项目二 关键技术认知（课件） -《新能源汽车概论》同步教学（机工版.第2版）

走进新能源汽车的世界— “三横”基础篇（关键技术认知） 新能源汽车入门课程—— 《新能源汽车概论》 求实创新 精益求精 1 【学习目标】 通过本篇的学习，要求学生能够认识新能源汽车的关键技术——电池、电机、电控及智能网联技术。 关注并了解新能源汽车关键技术发展的中国力量，培养创新意识，增强科技自信。 【学习任务】 ●传统燃油汽车的核心关键自然离不开俗称的“三大件”：发动机、底盘以及变速箱。那么新能源汽车有哪些核心技术呢？ ●围绕电动化、网联化、智能化发展方向，新能源电动汽车核心技术聚焦于 “三大电”和智能网联技术，这也是全球汽车行业共识。 ●这些核心技术涉及的具体内容哪些？技术的现状和发展趋势如何？同学们可以带着以上问题开始本篇的学习。 走进新能源汽车的世界－新能源汽车关键技术认知 一. 新能源汽车动力蓄电池 二. 新能源汽车驱动电机 三. 逆变器与变频器 四. 新能源汽车的控制系统 五. 智能网联技术的应用 五个学习课题 求实创新 精益求精 学习课题一 新能源汽车动力电池系统 一. 新能源汽车动力电池系统 二. 新能源汽车驱动电机系统 三. 逆变器与变频器 四. 新能源汽车的控制系统 五. 智能网联技术的应用 求实创新 精益求精 引导问题1：动力蓄电池定义？ 求实创新 精益求精 动力蓄电池系统主要由电芯及模块、电池管理系统、冷却系统、线束、箱体等构成， 引导问题2：动力蓄电池系统及成组方式怎样？ 求实创新 精益求精 引导问题3：动力蓄电池性能指标主要有哪些？ 三元锂电池的额定电压为3.6V。 求实创新 精益求精 引导问题3：动力蓄电池性能指标主要有哪些？ 求实创新 精益求精 电池荷电状态(State of Charge, SOC)是蓄电池放电后剩余容量与电池额定容量的百分比。 5.荷电状态 SOC 引导问题3：动力蓄电池性能指标主要有哪些？ 求实创新 精益求精 6.电池循环寿命 引导问题3：动力蓄电池性能指标主要有哪些？ 求实创新 精益求精 引导问题4： 新能源汽车对动力蓄电池有哪些要求？ 1 .比能量高。为保证电动汽车的续驶里程，电动汽车的动力电池须尽可能储存多的能量 ，同时电动汽车的重量不能过大，电池的安装空间也受整车分布限制，因此动力电池必须有足够的比能量。 2 .比功率大。为满足电动汽车在加速、上坡、负载等行驶条件下的动力要求，电池必须具备大的比功率。 3 .连续放电率高，自放电率低，电池能够适应快速放电的要求。自放电率低，以保证电池能够长期存放。 4 .充电技术成熟，时间短，充电技术通用性强。能够实现快速充电。 求实创新 精益求精 5 .适应车辆运行环境。电池除能在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度影响，不需要特殊的加热、保温系统。能够适应电动汽车行驶过程中的振动。 6 .安全可靠。电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线柱、外壳。不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。废电池能够回收处理及再生利用，电池中的有害重金属能够集中回收处理。电池组可采用机械装置进行整体拆解、更换，线路连接方便。 7 .长寿命、免维护。电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护与修理。 引导问题4： 新能源汽车对动力蓄电池有哪些要求？ 求实创新 精益求精 引导问题5： 动力蓄电池有哪些种类，其结构和原理你清楚么？ 常用的车用动力蓄电池主要包括镍氢电池和锂电池等。 铅酸电池广泛应用于内燃机汽车的低压供电电源，是一种成熟的汽车电池，但存在比能量低、质量和体积太、续驶里程短、使用寿命短、污染严重等问题，制约了其在电动汽车上的应用。 镍氢电池因其能量密度高、无镉污染、可大电流快速充放电等优点，镍氢电池目前主要被成熟地应用到混合动力电动汽车，如丰田Prius。 锂离子电池是目前新能源汽车主流，它具备能量密度高、能量效率高、自放电率小、循环使用寿命长、可实现大电流充放电、无污染等优点。 求实创新 精益求精 各种动力电池 求实创新 精益求精 1.铅酸电池 蓄电池工作过程就是化学能与电能的相互转化。当蓄电池将化学能转化为电能而向外供电时，称为放电过程；当蓄电池与外界直流电池相联而将电能转化为化学能储存起来时，称为充电过程。铅酸电池充足电时，正极板活性物质为 ，负极板活性物质为 。 铅酸电池的电解液由纯硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成，其密度为 引导问题5： 动力蓄电池有哪些种类，其结构和原理你清楚么？ 求实创新 精益求精 2.镍氢（ MH/Ni）电池 镍氢电池具有长期过放电和过充电保护能力，但寿命不如镍镉电池。镍氢电池已在20世纪90年代逐步实现产业化。 镍氢（ MH/Ni ）电池采用镍的氧化物作为正极，储氢金属作为负极，电解液通常选用 KOH溶液。由 Ni(OH)2正极材料和储氢合金负极材料组成电池的反应式： 引导问题5： 动力蓄电池有哪些种类，其结构和原理你清楚么？ 敬业、精益、专注、创新 3.锂离子电池 锂电池的种类繁多，常见的有色锂离子电他、高温锂熔直盐电池、锂聚合物电池和但聚合物固体电解质电池等。目前市场主流为：磷酸铁锂电池和三元锂电池 目前我国量产锂离子电池的单体比能量可达到 270Wh/Kg。 锂离子电池的组成和主要形状： 引导问题5： 动力蓄电池有哪些种类，其结构和原理你清楚么？ 按照《中国制造2025》确定的技术目标，锂电池单体能量密度： 2020年达到 300 Wh/kg， 2025 年能量密度达到 400 Wh/kg， 2030 年能量密度达到 500 Wh/kg。 敬业、精益、专注、创新 ♦锂离子电池工作原理示意图 引导问题5： 动力蓄电池有哪些种类，其结构和原理你清楚么？ 敬业、精益、专注、创新 3.钠离子电池 钠离子电池主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来产生电能，实现电池的工作，与锂离子电池工作原理相似。 中国力量：我国电池企业宁德时代是全球动力蓄电池行业龙头，也在不断探索各种新型车用动力蓄电池，钠离子电池就是其重点研发方向之一。其钠离子电池已首发落地奇瑞车型。 敬业、精益、专注、创新 搭载由中科海钠供应的32140钠离子圆柱电芯，电池包容量23.2kWh，CLTC续航里程达到230km 引导问题6： 飞轮电池是电池吗？ 当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。 敬业、精益、专注、创新 飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换。 飞轮电池比能量可达5KW/Kg ，比功率达20KW/Kg ，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。 引导问题6： 飞轮电池是电池吗？ 敬业、精益、专注、创新 引导问题7： 超级电容是什么？ 超级电容（Super-capacitors，ultra-capacitor），又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。 超级电容突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。超级电容可以弥补现阶段锂离子电池在功率密度等方面的不足。目前，它已经应用于军事、新能源汽车以及各种机电设备中。 敬业、精益、专注、创新 超级电容结构 引导问题7： 超级电容是什么？ 上海世博园运行的超级电容客车 敬业、精益、专注、创新 引导问题8：新能源汽车动力电池充电方式有哪些？ 常规充电 该充电方式采用恒压、恒流的传统充电方式对电动汽车进行充电。以相当低的充电电流为蓄电池充电，电流大小约为15A，若以120A·h（例如360V，即串联12V 100A·h 30只）的蓄电池为例，充电时间要持续8个多小时。 快速充电方式 快速充电方式指在短时间内使蓄电池达到或接近充满状态的一种方法。该充电方式以1C～3C的大充电电流在短时间内为蓄电池充电。 敬业、精益、专注、创新 北汽新能源汽车的换电方案 更换电池充电方式 引导问题8：新能源汽车动力电池充电方式有哪些？ 敬业、精益、专注、创新 更换电池充电方式 引导问题8：新能源汽车动力电池充电方式有哪些？ 敬业、精益、专注、创新 汽车可在行驶中充电：瑞典打造世界首条永久性充电公路 引导问题8：新能源汽车动力电池充电方式有哪些？ 敬业、精益、专注、创新 无线充电标准 无线充电技术具有安全、便捷等优点，是电动汽车供电技术未来发展的趋势之一。由于无线充电系统是通过非物理接触的方式实现电能从电源/电网侧传输至用电设备，电动汽车无线充电系统体现为地面端到车辆端的电能传输，因此电源侧和用电侧存在电气、通信、磁路等无形“接口”,需要通过标准来规范相关的技术指标，标准的制定对于电动汽车无线充电技术的实际应用和商业化具有至关重要的作用。GB/T 38775—2020《电动汽车无线充电系统》系列4项国家标准标准于2020年11月1日正式实施，这是在我国新能源汽车产业化进程不断加快，以纯电动汽车为主的新能源汽车对充电基础设施的需求日益迫切的背景下制定的。该系列标准的发布与实施是推动我国电动汽车无线充电产业化发展进程的里程碑，丰富了我国电动汽车充电技术体系和应用场景，真正发挥标准的技术引领作用。（节选教材） 引导问题8：新能源汽车动力电池充电方式有哪些？ 敬业、精益、专注、创新 学习课题二 新能源汽车驱动电机系统 一. 新能源汽车动力电池系统 二. 新能源汽车驱动电机系统 三. 逆变器与变频器 四. 新能源汽车的控制系统 五. 智能网联技术的应用 求实创新 精益求精 引导问题1：驱动电机系统的作用与组成？ 电动汽车电机驱动系统是新能源汽车的核心技术之一，它的主要任务是按驾驶员的驾驶意图，将动力电池的化学能高效地转化为机械能，经过变速器、驱动轴等机构驱动车轮。电动机驱动系统主要有电动机、功率器件和控制系统组成。 敬业、精益、专注、创新 引导问题1：驱动电机系统的作用与组成？ 电驱动系统工作原理图 敬业、精益、专注、创新 引导问题1：驱动电机系统的作用与组成？ 目前电机驱动系统主要有三种形式，一是将电机与减速器集成为“二合一”，电机控制器单独或与其它部件集成，如图a所示；还有就是将电机、电机控制器与减速器集成为“三合一”形式，如图 b所示，“三合一”电驱动系统已成为新能源汽车电驱动系统的主流；目前还有采用集成度更高的“多合一”电驱动系统（图c所示），如比亚迪的“八合一”，长城的“七合一”，奇瑞及江淮的“十合一”等，目前e平台3.0 EVO已搭载“十二合一”电驱系统。 a) b) c) 敬业、精益、专注、创新 引导问题2： 电机的基本概念 1.电机 电机，是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，作为车用电器或各种机械的动力源。通常指电动机与发电机。 2.电机的关键参数 转速 ：额定转速：是指在额定功率下电机的转速。 电机转矩 ：电机扭矩即电动机的输出扭矩，为电动机的基本参数之一。 功率 ：额定功率是指电机在额定电压额定环境等条件下电机轴上的输出功率。 敬业、精益、专注、创新 引导问题2： 电机的基本概念 效率 ：效率指的电机有效输出功率与总功率之率，不同类型电机效率曲线不同。对于电动汽车而言，电机的效率可以表示为： 敬业、精益、专注、创新 引导问题3： 新能源汽车对电机的要求 敬业、精益、专注、创新 引导问题4： 不同类型的电机 １.三相交流感应电动机 三相交流感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。 交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到12000～15000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。 对环境的适应性好，井能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。 敬业、精益、专注、创新 引导问题4： 不同类型的电机 1、定子三相对称绕组通入三相对称电流产生旋转磁场。 2、转子导体切割定子旋转磁场产生感应电动势，并产生感应电流。 3、载有感应电流的转子导体在定子磁场中受到电磁力并形成电磁转矩，从而驱使电机转子顺着定子磁场方向旋转起来。 异步电机工作原理 笼型三相异步电动机的结构 敬业、精益、专注、创新 引导问题4： 不同类型的电机 ２. 永磁同步电动机 永磁同步电动机一般其在定子结构上采用与三相交流感应电动机相似的三相对称绕组，交流电源通过交—直—交电压型逆变器或直—交电压电压型逆变器，调制为电压可变化的三相正弦波电压，输入永磁同步电动机三相对称绕组后，产生三相对称的三相电流，在正弦波定子电流和正弦波反电动势的作用下，气隙中产生旋转磁场，带动永磁体的转子跟随旋转磁场同步旋转。 敬业、精益、专注、创新 引导问题4： 不同类型的电机 ２. 永磁同步电动机——工作原理 敬业、精益、专注、创新 引导问题4： 不同类型的电机 ２. 永磁同步电动机 三相永磁同步电动机工作原理示意图 永磁同步电动机的结构示意图 敬业、精益、专注、创新 引导问题4： 不同类型的电机 ３.开关磁阻电动机 开关磁阻电动机的工作原理 敬业、精益、专注、创新 它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠“磁阻最小原理”产生转矩，即：“磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩”和“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”。 引导问题4： 不同类型的电机 ３.开关磁阻电动机 开关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特点：它的结构比其它任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理容易。 开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，因此，它的驱动系统较为复杂。它的控制系统包括功率变换器。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。 敬业、精益、专注、创新 引导问题5： 新能源汽车电机的发展 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。目前，800V高电压系统电动机也已开始在新能源汽车中采用。 高转速。当前电动汽车所采用的电动机的转速可以达到 20000r/min，具有运行效率高、能耗低、噪音小、寿命长等优点。 电动汽车驱动电机总的发展趋势是由通用走向专用，由直流走向交流；电机的功率密度、可靠性及耐久性不断提高；驱动控制系统向集成化与一体化发展。 敬业、精益、专注、创新 引导问题5： 新能源汽车电机的发展 开关磁阻电机(SRM )是英国于1983年首次正式推出的，经过多年的研制开发，己成为现代电动汽车电驱动的又一个新支，它具有可控相数多、实现四象限控制方便、成本低。 电动汽车驱动电机总的发展趋势是由通用走向专用，由直流走向交流；电机的功率密度、可靠性及耐久性不断提高；驱动控制系统向集成化与一体化发展。 敬业、精益、专注、创新 学习课题三 逆变器与变频器 一. 新能源汽车动力电池系统 二. 新能源汽车驱动电机系统 三. 逆变器与变频器 四. 新能源汽车的控制系统 五. 智能网联技术的应用 求实创新 精益求精 引导问题1：逆变器 逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。 敬业、精益、专注、创新 引导问题2：变频器 变频器（Varizble-frequency Drive,VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。 普锐斯动力控制单元的组成结构示意图 以普锐斯油电混合动力系统为例，系统中安装有由变频器、DC/DC转换器组成的动力控制单元。 敬业、精益、专注、创新 引导问题2：变频器 普锐斯电动汽车带转换器的变频器总成示意图 敬业、精益、专注、创新 学习课题四 新能源汽车控制系统 一. 新能源汽车动力电池系统 二. 新能源汽车驱动电机系统 三. 逆变器与变频器 四. 新能源汽车控制系统 五. 智能网联技术的应用 求实创新 精益求精 引导问题1：整车控制器VCU VCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元。 VCU功能： 通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图 通过监测车辆状态（车速、温度等）信息，由VCU判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载附件电力系统的工作模式 VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。 敬业、精益、专注、创新 引导问题1：整车控制器VCU VCU包括外壳、硬件电路、底层软件和应用层软件，硬件电路、底层软件和应用层软件是VCU的关键核心技术。 敬业、精益、专注、创新 引导问题2：电机控制器MCU 电机控制器，简称MCU，是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。 实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。 同时，MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能，当诊断出异常时，它将会激活一个错误代码，发送给整车控制器。MCU会将电机控制系统运行状态的信息发送给整车控制器。 电机控制系统使用了电流、电压、温度传感器来提供电机的工作信息。 。 敬业、精益、专注、创新 引导问题2：电机控制器 MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组成。 敬业、精益、专注、创新 引导问题3：电源管理系统BMS 电池管理系统,是电池保护和管理的核心部件，在动力电池系统中，它的作用就相当于人的大脑。它不仅要保证电池安全可靠的使用，而且要充分发挥电池的能力和延长使用寿命，作为电池和整车控制器以及驾驶者沟通的桥梁，通过控制接触器控制动力电池组的充放电，并向VCU上报动力电池系统的基本参数及故障信息。 实验证明，配备完善电源管理系统的电池组，其循环寿命是不配管理系统电池组的3倍以上。 敬业、精益、专注、创新 引导问题3：电源管理系统BMS 电池包的结构组成 敬业、精益、专注、创新 引导问题4：制动能量回馈系统 制动能量回馈，又称回馈制动或再生制动，在电动汽车一般采取电能式再生制动能量回收方法，是指在减速或制动过程中，驱动电机工作于发电状态，将车辆的部分动能转化为电能储存于储能装置中（如各种蓄电池、超级电容和超高速飞轮），同时施加电机回馈转矩于驱动轴，对车辆进行制动。 回馈技术的应用一方面增加了电驱动车辆一次充电的续驶里程，另一方面减少了传统制动器的磨损，同时还改善了整车动力学的控制性能。 敬业、精益、专注、创新 引导问题4：制动能量回馈系统 再生制动系统由驱动轮、主减速器、变速器、电动机、AC/DC转换器、DC/DC转换器、能量储存系统以及控制器组成。 敬业、精益、专注、创新 引导问题4：制动能量回馈系统 电动汽车的再生—液压制动系统的基本结构 敬业、精益、专注、创新 学习课题五 智能网联技术的应用 一. 新能源汽车动力电池系统 二. 新能源汽车驱动电机系统 三. 逆变器与变频器 四. 新能源汽车的控制系统 五. 智能网联技术的应用 求实创新 精益求精 以动力电池与管理系统、驱动电机与电力电子、网联化与智能化技术构成的“三横”，成为我国新能源汽车的核心零部件技术体系，“智能网联”成为新能源汽车重要考量因素。 引导问题1：新能源汽车智能网联技术有哪些方面？ 新能源汽车智能网联技术指基于传感器、控制器、执行器等装置，融合通信与网络技术，具备环境感知、智能决策、协同控制等功能，实现新能源汽车安全、高效、舒适、节能的智能驾驶，包含智能化与网联化两个方面。智能化指能够不依靠网联信息实现自主式智能驾驶；网联化指能基于通信设备实现信息交换。通过智能网联化、车路协同实现无人驾驶，是目前技术发展趋势。 敬业、精益、专注、创新 引导问题2：驾驶自动化分级？ 敬业、精益、专注、创新 引导问题3：你了解环境感知技术么？ 敬业、精益、专注、创新 引导问题4：你了解驾驶决策技术么？ 敬业、精益、专注、创新 引导问题5：智能网联控制系统？ 敬业、精益、专注、创新 引导问题6：先进驾驶辅助系统ADAS系统？ 敬业、精益、专注、创新 请同学们通过资料查阅、现场认知，小组合作讨论共同完成本项任务。 【课中实践】 求实创新 精益求精 求实创新 精益求精 欢迎观看 欢迎观看 引出电极 多孔化电极 电解液 电解液界面 隔膜 电解液 电解液 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