电动汽车电池控制器原理及技术发展趋势研究
来源：宝鄂实业
2019-03-27 12:48
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发展电动汽车第一个瓶颈是动力电池,第二个瓶颈是电动汽车电机控制器。过去无轨电车的供电是由滑触网在线提供的,一直用的直流电机驱动汽车,后来也改成交流电动机了。目前电动汽车都是用的交流电机。动力由车载储电池提供,电池对车辆只能提供直流电。电池提供的直流电,而电机又要求是交流电。也就是说,必须把直流电变成交流电,才能驱动交流电动机工作。电动汽车越来越普及,要求了解更多知识的人也越来越多了。下面对电动汽车电机控制器原理及技术发展趋势予以介绍。
一、电是一种自然现象及分类
电是一种自然现象,指电子运动所带来的现象,是静止或移动的电荷所产生的物理现象。电流是指带电粒子的定向移动。工业用电多指电流,电流在负载端永远是正极流向负极。这一点与自然界的水流动相似,永远从高处(正极)流向低处(负极)。
直流电是指电流在导体内流向不随时间变化,而交流电在导体内流向随时间成交替变化。工业上的直流电在时间轴上表现一条直线,即变化频率为0,工业上交流电在时间轴上表现为正弦波变化,在中国这个正弦波变化频率为50赫兹,即1秒正弦波变化50次。
电是携带能量的,就说成电能。能是有力量的,于是电能可以做功,比如驱动电机旋转。
二、电机及分类
用电能驱动能旋转的机器,叫电机。用直流电驱动电机,叫直流电机,用
交流电驱动的电机,叫交流电机。基于不同研究目的,电机的分类繁多。目前电动汽车的电机基本上用的交流电机,目前主流车用的主流电机是永磁交流电机。永磁交流电机的优点,主要有3个方面:
①结构简单,运行可靠;
②体积小,质量轻;损耗小,效率高;
③电机的形状和尺寸可以灵活多样等。
三、电机及控制器的原理
电机及控制器的原理见图1。电机驱动汽车前行,而电机控制器驱动电机工作。电机控制器由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接收电池输送过来的直流电电能,逆变成三相交流电给汽车电机提供电源。控制器接受电机转速等信号反馈到仪表,当发生制动或者加速行为时,控制器控制变频器频率的升降,从而达到加速或者减速的目的。
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图1 电机及控制器的原理
四、电机控制驱动系统分类
电动汽车的负载是随机变化的,具体表现为,车辆行驶方向有前行和倒退,有加速和减速。电机控制驱动系统的基本功能是控制电机的工作,确保汽车的前行和倒退、加速和减速自如。基本分类:
①直流电机驱动系统: 一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式,其特点是控制技术简单、成熟、成本低,但效率低、体积大等。
②交流感应电机驱动系统 : 一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式,高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速,采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应。
③交流永磁电机驱动系统 :目前主流的是采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速,其低速转矩脉动小且高速恒功率区调速更稳定。
目前纯电动汽车主流用的是:永磁同步电机,采用稀土永磁体励磁,与感应电机相比不需要励磁电路,具有效率高、功率密度大、控制精度高、转矩脉动小等特点。
五、电动汽车电机控制器基本趋势是集成
目前城市配送电动车电机控制器已经做到“五合一”水平,代表发展方向。目前的产品有5大类:
①单主驱控制器、辅件三合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC);
②辅件五合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU+双源EPS控制器);
③乘用车控制器(集成:主驱+DCDC);
④物流车三合一控制器(集成:主驱+DCDC+PDU);
⑤物流车五合一控制器(集成:主驱+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU)。
六、多合一的电机控制器功能介绍
现在所使用的锂离子电池成本较高，技术也不成熟，所产的锂离子电池存在不少安全隐患。”哈尔滨工业大学教授王振波表示。
据了解，近年来大型动力电池事故频发，很大程度上是由于电池内部使用液态电解质。“是否安全对锂离子电池储能来说非常关键。”清华大学材料学院副教授李亮亮强调。
“目前选择使用的液态有机电解液易燃易爆，用固态电解质代替液态电解液，是我们公认可以提升锂电池安全性能最为有效的方法之一。”中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员董衫木表示。
李亮亮说：“固态电解质不易燃，还不会产生液态电解液，因此不带腐蚀性，是解决电池安全性问题的有效方法，也
符合未来电池发展的趋势。”
技术瓶颈待突破
据了解，高安全性是储能电池应用的基础和前提，固态化是解决二次电池安全性的有效途径。固态锂电池已进入全球加快布局和研发的阶段，很多著名机构都在开发固态锂电池。包括韩国三星、日本丰田和我国众多电池和汽车厂商，都加大了固态电池研发投入，目前已有部分电池进入装车测试阶段。尽管前景可期，但由于技术和工艺上的种种问题，发展固态电池的道路绝非一帆风顺。
首先，高效的电解质材料体系缺乏。董衫木认为，“现今固态电池采用的固态电解质普遍存在性能短板，距离高性能锂离子电池系统的要求仍有不小的差距。”
其次，固态电解质和电极的界面处理也是固态电池目前面临的一大难题。“在固体电解质中锂离子传输阻抗很大，与电极接触的刚性界面接触面积小，在充放电过程中电解质体积的变化容易破坏界面的稳定。”李亮亮指出。此外，在固态锂电池中，电极内部还存在复杂的多级界面，电化学以及形变等因素都会导致接触失效影响电池性能。
再次，长期使用时稳定性不理想也是长寿命储能固态电池发展的瓶颈。
新技术层出不穷
据介绍，针对固态电池，我们要从最基础的材料、界面、单体，一直到最终的系统模块进行研究，只有从根本上解决了关键材料和界面问题，才能开展系统的工艺研究，从而满足单电池的性能要求。
面对发展过程中接连不断的挑战，各种新技术“百家争鸣”。
比如，在固体电解质材料上，业内发现基于石榴石结构的锂镧锆氧（LLZO）固体电解质体系的固态电池具有优异的循环性能和倍率性能，它也因此成为一大技术热点。“LLZO是一种性能优异的填料，能够提高聚合物基复合固态电解质的性能。基于LLZO的固态电池循环1000次后容量仍能保持81%。”李亮亮介绍。
而界面处理的研究热点主要集中在界面设计及修饰层上，目前凝胶化的界面设计已经取得了较好成果。通过凝胶态的聚合物对界面进行修饰，增加接触面积的同时还可以缓冲循环过程中的体积效应，在室温下经过300次循环，基本无退化，这样的结构设计较好的改善了电池性能。
