量和体积太 续驶里程短 使用寿命短 污染严重等问题 制约了其在电动汽车上的应用 镍氢电池因其能量密度高 无镉污染 可大电流快速充放电等优点 能够满足电动汽车对动力电池的要求 因此镍氢电池目前被成熟地应用到商业化的电动汽车 如丰田Prius 锂离子电池是目前新能源汽车研究的热点 它具备能量密度高 能量效率高 自放电率小 循环使用寿命长 可实现大电流充放电 无污染等优点 12 各种动力电池 13 引导问题3 常用电动汽车动力电池 1 铅酸电池蓄电池工作过程就是化学能与电能的相互转化 当蓄电池将化学能转化为电能而向外供电时 称为放电过程 当蓄电池与外界直流电池相联而将电能转化为化学能储存起来时 称为充电过程 铅酸电池充足电时 正极板活性物质为 负极板活性物质为 铅酸电池的电解液由纯硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成 其密度为 14 引导问题3 常用电动汽车动力电池 2 镍氢 MH Ni 电池镍氢电池具有长期过放电和过充电保护能力 但寿命不如镍镉电池 镍氢电池已在20世纪90年代逐步实现产业化 镍氢 MH Ni 电池采用镍的氧化物作为正极 储氢金属作为负极 电解液通常选用KOH溶液 由Ni OH 2正极材料和储氢合金负极材料组成电池的反应式 15 引导问题3 常用电动汽车动力电池 3 锂离子电池锂离子电池以碳为负极 以含锂的化合物为正极 锂电池的种类繁多 常见的有色锂离子电他 高温锂熔直盐电池 锂聚合物电池和但聚合物固体电解质电池等 锂离子电池比能量的理论值为570Wh Kg 它目前达到的性能指标是 比能量为100Wh Kg 比功率200W Kg 循环使用寿命为1200次 充电时间2 4h 目前市场主流为 磷酸铁锂电池和三元锂电池以LiFeO4为例 其化学反应方程式如下 16 引导问题3 常用电动汽车动力电池 锂电池工作原理示意图 17 引导问题4 飞轮电池 当飞轮以一定角速度旋转时 它就具有一定的动能 飞轮电池正是以其动能转换成电能的 飞轮电池是90年代才提出的新概念电池 它突破了化学电池的局限 用物理方法实现储能 18 引导问题4 飞轮电池 飞轮电池中有一个电机 充电时该电机以电动机形式运转 在外电源的驱动下 电机带动飞轮高速旋转 即用电给飞轮电池 充电 增加了飞轮的转速从而增大其功能 放电时 电机则以发电机状态运转 在飞轮的带动下对外输出电能 完成机械能 动能 到电能的转换 据称 飞轮电池比能量可达5KW Kg 比功率达20KW Kg 使用寿命长达25年 可供电动汽车行驶500万公里 19 引导问题5 超级电容 超级电容 Super capacitors ultra capacitor 又名电化学电容器 ElectrochemicalCapacitors 双电层电容器 ElectricalDouble LayerCapacitor 黄金电容 法拉电容 是从上世纪七 八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件 超级电容突出优点是功率密度高 充放电时间短 循环寿命长 工作温度范围宽 是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种 超级电容可以弥补现阶段锂离子电池在功率密度等方面的不足 目前 它已经应用于军事 新能源汽车以及各种机电设备中 20 引导问题5 超级电容 超级电容结构 21 引导问题5 超级电容 上海世博园运行的超级电容客车 22 引导问题6 电动汽车动力电池充电方式 常规充电该充电方式采用恒压 恒流的传统充电方式对电动汽车进行充电 以相当低的充电电流为蓄电池充电 电流大小约为15A 若以120A h 例如360V 即串联12V100A h30只 的蓄电池为例 充电时间要持续8个多小时 快速充电方式快速充电方式指在短时间内使蓄电池达到或接近充满状态的一种方法 该充电方式以1C 3C的大充电电流在短时间内为蓄电池充电 23 引导问题6 电动汽车动力电池充电方式 北汽新能源汽车的换电方案 更换电池充电方式 24 引导问题6 电动汽车动力电池充电方式 无线充电方式 25 学习任务 1 新能源汽车动力电池2 电动汽车电机驱动系统3 逆变器与变频器4 电动汽车的控制系统 26 引导问题1 电机驱动系统的作用与组成 电动汽车电机驱动系统是新能源汽车的核心技术之一 它的主要任务是按驾驶员的驾驶意图 将动力电池的化学能高效地转化为机械能 经过变速器 驱动轴等机构驱动车轮 电动机驱动系统主要有电动机 功率器件和控制系统组成 27 引导问题1 电机驱动系统的作用与组成 电机驱动系统基本组成框图 28 引导问题2 电机的基本概念 1 电机电机 是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的电磁装置 它的主要作用是产生驱动转矩 作为车用电器或各种机械的动力源 通常指电动机与发电机 2 电机的关键参数 转速 额定转速 是指在额定功率下电机的转速 单位为 电机转矩 电机扭矩即电动机的输出扭矩 为电动机的基本参数之一 常用单位为NM 功率 额定功率是指电机在额定电压额定环境等条件下电机轴上的输出功率 常用单位是Kw 29 引导问题2 电机的基本概念 效率 效率指的电机有效输出功率与总功率之率 不同类型电机效率曲线不同 对于电动汽车而言 电机的效率可以表示为 30 引导问题3 新能源汽车对电机的要求 1 高电压 在允许的范围内 尽可能采用高电压 可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸 特别是可以降低逆变器的成本 2 转速高 电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8000 12000r min 高转速电动机的体积较小 质量较轻 有利于降低装车的装备质量 3 质量轻 体积小 电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量 各种控制装置和冷却系统的材料等也尽可能选用轻质材料 4 电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能 以满足启动 加速 行驶 减速 制动所需的功率与转矩 能够实现快速充电 31 引导问题3 新能源汽车对电机的要求 5 电动汽车驱动电动机需要有4至5倍的过载 以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求 而工业驱动电动机只要求有2倍的过载就可以了 6 电动汽车驱动电动机应具有高的可控性 稳态精度 动态性能 以满足多部电动机协调运行 而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能 7 电动机应具有高效率 低损耗 并在车辆减速时 可进行制动能量回收 8 电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定 9 电机能够在恶劣条件下可靠工作 电动机应具有高的可靠性 耐温和耐潮性 并在运行时噪声低 能够在较恶劣的环境下长期工作 10 结构简单 适合大批量生产 使用维修方便 价格便宜等 32 引导问题4 不同类型的电机 1 直流电动机有刷直流电动机的主要优点是控制简单 技术成熟 具有交流电机不可比拟的优良控制特性 由于存在电刷和机械换向器 不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高 而且如果长时间运行 势必要经常维护和更换电刷和换向器 由于损耗存在于转子上 使得散热困难 限制了电机转矩质量比的进一步提高 鉴于直流电动机存在以上缺陷 在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机 33 引导问题4 不同类型的电机 2 交流三相感应电动机交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机 其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环 换向器等部件 结构简单 运行可靠 经久耐用 交流感应电动机的功率覆盖面很宽广 转速达到12000 15000r min 可采用空气冷却或液体冷却方式 冷却自由度高 对环境的适应性好 井能够实现再生反馈制动 与同样功率的直流电动机相比较 效率较高 质量减轻一半左右 价格便宜 维修方便 34 引导问题4 不同类型的电机 2 交流三相感应电动机 异步电机工作原理图 笼型三相异步电动机的结构 35 引导问题4 不同类型的电机 3 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机 具有直流电动机特性的无刷直流电动机 反电动势波形和供电电流波形都是矩形波 所以又称为矩形波同步电动机 它采用永磁体转子 没有励磁损耗 发热的电枢绕组又装在外面的定子上 散热容易 因此 永磁无刷直流电动机没有换向火花 没有无线电干扰 寿命长 运行可靠 维修简便 它的转速不受机械换向的限制 如果采用空气轴承或磁悬浮轴承 可以在每分钟高达几十万转运行 永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率 在电动汽车中有着很好的应用前景 36 引导问题4 不同类型的电机 3 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机的工作原理是利用电动机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件 使电枢绕组依次通电 从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场 拖动电动机转子旋转 同时 随着电动机转子的转动 转子位置传感器又不断送出位置信号 以不断的改变电枢绕组的通电状态 使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变 这样电动机就旋转起来了 永磁无刷直流电动机的工作原理示意图 37 引导问题4 不同类型的电机 4 永磁同步电动机 永磁同步电动机实际上是一种凸极式电动机 一般其在定子结构上采用与三相交流电动机相似的三相对称绕组 交流电源通过交 直 交电压型逆变器或直 交电压电压型逆变器 调制为电压可变化的三相正弦波电压 输入永磁同步电动机三相对称绕组后 产生三相对称的三相电流 在正弦波定子电流和正弦波反电动势的作用下 气隙中产生旋转磁场 带动转子跟随旋转磁场同步旋转 38 引导问题4 不同类型的电机 4 永磁同步电动机 定子铁芯与绕组 装在机座里的定子 39 引导问题4 不同类型的电机 4 永磁同步电动机 工作原理 40 引导问题4 不同类型的电机 4 永磁同步电动机 三相永磁同步电动机工作原理示意图 永磁同步电动机的结构示意图 41 引导问题4 不同类型的电机 5 开关磁阻电动机开关磁阻电动机是一种新型电动机 该系统具有很多明显的特点 它的结构比其它任何一种电动机都要简单 在电动机的转子上没有滑环 绕组和永磁体等 只是在定子上有简单的集中绕组 绕组的端部较短 没有相间跨接线 维护修理容易 开关磁阻电动机具有高度的非线性特性 因此 它的驱动系统较为复杂 它的控制系统包括功率变换器 但近年来的研究表明 采用合理的设计 制造和控制技术 开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制 42 引导问题4 不同类型的电机 5 开关磁阻电动机 开关磁阻电动机的工作原理示意图 43 引导问题4 不同类型的电机 6 电动汽车采用的各种驱动电动机性能比较 目前交流电动机 永磁电动机和开关磁阻电动机以及它们的控制装置 成本还比较高 形成批量生产以后 这些电动机和单元控制装置的价格会迅速降低 将能够满足经济效益的要求 并使电动汽车整车价格降低 44 引导问题5 新能源汽车电机的发展 直流电机的效率和转速相对较低 其换向器维护困难 直流电机价格高 体积和重量大 随着控制理论和电力电了技术的发展 直流驱动系统与其它驱动系统相比 己大大处于劣势 因此 目前国外各大公司研制的电动车电气驱动系统己逐渐淘汰了直流驱动系统 20世纪90年代后 交流电机驱动系统的研制和开发有了新的突破 相比直流电机 交流电机体积小 质量轻 效率高 调速范围宽 可靠性高 价格便宜 维修简单方便 在电动汽车上得到了广泛应用 交流电机包括异步电机 永磁电机以及开关磁阻电机 45 引导问题5 新能源汽车电机的发展 美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机 如Chrysler公司生产的EpicVan Ford公司生产的RangerEV 通用汽车公司生产的IMPACT和EH电动汽车 国内也采用感应电动机作为电动汽车的驱动电机也比较多 如胜利SL6700DD电动客车 郑州华联ZK6820HG 1电动轻型客车 但其最大缺点是驱动电路复杂 相对永磁电机而言 其效率和功率密度偏低 因此有被其它新型永磁电机逐步取代的趋势 46 引导问题5 新能源汽车电机的发展 永磁电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷同步电机两种 永磁无刷直流电机是在直流电机的基础上不再用电刷和换向器 起动转矩大 过载能力强 非常适合电动车的运行特性 随着稀土永磁材料的开发和应用 永磁无刷电机的性能有了很大的提高 是未来最有发展前景的驱动电机之一 开关磁阻电机 SRM 是英国于1983年首次正式推出的 经过多年的研制开发 己成为现代电动汽车交流驱动的又一个新支 它具有可控相数多 实现四象限控制方便 成本低 总之 电动汽车驱动电机总的发展趋势是由通用走向专用 由直流走向交流 电机的功率密度 可靠性及耐久性不断提高 驱动控制系统向集成化与一体化发展 47 学习任务 1 新能源汽车动力电池2 电动汽车电机驱动系统3 逆变器与变频器4 电动汽车的控制系统 48 引导问题1 逆变器 逆变器 inverter 是把直流电能 电池 蓄电瓶 转变成交流电 它由逆变桥 控制逻辑和滤波电路组成 49 引导问题2 变频器 变频器 Varizble frequencyDrive VFD 是应用变频技术与微电子技术 通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备 变频器主要由整流 交流变直流 滤波 逆变 直流变交流 制动单元 驱动单元 检测单元微处理单元等组成 普锐斯动力控制单元的组成结构示意图 以普锐斯油电混合动力系统为例 系统中安装有由变频器 可变电压系统 DC DC转换器组成的动力控制单元 50 引导问题2 变频器 普锐斯电动汽车带转换器的变频器总成示意图 51 学习任务 1 新能源汽车动力电池2 电动汽车电机驱动系统3 逆变器与变频器4 电动汽车的控制系统 52 引导问题1 整车控制器VCU VCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元 VCU功能 通过采集油门踏板 挡位 刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图通过监测车辆状态 车速 温度等 信息 由VCU判断处理后 向动力系统 动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令 同时控制车载附件电力系统的工作模式VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能 53 引导问题1 整车控制器VCU VCU包括外壳 硬件电路 底