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浅谈新能源汽车三电系统

 新用户18032422 2023-10-05 发布于湖南

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传统的燃油车时代,汽车最重要的三大件分别是发动机、底盘和变速箱。进入新能源汽车时代,随着内燃机和变速箱的逐渐消弭,燃油车时代的三大件已经不能评估汽车的核心,取而代之的是“三电系统”,即电池、电机和电控三个部分。“三电”技术既是核心技术,也是基础技术,不管是从技术方面还是产业链方面,三电系统都是新能源车区别于传统燃油车最关键的特征,下面就简单聊聊新能源汽车三电系统。

一、电池系统

三电系统中的“电池”特指为整车提供动力来源的高压电池,也称动力电池,它主要用于接受和存储由外置充电装置和制动能量回收装置提供的电能,并通过高压配电系统为驱动电机、电动空调压缩机、PTC加热器等高压用电设备提供电能。电池是三电系统中最受关注的,它是新能源车的续航能力的重要决定因素,其中电池容量、能量密度是影响整车续航里程的主要因素。另外,新能源汽车上一般还有几块低压电池,也称为低压电池或弱电,它主要给车辆附件(如大灯、风扇、电动车窗等)供电,确保系统的稳定运行。
新能源汽车动力电池有两种,三元锂电池和磷酸铁锂电池。下面简单阐述下两种电池的优劣势:
①在续航能力方面,三元锂电池优于磷酸铁锂电池,主要原因是三元锂电池能量密度能达到240WH/kg,几乎是磷酸铁锂电池140WH/kg的1.7倍。
②在抗低温能力方面,三元锂电池也优于磷酸铁锂电池,三元锂电池低温使用下限值为-30℃,磷酸铁锂电池低温下限值-20℃,同时在相同低温条件下,三元锂电池冬季衰减不到15%,而磷酸铁锂电池衰减高达30%以上。

③在安全性方面,磷酸铁锂电池略优于三元锂电池,因为磷酸铁锂电池热失控温度在500℃以上,三元锂电池则低于300℃,相比之下磷酸铁锂电池自燃风险较低;      ④在使用寿命方面,磷酸铁锂电池略优于三元锂电池,因为磷酸铁锂电池充放电循环次数大于3500次后才会开始衰减,使用寿命长达十年左右,但三元锂电池充放电循环次数则仅为2000次,其使用寿命仅为6年;          
  ⑤在制造成本方面,磷酸铁锂电池成本低于三元锂电池,因为磷酸铁锂电池没有贵重金属,因而生产成本较低,而三元锂电池则因为采用钴金属,随着钴金属价格的飙升,三元锂电池的制造成本直线上升。

二、电驱系统

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电驱系统即将电池提供的电能转化成机械能,从而给车辆提供驱动力。电驱系统由电机、逆变器和传动机构三部分组成。新能源汽车的电机有正转和反转之分,正转可以提供驱动力确保车辆正常驱动,反转即为倒车也可以通过电机反转的方式提供制动力,从而反向给电池充电。因此,为了降低成本,同时优化车辆空间布置,国内外电动车的传动机构都是单机减速,即去掉离合器和变速箱。
电机主要由定子、转子、机壳、连接器、旋转变压器等组成,其中定子和转子是电机最重要的部分。电机按整体技术方向可分为四大类:直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。其中直流电机因为无法实现能量回收已经被淘汰,开关磁阻电机因为噪声大等原因也较少的应用在新能源汽车上。目前交流异步电机和永磁同步电机是主要的电机类型,两种电机各项指标基本相当,但交流异步电机的控制难度较大,因此逐渐被永磁同步电机替代
逆变器是把直流电转变为交流电的装置,若一台电动汽车的逆变器能支持较高电压,则相应的电压充电流较大,功率较大,这意味着同样电流进行充电,充电功率可以等比例放大,即充电时间会缩短。若提高逆变器的支持电压,则相应的充电时逆变器产生的热量会变多,那么就需要解决逆变器中IGBT模块的散热问题,这是提高充电效率的关键问题

三、电控系统

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电控系统就是对电池和电驱的控制系统,其核心组件包括逆变器、驱动器、电源、控制器、保护模块、散热系统、信号检测模块等等一方面,电控系统可以使车辆按照设计开发的意愿在高效且安全的范围内运转;另一方面,当车辆出现异常被电控系统监测到,电控单元会及时上报预警,保障驾驶员和乘客的安全。
新能源汽车电机+电控系统作为传统发动机+变速箱功能的替代,其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。此外,电控系统需要应对一些较为复杂的工况,如满足频繁起停加减速爬坡时(低速)要求高转矩高速行驶时要求低转矩大变速范围;混合动力车还需要处理发动机启动、电机发电、制动能量回馈等特殊功能。
与燃油车一样,电控系统相当于汽车的大脑,对整个车辆的运行和动力输出进行合理的控制,相比之下,新能源汽车电气系统变化更为复杂,对电控系统的要求也更高一些

          图片           电动汽车驱动对三电系统在负载要求、技术性能和工作环境上有特殊要求:
  ①动力电池要有更高的能量密度,实现轻量化、低成本,适应有限的车内空间,
  ②驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能同时要具有能量回馈能力,降低整车能耗;
  ③电控系统要有高控制精度、高动态响应速率,并同时提供高安全性和可靠性。

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