纯电动汽车基础

1新能源汽车基础新能源技术中心1靳旭2010-04-062人车梦想3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EVFEVHEV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4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5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6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7EV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8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9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整车控制器蓄电池及其管理系统启动加速制动电机及其控制系统发动机及其控制系统高速车辆行驶状态驾驶员意愿整车负载状态检测关键部件状态检测再生制动纯电动协调驱动外部充电停车检修驾驶员意愿处理差速转向倒车高可靠性、舒适性、经济性的控制策略的制定及实现。技术关键点：10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11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12动力电池成组技术要素及分析动力电池成组技术要素电池电芯的检测与判断电池箱材料的选取电池箱结构设计及车载工程化设计电池组与电机相应参数调试电气的接口设计电池的管理系统（BMS）SOC计算电池运行状态管理安全管理(漏电测试管理)均衡管理热管理(温度场管理)数据管理(数据采集及贮存)充电管理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13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14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-30℃~50℃-20℃~60℃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15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16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17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(%)79-8590-9278-86功率因数(%)82-8590-9360-65调速范围1：51：2.251：3可靠性好一般优秀可控性好好好综合性能差最好中012345功率密度效率功率因数调速范围可靠性可控性综合性能异步电机永磁同步电机开关磁阻电机新能源汽车简介18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NissanTino永磁无刷电动机丰田RAV4福特EscapeHybrid本田CIVIC日美代表车型电机系统应用情况：新能源汽车简介19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