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纯电及混动新能源汽车知识全汇总

原标题:纯电及混动新能源汽车知识全汇总

来源:驱动视界

新能源车的架构

油电混合,俗称--混合动力

  • 并联式、串联式、混联式
  • 弱混、中混、重混
  • 非插电式、插电式
  • 电池 组动力电池技术

电电混合;俗称--电动汽车

  • 燃料电池 技术 + 动力电池
  • 超级电容技术 + 动力电池

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。

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。

▲纯电动汽车架构

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。

混合动力运用技术

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!

混合动力车经济使用能量特性分类

MicroHybrid弱混

  • 电功率比例(混合度):5%
  • 功能:

1、发动机起、停

2、发动机驱动、优化

3、电动机轻微助力、发电

  • 理论最大节油效果:5~10 %

mildHybrid轻混(中)

  • 电功率比例(混合度):5~25 %
  • 功能:

1、发动机起、停

2、发动机驱动、优化

3、电机助力、发电

4、自动能量回收

  • 理论最大节油效果:15~40 %

FullHybrid全混(强)

  • 电功率比例(混合度):25~50 %
  • 功能:

1、发动机起、停

2、发动机驱动、优化

3、电机助力、发电

4、制动能量回收

5、纯电动行驶

  • 理论最大节油效果:25~50 %

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

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

▲丰田HV控制系统组成结构信息方框图

HV 蓄电池控制原理

电池管理系统(Battery Management System 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。

纯电动车大面积电池组的安装布置

电池种类:

  • 铅酸电池
  • 三元锂电池(镍、钴、錳)
  • 三元锂电池(镍钴铝)
  • 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Model S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Model S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

每一组电池组都有独立的电池管理系统BMS,位于电池组的侧面,在电池板的输出端同样有电池板的电池管理系统。

特斯拉电池管理器控制单元

电池管理系统为特斯拉自行研发,电路板上有大量电容电阻,并且有小型处理器,该系统对电池充放电整个处理算法较为复杂。

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。

大众驱动电机(发电机)结构

些混动车型的驱动电机集成在发动机和变速箱之间,这种技术结构的混动系统大多数使用永磁同步电机。

混合动力传动桥(变速器)

混合动力传动桥(变速器)

2 种类型的油泵

  • 机械油泵
  • 电动油泵(LS600h 和 GS450h)

混合动力传动桥(变速器)

传动桥阻尼器:减小传输动能时产生的振动。

内置式电机组合与结构特点

内置于混合动力传动桥的 MG1 和 MG2 为紧凑、轻量且高效的交流永久磁铁电动机。

MG1 和 MG2 均由定子、定子线圈、转子、永久磁铁和解析器(转速传感器)组成。

备注:通过将 V 型永久磁铁置于转子内,可利用磁阻转矩*增加转子的扭矩,从而提高输出扭矩。

永磁式电动机转子磁块结构原理

转子的多块永磁体组成V字形嵌入在转子内(多层)、实现共同励磁、有效增加气隙磁通(0.20~1.2mm),减少漏磁(充磁更集中)、提高电机输出功率,现代汽车驱动电机的转子大多采用这种转子结构,省去了铜线材料。

转子中嵌入的永久磁铁可形成磁通量难以穿透的区域。磁阻转矩是转子尝试沿磁铁磁阻路径变小的方向旋转产生的转矩。磁阻转矩的方向与南北极无关。

MG1 主要用作发电机,其提供电能以驱动 MG2 并对 HV 蓄电池充电。此外,起动发动机时,MG1 用作起动机。采用密集绕组型线圈以使 MG1 更为紧凑。

MG2 主要用作电动机以驱动车辆,并利用 MG1 和 HV 蓄电池提供的电能工作。此外,在减速过程中对 HV 蓄电池充电时其用作发电机。采用分散绕组型线圈以确保平稳旋转。

混合动力传动桥(变速器)

2 级电动机减速行星齿轮机构(LS600h 和 GS450h)分 2 个级别来降低 MG2 的转速。

丰田普锐斯驱动电机高压线路

所有的高压线路和连接器均为橙色,以方便辨认,逆变器—电机(交流650V)

带转换变频器控制的永磁式三项交流同步电机(发电机)原理示意图

MG(电动机与发电机)

MG解析器(电动机发电机)

解析器(转速、扭矩传感器),安装在MG动力输出轴处(三根导线)。

作用:ECU 利用线圈 S 和 C 的峰值差异计算转子的绝对位置,输出信号给驱动电机控制单元,计算转速、功率、扭矩控制电动机的驱动和决定热力发动机的共同驱动方式。

MG解析器(电动机发电机)

解析器(转速传感器)原理:MG ECU 持续监视峰值,并连接峰值以形成虚拟波形。

MG ECU 根据线圈 S 虚拟波形和线圈 C 虚拟波形的相位差异判定转子方向。此外,MG ECU 根据在指定时间内转子位置的变化量计算旋转速度。

MG(电动机发电机)

温度传感器用于检测 MG1 和 MG2 定子的温度。

驱动电机易出现的问题

  • 电机散热不良温度过高
  • 高压动力导线接触不良、电阻过大、绝缘漏电
  • 定子与转子磁隙过小碰擦影响驱动性能
  • 内部部件松动产生噪声异响
  • 高压电会伤人

混动车辆组件的布置示意

混合动力车的动力控制

车辆的运行主要以:

  • 选择开关、油门踏板与制动踏板信号为确认
  • 蓄电池电量、温度与车辆速度、负荷特性为基础
  • 发动机热力和电动机电力驱动、节能环保为控制核心
  • 发动机或电动机的起停运转实施为目标

进行混合动力车可靠准确的驱动切换。

取决于电源管理系统控制单元,对电力蓄电池Soc电量、均衡值、健康值等的足量信息监控、发动机管理系统的扭矩、与车速、漏电参考,有保护自诊断功能。

1、若电量信息目标低于指示值时,混合动力控制单元会经过网络进行高速信息进行传递,通知发动机控制单元启动输出动力,并进行充电能量储存。

2、车辆匀速时也由SOC管理系统通知发动机启动运转输 出动力。

3、在车辆加速爬坡大负荷时两个动力系统同时工作输出动力。

混合动力电力与热力功能转换控制信息网络结构原理示意图

现代新能源动力驱动控制系统的基本原理

混合动力车动力切换网络管理控制结构图

直流转交流的电力控制结构与原理

关键词:HV高压电池、逆变器、电动机1、发电机2

THS II 混动系统简介( HYBRID)

带转换器的变频器总成

电动车电力驱动管理控制器

整车控制器VCU

整车控制器相当于汽车的大脑,负责在整车行驶过程中接收来自驾驶员的各项操作指令、并诊断分析整车及部件状态,综合判断,向各个部件控制器发送控制信号,使整车按照驾驶员预期安全行驶。

主要功能:

  • 工况识别
  • 整车能量管理
  • 制动能量回收控制功能
  • 电机转矩控制
  • 电动辅助部件(电动助力转向、电动空调、电动暖风、电动真空泵)
  • 故障诊断
  • 系统安全监控等

电动机控制电路系统装置(逆变器)

连接高压电池、连接电力驱动电机、根据各部信息、控制电力驱动正常运转。对电力升压、整流转换智能化控制、保证电力驱动装置能正常使用。

并对系统的各部信息、导线连接、部件功能、使用安全性,进行精确的自诊断检测、采用网络通讯传输。报警提示、便于维修检测诊断连接。

智能功率模块:驱动电路、保护电路、自我诊断电路

混合动力系统的工作原理

1.起动/停止

  • 系统确认司机把车停住了,发动机就会立即被关闭熄火。
  • 车辆加速,发动机会立即起动(与蓄电池电池蓄电状态有关)。

2.电动行驶

  • 车辆只靠电机驱动来行驶
  • 电机由高压蓄电池供电 、道路行驶 阻力过大时发动机立即启动
  • 辅助电机电力共同驱动(电机解析器、车速)

3.发电机模式

  • 车由发动机来驱动行驶
  • 发动机带动电机,来为高压蓄电池充电

4.能量回收

制动减速时能量由电机转化成电能,并存储在高压蓄电池中。

5.助力(Boost)

  • 发动机和电机一起来给车辆加速
  • 电机由电蓄能器提供电能与传统系统相比,车辆性能大幅提高。

6.滑行

  • 车辆不消耗任何能量(惯性滑行)
  • 通过脱开离合器K0来使得发动机与电机分离开
  • 根据车速,发动机处于超速断油状态或者关闭(起动由电机或者辅助起动机来完成)
  • 在能量回收过程中,电机作为发电机为12V车载电网供电

带转换器的逆变器总成

  • MG ECU:控制逆变器和增压转换器。
  • 逆变器:产生用于驱动 MG 的 3 相交流电。
  • 增压转换器:将 HV 蓄电池(直流电压 201.6 V)的电压最高升至直流电压 650 V。
  • DC/DC 转换器:将 HV 蓄电池(直流电压 201.6 V)的电压降压 14 V(用于电气零部件)

变频器总成

变压作用

  • 直流 200V←→直流 650V

变频作用

  • 直流650V←→交流650V 高电压

直流-直流 转换

  • 直流 200V 降至直流 12V

A/C 变频器

  • DC 200V→ AC 200V 驱动
  • A/C 压缩机

PRIUS (NHW20) 混合动力系统的主要特性

增压转换器位于带转换器的逆变器总成内。其可将 HV 蓄电池的电压升高至 650V。

空调压缩机(电动逆变器压缩机)由 HV 蓄电池的电压驱动。因此,对空调压缩机及相关零件进行保养时,必须小心高压零部件。

档位状态控制和显示

  • 依靠电信号来自动实施换档
  • 操作采用了瞬时换档装置

换档杆

非接触型换档 / 选择传感器(使用了霍尔IC和磁铁)

混合动力车的驱动力热力与电力的切换控制

驱动力控制的输入信号有油门踏板开度、车速、电池状态(SOC)等,控制输出信号包括发动机的要求动力、发电机转矩以及电动机转矩等。

首先根据油门踏板开度以及车速求出驾驶员需要的驱动转矩,根据该转矩和电动机的转速求出所需的驱动功率,求得的驱动功率、充电所需的动力以及系统的损失功率总和是整个系统所需的功率。

接下来首先要算出为产生这一功率而又最佳效率时的发动机转速,将其作为目标转速,并根据电动机转速计算出发电机的目标转速,在利用PID控制确定发电机的转矩,这样就可以推算出发动机的转矩,进而求出发动机传递给电动机轴的转矩。

最先算出的驱动转矩减去该传递转矩即是电动机的转矩。

当未达到该确定值时,发动机停止工作,仅靠电池的电能输出完成行驶,此时发动机所需的动力为零。

混合动力车动力控制网络结构原理图

关键词:

1.网络、网关、网线、电源控制节点、仪表节点、

2.发动机节点、蓄电池节点、制动防滑节点、

3.HV管理节点、传感器、开关、网络节点反馈、

4.执行变频器1.2节点、动力电机1、发电机2、工作、增压器节点

HV控制元件管理信息

1、开关(制动1.2、巡航、EV模式)

2、组合仪表

3、电源控制

4、收发钥匙

5、ASR气囊

6、备用电池

7、DC-DC转换

8、HV蓄电池控制

9、主控继电器

THS II主要组件系统图

丰田P410 混合动力传动桥

混合动力传动桥主要由下列组件构成

组合齿轮单元结构

齿轮传动链

混合动力传动桥

组合齿轮单元齿轮传动链

混合动力技术方案

THS(丰田混合动力系统),在一个系统中同时实现串联和并联系统的优点。THS 为串联-并联混合动力系统,该系统同时具有串联和并联混合动力系统的功能。

电动机和发电机。发电机可通过发动机动力产生电能。产生的电能用于对 HV 蓄电池充电并向电动机供电。供给动力分配设备的发动机机械动力可通过电动机进行平衡。

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