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电动汽车的关键技术,电池和电机以及电控

2019年11月27日 09:13 次阅读

(文章来源:汽车人参考)

电动汽车技术的核心在于“三电”系统,即电驱系统,电池系统和电控系统,这三个系统构成了电动汽车的关键技术。电驱系统,也叫电驱动系统,一般由电机,传动机构和变换器组成。电机(Electrical Machine),有两种类型,一种是把电能转换为机械能的装置,称为电动机(Motor),另一种类型是把机械能转换为电能的装置,称为发电机(Generator)。

无论是电动机还是发电机,两者都在汽车上有广泛应用,在电驱动系统中,电机一般都是的是指电动机,也叫驱动电机,主要作用是把储存到动力电池的电能转换为机械能,为电动汽车提供前进的动力。电机主要由定子和转子两部分组成,分为直流电机和交流电机两种大的类型。

对电动汽车来说,驱动电机需要满足宽调速范围、快速响应、轻量化、高效率、能量回收、高可靠性、安全性、成本可持续降低等要求,目前电动汽车常用的电机都是交流电机,其中三相感应异步电机和永磁同步电机是用得最多的两种。传动机构指的是将电机输出的扭矩和转速传递到汽车的主轴上,从而驱动汽车行驶的机构,主要包含减速器和差速器的两个部件。

电动汽车的关键技术,电池和电机以及电控

差速器的主要作用是汽车转弯时使得两侧车轮转速不同,无论是电动汽车,还是燃油汽车部件是一样的,这里不再多提。而对于减速器,一般由高速轴承和不同齿数的齿轮组成,通过输入轴上齿数少的小齿轮,啮合到输出轴上的齿数多的大齿轮,达到减速和增大转矩的目的。大小齿轮的齿数之比,就是传动比。实际上,作为动力传递机构,减速器早已广泛应用在各种机械的传统系统中。

电动汽车的减速器可以看成燃油汽车的变速箱,由于电机本身具有足够宽度的调速性能,因而减速器一般都是固定传动比的单级减速器,也就是只有一个档位的变速箱。下图为某电动汽车减速器的内部构造,可以看到是一个相对简单的机构。变换器(Convertor/Converter),指的是使电气系统的一个或多个特性(电压、电流、波形、相数、频率)发生变化的装置。对电动汽车来说,主要包含逆变器(Inverter)和DC/DC变换器两个器件。

其中,逆变器主要作用是将直流电转换为交流电,将电池的直流电转变为交流输出以驱动电机,将电能转变成机械能驱动电动汽车行驶,逆变器直接关系到驱动电机可靠和高效的运行。IGBT模块是逆变器的核心器件,我们将会在之后章节介绍。DC/DC变换器,将直流电源电压转换成任意直流电压,主要用于直流高低压转换,例如把动力电池的高压电(大于400V)转换位低电压,为多媒体系统、空调等设备(12V)供电。

为了区分12V低压铅酸蓄电池,一般把高压电池称为动力电池。动力电池是“三电”的核心,也是“三电”中成本最高、最复杂的一个系统。相比于传统12V的铅酸电池,锂离子电池能量密度高,能实现快速和深度充放电,寿命长等优点,因此目前动力电池均是锂离子电池。根据正极材料的不同,电动汽车用锂离子电池一般采用三元锂电池和磷酸铁锂两种。

动力电池一般由大大小小的电芯(英文名称“Cell”)组成,电芯因封装形式不同有圆柱、软包、方形三种形式;电芯以串联或者并联的方式组成模组(英文名称“Module”),模组再以串联的方式,再集成热管理系统,电池管理系统等部件,最终集成为电池包(英文名称“Pack”)。电控系统是电动汽车的总控制台,如同“电动汽车的大脑”,它的发挥决定了电动汽车的能耗、排放、动力性、操控性、舒适性等主要性能指标。

一般来说,电动汽车的电控系统主要包含三个共性子系统,整车控制器(Vehicle Control Unit,VCU),电机控制器(Motor Control Unit,MCU)和电池管理系统(Battery Management System,BMS),这些控制器之间都是通过CAN网络等实现相互通信。

整车控制器(Vehicle Control Unit,VCU),是电动汽车各个电控子系统的调控中枢,它协调和管理整个电动汽车的运行状态。它是与驾驶员互动主要接口,它接收来自驾驶员的各项操作指令,诊断和分析整车及部件状态,控制子系统控制器的动作,最终实现整车安全、高效行驶。电机控制器,是电动汽车特有的核心功率电子单元,通过接收整车控制器的行驶控制指令,控制电机输出指定的扭矩和转速,驱动车辆行驶。

电池管理系统(Battery Management System ,BMS),是动力电池系统的“大脑”,主要对电池系统的电压,电流,温度等数据进行采集并监测,实现电池状态监测和分析,电池安全保护,能量控制管理和信息管理功能。
       (责任编辑:fqj)

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