電動(dòng)汽車電池控制器原理及技術(shù)發(fā)展趨勢研究
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 12:48
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發(fā)展電動(dòng)汽車第一個(gè)瓶頸是動(dòng)力電池,第二個(gè)瓶頸是電動(dòng)汽車電機(jī)控制器。過去無軌電車的供電是由滑觸網(wǎng)在線提供的,一直用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車,后來也改成交流電動(dòng)機(jī)了。目前電動(dòng)汽車都是用的交流電機(jī)。動(dòng)力由車載儲(chǔ)電池提供,電池對(duì)車輛只能提供直流電。電池提供的直流電,而電機(jī)又要求是交流電。也就是說,必須把直流電變成交流電,才能驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)工作。電動(dòng)汽車越來越普及,要求了解更多知識(shí)的人也越來越多了。下面對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)控制器原理及技術(shù)發(fā)展趨勢予以介紹。
一、電是一種自然現(xiàn)象及分類
電是一種自然現(xiàn)象,指電子運(yùn)動(dòng)所帶來的現(xiàn)象,是靜止或移動(dòng)的電荷所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。電流是指帶電粒子的定向移動(dòng)。工業(yè)用電多指電流,電流在負(fù)載端永遠(yuǎn)是正極流向負(fù)極。這一點(diǎn)與自然界的水流動(dòng)相似,永遠(yuǎn)從高處(正極)流向低處(負(fù)極)。
直流電是指電流在導(dǎo)體內(nèi)流向不隨時(shí)間變化,而交流電在導(dǎo)體內(nèi)流向隨時(shí)間成交替變化。工業(yè)上的直流電在時(shí)間軸上表現(xiàn)一條直線,即變化頻率為0,工業(yè)上交流電在時(shí)間軸上表現(xiàn)為正弦波變化,在中國這個(gè)正弦波變化頻率為50赫茲,即1秒正弦波變化50次。
電是攜帶能量的,就說成電能。能是有力量的,于是電能可以做功,比如驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
二、電機(jī)及分類
用電能驅(qū)動(dòng)能旋轉(zhuǎn)的機(jī)器,叫電機(jī)。用直流電驅(qū)動(dòng)電機(jī),叫直流電機(jī),用
交流電驅(qū)動(dòng)的電機(jī),叫交流電機(jī)?；诓煌芯磕康?電機(jī)的分類繁多。目前電動(dòng)汽車的電機(jī)基本上用的交流電機(jī),目前主流車用的主流電機(jī)是永磁交流電機(jī)。永磁交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),主要有3個(gè)方面:
①結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠;
②體積小,質(zhì)量輕;損耗小,效率高;
③電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等。
三、電機(jī)及控制器的原理
電機(jī)及控制器的原理見圖1。電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車前行,而電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。電機(jī)控制器由逆變器和控制器兩部分組成。逆變器接收電池輸送過來的直流電電能,逆變成三相交流電給汽車電機(jī)提供電源?？刂破鹘邮茈姍C(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)反饋到儀表,當(dāng)發(fā)生制動(dòng)或者加速行為時(shí),控制器控制變頻器頻率的升降,從而達(dá)到加速或者減速的目的。
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圖1 電機(jī)及控制器的原理
四、電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類
電動(dòng)汽車的負(fù)載是隨機(jī)變化的,具體表現(xiàn)為,車輛行駛方向有前行和倒退,有加速和減速。電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本功能是控制電機(jī)的工作,確保汽車的前行和倒退、加速和減速自如。基本分類:
①直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng): 一般采用脈寬調(diào)制(PWM)斬波控制方式,其特點(diǎn)是控制技術(shù)簡單、成熟、成本低,但效率低、體積大等。
②交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) : 一般采用脈寬調(diào)制(PWM)斬波控制方式,高壓直流到三相交流的電源變換,采用變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速,采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的快速響應(yīng)。
③交流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) :目前主流的是采用PWM方式實(shí)現(xiàn)高壓直流到三相交流的電源變換,采用變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速,其低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小且高速恒功率區(qū)調(diào)速更穩(wěn)定。
目前純電動(dòng)汽車主流用的是:永磁同步電機(jī),采用稀土永磁體勵(lì)磁,與感應(yīng)電機(jī)相比不需要?jiǎng)?lì)磁電路,具有效率高、功率密度大、控制精度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等特點(diǎn)。
五、電動(dòng)汽車電機(jī)控制器基本趨勢是集成
目前城市配送電動(dòng)車電機(jī)控制器已經(jīng)做到“五合一”水平,代表發(fā)展方向。目前的產(chǎn)品有5大類:
①單主驅(qū)控制器、輔件三合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC);
②輔件五合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU+雙源EPS控制器);
③乘用車控制器(集成:主驅(qū)+DCDC);
④物流車三合一控制器(集成:主驅(qū)+DCDC+PDU);
⑤物流車五合一控制器(集成:主驅(qū)+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU)。
六、多合一的電機(jī)控制器功能介紹
現(xiàn)在所使用的鋰離子電池成本較高，技術(shù)也不成熟，所產(chǎn)的鋰離子電池存在不少安全隱患。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王振波表示。
據(jù)了解，近年來大型動(dòng)力電池事故頻發(fā)，很大程度上是由于電池內(nèi)部使用液態(tài)電解質(zhì)。“是否安全對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能來說非常關(guān)鍵。”清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮強(qiáng)調(diào)。
“目前選擇使用的液態(tài)有機(jī)電解液易燃易爆，用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，是我們公認(rèn)可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。”中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木表示。
李亮亮說：“固態(tài)電解質(zhì)不易燃，還不會(huì)產(chǎn)生液態(tài)電解液，因此不帶腐蝕性，是解決電池安全性問題的有效方法，也
符合未來電池發(fā)展的趨勢。”
技術(shù)瓶頸待突破
據(jù)了解，高安全性是儲(chǔ)能電池應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，固態(tài)化是解決二次電池安全性的有效途徑。固態(tài)鋰電池已進(jìn)入全球加快布局和研發(fā)的階段，很多著名機(jī)構(gòu)都在開發(fā)固態(tài)鋰電池。包括韓國三星、日本豐田和我國眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，目前已有部分電池進(jìn)入裝車測試階段。盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問題，發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風(fēng)順。
首先，高效的電解質(zhì)材料體系缺乏。董衫木認(rèn)為，“現(xiàn)今固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的差距。”
其次，固態(tài)電解質(zhì)和電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面臨的一大難題。“在固體電解質(zhì)中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質(zhì)體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。”李亮亮指出。此外，在固態(tài)鋰電池中，電極內(nèi)部還存在復(fù)雜的多級(jí)界面，電化學(xué)以及形變等因素都會(huì)導(dǎo)致接觸失效影響電池性能。
再次，長期使用時(shí)穩(wěn)定性不理想也是長壽命儲(chǔ)能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。
新技術(shù)層出不窮
據(jù)介紹，針對(duì)固態(tài)電池，我們要從最基礎(chǔ)的材料、界面、單體，一直到最終的系統(tǒng)模塊進(jìn)行研究，只有從根本上解決了關(guān)鍵材料和界面問題，才能開展系統(tǒng)的工藝研究，從而滿足單電池的性能要求。
面對(duì)發(fā)展過程中接連不斷的挑戰(zhàn)，各種新技術(shù)“百家爭鳴”。
比如，在固體電解質(zhì)材料上，業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)基于石榴石結(jié)構(gòu)的鋰鑭鋯氧（LLZO）固體電解質(zhì)體系的固態(tài)電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，它也因此成為一大技術(shù)熱點(diǎn)。“LLZO是一種性能優(yōu)異的填料，能夠提高聚合物基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的性能?；贚LZO的固態(tài)電池循環(huán)1000次后容量仍能保持81%。”李亮亮介紹。
而界面處理的研究熱點(diǎn)主要集中在界面設(shè)計(jì)及修飾層上，目前凝膠化的界面設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了較好成果。通過凝膠態(tài)的聚合物對(duì)界面進(jìn)行修飾，增加接觸面積的同時(shí)還可以緩沖循環(huán)過程中的體積效應(yīng)，在室溫下經(jīng)過300次循環(huán)，基本無退化，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好的改善了電池性能。
