电动汽车关键技术
飞轮电池。飞轮以一定角速度旋转时就具有一定的动能,飞轮电池正是 以其动能转换成电能的。它有一个电机,充电时为电机,电机带动飞轮 加速(储能)放电时为发电机对外输出电能。飞轮电池的比能量可达 150w·h/kg,比功率达5000-10000W/kg,使用寿命长达25年,可供电动 汽车行驶500万公里。
汽车轻量化技术存在的问题
轻量化技术涉及众多学科的研究领域,需要运 用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知 识体系,而在目前的研发体系下,各研发机构 往往只注重单个技术的研发,很少开展各技术 间的交叉与融合。
产、学、研结合不够紧密,没有明确定位、合 理分工,基础研究和技术开发研究的有机衔接 不够,企业规模小而分散,轻量化技术开发能 力薄弱,研发人才短缺,工艺水平落后。
综述
众多的电动汽车研发的关键技术中,首推动力电 池及其管理的关键技术,因为这涉及电动汽车的续驶 里程、加速、爬坡等动态运行行能,以及能量的高转 换效率等,而在实现这些关键的技术性能指标时,动 力电池管理系统的重要性必然凸现,正如美国爱达华 国家实验室的布尔克这样写道:“只有在研究开发出能 够精确测量电池温度和寿命变化及其影响的方法之后, 才能将任何蓄电池放心地用于电动汽车上。到目前为 止,所测试过的电池管理系统都不能精确地测量电池 的充电与放电情况,不能控制电池的循环寿命。近几 年来,(尽管)电动汽车电池能量管理系统的研究取得 了相当大的进展,但是这些系统都不够可靠。”
电源管理与控制技术
由于电池系统的复杂性必须进行各种管理调度:包括充 放电控制与管理;容量检测;电池组管理(电池组电压电 流检测、容量平衡、电池系统故障定位等);再生制动 能量的回收控制和再分配等。显然,高水平的能量利 用,就必须实时地监测电池系统内以及主电源与辅助 电源之间的能量转移,能够平滑瞬间电流冲击,自主 检测与显示各电源系统的剩余电量、门限预警(充放电 电压与电流、充放电终止条件、剩余容量告警等)、驾 驶剩余里程显示等。应指出,在这些方面的开发研究 起始时间还很短.
电源管理与控制技术
电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM),是电池与用户之间的纽带,主要对象是 二次电池。 二次电池存在下面的一些缺点,如存储能 量少、寿命短、串并联使用问题、使用安全性、电池 电量估算困难等。电池的性能是很复杂的,不同类型 的电池特性亦相差很大。 电池管理系统(BMS)主要 就是为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过充 电和过放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。
电池剩余电量的确定时BMS中的重点和难点。由于电动汽车电池在使 用过程中表现的高度非线性,使准确估计SOC具有很大难度。传统的SOC 基本估算方法有开路电压法、内阻法和安时法等。今年来又相继研发出 许多对电池SOC的新型算法,例如模糊逻辑算法模型、自适应神经模糊 推断模型、卡尔曼滤波估计模型算法以及新出现的线性模型法和阻抗光 谱法等。实际应用中,安时法是目前最常用的方法,且和其他方法组合 使用,如安时一内阻法、安时一Peukert方程法等。
锂电池。它的最大优点是比能量高,它种类繁多,常见的有锂离子电池、 高温锂熔盐电池、锂聚合物电池和锂聚合物团体电解质电池等。它的比 能量的理论值为570w·h/kg,目前达到的比能量为100w·h/kg,比功率 200W/kg,循环使用寿命为1200次,充电时间2一4小时。
锌空气电池。它的潜在比能量在2000w·h/kg左右。但锌空气电池目前 尚存在寿命短、比功率小,不能输出大电流及难以充电等缺点。
(7)自检报警 自动检测电池功能是否正常,及时对电池有效性进行判断,若发 现系统中有电池失效或是将要失效或是与其它电池不一致性增大 时,则通知管理系统发出示警信号。
(8)上位机管理系统 电池管理系统设计了相应的上位机机管理系统,可以通过串口读 取实时数据,可实现BMS数据的监控、数据转储和电池性能分析 等功能,数据可灵活接口监视器、充电机、警报器、变频器、功 率开关、继电器开关等,并可与这些设备联动运行。
镍氢蓄电池。它和镍镉蓄电池一样也属于碱性电池,其特性和镍 福电池相似。不过镍氢蓄电池不含铜、铅,不存在重金属污染问 题。由于价格较高目前尚未大批量生产。
电池分类
钠硫蓄电池。钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车蓄电池,钠硫蓄 电池主要存在高温腐蚀严重,电池寿命较短,性能稳定性及使用安全性 不太理想等问题。
电动汽车工作原理框图
原理简介
电池通过控制系统向电动机供电,在电动机中电能转化为机械能 动力并传给传动系,最后传给驱动车轮,力图使驱动车轮转动, 并通过与地面间的相互作用产生使汽车行驶的牵引力。
由驾驶员操纵的加速踏板带有传感器(电位计式或差动变压器式 位置传感器),将加速踏板的位置便成电信号送入控制器,控制 汽车的行驶速度。
电动汽车轻量化
在电池技术还没有大突破的前提下,开展全复合 材料轻量化车身的研究,在某种意义上讲,能起到事 半功倍的效果。
在钢制材料基础上采用的所有产品、工艺技术手 段和措施,最多能减轻质量10%~12%,不能满足电 动汽车减重的需要。相对传统汽车的轻量化,电动汽 车整车的轻量化重点应放在轻量化材料的应用上。采 用复合材料为车身材料和以轻质金属或碳纤维为车体, 并辅以相应的结构设计、制造技术为核心的轻量化技 术,目前是现实的选择。
电池管理系统的功能
(3)电气控制 德国的JossenA等研究人员认为电气控制需要实现的功能有:控制 充电过程,包括均衡充电,根据SOC、电池健康状态(SOH)和温 度来限定放电电流。电气控制中需要结合所使用的电池技术和电 池类型来设定一个控制充电和放电的算法逻辑,以此作为充放电 控制标准。
(4)安全管理和控制 电池自身的安全问题,尤其是锂离子电池在过充电时会着火甚至 爆炸,因电池使用的安全问题是国内外各大汽车公司和科研机构 当前所面临和必须解决的难题,它直接影响电动汽车是否能够普 及应用。电动汽车的动力来源,其重要性仅次 于电池。它将电能转变为机械能,通过传动系 统将运动传递到车轮,克服空气阻力、滚动摩 擦阻力和加速阻力而前进。其中电动机的控制 技术决定了电机的实际运行和整车的运行性能。
电机控制器现状
目前,从国外引进的电动汽车电机控制器存在以下几个特点:(1) 采用的核心控制芯片落后,例如太阳电公司采TMS320LF240, 没有采用TMS320LF2407和TMS320LF2812等最新的控制芯片, 使得某些更优化的算法无法实现;(2)控制器价格昂贵,22kw的驱 动系统(电机、减速器、电机控制器)需要数万元一套,限制了我 国电动汽车的产业化;(3)对我国的用户不提供源程序,缺乏自主 知识产权,不能很好地与汽车进行匹配。国内电动汽车研究情况 如下:(1)装车用的电机控制器大多采用国外的成品,不拥有自主 知识产权;(2)电机控制器的研究与汽车研究分离,整车匹配效果 不好;(3)针对电动汽车的电机控制理论研究不深入,产品性能不 完善,未形成一只成熟的研发队伍。因此,我国当前应该注重电 动汽车科研队伍的建设,提高自主研发能力,形成具有自主知识 产权的产品。
汽车轻量化技术
汽车轻量化技术是汽车节能的重要手段, 试验表明:汽车质量每下降10%,能源消耗约 下降3%一5%。
目前,国内汽车轻量化材料正在加速发 展,车用高性能钢板、镁合金己车上有所应用。 如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。 上世纪80年重庆汽车研究所就开展了双相钢研 究;一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车上进行 了高强度钢板的初步应用试验。
电池分类简介
铅蓄电池。铅酸蓄电池广泛用作内燃机汽车的起动动力源,它也 是成熟的电动汽车蓄电池。它可靠性好、原材料易得、价格便宜, 比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点: 一是比能量低,另一个是使用寿命短,这限制了它在电动汽车中 的应用前景。
镍镉蓄电池。可快速充电,使用寿命是铅酸蓄电池的两倍多,可 达到2000多次,但价格为铅酸蓄电池的4一5倍。它的初期购置 成本虽高,但由于其在比能量和使用寿命方而的优势,因此其实 际使用成本并不比铅酸蓄电池高多少。使用镍镉电池注意的问题 是,重金属锅造成环境污染。
情况
目前几乎在全世界达成共识,混合动力将是传 统燃料汽车向新能源汽车过渡的最佳方式。现 在所有的汽车企业以及科研机构都将精力投入 到这个方向,王传福则希望自己的“杀手 锏”——纯电动车能够迅速帮助比亚迪崛起, 实现自己近乎疯狂的梦想。 比亚迪的‘铁电池’是磷酸铁锂电池,可能是 出于宣传上的需要,简称为‘铁电池’,而实 际上还是一种锂电池。
电池管理系统的功能
综合国内外的研究工作、目前所涉及的电动汽车共BMS通常包含以 下功能组成部分:数据采集、剩余容量(SOC)的估算、电气控制(充放电 控制、均衡充电)、热管理、安全管理和数据通信。 (l)数据采集
在BMS中,采集到的数据是对电池做出合理有效管理和控制的基础。 因此,数据的精度、采样频率和数据过滤非常重要。锂离子电池的安全 性要求高,对电压敏感,所以必须采集每个单体电池的电压监测到每个 电池的温度。 (2)SOC的估算
由驾驶员操纵的制动踏板也带有传感器,当汽车减速或制动时, 制动踏板位置传感器将信号传给主控制器,主控器识别信号和汽 车行驶状态后,发出指令,使汽车进入减速滑行、减速再生制动、 再生和机械联合制动或机械制动等状态。
电池与充电技术
电动汽车的成败关键仍然是电池。动力电池是电动汽车的动力源, 电池的选择将直接关系到整车的性能。电动汽车动力电池的主要 性能指标是比能量、比功率和使用寿命等,现代电动汽车对车用 电池的要求如下: (l)高能量密度(W·h/kg)及功率密度(W/kg)(2)长的循环寿命;(3)充 电方便、迅速;(4)低的制造成本;(5)低的内阻及自放电率;(6)不污 染环境;(7)能在较宽的环境温度范围内工作;(8)少维护或免维护;(9) 使用安全;(10)适应大批量生产的要求。 目前在动力源的功率密度和能量密度上,动力电池还远远落后于 燃油汽车中对应的内燃机,这是制约电动汽车研究的首要技术难 题,也是电动汽车市场化的关键所在。应指出,当前可用的充电 电池中尚没有一种可以完全满足电动汽车在能源技术上的需求。