新能源汽车与电动机控制

新能源汽车运用与控制南京林业大学汽车与交通工程学院----杨忠颇内容前言新能源动力汽车的发展概述一、组合高压电池结构与管理监控二、车用电力驱动电机（发电机）结构与控制三、HV混合动力车驱动管理控制装置四、电力转换驱动控制系统装置与连接性能的检测五、新能源电动车使用缺点与安全小结前言不断增加的燃烧热能需求与排放，赖以生存的环境空气不断的遭受污染，石油能源有限储量面临不断的减少短缺，人类正主动的迎接这一历史性的严峻挑战。为使我们的天空变蓝，人与地球生态资源的和谐共处，开发清洁、高效、智能化的新能源，取代现在正在使用的内燃机热力的车辆，是该时期的迫切需要；发展纯电动、混合动力和燃料电池电动化的电力车辆，是该时期汽车动力的转型，主要体现了电动机、电力控制、电瓶技术在车辆上可靠的安全性——新能源车的特点主要体现了汽车电力驱动的运用（高压）。了解新能源汽车的电力结构原理与控制技术特点，掌握安全操作规范，对养护、维修、诊断现代新能源电动车，是现代修理技能的必修课。新能源动力汽车的发展概述现热力驱动的内燃机因能源与严厉的环保法规约束下已不适应需求，将会被新能源电动车所取代。目前作为热力转型时期的新能源电动动车，不管是运用燃料电池还是纯电驱动，在技术上都存在着难以大面积推广的弊端，汽车要完全进入“纯电能时代”，必须要有过渡技术---混动力汽车，才是目前相对容易推广新能源与环保解决的最终方案之一。电力驱动车的发展，在动力总体结构上，最终完全淘汰热力发动机和变速器，其电力驱动结构的方式几乎不大。国家“863计划”2001新能源车发展框架注意：低速电瓶车、双燃料车（含天然气、生物柴油、乙醇、甲醇等）均不属于新能源技术新能源车的架构油电混合俗称--混合动力电电混合俗称--电动汽车并联式、串联式、混联式弱混、中混、重混非插电式、插电式燃料电池技术+动力电池电池组动力电池技术超级电容技术+动力电池新能源车运用的技术结构特征主要特征是：在原有的动力结构上：运用了高压电源，控制电机、加入了电力驱动的车辆（减少或取代热力燃油消耗与排放污染的热力驱动装置）。1、混合动力驱动用两个以上能源动力驱动的车辆、主要体现在原燃油内燃机热力经变速器输出驱动的基础上，改造增添了高压电力电机驱动。2、燃料电池驱动主要以氢与氧能源在特定的装置设备内、电解产生电力能量，控制高压电机驱动的车辆。3、纯电力驱动直接由高压蓄电池供电，经变频器电机控制单元、控制电机起动运转，淘汰了热力发动机，变速器装置，只靠高压电力驱动的车辆。（三种驱动形式称为三纵、高压电三装置管理控制驱动的形式又称三横）。4、高压电装置特征直流高压电池输出与变频器连接到电机的导线路，都是高压导线，绝缘性很高，均以橙色表示，在养护、维修时有风险，应规范注意安全防护，断电10分钟后才能进行操作！纯电动车的电力驱动系统整体布置结构纯电动汽车产品结构简述一、产品结构特点S11电动车系统框图驱动方式：前置前驱动力总成：减速器（速比9.035）+6kw永磁同步电机能量路径：①高压：车载充电器→动力电池（Batt）→三项电机控制器（Inverter）→高压电机②低压：动力电池→DCDC→低压电器系统前舱动力电池驱动力管理控制MCU高压线束总成DCDC转换前舱车身电器小电池预充电接线盒后底板下动力电池后舱动力电池充电器高压电机驱动总成纯电动汽车元件布置结构图二、产品总布置典型EV纯电动汽车结构与控制原理图外部充电点火开关唤醒燃料电池电动车燃料电池工作原理虽然燃料电池名字里面有“燃料”字样，同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃烧，但在燃料电池却不是利用燃烧来获取能量，而是利用氢气跟氧气化学反应过程中的+-电荷转移来形成电流的。最关键的技术就是利用特殊的“电解质薄膜”将氢气原子拆分，整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗，但是更小的灰尘却可以….电解质薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。混合动力车作为“准绿色汽车”，保留内燃机与一定的热力特性和先进控制电机电力系统特性驱动的相结合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放，是内燃机汽车转向电动汽车之前的过渡产品！HEVQ5混合动力车整体结构混合动力运用技术HV动力驱动管理控制单元丰田普锐斯混合动力驱动总成分类性能MicroHybrid弱混mildHybrid轻混（中）FullHybrid全混（强）电功率比例（混合度）5%5～25%25～50%功能•发动机起、停•发动机驱动、优化•电动机轻微助力、发电•发动机起、停•发动机驱动、优化•电机助力、发电•自动能量回收•发动机起、停•发动机驱动、优化•电机助力、发电•制动能量回收•纯电动行驶理论最大节油效果5～10%15～40%25～50%典型车型例君越混合动力本田insight丰田Prius混合动力车经济使用能量特性分类表从对电能的依赖程度，混合动力可分为:弱混合动力MILDHYBRID也称轻度混合动力、软混合动力、微混合动力等。例如奇瑞A5的BSG款（电机10KW），通常节油10%以下，电机不直接参与驱动，主要用于启动和回收制动能。中度混合动力中混常用ISG内置安装曲轴启动/发电技术，例如别克君越EcoHybrid（电机15KW），通常节油20%左右。重度混合动力FULLHYBRID也称全混合动力、强混合动力等，强混合动力代表产品为TOYOTAPRIUS（电机50KW），可节油40%。插电混合动力PLUGINHYBRID插电式混合动力，能供更好的节油比例，但会消耗一定的电能，例如大众高尔夫TwinDrive（电机130KW），每百公里8度电和2.5L的油耗。混合动力分类混合动力动力的运用特征THS（丰田混合动力系统）主要操作特征从发动机停止状态下起动正常行驶加速减速停止仅电动机电动机和发动机电动机和发动机（从蓄电池获取）的额外电能）充电蓄电池发动机自动停止1.起动：发动机效率差时，例如起步和低速行驶时，发动机停止且仅利用电动机驱动车辆。2.行驶：通过在发电机和车轮之间分配发动机动力来驱动车辆。利用产生的电能驱动电动机。为实现最大效率，适时配合使用发动机和电动机。3.加速：加速时，除发动机动力外，蓄电池也向电机供电以提高加速性能。4.减速：减速或制动时，电动机用作发电机把制动能量转换为电能并储存在蓄电池内。5.停止：车辆停止时，发动机自动停止以提高燃油经济性THSII（丰田混合动力系统II）——理念高功率低油耗THSII同时实现高水平环保和高功率输出，这是“混合动力协同驱动”的理念。该项创新通过协同电动机动力和发动机动力提高车辆性能。混合动力轿车的发动机舱(丰田---PRIUS)电控汽油发动机变频器总成混合动力驱动桥HV普锐斯主要动力与控制部件布置图THSII工作原理列线图工作原理•HV系统控制•HV输出计算•行驶模式控制•SMR控制•逆变器控制•逆变器工作信号•高压电容器放电IGBT切断•增压转换器控制•DC/DCDC/AC转换器控制•电动机牵引力控制•制动再生电力控制•E-four控制•HV蓄电池控制•SOC控制•HV蓄电池冷却•绝缘异常检测•发动机控制•空调压缩机控制•输出技术限制•失效保护+诊断混合动力系统管理控制内容表（HV控制装置）丰田HV控制系统组成结构信息方框图HV蓄电池制动执行器辅助电池空调压缩机空调变频器DC-DC转换器SMR1,2and3升压转换器MG1MG2混合驱动桥变频器发动机档位传感器(换档,选择)加速踏板位置传感器车速传感器CAN发动机ECU(ECM)防滑控制ECUHY电池BMSDLC3HVECU分解器型速度传感器(MG2)一、组合高压电池结构与管理监控蓄电池智能单元维修塞HV蓄电池电流传感器电压x14+-温度x3通信电压HV蓄电池冷却鼓风机动力管理控制ECU(HVCPU)SOC、HOC控制HV蓄电池冷却鼓风机控制温度传感器绝缘异常检测HV蓄电池控制原理电池管理系统（BatteryManagementSystem简称BMS）是对电池组进行安全监控及有效管理、提高蓄电池使用效率的装置。通过该系统对电池组充放电的有效控制，可达到增加续航里程、延长使用寿命，并保证电池组应用的安全和可靠性。高压蓄电池电量目标与监控管理目标温度50℃电池管理系统主要功能包括数据采集、电池状态计算、能量管理、热管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。纯电动车大面积电池组的安装布置电池种类：1.铅酸电池2.三元锂电池（镍、钴、錳）3.三元锂电池（镍钴铝）4.镍氢碱性电池5.磷酸铁锂电池ACC最大起动电流Wh/kg密度能量电池安装:单体集成、平铺的形式安装在车架的底部、用水冷或很冷的方式、保证通风散热，在严寒地区有自动加热装置。注：锂电池过热时、管理会自动切断报警（否则易起火爆炸）、以确保电池正常安全使用。高压电池的外观结构与安装布置由若干小型单元体子电池集合而成的高压电池安装箱内，每个小单元之间的都有电池连接管理的采样导线、每个动力电池模组的前端都有电池信息采集器。特斯拉ModelS电池组板看似非常高大上。其电池组板由16组电池组串联而成，并且每组电池组由444节锂电池，每74节并联形成。因此特斯拉ModelS电池组板由7104节18650锂电池组成。特斯拉电源管理系统的控制单元的布置特斯拉电池管理器控制单元气隙是为了单元电池通风散热例奥迪Q5HV电池►额定电压266V►单格电压3.7VLi-ion►电池格数量72(串联)►容量5.0Ah►工作温度15—55C°，-30C°以下则无法保证起动功能►总能量1.3kWh►可用能量0.8kWh，充电状态在30–80%时►重量38kg（安装重量）混合动力车的驱动能量管理与策略1、蓄电池电量SOC的控制要保证上限约80%（上限在75%说明蓄电池性能衰竭）、下限40%、目标60%。运行时根据油门踏板、制动踏板、车辆车速与发动机的传递扭矩信息、适时的命令，以节能环保为核心、智能的控制发动机热能运转、电动机电能的动力切换或发动机电动机混能的共动力驱动的模式。2、能量回收：减速、下坡滑行时动机械能转换为发电+发动机拖动发电的电能、向电力系统补充电量。3、每个电池单元格均安装了传感器监测蓄电池的连接、电压、均衡量、剩余量、温度、内阻、能量寿命等技术参数、便于控制性能调整与自诊断。混合动力系统的动作模式1）起步低负荷在起步和极低速行驶时，电池需要有足够的目标电量，发动机在低效率高油耗区切断启动，利用电动机行驶。2）正常行驶利用动力分配机构，一部分直接驱动车辆，另一部分用来驱动发电机。产生的电力驱动电动机，来实现控制这两条路径的动力分割比率的最大效率。3）全油门加速全油门时，电动机提供部分动力，增加驱动力。4）减速、下坡、减速、下坡时车轮带动电机作为发电机使用，将动能转化为电能储存在电池中。5）电池充电对电池的充电状态进行控制，使其处于一定的范围之内。当电池充量达到该范围的下限时，发动机启动，开始启动开始充电。达到上限时停止充电。HV高压电池的组成与管理•镍氢碱、磷酸钴铁、磷酸锂铁、三元锂电池、石濹稀等•高压电池是由几十或100多个低压单元体电池（3.2V～3.7V）、串接组合在一起的总成电源（260～390V左右），它是向混合动力车或纯电动车电机提供高压电机电力驱动的主要能量源。•管理系统监控；（与HV管理控制模块连接并兼有自诊断功能）1、蓄电池额定电量与剩余电量SOC≥40%、目标60%2、蓄电池的性能衰减老化指标HOC＞75%3、各子单元电量的均衡≤指标!0%4、蓄电池温度≤50℃5、蓄电池电阻目标3Ω6、绝缘与漏电、接触不良故障状态电池管理器系统故障诊断状况模块温度＞65度1级故障：一般高温告警模块（单体）电压＞3.85∨1级故障：一般高压告警模块（单体）电压＜2.6∨1级故障：一般低压告警绝缘电阻＜设定值1级故障：一般漏电告警模块温度＞70度2级故障：严重高温告警模块（单体）电压＞4.1∨2级故障：严重高压告警模块（单体）电压＜2.0∨2级故障：严重低压告警绝缘电阻＜设定值2级故障：严重漏电告警表1、动力电池异常状态报警二、车用电力驱动电机（发电机）结构与控制电力驱动电机（发动机）其主要优点是结构简单可靠