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一文看懂新能源汽车基础事情原理

文章出处:yobo体育 人气:发表时间:2021-11-24 00:53
本文摘要:新能源汽车的基本结构和事情原理都是差不多的,无论是特斯拉也好,北汽,长城,公共也好都是一样的。本文呢就以大家最常见的北京新能源汽车股份有限公司生产的EV200纯电动车型为例,详细先容北汽纯电动汽车的事情原理。 北汽纯电动汽车主要由北京新能源汽车股份有限公司(简称“北汽新能源”)设计并制造。北汽新能源隶属于北京汽车团体有限公司,是一家以环保乘用车为主要谋划规模的新能源科技公司。

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新能源汽车的基本结构和事情原理都是差不多的,无论是特斯拉也好,北汽,长城,公共也好都是一样的。本文呢就以大家最常见的北京新能源汽车股份有限公司生产的EV200纯电动车型为例,详细先容北汽纯电动汽车的事情原理。

北汽纯电动汽车主要由北京新能源汽车股份有限公司(简称“北汽新能源”)设计并制造。北汽新能源隶属于北京汽车团体有限公司,是一家以环保乘用车为主要谋划规模的新能源科技公司。

北京新能源汽车股份有限公司建立以来,乐成打造了EH、EU、EX、EV、EC五个系列的纯电动汽车产物,并推出了多种车型,其生产的纯电动汽车在市场上已有较高的占有率。一、北汽纯电动汽车动力系统的组成及运行任何纯电动汽车都离不开三大焦点部件,即电池、电机、电控系统,北汽纯电动汽车也不破例。

相比于传统的燃油汽车,电池相当于储存汽油或柴油的油箱,电机相当于汽油/柴油发念头,电控系统则与传统燃油汽车的电控系统类似,只是传统燃油汽车的电控系统控制的是燃油、发念头和一系列控制器,而纯电动汽车上的电控系统控制的是电池、电机和一系列控制器。相比于传统的燃油汽车,纯电动汽车的结构相对简朴,控制上也越发灵活利便。北汽EV200的一些主要控制器都安装在引擎盖下,其安装位置如图所示。

1.电池纯电动汽车的电池相当于普通燃油汽车的油箱,为汽车运行提供全部能量。现在使用较多的是锂离子电池。锂离子电池的事情原理简朴来讲,就是嵌入蓄电池正负极板上的锂离子在电池内部电动势的作用下,从某一极板脱离并在电池内部经由电解液穿过隔离物到达另一极板并嵌入的历程。

在放电历程中,锂离子从负极(阴极)运动到正极(阳极);充电历程则正好相反,锂离子从正极(阳极)运动到负极(阴极)。使用锂离子电池的历程中,要注意锂离子电池不能被过充和过放。这是因为如果锂离子电池位于正负极的锂离子被完全移动到另一极,那么在下一次充放电时就无法保证锂离子流通嵌入通道,从而造成电池寿命缩短。

因而,为保证正负极板中的锂离子在充放电后留有部门锂离子,也就是锂离子电池不能过充过放电,需要严格限制充电终止电压和放电终止电压。对于纯电动汽车来说,蓄电池所处的位置较为特殊,其选用上需要依照一定的尺度举行,优秀的蓄电池应该具有的特性如下:(1)足够的能量密度。

只有在单元体积(体积比能量)或单元质量(能量密度)下能够存储足够多的能量,才气在电池充满后行驶较长的里程,同时电池的质量和体积才气够尽可能小。(2)足够的功率密度。只有在单元体积单元质量下能够发生足够大的功率,才气使车辆在加速和上坡时发生足够的动能。

(3)可以快速地增补能量。要有足够的充电或者换电速度,否则车辆的行驶会受到较大限制,将只适用于都会内的通勤。(4)较低的平均使用成本。

由于在纯电动汽车的行驶历程中,电池处在频繁的充电和放电的状态,这对电池的循环寿命有较高要求,因而电池的寿命和价钱综合起来要有竞争力。北汽EV200纯电动汽车使用的电池被整合为动力电池包后安装于汽车底盘下部.EV200使用的是由BESK生产的三元锂电池,相比大多数纯电动汽车使用的磷酸铁锂电池而言,这种电池具有更高的能量密度、更长的寿命、更轻的质量等优势,可是其造价较高.可以看到其中有许多动力电池模组,与动力电池模组有关的一些观点如下:电池单体:组成动力电池模块的最小单元。电池模块:一组并联的电池单体的组合,该组合额定电压与电池单体的额定电压相等,是电池单体在物理结构和电路上毗连起来的最小分组,可作为一个单元替换。

模组:由多个电池模块或单体电芯串联组成的一个组合体。除此之外,动力电池包内部另有电池治理系统(BMS)等一些主要部件。BMS是电池掩护和治理的焦点部件,它相当于动力电池系统的大脑,不仅要保证电池宁静可靠地使用,而且要充实发挥电池的能力和延长使用寿命。它通过控制接触器控制动力电池组的充放电,从而成为电池和整车控制器以及驾驶员之间相同的桥梁。

BMS通过电压、电流及温度检测等功效实现对动力电池系统的过压、欠压、 过流、过高温和过低温掩护、继电器控制、SOC 估算、充放电治理、平衡控制、故障报警及处置惩罚、与其他控制器举行通信等功效。此外,电池治理系统还具有高压回路绝缘检测功效,以及为动力电池系统加热功效。动力电池系统内的BMS 实时收罗各电芯的电压、各温度传感器的温度值、电池系统的总电压值和总电流值等数据,实时监控动力电池的事情状态,并通过 CAN 线与整车控制器(VCU,参见电控部门的整车控制器相关内容)或充电机之间举行通信,获得电能需求和故障信息,对动力电池系统的充放电举行综合治理。

2.电机纯电动汽车的电机相当于普通燃油汽车的发念头,是车辆行驶的主要执行机构,其特性决议了车辆的主要性能指标,直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受,因而其在电动车上的职位至关重要。现在,纯电动汽车上使用的多为三相交流电机。三相交流电机有3个划分被标识为U、V、W的输入端子,U、V、W即为电机的三相,在这三相中通入电流相位相差120°的正弦交流电,电机的定子在三相交流电的作用下根据一定纪律发生旋转磁场,旋转磁场驱动永磁或励磁转子转动从而输出功率。作为纯电动车上的一个关键部件,电机性能的优劣直接决议了整车性能的优劣。

纯电动汽车的驱动电秘密能够频繁启停,加速、低速和爬坡时要有高扭矩,高速行驶时要有低扭矩,还要有较大的变速规模。优秀的电机通常具有以下特性:(1)高电压。在允许规模内尽可能接纳较高的电压,那么在同样功率的情况下,所需要的电流更小,从而系统所需的电流更小,这样就可以减小电机的尺寸和导线等装备的尺寸,最重要的是,可以减小逆变器的尺寸。

(2) 高转速。高转速电机一般指转速凌驾10 000 r/min的电机,由于转速高,所以电机功率密度高,而且体积比普通电机小,可以有效节约质料,同时质量轻,有利于降低电动汽车的整车整备质量。(3)质量轻。

电机接纳铝合金外壳,可以显著降低电机的质量。(4)较大的起动转矩和较大规模的调速性能。具有较大起动转矩的电时机使电动汽车具有良好的启动性能和加速性能,而良好的调速性能可以减轻驾驶员的利用强度,提高驾驶舒适性。

(5)效率高、损耗小。具有此特性,电机就能够到达最有效的能量使用,在车载总质量稳定的情况下尽可能地延长行驶里程.(6)具有再生制动接纳功效。此特性要求电机还要能作为发电机,将汽车在行驶历程中的制动能量接纳到蓄电池中,在下一次需要使用的时候再释放出来,即可到达节约能源的作用。通常情况下,接纳的能量可以到达总消耗能量的10%~20%,这是很可观的。

(7)耐温耐潮性能强,运行时噪声低。纯电动汽车的电机通常位于前桥部位,快速变化的温度、湿润、泥沙等因素都使得该位置的事情情况比力恶劣,因而电机需要耐温耐潮特性从而应对这一庞大情况,而运行时噪声低这一要求,则可以使电机运行时越发平静,以淘汰对搭车人员的打扰。

北汽EV200所使用的电机为永磁同步电机,是由北汽团体自主研发的,其主要组成为驱动电机(DM)、驱动电机控制器(MCU)。该电机的外形如图所示。

驾驶员操作车辆时,整车控制器(VCU)吸收驾驶员的操作指令,判断驾驶员的驾驶意图,并凭据驾驶员意图发出控制指令。电机控制器响应整车控制器发来的控制指令,实时调整驱动电机输出,以实现整车的怠速、前行、倒车、停车、能量接纳以及驻坡等功效。

电机控制器另一个重要功效是通信和掩护,实时举行状态和故障检测,掩护驱动电机系统和整车宁静可靠运行。图中标注为13.5 V的蓄电池即为普通燃油汽车的蓄电池,它为整台车辆的低压系统供电,动力电池即为整车动力的能量源,信号线(旋变、温度)将电机的转速和温度信号传输给电机控制器(MCU),电机控制器凭据这些信号发生相应的控制计谋,通过三相动力线给电机发出控制信号驱动电机旋转,散热器给电机和电机控制器散热,保证电机和电机控制器的正常事情。

电机还可以作为发电机使用,发电机将会把汽车行驶历程中发生的机械能转换为电能,通过U、V、W三相发出三相交流电,经由整流之后在蓄电池中存储起来,在下一次需要的时刻释放出来,这样能显著提高车辆的能量使用效率,这种情况往往发生在汽车减速、下坡或制动的时候。动力线将电机控制器发生的三相交流电输送到电机的定子上,定子在三相交流电的作用下发生根据一定纪律变化的旋转磁场,转子在定子发生的旋转磁场的作用下旋转,电机轴将转子发生的动能输出,旋变(旋转变压器)可以检测电机转子转动时的角度和角速度并输出到电机控制器作为控制电机的依据,其中的水道用于给电机散热。1)整车控制器对于纯电动汽车而言,整车控制器相当于汽车的大脑,它凭据驾驶员意愿和各系统实时状态,通过对比分析后做出决议并发出指令,合理分配动能,使车辆运行在最佳状态。(1)北汽EV200的整车控制器有以下三种模式:①正常模式。

根据驾驶员意愿、车辆载荷、路面情况和气候情况的变化,调治车辆的动力性、经济性和舒适性。②跛行模式。

当车辆某个系统泛起中度故障时,此时将不采取驾驶员的加速请求,而是启动跛行模式,最高车速为9 km/h。③停机掩护模式。当车辆某个系统泛起严重故障时,控制器将停止发出指令,进入停机状态。2)整车控制器的主要功效。

①自诊断。整车控制系统自检,通过检查整车系统的状态决议当前应该接纳的控制计谋。②故障报警。

车辆所有电控系统故障通过仪表显示,通过这种方式让驾驶员对自己的车辆有越发充实明确的相识。③通信。

通过与诊断仪、充电桩(CAN线)等举行通信,整车控制器可以相识全车的状况,从而凭据车辆当前的情况举行相应的控制。(3)驱动控制。扭矩需求和旋转偏向,通过驾驶员当前的驾驶需求,如油门踏板的深度、挡位等情况控制电机的事情状况。

(4)能量治理功效。放电和能量接纳,凭据当前车辆的行驶情况,如加减速、上下坡、是否处于制动等,决议当前应该处于放电状态还是能量接纳状态,从而做出相应的控制。(5)辅助系统控制。

电动空调、暖风、散热风扇等,使乘员处于一种舒适的情况中。(6)整车宁静治理。

在汽车发生故障时跛行或停机掩护,并制止驾驶员发生误操作(如踩制动选挡无效)等,提高汽车使用历程中的宁静性。2)电机控制器电机控制器是驱动电机的控制中心,是以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块为焦点,辅以驱动集成电路和主控集成电路组成的,通常也称为智能功率模块。整车控制器将驾驶员的驾驶意图及其他一些须要信息分析整合之后发往电机控制器,驱动电机检测自身的一些状态参数并将这些参数发往电机控制器,电机控制器吸收这些信息,分析处置惩罚之后形成控制信号,发出如前所述的有纪律的三相交流电,从而控制电机根据一定的要求运行。与此同时,电机控制器也会实时监控电机的运行状况,存储一些运行的数据,如果在运行期间检测到故障,电机控制器会发生错误代码,在生存错误代码的同时将它发送到整车控制器。

由于通过蓄电池输出的电能往往是直流电,并不适合使用三相交流电的电机直接使用,因而需要使用一些装置将直流电转换为电机可以使用的三相交流电。将直流电转换为交流电的历程称为整流,通常通过逆变器实现,而要转换成三相交流电,需要将6个IGBT组合为三相桥式。

IGBT是由BJT(双极型晶体管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点,具有驱动功率小、饱和压降低,开关频率高、峰值电流容量大等特点,适合应用于直流电压为600 V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等。在驱动电机时,左侧通常输入的是直流电,C端(集电极)接直流电正极,E端(发射极)接直流电负极,G端(栅极)接控制端用于控制IGBT的通断,U、V、W三根线作为输出毗连到电机相应的输入端口上。

电机控制器的驱动集成电路给栅极(G端)加载一定的电压,就可以实现IGBT的导通,释放这个电压就可以实现IGBT的通断。同时,由于二极管的作用,C端和E端没有直接相连,阻止了电流直接组成回路。使用IGBT实现将直流电转换为交流电的事情方式如下:(1)若1、6号IGBT导通,其他关断,则电流经由1号IGBT从U相输入,经由6号IGBT从W相输出。

(2)若1、5、6号IGBT导通,其他关断,则电流经由1号IGBT从U相输入,经由5、6号IGBT从V、W相输出。(3)若3、4号IGBT导通,其他关断,则电流经由3号IGBT从W相输入,经由4号IGBT从U相输出。(4)若2、3、4号IGBT导通,其他关断,则电流经由2、3号IGBT从V、W相输入,经由4号IGBT从U相输出。

由以上4个事情状态看出,只要控制相应的IGBT根据一定的纪律通断,就可以实现有纪律的三相交流电输出,从而控制电机根据一定的纪律旋转。如此来看,图中的二极管岂不是没有任何作用了?其实并非如此。在以上叙述中已经提到,纯电动汽车在行驶历程中,电机除了需要消耗蓄电池中的能量以驱动车辆之外,还需要将汽车行驶历程中和制动时发生的能量举行接纳(这一历程被称为再生制动),并在汽车正常行驶历程中的合适时机释放出来,这样才气尽可能提高汽车行驶历程中的能量使用率。

在再生制动的历程中,电机作为发电机,将汽车行驶历程中发生的机械能转化为电能并输出,由于电机是三相的,它发出的也是三相交流电,是不能直接充入蓄电池中,这时就需要将三相交流电转换为直流电。由于二极管的存在,电机发出的三相交流电会被自动转换为直流电,下面举例说明。

若发生的交流电从U相输出,从V相回流,则发生的电流会经1号二极管从C端口流出,经E端口从6号二极管流回。若发生的交流电从V、W相输出,从U相回流,则发生的电流会经2、3号二极管从C端口流出,经E端口从4号二极管流回。从以上两例可以看出,二极管的单向导通性确保了电流无论从电机的哪相流出流入,在逆变器的作用下,从左侧流出的电流都将从C端口流出逆变器,从E端口流回逆变器,从而保证了逆变器左端始终为直流电。

在此历程中,IGBT是不能处于导通状态的,否则就会泛起短路等危险情况。除了逆变器这一焦点器件之外,北汽EV200的电机控制器还使用以下传感器来检测电机驱动系统的事情信息:(1)电流传感器:用于检测电机事情的实际电流(包罗母线电流、三相交流电流),通常接纳霍尔式,使用电磁感应原理对电流巨细举行检测。(2)电压传感器:用于检测供应电机控制器事情的实际电压(包罗动力电池电压、12 V蓄电池电压)。

(3)温度传感器:用于检测电机控制系统的事情温度(包罗 IGBT 模块温度、电机控制器板载温度)。3)高压控制盒要让纯电动汽车实现完 整的功效,需要许多高压器件相互配合才气够到达要求。除了电机之外,北汽EV200纯电动汽车上另有充电机、空调压缩机等高压部件。为了根据一定的纪律对这些高压部件提供能量,EV200配备了高压控制盒,它可以完成动力电池电源的输出及分配,同时实现对支路用电器的掩护及切断。

高压控制盒内部通过一定数量的继电器控制高压电流的流向,使它们根据一定的要求流向相应的高压设备,这些高压设备包罗空调压缩机、DC/DC转换器、高压蓄电池、充电机等。只有高压电在合适的时间施加在合适的设备上,才气让EV200正常事情。4)DC/DC转换器北汽EV200除了种种高压设备外,另有许多设备是需要提供低压电的,如对车辆行为做出控制的整车控制器、电池治理系统(BMS),给驾驶员使用的仪表盘、音响设备等。

除此之外,EV200另有一个电压为12 V的蓄电池,因此协调车辆上的高压设备与低压设备之间的事情就显得尤为重要。DC/DC转换器就是为了协调高压与低压而设置的。DC/DC转换器通常由控制芯片、电感线圈、晶闸管、晶体管及差别型号的电容器组成,其首先将电流中的直流电逆变(将直流电转换为交流电),再通过一个类似变压器的组件将电压降低,接着将降低电压后的交流电整流酿成直流电,最后经由稳压输出,即获得相应的低压直流电。

其转换历程如下图6-13所示。北汽EV200所使用的DC/DC转换器如图(a)所示,其端口界说如图(b)所示。

该转换器的作用是将车辆高压系统中的直流高压经由降压之后,转换为车辆低压系统能够使用的低压直流电,所转换的直流电一方面可以供应低压用电器使用,另一方面可以给12 V蓄电池充电。如图所示,在高压输入端的正负端子之间有一个高压互锁短接端子,这个端子的作用是保证高压输入端的正负极正确毗连,也就是说,只要检测到高压互锁端子正确毗连,就能够保证高压输入端的正负极毗连的正确性,同时还可以尽可能地制止发生触电事故,从而大大提高宁静性。低压控制端卖力控制DC/DC转换器事情的时机,DC/DC转换器通过检查A引脚的电压状态决议是否举行转换事情,B引脚则在转换器发生故障时将故障信息发往整车控制器。

C引脚毗连控制电源负极,其主要为低压控制端组成一个电源回路。最后两个端口划分为低压输出正极和低压输出负极,可以看出,和高压输入的正负极相比,其显着更粗。这是因为对于相同功率的电能来说,在电压降低之后,其电流将增大,更大的电流需要更粗的导线,否则将会因电阻过大发生过大发烧量,进而发生宁静隐患。

5)车载充电机纯电动汽车的能量泉源比力单一,只有电能这一种形式的能量,其增补能量通常有两种方式,即从外部充电或依靠制动能量接纳,其中制动能量接纳只能接纳制动历程中能量的20%,占纯电动汽车所需能量的很小一部门,其他大部门能量需要依靠外部充电获取。EV200有两种充电模式:快充模式和慢充模式,其中与车载充电机相关的为慢充模式,用在使用交流电为高压蓄电池充电这种情况中。而快充接口需要用外部专用的快充充电桩像特斯拉的超级充电桩就是这种快充充电桩,它可以直接给高压电池充高压直流电。

慢充系统主要由供电设备(充电桩)、车载充电机、高压控制盒、动力电池、整车控制器、高压线束和低压控制线束等部件组成,它们之间的毗连关系如图所示。从图中可以看出,车载充电机组成了慢速充电接口和高压控制盒之间的桥梁,车载充电机从充电口获取电能,并将电能处置惩罚之后送到高压控制盒,再经由高压控制盒分配到动力电池或DC/DC转换器,从而完成相应的功效。前面提到,EV200的蓄电池的电压为332 V,且输入输出均为直流电,车载充电机输入的是电压为220 V的交流电,而高压控制盒只是分配电能的流向,并不能举行变压和整流。

显然,车载充电机具有变压和整流的作用,它将输入的220 V交流电经由升压和整流之后,转换为332 V的直流电,并输送到高压控制盒中。北汽EV200慢充模式结构原理如图所示。一方面,供电设备(充电桩)与车载充电机之间需要通过信号线CC确认信号并检测充电线可耐受的电流,从而为车辆匹配合适的充电参数;另一方面,车载充电机在充电历程中与整车控制器直接通过CAN总线通信,当车身的慢充接口接上充电线时,CC和PE之间导通,车载充电机将向整车控制器发出负信号,整车控制器再向仪表发出负信号,仪表充电指示灯将点亮,此时车辆不能行驶。

这一整个历程中,整车控制器判断充电时机,从而控制充电历程的开始和竣事。


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