電動汽車關鍵技術課件

1、電動汽車關鍵技術電動汽車關鍵技術目錄在新能源汽車的產(chǎn)業(yè)浪潮中 ，一個在傳統(tǒng)汽車領域耕耘多年的企業(yè)，有哪些技術需要拓展？有哪些技術需要轉(zhuǎn)變？新技術發(fā)展又面臨哪些風險與困局？電動汽車技術概述動力電池技術驅(qū)動電機技術電動汽車專用零件電動汽車整車設計電動汽車技術發(fā)展目錄在新能源汽車的產(chǎn)業(yè)浪潮中 ，一個在傳統(tǒng)汽車領域耕耘多年的電動汽車技術概述電動汽車技術概述動力電池技術驅(qū)動電機技術電動汽車專用零件電動汽車整車設計電動汽車技術發(fā)展電動汽車技術發(fā)展歷程純電動汽車技術電動汽車基本構成電動汽車技術概述電動汽車技術概述電動汽車技術發(fā)展歷程電動汽車技術發(fā)展歷程1834-1881 誕生1834年，美國Thomas D

2、venport制造第一臺電動三輪車，采用不可充電的蓄電池供電1881年，法國Gustave Trouve制造第一臺可充電的電動三輪車，采用鉛酸蓄電池供電1885-1930 第一次發(fā)展1900年，美國年銷售4200輛汽車，38電動汽車，22內(nèi)燃機汽車，40蒸汽機汽車輪轂電機、制動能量回收被發(fā)明，電動出租車、充電樁相繼問世，混合動力、換電池開始被嘗試，斜輪轉(zhuǎn)向、充氣輪胎在電動車上最先應用隨著石油的開發(fā)和內(nèi)燃機技術的逐漸成熟，電動汽車逐漸淘汰1970-1980 第二次發(fā)展石油危機和環(huán)境污染，引發(fā)第二次研發(fā)高潮，但量產(chǎn)的很少矢量控制、永磁電機、開關磁阻電機、氫燃料電池、鎳氫電池技術發(fā)展21世紀 第三次

3、發(fā)展新材料和電子信息技術發(fā)展，節(jié)能環(huán)保呼聲日益高漲，第三次研發(fā)高潮鋰電池、智能控制技術1895年愛迪生公司生產(chǎn)的第一輛電動車1912年一名女子和她的電動汽車電動汽車技術發(fā)展歷程1834-1881 誕生1834年，美國純電動汽車技術電源技術動力電池輔助電源電能補給電機技術驅(qū)動電機電機控制整車控制技術專用零部件技術電源變換再生制動制動助力電動空調(diào)整車集成技術車身構架動力性經(jīng)濟性安全性電動汽車三大核心技術：動力電池、驅(qū)動電機、控制系統(tǒng)純電動汽車技術電源技術動力電池輔助電源電能補給電機技術驅(qū)動電電動汽車基本構成車輪低壓用電器12V蓄電池減速器空調(diào)DC/DC驅(qū)動電機動力電池高壓配電盒電機控制器車載充電機

4、電池管理系統(tǒng)整車控制器車輪儀表顯示操作信號人機界面高壓低壓CAN電動汽車基本構成車輪低壓用電器12V蓄電池減速器空調(diào)動力電池技術電動汽車技術概述動力電池技術驅(qū)動電機技術電動汽車專用零件電動汽車整車設計電動汽車技術發(fā)展電池主要類型電池參數(shù)與術語動力電池關鍵性能指標電池管理系統(tǒng)電能補給特斯拉Model S電池動力電池技術電動汽車技術概述電池主要類型電池主要類型電池類型鉛酸電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池能量密度（Wh/kg）3050458060120120200循環(huán)壽命20030015003005005001500標稱電壓（V）21.251.253.2/3.6/3.7安全性安全安全安全有一些隱患環(huán)保

5、性環(huán)境污染含有毒金屬輕微毒性環(huán)境友好成本（RMB/Wh）0.61.02.02.62.53.82.03.5鋰電池類型鈷酸鋰鎳鈷錳三元鋰錳酸鋰磷酸鐵鋰能量密度（Wh/kg）15020015022010015090120循環(huán)壽命500-10001000200030070010002000標稱電壓（V）3.63.63.73.2熱失控（）150210250270安全性差，穩(wěn)定性低較好良好優(yōu)秀環(huán)保性含鈷含鎳、鈷無毒無毒原料成本很高高低廉低廉電池主要類型電池類型鉛酸電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池能量密電池參數(shù)與術語電壓 U(V)端電壓：正負極電位差標稱電壓：由電池類型決定，與電池形狀和大小無關，不同荷電狀態(tài)

6、下，端電壓總是高于或低于標稱電壓容量 C(Ah)放電電流與放電時間的乘積同種電池體積越大，容量越高端電壓不同的電池間，不能用容量來衡量儲能大小能量 E(Wh)輸出電能總和能量體積密度： Wh/L能量質(zhì)量密度： Wh/kg（比能量）功率 P(W)單位時間輸出電能功率體積密度： W/L功率質(zhì)量密度： W/kg（比功率）電池狀態(tài)荷電狀態(tài) SOC=剩余容量/額定容量放電深度 DOD= 1-SOC充放電速率倍率=電流/額定容量時率=額定容量/電流如：額定容量為20Ah用4A電流放電，則放電倍率0.2C，時率5h內(nèi)阻電池內(nèi)阻使能量以電池發(fā)熱的形式損耗掉壽命使用周期循環(huán)次數(shù)：在一定的充放電制度下，電池容量降

7、至某一規(guī)定值之前（一般為額定容量的80%），電池能耐受的充放電次數(shù)自放電率無負荷存放過程中電容量自行損失的速率用單位儲存時間內(nèi)自放電容量占儲存前容量的百分數(shù)表示一致性電池的不一致性，會導致電池間溫度、電荷、電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，引起個別電池過充、過放并產(chǎn)生靜電反應，從而降低電池組壽命以及安全性電池參數(shù)與術語電壓 U(V)端電壓：正負極電位差標稱電壓：由動力電池關鍵性能指標能量密度（Wh/kg）功率密度（W/kg)鉛酸電池（40，150）鎳氫電池（70，250）鋰電池（180，400）空氣電池（350，100）超級電容（5，3000）動力電池功率越大，車輛動力性能越好動力電池能量越大，車輛續(xù)航能力

8、越長功率大跑得快能量大跑得遠動力電池關鍵性能指標能量密度（Wh/kg）功率密度（W/kg電池管理系統(tǒng)電動汽車上實現(xiàn)電池管理的關鍵在于通過總線實現(xiàn)各檢測模塊和中央處理單元的通信，采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流數(shù)據(jù)，建立每塊電池剩余能量的數(shù)學模型，控制SOC值（剩余能量）在合理的工作范圍（ 3070 ），對電池的不一致性有一定的補償措施，維護電池組的熱平衡電池管理系統(tǒng)電池狀態(tài)監(jiān)測電壓監(jiān)測電流監(jiān)測溫度監(jiān)測電池狀態(tài)分析剩余電量評估老化程度評估電池安全保護過電流保護過溫保護過充過放保護能量控制管理充電控制管理放電控制管理均衡控制管理電池信息管理電池信息顯示系統(tǒng)內(nèi)外信息交互歷史信息儲存電池管理系統(tǒng)

9、電動汽車上實現(xiàn)電池管理的關鍵在于通過總線實現(xiàn)各檢電能補給充電模式常規(guī)充電恒流充電恒壓充電先恒流后恒壓充電快速充電脈沖式充電分段定流充電變電流間歇充電變電壓間歇充電蓄電池最佳充電電流曲線，超過此電流，會對蓄電池造成損害。快速充電方法都是圍繞最佳充電曲線進行設計，目的是使充電曲線盡可能逼近最佳充電曲線。ItO可接受區(qū)不可接受區(qū)最佳充電電流曲線60kWh動力電池充電實例：電源電壓電流最大功率時間慢充家用插座AC 220V16A3.5kW20h充電樁AC 220V32A7kW10h快充充電站DC 500V 120A 60kW1h電能補給充電模式常規(guī)充電恒流充電恒壓充電先恒流后恒壓充電電能補給換電模式有

10、不少城市和廠商嘗試過換電模式，但未能實現(xiàn)推廣2008年，BetterPlace公司成立并推出換電服務，但最終合作車企只有雷諾一家，現(xiàn)已經(jīng)破產(chǎn)；2011年，國家電網(wǎng)、眾泰、北汽新能源在北京、杭州、廈門、蘭州投放換電出租車；2013年，特斯拉發(fā)布了一段換電操作演示，但并未付諸實踐，而是選擇推廣超級充電站；2018年5月20日，蔚來首座換電站在深圳完成最后聯(lián)調(diào)北汽新能源的底盤換電，過程大約3分鐘換電模式難以推廣的原因：電池標準化困難，不同車型為充分利用車體空間，電池包形狀、尺寸、接口布置不盡相同電池包含電動車眾多核心技術，關系到整車性能與安全，難以與車輛分割車企不愿把占電動汽車成本1/4-1/3的電

11、池拱手讓出，失去銷售電池這一塊的利潤換電站場地、設備、備用電池投資極大，收入主要靠電費加成，不僅回本難度大，連日常經(jīng)營都難以為繼電能補給換電模式有不少城市和廠商嘗試過換電模式，但未能實特斯拉Model S電池電芯選型特斯拉ModelS使用松下的NCA系列18650型號鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時，標稱電壓3.7。85kWh的ModelS的電池包一共運用了7104個18650電池，總重量接近900公斤。鈷酸鋰電池具有結構穩(wěn)定、容量比高、綜合性能突出、但是其安全性差而且成本非常高。小容量的18650型號鋰電池工藝成熟，成本低，安全性好，但也會大幅增加電池單體之間的不一致性。單個電芯電池

12、組電池組電池模塊電池模塊電池包特斯拉Model S電池電芯選型特斯拉ModelS使用松特斯拉Model S電池電池成組特斯拉ModelS將每74節(jié)18650電池并聯(lián)成一組，6組串聯(lián)成一板，16板串聯(lián)成一個電池包。每個電池與電極板之間用保險絲連接。特斯拉Model S電池電池成組特斯拉ModelS將每7特斯拉Model S電池電池管理特斯拉電池管理系統(tǒng)的核心技術為電池溫度管理系統(tǒng)和電荷平衡系統(tǒng)。特斯拉所申請的知識產(chǎn)權大都與電池安全控制系統(tǒng)相關，包括電池冷卻系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、電荷平衡系統(tǒng)等。特斯拉Model S電池電池管理特斯拉電池管理系統(tǒng)的核心驅(qū)動電機技術電動汽車技術概述動力電池技術驅(qū)動電機技術電

13、動汽車專用零件電動汽車整車設計電動汽車技術發(fā)展電機類型電機性能比較電機控制驅(qū)動電機技術電動汽車技術概述電機類型電機類型電機類型直流驅(qū)動直流有刷電機正弦波驅(qū)動交流異步電機永磁同步電機矩形波驅(qū)動直流無刷電機開關磁阻電機直流有刷電機交流異步電機永磁同步電機直流無刷電機開關磁阻電機定子：永磁體或勵磁繞組轉(zhuǎn)子：電樞繞組定子：電樞繞組轉(zhuǎn)子：感應繞組定子：電樞繞組轉(zhuǎn)子：永磁體定子：電樞繞組轉(zhuǎn)子：永磁體定子：電樞繞組轉(zhuǎn)子：鐵芯電機類型電機類型直流驅(qū)動直流有刷電機正弦波驅(qū)動交流異步電機永電機性能比較電動機類型比較性能直流電動機交流感應電動機永磁同步電動機開關磁阻電動機功率密度低一般高一般力矩轉(zhuǎn)速性能一般好好好轉(zhuǎn)

14、速范圍（r/min）4000600090001500040001000015000峰值效率（%）8589949595978590過載能力（%）200300500300300500尺寸/質(zhì)量大/重一般/一般小/輕小/輕可靠性差好優(yōu)良好結構的堅固性差好一般優(yōu)良操作控制性最好好好好主要優(yōu)勢優(yōu)良的控制性體積小、易維護控制器簡單簡單、可調(diào)范圍寬主要劣勢有刷，維護困難控制較復雜價格較貴轉(zhuǎn)矩波動、非線性應用前景早期，逐步淘汰應用最多逐步推廣較少、有待發(fā)展電機性能比較電動機類型直流電動機交流感應電動機永磁同步電動機電機控制傳統(tǒng)控制電壓控制電流控制頻率控制弱磁控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制智能控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡控制

15、PID控制自適應控制電機控制器（MCU）是根據(jù)整車控制器（VCU）的指令，將動力電池的直流電轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機所需的電流，來控制電機的啟停、速度、正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者將制動能量回收到電池隨著電動汽車和控制技術的發(fā)展，現(xiàn)代控制和智能控制已成為趨勢電機控制傳統(tǒng)控制電壓控制電流控制頻率控制弱磁控制矢量控制直接電動汽車專用零件電動汽車技術概述動力電池技術驅(qū)動電機技術電動汽車專用零件電動汽車整車設計電動汽車技術發(fā)展整車控制器電源變換器再生制動系統(tǒng)制動助力系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)電動汽車專用零件電動汽車技術概述整車控制器整車控制器整車控制器通過CAN總線獲得電機和電池系統(tǒng)的相關信息，結合駕駛員操作信號，進行分析和運算，給出電

16、機控制和電池管理指令，實現(xiàn)整車驅(qū)動控制和能量優(yōu)化管理。功能電器高壓配電盒動力電池驅(qū)動電機電機控制器電池管理系統(tǒng)整車控制器儀表顯示操作信號轉(zhuǎn)速車速電池SOC故障警示人機界面啟動開關換擋開關加速踏板制動踏板空調(diào)開關充電開關高壓CAN整車控制器整車控制器通過CAN總線獲得電機和電池系統(tǒng)的相關信電源變換器直流/直流（DC/DC）給轉(zhuǎn)向、制動小功率直流電機供電給低壓蓄電池充電，給低壓用電器供電不同電源之間的特性匹配，如燃料電池組和動力電池的混合，主電源與輔助電源的混合直流/交流（DC/AC），又稱逆變器交流電機驅(qū)動交流/直流（AC/DC），又稱整流器車載充電機充電交流電機能量回收電源變換器直流/直流（D

17、C/DC）給轉(zhuǎn)向、制動小功率直流電機再生制動系統(tǒng)電動汽車的再生制動是利用電機的可逆性原理，減速或者滑行時由車輪拖動電機發(fā)電并產(chǎn)生反向制動力矩，其本質(zhì)是電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率超過電機的電源頻率，電機工作于發(fā)電狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能并通過逆變器的反向續(xù)流二極管給電池充電。在行駛工況變化比較頻繁的路段，采用制動能量回收可增加續(xù)駛里程約20。電動汽車再生制動關鍵技術：制動安全性、制動能量回收率、各工況下制動控制策略提高制動安全性制動意圖識別：減速、緊急制動主從動軸制動力的分配問題再生制動系統(tǒng)與ABS等系統(tǒng)的匹配再生制動與機械制動的過渡與補償提高制動能量回收率提高電源系統(tǒng)峰值功率合理分配再生制動與摩擦制動

18、力更有效的控制算法不同工況的制動控制策略緊急制動：以機械摩擦制動為主，電氣制動輔助減速停車：電氣制動減速，摩擦制動停車下坡制動：再生制動為主電池SOC0.8：純機械摩擦制動再生制動系統(tǒng)電動汽車的再生制動是利用電機的可逆性原理，減速或制動助力系統(tǒng)燃油車液壓制動系統(tǒng)依賴發(fā)動機為真空泵提供負壓助力，一旦發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)，真空泵停止工作，剎車踏板變硬。電動汽車不具備發(fā)動機作為真空來源，但可以采用電動真空泵、真空罐給制動主缸抽真空，給制動提供助力。1. 電動真空助力制動制動助力系統(tǒng)燃油車液壓制動系統(tǒng)依賴發(fā)動機為真空泵提供負壓助力制動助力系統(tǒng)2.電動助力制動博世 iBooster 駕駛員踩剎車踏板，踏板行程

19、傳感器2探測到輸入桿6的位移，將該位移信號發(fā)送至控制器5，控制器5計算出電機應產(chǎn)生的伺服制動力。伺服制動力、踏板踩踏力，在制動主缸4內(nèi)共同轉(zhuǎn)化為制動液壓力。制動助力系統(tǒng)2.電動助力制動博世 iBooster 駕駛員踩制動助力系統(tǒng)3. 全電控剎車系統(tǒng)取消助力以及液壓結構，直接在四個車輪卡鉗中安裝電動機，利用電動機驅(qū)動剎車片擠壓剎車盤?？杉芍苿幽芰炕厥?，一般用于非驅(qū)動輪。全電動剎車單純依靠電動機施加壓力，目前的技術還不夠快，不夠強，不像液壓系統(tǒng)在“杠桿效應”下可以快速獲得巨大的制動力，因此沒有被大規(guī)模使用。制動助力系統(tǒng)3. 全電控剎車系統(tǒng)取消助力以及液壓結構，直接在空調(diào)系統(tǒng)燃油車：發(fā)動機帶動壓縮

20、機電動汽車：電動壓縮機燃油車：利用發(fā)動機冷卻液的余熱電動汽車：電加熱PTC熱敏陶瓷，水暖、風暖1. 壓縮機改為電力驅(qū)動，暖風機改為電加熱電動汽車制暖問題：制暖耗電量大于制冷，使用電加熱制暖， 續(xù)航里程最多可能減半空調(diào)系統(tǒng)燃油車：發(fā)動機帶動壓縮機燃油車：利用發(fā)動機冷卻液的余空調(diào)系統(tǒng)2.熱電空調(diào)熱電發(fā)電(Seebeck效應)熱電制冷(Peltier效應)塞貝克效應：把兩種不同的金屬絲連接成一個閉合電路，把兩個連接點放在溫度不同的兩處，就會在兩個連接點之間產(chǎn)生一個接觸電動勢，閉合電路中就有電流通過。帕爾帖效應：把兩種不同的金屬絲連接成一個閉合電路，通以直流電，就會產(chǎn)生一個連接點變熱，另一個連接點變冷

21、。如果電流方向反向，那么結點處的冷熱作用互易。一些半導體材料具有較高的熱電勢可以用來做成小型熱電制冷器。如圖：用銅板和銅導線將N型半導體和P型半導體連接成一個回路，便構成的熱電偶元件。優(yōu)點：結構簡單、體積小、啟動快、控制靈活，操作具有可逆性，既可制冷，又可制熱缺點：產(chǎn)冷量小、效率低、耗電多，缺少更好的半導體材料，半導體電堆的元件價格很高?？照{(diào)系統(tǒng)2.熱電空調(diào)熱電發(fā)電(Seebeck效應)塞貝克效應電動汽車整車設計電動汽車技術概述動力電池技術驅(qū)動電機技術電動汽車專用零件電動汽車整車設計電動汽車技術發(fā)展電動汽車車身構架電動汽車動力性電動汽車經(jīng)濟性電動汽車安全電動汽車整車設計電動汽車技術概述電動汽車

22、車身構架電動汽車車身構架VW E-Up從VW Take Up到VW E-Up：車架方向改變增加電池空間加強車架提高車身縱向剛度和電池承載能力額外的電池承載橫梁地板上凸改變增加電池空間134324VW E-UpVW 1.0 Take Up電動汽車車身構架VW E-Up從VW Take Up到V電動汽車車身構架Bolt EV Up-gaugeDown-gaugeNo change雪佛蘭BoltEV 車體結構：平坦的地板電池箱的部分鋼筋作為車體結構基于CAE分析結果優(yōu)化汽車結構電動汽車車身構架Bolt EV Up-gaugeDown電動汽車車身構架Model S后連接鑄件前連接鑄件前縱梁與門檻梁連接

23、鑄件特斯拉Model S車體結構：門檻梁貫通前后縱梁，取代地板下的車架，地板全平電池寬度基本與輪距等寬，長度接近軸距長采用擠壓成型門檻梁，下部嵌入8個電池包螺母安裝條，安裝條可抽出更換（針對換電模式）門檻梁電動汽車車身構架Model S后連接鑄件前連接鑄件前縱梁電動汽車動力性純電動汽車的動力性評價指標、行駛阻力及計算方式與燃油車相同，只是發(fā)動機與電動機的機械特性及驅(qū)動力不一樣電動機工作特性：變速電機通常在低于基速時具有恒轉(zhuǎn)矩特性，高于基速時具有恒功率特性發(fā)動機與電動機的機械特性曲線電動汽車動力性純電動汽車的動力性評價指標、行駛阻力及計算方式電動汽車動力性燃油車與電動汽車的驅(qū)動力曲線Ft電機本身

24、具有很寬的工作范圍，基本不必通過多擋變速機構即可提供汽車正常行駛所需要的動力性能。因此電動汽車驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖、加速度圖以及爬坡度圖比燃油汽車的簡單。電動汽車動力性燃油車與電動汽車的驅(qū)動力曲線Ft電機本身具有很電動汽車經(jīng)濟性等速工況續(xù)駛里程計算：EUDC試驗循環(huán)工況1：市區(qū)循環(huán) 2：市郊循環(huán) 3：基本的市區(qū)循環(huán)評價指標：能量消耗率（Wh/km）=電能消耗量/行駛里程市郊循環(huán)工況試驗（NEDC）：測定方法：GB/T 18386電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法65款電動汽車每1000kg能量消耗率均值：10kWh/100kmtEB電池組能量T傳動系統(tǒng)機械效率mc電動機及控制器效率DOD蓄

25、電池放電深度，一般要求DOD75%q蓄電池放電效率電動汽車經(jīng)濟性等速工況續(xù)駛里程計算：EUDC試驗循環(huán)工況評價電動汽車安全電動汽車安全新問題：起火高壓安全誤起步（起步?jīng)_車）制動效能熱衰減電動汽車安全電動汽車安全新問題：電動汽車安全起火原因鋰電池本身易于起火爆炸材料：電解液為可燃或易燃有機溶劑，電極材料解析出金屬鋰結晶，見空氣即自燃內(nèi)部短路：隔膜老化或內(nèi)部金屬結晶刺穿隔膜熱失控：充放電釋放熱量，高溫導致材料直接燃燒，或電解液氣化導致外殼破裂，負極暴露空氣中自燃過充電：充電越滿，內(nèi)阻越大，極化越嚴重，材料活性越高電池包布置、管理設計問題數(shù)千電池打包成組以及碰撞、擠壓的使用環(huán)境加劇了電池熱失控和短路

26、風險電池管理系統(tǒng)對電池的過充、過溫、均衡管理不當車輛設計、使用問題車輛線路故障、絕緣損壞、短路、過載導致車身易燃材料著火國家質(zhì)檢總局缺陷產(chǎn)品管理中心近日發(fā)布的一份公告稱，2018年已發(fā)生新能源汽車起火事件40余起，對相關新能源汽車產(chǎn)品啟動調(diào)查顯示，缺陷原因多為電控和機械故障 電動汽車安全起火原因鋰電池本身易于起火爆炸材料：電解液為電動汽車技術發(fā)展電動汽車技術概述動力電池技術驅(qū)動電機技術電動汽車專用零件電動汽車整車設計電動汽車技術發(fā)展電動汽車技術發(fā)展頸瓶潛在的新型電池政策導向總結：我們?nèi)绾瓮卣闺妱悠嚰夹g發(fā)展電動汽車技術概述電動汽車技術發(fā)展頸瓶電動汽車技術發(fā)展頸瓶能量密度提升難液態(tài)鋰離子電池理論能量密度為360Wh/kg，三元鋰電池已經(jīng)快到能量密度的“天花板”充電速度縮短難慢充受供電體系的限制，功率無法提升快充已經(jīng)達到電池內(nèi)部電化學反應速度的極限，且對電池損害大車輛成本降低難鋰、鈷、鎳等稀缺金屬材料價格不會因電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展而降低，反而會因需求增加而飛漲一