新能源汽车研究报告.pdf

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新能源汽车电机驱动系统包括电力电子变换器以及相应的控制
器。电力电子变换器由固态器件组成,主要作用是将大量能量从电源
传递给电机输入端。控制器通常由微控制器或数字信号处理器和相关
的小信号电子电路组成,其主要作用是处理信息以及产生电力变换器
半导体开关器件所需的切换信号。电机驱动系统主要部件、储能装置
以及电机之间的关系如图所示。
新能源汽车电机驱动系统框图
功率变换器包括直流变换器和交流变换器,直流变换器用于驱动
直流电机,直流变换器用于驱动交流电机。这两种功率变换器的功能
实现如图所示。功率变换器是由大功率、快速响应的半导体器件组成。
电机驱动系统的电力电子电路中的固态器件的作用是作为通或断的
电子开关将恒定电压变换为可变频、可变压的电源。所有的功率器件
都有一个控制输入门极(或栅极或基极)功率器件根据控制器输出的
控制信号导通或者关断。在过去的20多年,功率半导体技术迅猛发
展,使得直流和交流电机驱动系统朝着小型、高效和可靠的方向快速
发展。在纯电动汽车及混合动力汽车电机驱动系统中,最常用的功率
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器件是IGBT。IGBT的电压、电流范围以及开关频率完全满足电驱动
系统的要求。
DC/DC及DC/AC变换器的作用
新能源汽车驱动系统控制器管理和处理系统信息以控制电驱动系
统的功率流向。控制器根据驾驶员的输入指令进行动作,同时要遵循
电机的控制算法。经过几十年的发展,各种电机都有很多种控制算法。
在这些控制算法中,有些是用于高性能驱动系统的,另外一些是用于
要求较低的调速驱动系统。电力牵引用的电驱动系统需要响应快、效
率高,因此其被归类为高性能驱动系统的范畴。这些电机驱动系统控
制算法是计算密集型的,需要快速的处理器及相当多的反馈信号接
口。现在的处理器基本都是数字信号处理器,取代了原的来模拟信号
处理器。与模拟信号处理器相比,数字信号处理器不仅可以降低漂移
和误差,同时短时间内处理复杂算法的能力方面性能也有了较大的提
高。控制器实际上是一个嵌入式系统,其中微处理器、数字信号处理
器通过外围接口电子模块进行信号处理。接口电路由A-D、D-A转换
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器构成,主要用于处理器和其他组件之间的通信。数字I/O电路主要
用于接收输入数字信号,同时给各个功率半导体器件输出控制信号。
与交流电机相比,尽管直流电机结构复杂,但是直流电机驱动相
对要简单些。通过简单的直流电机驱动模型,可以很好地了解驱动系
统和负载之间的相互关系。从另一方面讲,尽管交流电机比直流电机
相对简单些,但是交流电机的驱动系统是非常复杂的。交流电机驱动
系统采用标准的六开关逆变拓扑电路和PWM技术产生三相正弦波形
来驱动交流电机。
在纯电动卡车中另外一个部件也是相当的重要,那就是电池管理控制
系统,电动汽车电池管理系统BMS主要用于对电动汽车的动力电池参
数进行实时监控、故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、
漏电监测、显示报警,充放电模式选择等,并通过CAN总线的方式与
车辆集成控制器或充电机进行信息交互,保障电动汽车高效、可靠、
安全运行。
电控系统可以分为BMS系统和显示系统,简单的来说就是BMS系统主
要是采集电池的数据,电池充放电状态、电池总电压、电池总电流,
每个电池箱内电池测点温度以及单体模块电池电压等。由于动力电池
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都是串联使用的,所以这些参数的实时,快速,准确的测量是电池管
理系统正常运行的基础。
剩余电量估算:电池剩余能量相当于传统车的油量。荷电状态
(SOC)的估算是了为了让司机及时了解系统运行状况。实时采集充
放电电流、电压等参数,并通过相应的算法进行剩余电量的估计。
充放电控制:根据电池的荷电状态控制对电池的充放电,当某个
参数超标如单体电池电压过高或过低时,为保证电池组的正常使用及
性能的发挥,系统将切断继电器,停止电池的能量供给和释放。
热管理:实时采集每个电池箱内电池测点温度,通过对散热风扇
的控制防止电池温度过高。
均衡控制:由于电池个体的差异以及使用状态的不同等原因,电
池在使用过程中不一致性会越来越严重,系统应能判断并自动进行均
衡处理。
故障诊断:电动汽车电池的工作电压一般都比较高(90V-700V),
系统应监测供电短路,漏电等可能对人身和设备产生危害的状况。
电池状况预测和报警:通过对电池参数的采集,系统具有预测电
池组中单体电池性能、故障诊断和提前报警等功能,以便对电池进行
维护和更换,以保证安全。
信息监控:电池的主要信息在车载显示终端进行实时显示。
参数标定:由于不同车型使用的电池类型、数量,每个电池箱容
量和数量不同,因此系统应具有对车型、车辆编号、电池类型和电池
模式等信息标定的功能。
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