11.25 電池,電機,電控,一覽電動汽車關鍵技術

電動汽車技術的核心在於“三電”系統,即電驅系統,電池系統和電控系統,這三個系統構成了電動汽車的關鍵技術。

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(1)電驅系統

電驅系統,也叫電驅動系統,一般由電機,傳動機構和變換器組成。

① 電機

電機(Electrical Machine),有兩種類型,一種是把電能轉換為機械能的裝置,稱為電動機(Motor),另一種類型是把機械能轉換為電能的裝置,稱為發電機(Generator)。

無論是電動機還是發電機,兩者都在汽車上有廣泛應用,在電驅動系統中,電機一般都是的是指電動機,也叫驅動電機,主要作用是把儲存到動力電池的電能轉換為機械能,為電動汽車提供前進的動力。

電機主要由定子和轉子兩部分組成,分為直流電機和交流電機兩種大的類型。

對電動汽車來說,驅動電機需要滿足寬調速範圍、快速響應、輕量化、高效率、能量回收、高可靠性、安全性、成本可持續降低等要求,目前電動汽車常用的電機都是交流電機,其中三相感應異步電機和永磁同步電機是用得最多的兩種。

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特斯拉Model S所用的三相異步電機

② 傳動機構

傳動機構指的是將電機輸出的扭矩和轉速傳遞到汽車的主軸上,從而驅動汽車行駛的機構,主要包含減速器和差速器的兩個部件。

差速器的主要作用是汽車轉彎時使得兩側車輪轉速不同,無論是電動汽車,還是燃油汽車部件是一樣的,這裡不再多提。

而對於減速器,一般由高速軸承和不同齒數的齒輪組成,通過輸入軸上齒數少的小齒輪,齧合到輸出軸上的齒數多的大齒輪,達到減速和增大轉矩的目的。大小齒輪的齒數之比,就是傳動比。實際上,作為動力傳遞機構,減速器早已廣泛應用在各種機械的傳統系統中。

電動汽車的減速器可以看成燃油汽車的變速箱,由於電機本身具有足夠寬度的調速性能,因而減速器一般都是固定傳動比的單級減速器,也就是隻有一個檔位的變速箱。下圖為某電動汽車減速器的內部構造,可以看到是一個相對簡單的機構。

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某電動汽車減速器內部構造

③ 變換器

變換器(Convertor/Converter),指的是使電氣系統的一個或多個特性(電壓、電流、波形、相數、頻率)發生變化的裝置。對電動汽車來說,主要包含逆變器(Inverter)和DC/DC變換器兩個器件。

其中,逆變器主要作用是將直流電轉換為交流電,將電池的直流電轉變為交流輸出以驅動電機,將電能轉變成機械能驅動電動汽車行駛,逆變器直接關係到驅動電機可靠和高效的運行。
IGBT模塊是逆變器的核心器件,我們將會在之後章節介紹。
DC/DC變換器,將直流電源電壓轉換成任意直流電壓,主要用於直流高低壓轉換,例如把動力電池的高壓電(大於400V)轉換位低電壓,為多媒體系統、空調等設備(12V)供電。

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某電動汽車逆變器系統內部結構

(2)電池系統

為了區分12V低壓鉛酸蓄電池,一般把高壓電池稱為動力電池。動力電池是“三電”的核心,也是“三電”中成本最高、最複雜的一個系統。

相比於傳統12V的鉛酸電池,鋰離子電池能量密度高,能實現快速和深度充放電,壽命長等優點,因此目前動力電池均是鋰離子電池。根據正極材料的不同,電動汽車用鋰離子電池一般採用三元鋰電池和磷酸鐵鋰兩種。

動力電池一般由大大小小的電芯(英文名稱“Cell”)組成,電芯因封裝形式不同有圓柱、軟包、方形三種形式;

電芯以串聯或者並聯的方式組成模組(英文名稱“Module”),模組再以串聯的方式,再集成熱管理系統,電池管理系統等部件,最終集成為電池包(英文名稱“Pack”),如圖。

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電池包的組成

(3)電控系統

電控系統是電動汽車的總控制檯,如同“電動汽車的大腦”,它的發揮決定了電動汽車的能耗、排放、動力性、操控性、舒適性等主要性能指標。

一般來說,電動汽車的電控系統主要包含三個共性子系統,整車控制器(Vehicle Control Unit,VCU),電機控制器(Motor Control Unit,MCU)和電池管理系統(Battery Management System,BMS),這些控制器之間都是通過CAN網絡等實現相互通信。

整車控制器(Vehicle Control Unit,VCU),是電動汽車各個電控子系統的調控中樞,它協調和管理整個電動汽車的運行狀態。它是與駕駛員互動主要接口,它接收來自駕駛員的各項操作指令,診斷和分析整車及部件狀態,控制子系統控制器的動作,最終實現整車安全、高效行駛。

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整車控制器構架示例

電機控制器(Motor Control Unit,MCU),是電動汽車特有的核心功率電子單元,通過接收整車控制器的行駛控制指令,控制電機輸出指定的扭矩和轉速,驅動車輛行駛。

電池管理系統(Battery Management System ,BMS),是動力電池系統的“大腦”,主要對電池系統的電壓,電流,溫度等數據進行採集並監測,實現電池狀態監測和分析,電池安全保護,能量控制管理和信息管理功能。

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