電力驅動系統可以說是新能源汽車的心臟,其主要分為兩個部分:電機及其控制部分、電池及電源管理裝置。目前,電力電子技術在電動汽車上的應用與傳統汽車相比,主要增加了在電力驅動系統上的應用,包括電機驅動和逆變裝置、電池管理裝置、DC-DC轉換器、充電器等。新能源汽車的電子系統越來越復雜,同時,汽車惡劣的使用工況和復雜多變的使用環境對電子技術提出了更高的要求,因為汽車電子系統要求運行電壓很寬,并且有很大的瞬態電壓和溫度變化,對于電子裝置來說越來越有挑戰性,這就要求開發更高性能的電力電子設備。
1、電機及其控制裝置的應用
新能源汽車使用的電機應具有瞬時功率大、過載能力強、能量轉換效率高、使用壽命長的特點,同時必須具有寬的調速范圍,要求有高的可靠性,能在較惡劣環境下長期工作;從經濟學角度來講應該滿足結構簡單、適應大批量生產、運行噪聲低、使用維修方便,價格便宜等條件。目前我國自主開發的永磁同步電機、交流異步電機和開關磁阻電機等均實現了整車小批量配套能力。其中轎車用永磁電機比功率超過1300w/kg,電機系統最高效率達93%以上,功率覆蓋200kW以下民用電動車輛范圍。90KW車用永磁驅動電機技術指標接近國際先進水平:系統功率密度≥1.36kW/kg、電機峰值效率≥97%。
電機在低速下最大輸出轉矩取決于逆變器的電流輸出能力,最大輸出功率由逆變器的功率決定。因此電機驅動控制器的設計是整個新能源汽車系統設計中的重點和難點。新能源汽車中的電機驅動控制器一方面要求效率高,電磁干擾小。另一方面要求環境適應性強,工作可靠和體積小。
2、電池管理系統(BMS)的應用
目前新能源汽車上普遍使用鋰電池作為動力電源,而鋰電池的管理系統(BMS)實現的功能包括:數據監測、荷電狀態(SOC)估計、熱管理、均衡管理、數據通信、數據顯示與報警。我國在十五期間就設立電動汽車重大專門研究項目,在BMS方面也取得很大突破。如今,BMS已是上至國家下至企業,都重點關注的研發領域。我國的BMS研究成果顯著,像比亞迪、北汽、奇瑞、哈飛、上汽都在研發自己的電池管理系統,爭相開拓電動汽車市場。
3、 DC-DC轉換器的應用
在電動車行駛過程中需頻繁加減速,在電機端的電壓是不斷變化的,但由于蓄電池或燃料電池的比功率指標的限制,直接用它們去驅動電機或接收電機端回流的電能,會造成驅動性能惡化。而使用雙向DC/DC變換器就是用來平衡電池端和電機端的電壓,可將動力電池組或超級電容器的電壓維持在相對穩定的數值上,以明顯提高電機的驅動性能。這就需要DC-DC轉換器有足夠大的容量和足夠高的效率,新能源汽車的車載復合電源對DC-DC變換器的要求是十幾安培到上百安培的級別,再加上DC-DC變換器裝載在汽車內部的狹小空間,要受到旁邊電機與發動機強烈的電磁干擾,這種對DC-DC的設計要求非常高。
4、充電裝置的應用
發展自動充電器是發展電動汽車的必要條件,因為它能將交流電網的電能有效補充到每輛電動汽車的蓄電池中。今后為使電動汽車普及,則需要建立蓄電池充電站,每個站必須配備若干套自動充電器。充電器的功能就是將交流電變為直流電,這就需要用到電工電子技術,使用功率器件。當這些充電器用到電動汽車中時,人們對它們提出了更多的要求。要求它們恒流恒壓二段式充電,還要求高效、輕量,有自檢及自動充電等多種保護功能,并且能程控設定充電時間曲線、監視電池溫度,對電網無污染等。這些要求需要電工電子技術來解決,更突出了電工電子技術在充電器上的應用。
5、在新能源汽車附屬裝置的應用
在傳統汽車中,大部分附屬裝置所需的動力都是來源于發動機,比如汽車空調壓縮機、水泵、轉向助力油泵和真空制動助力器等等。而在新能源汽車中,這些裝置功能依然存在,但已經不能沿用傳統的方式,因為新能源汽車并不完全依靠發動機來驅動,所以要開發新型的附屬裝置,比如電動壓縮機、電動水泵、電動轉向助力、電動真空泵及線控剎車系統等等,實現全車電氣化運行。