新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)


引言

隨著生活水平的提高,生產(chǎn)能力的提升,能源的消耗量也在不斷增大,目前我們中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)是富煤貧油少氣,我國(guó)2020年自產(chǎn)的原油是1.95億噸,國(guó)外進(jìn)口的原油是5.42億噸,對(duì)外依存度已經(jīng)是73.6%,這5.42億噸的原油還不夠近3億輛燃油車(chē)的消耗,所以有必要實(shí)現(xiàn)交通工具的電動(dòng)化,這是從國(guó)家能源安全的角度來(lái)考慮。為應(yīng)對(duì)石油能源危機(jī),降低石油消耗,減少對(duì)石油的依賴(lài),實(shí)現(xiàn)能源的多樣化,調(diào)整能源結(jié)構(gòu),提高能源安全,是大力發(fā)展新能源汽車(chē)最主要的原因。

      本文主要介紹新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)組成部分及基本工作原理。

新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖1

圖1  我國(guó)原油對(duì)外依存度

新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖2
圖2 汽車(chē)行業(yè)石油消耗占比

一、新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

預(yù)計(jì)到2025年,我國(guó)新能源汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將明顯增強(qiáng),動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車(chē)用操作系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破,安全水平全面提升。純電動(dòng)乘用車(chē)中的新車(chē)平均電耗降至12.0千瓦時(shí)/百公里。高度自動(dòng)駕駛的汽車(chē)會(huì)實(shí)現(xiàn)限定區(qū)域和特定場(chǎng)景商業(yè)化應(yīng)用,充換電服務(wù)便利性顯著提高。

力爭(zhēng)經(jīng)過(guò)15年的持續(xù)努力,我國(guó)新能源汽車(chē)核心技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,質(zhì)量品牌 具備較強(qiáng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。純電動(dòng)汽車(chē)成為新銷(xiāo)售車(chē)輛的主流,公共領(lǐng)域用車(chē)全面電動(dòng)化,燃料電池汽車(chē)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,高度自動(dòng)駕駛汽車(chē)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用,氫燃料供給體系建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn),有效促進(jìn)節(jié)能減排水平和社會(huì)運(yùn)行效率的提升。

到2030年,新能源汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)售量預(yù)計(jì)將達(dá)到新車(chē)銷(xiāo)售總量的50%;到2035年,新能源汽車(chē)保有量將超過(guò)1億輛。


新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖3
新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖4

         圖3 2021-2025年新能源汽車(chē)銷(xiāo)量預(yù)測(cè)

二、新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)作為新能源汽車(chē)整臺(tái)車(chē)的總控制臺(tái),高效、穩(wěn)定以及提高車(chē)輛綜合性能,在新能源汽車(chē)中承擔(dān)的重要責(zé)任。相比于傳統(tǒng)燃油車(chē),汽車(chē)在轉(zhuǎn)向電氣化后增加了電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱(減速器)、動(dòng)能回收系統(tǒng)等等,而如果再加上自動(dòng)駕駛和增程式系統(tǒng)的話(huà),電控系統(tǒng)所要承擔(dān)的責(zé)任就更多了,所以在傳統(tǒng)燃油車(chē)上使用的“單一電子控制器”目前也變成了“車(chē)輛中央電子控制器”,從名稱(chēng)上也能夠看出電控對(duì)于新能源汽車(chē)的重要意義。如果說(shuō)電機(jī)和電池技術(shù)決定了一臺(tái)電動(dòng)車(chē)的硬件價(jià)值,那電控則直接決定了車(chē)輛的軟件處理能力,并且也將幫助電機(jī)和電池發(fā)揮出最大的硬件潛能。

新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖5

圖4新能源汽車(chē)的電控系統(tǒng)模塊



2.1 新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)定義

新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)是控制汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的裝置。在新能源汽車(chē)中,由于電力電子技術(shù)的應(yīng)用,其電氣系統(tǒng)發(fā)生了巨大變化,從傳統(tǒng)汽車(chē)低功率低壓的輔助電氣裝置轉(zhuǎn)變?yōu)樾履茉雌?chē)的節(jié)能環(huán)保、高效低噪的電氣傳動(dòng)裝置,已成為傳統(tǒng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的替代,并直接決定了純電動(dòng)汽車(chē)爬坡、加速與最高速度等主要性能指標(biāo)。

電控系統(tǒng)作為新能源汽車(chē)中連接電池與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電能轉(zhuǎn)換單元,是電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制的核心。新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)需具備高控制精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率,并同時(shí)提供足夠的安全性與可靠性。

新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖6


        圖5新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)分類(lèi)簡(jiǎn)圖




2.2 新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)組成

新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)主要由逆變器、驅(qū)動(dòng)器、電源模塊、控制器、保護(hù)模塊、散熱系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)模塊等組件組成,其中,逆變器、驅(qū)動(dòng)器與控制器為電控系統(tǒng)的核心部件:


0 1

逆變器:對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流進(jìn)行控制,主要由IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)功率模塊組成;

0 2

啟動(dòng)模塊:將微控制器對(duì)電機(jī)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)功率逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào),并實(shí)現(xiàn)功率信號(hào)和控制信號(hào)的隔離;

0 3

控制器:主要包括微處理器及其最小系統(tǒng),是對(duì)電機(jī)電流、電壓等狀態(tài)的監(jiān)測(cè)電路、保護(hù)電路及控制器、電池管理系統(tǒng)等外部控制單元數(shù)據(jù)交互的通信電路。控制軟件根據(jù)不

同類(lèi)型電機(jī)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法。


電池是基礎(chǔ)能源與動(dòng)力來(lái)源,驅(qū)動(dòng)電機(jī)則將此車(chē)載能源轉(zhuǎn)化為行駛動(dòng)力,而電控系統(tǒng)控制整個(gè)車(chē)輛的運(yùn)行與動(dòng)力輸出。在車(chē)輛行駛過(guò)程中,逆變器接收電池輸送的直流電電能,并將其逆變?yōu)槿嘟涣麟娊o汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電源,而控制器接收驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等信號(hào)反饋至儀表,當(dāng)出現(xiàn)加速或制動(dòng)行為指令時(shí),控制器通過(guò)控制變頻器頻率的升降,從而達(dá)到加速或減速的目的。





新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖7

圖6電控系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖

新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖8

圖7電控系統(tǒng)在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用簡(jiǎn)圖



2.3 新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)核心技術(shù)分析

新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)需適應(yīng)頻繁啟停與加減速、低速時(shí)要求高轉(zhuǎn)矩、高速時(shí)要求低轉(zhuǎn)矩,具有較大變速范圍,而混合動(dòng)力汽車(chē)電控系統(tǒng)還需處理驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)、發(fā)電、制動(dòng)能量回饋等特殊功能。因此,新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)需具有高控制精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率,并提供高安全性與可靠性,且其技術(shù)與制造水平直接影響整車(chē)的性能。

IGBT功率模塊作為新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),在滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)的前提下,還需具備合適的功率電子電路設(shè)計(jì)選型、功能完整的控制電路架構(gòu)、可靠的電磁兼容與散熱能力等條件,以保證電控系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。

新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖9

圖8IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖


新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖10

圖9工業(yè)級(jí)與汽車(chē)級(jí)IGBT功率模塊試驗(yàn)次數(shù)對(duì)比

 
新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡(jiǎn)述(上)的圖11

小結(jié):

     本文介紹了發(fā)展新能源汽車(chē)的必要性,新能源汽車(chē)的發(fā)展情況,以及新能源電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能簡(jiǎn)介。了解電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及散熱特點(diǎn),可以為設(shè)計(jì)其散熱系統(tǒng)提供幫助。下半篇文章將介紹新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)用先進(jìn)散熱技術(shù)。

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