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混动和纯电动汽车三电系统的难点和解决方案

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发布:liuxianglong 来源: 驱动视界
PostTime:14-4-2019 09:26
为了提高燃油效率并遵守排放法规,日立汽车系统有限公司(Hitachi Automotive Systems, Ltd.)正在开发更小、更轻、功率密度更高的电传动系统。

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


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为了提高燃油效率并遵守排放法规,日立汽车系统有限公司(Hitachi Automotive Systems, Ltd.)正在开发更小、更轻、功率密度更高的电传动系统。

该公司通过提供逆变器、电动机和电池产品,以及集成这些产品的技术解决方案,为汽车的环保性能做出贡献。

尽管长期用于车辆动力传动系的内燃机一直在不断发展,但自本世纪初以来,随着全球范围内环保型二氧化碳减排举措的推广,仅传统内燃机车辆就可达到的法规遵从性限制预计将在2020年到2025年来临。

因此,混合动力电动汽车(HEV)和电动汽车(EV)作为环保型替代品的引进有望在全球范围内增长。

自上世纪90年代以来,日立汽车系统有限公司一直在为这些电动汽车开发和供应电力传动系统,并继续开发技术和提高性能,以期待未来环保汽车的普及。

这篇文章讨论了应用在电动汽车电控、电机和电池上的电力组件技术,以及他们的集成技术。

逆变器小型化技术

逆变器采用脉宽调制(PWM)控制,将储存在电池中的直流电(DC)转换为交流电(AC),当车辆需要驱动时由电池将电能输出给驱动电机,当需要功率再生时进行能量再生操作为电池充电。

由于车辆上的可利用空间是十分有效的,更小型的逆变器的要求不断被车企提出。为逆变器开发高功率密度的电路板成为一项持续不断的工作。

与此同时,高性能的逆变器控制技术也被用来进行扭矩控制、电机转速控制、能量回收控制,同时按照ISO26262标准要求进行包括异常检测、故障诊断和指定的功能安全措施。

为了实现这些机载应用的需求,需要在高压主电路和高性能控制电路方面进行创新,并改进结构设计技术,以便将这些组件封装在一个紧凑的PACK中,同时使机载应用能够持久地抵抗汽车的振动和产生的热量。

高功率密度和高压主电路

对450V级别的电池来说,混动和纯电动汽车的逆变器的大部分体积来自于高压主电路,所以改进主电路组件部分是减小逆变器尺寸的关键。

日立汽车系统(Hitachi Automotive Systems)通过开发双面冷却电源模块技术,实现了逆变器尺寸的大幅缩小。该技术使用不含热油脂的冷却水,使逆变器产生大部分热量的高压电源模块能够直接冷却(见图1)。

图 1 - 双面冷却功率模块

该结构能够直接用冷却水对功率半导体进行双面冷却,降低热阻,提高功率密度。

直接双面冷却结构大大降低了热阻,使电流和功率密度更高。

该双侧冷却电源模块的电流输出也可以通过改变所安装的芯片和部分封装组件进行缩放,以适应不同的车辆重量等级。

该模块的二合一结构使设计更加紧凑,主电路电感可降低,减少发电损耗,配置保证了逆变器PACK内布局一定程度的自由度。

高性能的控制电路

车载逆变器需要高性能的矢量控制操作,使用可变电压、电流和工作频率的要求,实现电动汽车的启动、加速/减速和停止的基本操作。

这些逆变器还需要使用控制器区域网络(CAN)或FlexRay支持大容量、高速通信、异常检测、扭矩安全、故障诊断和功能安全等功能。

为满足这些需求,日立开发了高性能电机控制电路技术,内置高性能中央处理器(CPU)和紧凑型功能电路。

以及响应来自控制电路的驱动信号以操作主电路电源模块的栅极控制电路。

它们需要以足够高的速度和电流运行,以跟上电力设备的最新性能发展趋势,同时确保安全可靠运行。

为了满足这些需求,日立公司开发了一种由高性能集成电路(IC)驱动的紧凑型门控电路。

紧凑、高可靠性的集成结构

上述技术已应用于日立开发并应用于产品的紧凑、高度可靠的集成结构中。

在满足车载安装要求的同时,具有较高的可靠性和耐久性。

图2所示的示例产品与之前的日立汽车系统产品相比,尺寸减小了40%,产量更高。

图 2 - 高功率密度逆变器

同时,该产品还开发了一种效率最高为94%的高效DC/DC变换器。

随着下一代低损耗SiC功率元件的使用,功率模块和驱动系统的不断发展应减少逆变器的尺寸,并增加电动汽车的行驶里程,推动未来几年电动汽车数量的增长。

它提供了车载逆变器所需的功能,而紧凑、高可靠性的封装将尺寸缩小40%,并增加了与以前的日立汽车系统产品相比的输出。

高效电机技术

标准电机背后的概念是通过设计适合各种不同类型电动汽车(HEV、EV、PHEV)以及不同尺寸的电机标准,来减少开发工作量,并标准化部件、生产设备和制造实践。同时还提供小尺寸、轻重量、高输出、高效率、安静运行和低振动等功能。

开发方法是在提高开发效率的同时,开发一种低成本的电机。针对不同主机厂的不同接口尺寸,允许在不同类型的车辆上以标准化的方式设计车辆布局,满足广泛输出要求的输出特性,适合不同类型电动车辆特性以及一系列模型变量。

标准电机定子绕组法

为使标准电机定子绕组尺寸小、转矩密度高,选用方丝波绕组。与过去使用的带圆线的分布式绕组相比,带方线的绕组在空间系数(导体截面/槽截面)上提高了约20%,在电机输出转矩密度(输出转矩/(定子铁心直径)2×定子铁心长度)上提高了约15%。通过改变线圈直线段的长度,波绕组分段线圈可以灵活地适应定子叠层长度的变化。

电机外径尺寸的选择

为了使用波绕法创建与不同尺寸的车辆和各种不同类型的电动车辆(如HEV、EV和PHEV)兼容的电机规格,日立汽车系统设计了4个不同外径的定子,每个定子槽具有不同数量的线圈。

图 3 - 每个定子设计中每个槽的线圈外径和数量

图3显示了每个设计的定子外径和每个槽的线圈数。

标准设计每个槽有4个线圈,定子外径为φ200 mm。

  • 第一种变化是在标准设计的外部增加2个线圈(每个槽总共6个线圈),定子外径为φ215mm。
  • 第二种变化增加了标准设计外的4个线圈(每个槽总共8个线圈),定子外径为φ230 mm。
  • 第三种变化是在内部增加2个线圈,在标准设计的外部减去2个线圈(每个槽总共4个线圈),定子外径为φ185 mm。

通过保持定子内径不变,改变各槽中的定子外径和线圈数,设计出了与各种电机特性相适应的设计方案。

以129.5 mm定子内径作为最小外径(185 mm)的标准,在批量生产直径为φ200 mm、φ215 mm和φ230 mm的定子时,可以通过在芯内径侧使用2线圈夹具来共享设备。

这四种定子设计可以在同一台设备上生产。它们支持各种输出特性和电机外径,从加长的圆柱形EV电机到扁平型HEV电机(见图4)。

图 4 - 外径为Φ200 mm、Φ215 mm、Φ230 mm定子的扭矩输出特性

按照上述所述的设计进行配置,可以实现可变的外径,使用波形绕组可以实现可变的定子叠层长度,从而可以使用相同的生产设备支持各种电动车辆的电机规格要求。

改变定子的外径和叠层长度,可以与各种电机特性兼容。

新一代锂离子电池组

电动汽车市场预测与倡议

作为一种提高燃油经济性的技术,轻度混合动力系统最近一直吸引着人们的兴趣。这些系统使用汽油发动机作为行驶辅助,以及电池和马达动力。

预计全球轻度混合动力汽车产量将从2016年的约45万辆增长到2023年的逾1280万辆。

欧洲和中国的轻混合动力系统预计将特别快速增长,这是由48伏锂离子电池驱动的,可以相对便宜地提高燃料消耗效率。

日立汽车系统(Hitachi Automotive Systems)在2016年3月宣布开发一款适用于轻度混合动力汽车的48 V锂离子电池组,以应对这些趋势。开发工作将把混合动力汽车的锂离子电池制造技术和电池管理系统(BMS)技术结合起来。

轻型混合动力汽车用48V锂离子电池组的研制

锂离子电池通过锂离子在电极材料上的运动来进行充放电。到目前为止,电池的输出密度一般是通过减小电极膜厚度来减小电阻来提高的。

但是,随着输出密度的增加,存储能量的减少是一个问题。新的锂离子电池组改进了微米级的电池电极结构,创造了一种更容易使锂离子流动的结构。这种结构在不降低膜厚、增加输出密度的情况下降低了电阻。

正负电极的材料组成也得到了改善,通过增加每单位重量可储存的锂的数量,增加了能量密度。与以前的产品相比,这些技术增加了25%的输出密度和50%的能量密度。

通过降低电池内部的发热和电阻,以及在锂离子电池组外壳中使用具有高导热和散热性能的金属,消除了对冷却风扇的需求。这些进步提高了噪音,使设计更薄,安装更自由(见图5)。

图 5 - 48 V 轻混合动力汽车用锂离子电池组

输出密度的提高使电机加速辅助期间的扭矩特性更好,最大输出功率为12千瓦,从静止加速时可获得强大的性能。

最大输入功率也可以达到15千瓦,使大量的再生能量在突然减速时能立即恢复,并减少能量损失。更好的输入/输出特性和更高的能量密度的结合有助于提高燃油经济性(见表1)。

日立汽车系统公司的锂离子电池也具有卓越的耐用性、低环境影响和安全性。通过与日立建筑机械有限公司的联合开发项目,这些功能正在开发和发布ZH200-6混合液压挖掘机的锂离子电池模块。

开发的电池组主要由电池模块、BMS和接线盒组成。

表1 - 轻型混合动力汽车用48V锂离子电池组主要技术条件

电力传动系统仿真技术

电动动力总成部件的关键问题是如何单独或与最终使用的其他部件组合达到所需性能。车辆是许多不同产品的集合,仅通过局部优化不太可能实现高性能。

日立汽车系统(Hitachi Automotive Systems)正利用模拟驱动分析来研究适合这些电动动力总成部件特定组合的产品规格和控制技术。

能量/nv耦合模拟器

除了电力来源外,电动动力总成系统也是机电产品,在系统内产生扭矩,包含旋转转子和类似部件的区域。

优化这些系统需要分析和验证,包括功率性能和系统安装在车辆上时产生的噪声振动(机电问题)。

即使是具有高功率性能的车辆,如果它们产生高噪声水平,在市场上也不可行。

日立汽车系统公司开发了一种能源/NV耦合系统模拟器,使其能够在开发过程中验证电动动力总成部件的性能,并评估NV在原型制作之前进行必要的设计改进。

旧的模拟方法通常分别分析能量和nv,当这些参数耦合到机电产品中时,必须创建一个原型来评估产生的振动、噪声和热量。

因此,有时需要对设计进行重大修改。使用耦合模拟器可以在原型制作之前提前研究振动、噪音和热量,以便在那时进行改进。

该模拟器使产品阶段验证和性能保证更加可靠(见图6)。

图 6 - 能量/nv耦合模拟器

该模拟器分析了从电池流向逆变器和电机的能量,并对该能量在完全耦合状态下产生的机械现象(噪声、振动和热)进行了模拟分析,以反馈给产品设计。

结论

本文讨论了电动汽车中用作电动动力总成部件的逆变器、电机和蓄电池,以及分析这些部件组合的仿真技术。

电动动力总成部件通过电力电子和微处理器的改进而得到了发展,并将随着汽车动力装置的发展而不断发展。

日立正致力于开发能够满足不断扩大的与环境兼容的汽车市场需求的产品,以帮助保护环境。

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