新能源汽車電力電子技術(shù) 課件 第10章 新能源汽車技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

第10章新能源汽車技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)10.1動力電池及其管理充電技術(shù)10.1.1

動力電池10.1.2

動力電池管理技術(shù)10.1.3

動力電池充電技術(shù)10.1.1動力電池1.鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池已有90多年的歷史,廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動動力源。它也是成熟的電動汽車蓄電池,可靠性好、原材料易得、價格便宜、使用安全、再生率高，比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但是由于鉛酸蓄電池的比能量低、循環(huán)壽命短、供電不穩(wěn)定、使用壽命短等缺點，目前鉛酸蓄電池已不做為動力電池使用。10.1.1動力電池2.鎳氫電池鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池,因具有能量高、使用壽命長、無污染等特點而成為世界各國競相發(fā)展的高科技產(chǎn)品之一。鎳氫電池具有高比能量、高功率、適合大電流放電、可循環(huán)充放電、無污染等優(yōu)點,被譽(yù)為“綠色電池”。(1)鎳氫電池的性能優(yōu)點①功率性能好。②低溫性能好。③循環(huán)壽命長。④耐過充、過放。⑤應(yīng)用比較成熟。⑥管理系統(tǒng)相對簡單。⑦具有較高的回收價值。(2)鎳氫電池的缺點①電池的熱效應(yīng)。②蓄電池比能量較低。③標(biāo)稱電壓低。④高溫充電性能差⑤自放電大⑥材料成本高。

10.1.1動力電池3.鋰離子電池鋰離子蓄電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池，是一種在電極材料中使用了鋰元素作為主要活性物質(zhì)的一類電池,鋰離子電池作為高電壓、高能量密度的可充電電池,其突出的特點是:重量輕、儲能大、無污染、無記憶效應(yīng)、使用壽命長、、開發(fā)前景非常光明。同時它是一種真正的綠色環(huán)保電池,不會對環(huán)境造成污染,是目前最佳的能應(yīng)用到電動車上的電池。(1)鋰商子電池的分類根據(jù)材料的不同,鋰電池可分為磷酸鐵鋰電池、鉆酸鋰電池與三元聚合物鋰電池。10.1.1動力電池3.鋰離子電池(2)鋰商子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池一般使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料,使用非水電解質(zhì),鋰離子蓄電池根據(jù)正極材料的不同,分為磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鉆酸鋰電池以及三元材料鋰離子電池等。鋰離子電池由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜和導(dǎo)電材料等組成,如圖10-1所示,其中正、負(fù)極材料的選擇和質(zhì)量直接次定鋰離子蓄電池的性能與價格。圖10-1鋰離子電池的結(jié)構(gòu)構(gòu)10.1.1動力電池3.鋰離子電池

10.1.1動力電池4.燃料電池燃料電池是將外部供應(yīng)的燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能、熱能和其他反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)電裝置。燃料電池電動汽車是以燃料電池系統(tǒng)作為動力源或主動力源的車輛。燃料電池構(gòu)造原理如10-2所示。主要由三部分組成,電極、電解質(zhì)和外部電路。燃料主要是氫氣、甲醇等碳?xì)浠衔?。圖10-2燃料電池構(gòu)造、原理10.1.1動力電池4.燃料電池(1)燃料電池的性能①優(yōu)點A.熱效率高。B.零污染或超低污染。C.在寬廣的范圍內(nèi)保持高效率且過載能力強(qiáng)。D.配置靈活及機(jī)動性大。②缺點A.輔助設(shè)備復(fù)雜。B.輔助設(shè)備重而體積大。C.起動時間長并需提高系統(tǒng)的耐振能力。(2)燃料電池與普通電池的區(qū)別①燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的活性物質(zhì)是從外部輸入,不是在內(nèi)部的。②燃料電池放電過程中所消耗的活性物質(zhì)無需通過充電來還原,只需向電池內(nèi)部不斷輸入燃料及氧化劑,并將反應(yīng)產(chǎn)物及時排出即可持續(xù)提供電能。10.1.1動力電池5.超級電容器超級電容電池又稱為雙電層電容,是一種通過極化電解質(zhì)來儲能的新型儲能裝置,它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。

超級電容器的突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬。相對于傳統(tǒng)的電池產(chǎn)品,超級電容能存儲的電量并不多。(1)充電速度快,只要充電幾十秒到幾分鐘就可達(dá)到其額定容量的95%以上。(2)循環(huán)使用壽命長,深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50萬次。(3)大電流放電能力超強(qiáng),能量轉(zhuǎn)換效率高,過程損失小,大電流能量循環(huán)效率≥90%。(4)功率密度高,可達(dá)300～5000W/kg,相當(dāng)于普通電池的數(shù)十倍。(5)產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存及拆解過程均沒有污染,是理想的環(huán)保電源。(6)充放電電路簡單,無需充電電池那樣的充電電路,安全系數(shù)高,長期使用免維護(hù)。(7)超低溫特性好,使用環(huán)境溫度范圍寬達(dá)40～70℃。(8)檢測方便,剩余電量可直接讀出。(9)單體容量范圍通常為及其0.1～3400F。10.1.1動力電池6.飛輪電池飛輪電池是20世紀(jì)90年代才提出的新概念電池,它突破了化學(xué)電池的局限,用物理方法實現(xiàn)儲能。輪電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10-3所示。飛輪電池兼顧化學(xué)電池、燃料電池和超導(dǎo)電池等儲能裝置的優(yōu)點,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)能量密度高。(2)能量轉(zhuǎn)換效率高。(3)體積小、重量輕。(4)工作溫度范圍寬。(5)使用壽命長。(6)低損耗、低維護(hù)。

圖

10-3飛輪電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)10.1.1動力電池7.動力電池性能指標(biāo)10.1.1動力電池7.動力電池性能指標(biāo)10.1.1動力電池7.動力電池性能指標(biāo)10.1.1動力電池

8.電動汽車對動力蓄電池的要求10.1.2動力電池管理技術(shù)電池管理系統(tǒng)BMS與電池緊密結(jié)合在一起，通過對對電池組和電池單元（電芯）的電壓、電流、溫度等參數(shù)采集、計算,進(jìn)而監(jiān)控和管理動力電池的充放電過程,實現(xiàn)對電池的保護(hù),提升電池組綜合性能，使電池工作在最佳狀。1.BMS的基本結(jié)構(gòu)電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖10-4所示。主要包括數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)計算、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、通信功能和人機(jī)接口等功能模塊組成。圖10-4電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)10.1.2動力電池管理技術(shù)

2.BMS的工作原理數(shù)據(jù)采集單元采集電池狀態(tài)信息(電壓、電流、溫度等)數(shù)據(jù)后,通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送給電控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,然后電池管理系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令,并向外界傳遞電池狀態(tài)信息,同時電池管理系統(tǒng)通過CAN總線與組合儀表及車載充電機(jī)等進(jìn)行通信,實現(xiàn)電池狀態(tài)信息顯示、電池充電監(jiān)控等功能。10.1.2動力電池管理技術(shù)3.BMS的功能BMS是電池保護(hù)和管理的核心部件,它不僅要保證電池安全可靠地使用,而且要充分發(fā)揮電池的性能和延長其使用壽命。在動力電池系統(tǒng)中,它的作用就相當(dāng)于人的大腦。BMS作為電池和整車控制器以及駕駛者溝通的橋梁,通過控制接觸器進(jìn)而控制動力電池組的充放電,并向VCU傳送動力電池系統(tǒng)的基本參數(shù)及故障信息。BMS的的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)分析、均衡控制、安全保護(hù)、熱管理、數(shù)據(jù)通信等。均衡控制示例如圖10-5所示。

（a）被動均衡

(b)被動均衡圖10-5均衡控制示例10.1.2動力電池管理技術(shù)3.BMS的功能動力電池數(shù)據(jù)通如圖10-6所示。通過電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)蓄電池參數(shù)和信息與車載設(shè)備或非車載設(shè)備的通信,為充、放電控制和整車控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)是電池管理系統(tǒng)的重要功能之一。圖10-6動力電池數(shù)據(jù)通信示意圖10.1.3動力電池充電技術(shù)10.1.3動力電池充電技術(shù)1.電動汽車充電概述(1)充電設(shè)施①充電樁。充電樁如圖10-7所示。充電樁分為交流充電樁(慢充)、直流充電樁(快充)兩種。②充電機(jī)。充電機(jī)作通過接口與電動汽車進(jìn)行連接,為電動汽車提供一定規(guī)格的電源。，圖10-7充電樁10.1.3動力電池充電技術(shù)1.電動汽車充電概述③充電站。充電站基本構(gòu)成如圖10-8所示,基本構(gòu)成包括充電機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、安全防護(hù)設(shè)施和其他配套設(shè)施等。圖10-8充電站基本構(gòu)成10.1.3動力電池充電技術(shù)1.電動汽車充電概述充電站布局圖如圖10-9所示。目前,電動汽車充換電設(shè)施接入配電網(wǎng)的典型方式主要有:a.充電樁:就近接入380V低壓配電網(wǎng)。b.充/換電站:采用專用變壓器接入或?qū)＞€接入9kV中壓配電網(wǎng)。圖10-9充電站布局圖10.1.3動力電池充電技術(shù)1.電動汽車充電概述(2)動力電池充電的類型按照不同的分類要求，對動力電池的充電進(jìn)行分類：①按照充電方法的不同，可分為恒壓充電、恒流充電、脈沖充電、智能充電、補(bǔ)充充電、②按照充電方法的不同,可分為傳導(dǎo)式充電、感應(yīng)式充電、遠(yuǎn)程無線充電。10.1.3動力電池充電技術(shù)1.電動汽車充電概述(3)電動汽車充電的基本要求電動汽車對充電系統(tǒng)的基本要求如下:①安全性。包括駕乘人員和操作人員的人身安全和動力電池的安全。(2)易用性。操作簡單便捷,具有較高的智能性,操作人員不需要過多地干預(yù)充電過程。②高效性。能夠高效率地完成充電過程是對純電動汽車充電系統(tǒng)最為重要的要求之一。③經(jīng)濟(jì)性。價格低廉、性能優(yōu)異的充電設(shè)備有助于降低純電動汽車的整體成本,增強(qiáng)純電動汽車的市場競爭力。10.1.3動力電池充電技術(shù)2.快速充電系統(tǒng)快速充電系統(tǒng)如圖10-10所示。主要由直流充電樁、直流充電槍、快充接口、高壓配電盒等組成。其作用在于從公共電網(wǎng)獲取電能并為動力蓄電池進(jìn)行充電。(a)示意圖

(b)基本組成圖10-10快速充電系統(tǒng)10.1.3動力電池充電技術(shù)3.慢速充電系統(tǒng)電動汽車常規(guī)慢充充電是通過慢速充電線束(家用慢速充電線束或充電樁慢速充電線束)與220V家用交流插座或交流充電樁相連對整車進(jìn)行充電的交流慢充方式，以實現(xiàn)對動力電池的電能補(bǔ)給。慢充充電示意圖如圖10-11所示。圖10-11慢充充電示意圖10.1.3動力電池充電技術(shù)3.慢速充電系統(tǒng)慢充充電樁原理拓?fù)鋱D如圖10-12所示。是一種利用專用充電接口為具有車載充電機(jī)的電動汽車提供交流電能,并提供友好的人機(jī)操作界面,具有相應(yīng)的控制、計費(fèi)和通信等功能的電動汽車專用交流供電裝置。慢充充電方式對電網(wǎng)沒有特殊要求,只要能夠滿足照明要求的供電質(zhì)量就能夠使用。圖10-12慢充充電樁原理拓?fù)鋱D10.2電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)10.2.1電動汽車驅(qū)動電機(jī)10.2.2

電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(shù)10.2.3驅(qū)動電機(jī)控制技術(shù)10.2.1電動汽車驅(qū)動電機(jī)1.電機(jī)的基本概念電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的電磁裝置。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,作為車用電器或各種機(jī)械的動力源。電機(jī)通常指電動機(jī)與發(fā)電機(jī)。電動汽車的驅(qū)動電機(jī)有有刷或無刷直流電機(jī)、永磁或電磁直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等,它們的選用也與整車配置、用途和檔次有關(guān)。另外,驅(qū)動電機(jī)的調(diào)速控制可分為有級調(diào)速和無級調(diào)速,有采用電子調(diào)速控制器和不用調(diào)速控制器之分。10.2.1電動汽車驅(qū)動電機(jī)2.驅(qū)動電機(jī)的作用驅(qū)動電機(jī)的在電動汽車上的具體任務(wù)是:在駕駛?cè)瞬倏v控制下,將內(nèi)燃機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、動力電池組的電能轉(zhuǎn)化為車輪的動能驅(qū)動車輛,并在車輛制動時把車輛的動能再生為電能反饋到動力電池中以實現(xiàn)車輛的再生制動。近90%的電動機(jī)由旋轉(zhuǎn)場設(shè)備組成,其主要優(yōu)勢在于可通過旋轉(zhuǎn)場從定子向轉(zhuǎn)子進(jìn)行非接觸式能量傳輸。這樣就不需要直流電機(jī)換向器等磨損件。因此,這類設(shè)備磨損低,所需維護(hù)少。10.2.1電動汽車驅(qū)動電機(jī)3.驅(qū)動電機(jī)主要性能指標(biāo)10.2.1電動汽車驅(qū)動電機(jī)4.電動汽車對驅(qū)動電機(jī)的要求10.2.2電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(shù)

1.電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)基本組成電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的心臟，也是電動汽車的關(guān)鍵子系統(tǒng)。它由電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測傳感器和電源(蓄電池組)組成,其任務(wù)是在駕駛?cè)说目刂葡?高效地將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為車輪的動能,或者將車輪的動能反饋到蓄電池中。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成如圖10-13所示。圖10-13電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖10.2.2電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(shù)

2.電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點10.2.3驅(qū)動電機(jī)控制技術(shù)1.直流變換技術(shù)直流變換器(DC/DC)是將一個直流電源變換為另一個直流電源的電力電子電路。通過PWM技術(shù)控制功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間,連續(xù)調(diào)節(jié)DC/DC變換器輸出的直流電壓,可實現(xiàn)輸入/輸出電壓之間的下降或上升。(1)DC/DC升降壓變換器（雙向）圖10-14所示的直流功率變換器是雙向直流功率變換器,實現(xiàn)動力電池組和電機(jī)逆變器兩個高壓母線電壓之間的雙向功率轉(zhuǎn)換。圖10-14某典型混合動力電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10.2.3驅(qū)動電機(jī)控制技術(shù)1.直流變換技術(shù)(2)DC/DC降壓變換器（單向）與傳統(tǒng)汽車一樣,車燈、音響、刮水器等低壓電器對新能源汽車來說同樣重要。這樣,就需要DC/DC變換器,將動力電池組提供的幾百伏高電壓降為安全電壓的12V或24V,為低壓鉛蓄電池補(bǔ)充電能,滿足車載低壓電器的功率和能量需求。如圖10-15所示，低壓DC/DC變換器采用隔離變壓器的DC/DC技術(shù),常用全橋式的功率電路拓?fù)?。圖10-15高電壓直流母線與12V直流母線的電能轉(zhuǎn)換電路框圖10.2.3驅(qū)動電機(jī)控制技術(shù)2.逆變技術(shù)逆變器是一個將直流電能變換成交流電能的電路系統(tǒng),它能夠輸出頻率、幅值和相位可調(diào)的正弦波。根據(jù)輸入電源類型,逆變器可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。電壓型逆變器的特點是:1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容。2)交流側(cè)輸出脈沖波電壓,交流電流波形由負(fù)載決定。電壓型逆變器的基本電路結(jié)構(gòu)如圖10-16所示。圖10-16電壓型逆變器的基本結(jié)構(gòu)10.2.3驅(qū)動電機(jī)控制技術(shù)2.逆變技術(shù)(1)三相電壓源逆變器工作原理三相電壓源逆變器的標(biāo)準(zhǔn)電路拓?fù)淙鐖D10-17所示。它由直流輸入濾波電容和三個兩開關(guān)串聯(lián)的橋臂組成。每個功率半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)了一個用于感性負(fù)載續(xù)流的反向二極管,而且使逆變器具備了再生能量回饋的功能。圖10-17全橋式三相電壓源逆變器電路10.2.3驅(qū)動電機(jī)控制技術(shù)2.逆變技術(shù)(2)三相電壓源逆變器應(yīng)用舉例三相交流電機(jī)控制電路由直流鏈路、功率電子電路和電子控制單元三個部分組成,如圖1