1、电动汽车关键技术电动汽车关键技术目录在新能源汽车的产业浪潮中，一个在传统汽车领域耕耘多年的企业，有哪些技术需要拓展？有哪些技术需要转变？新技术发展又面临哪些风险与困局？一电动汽车技术概述二动力电池技术三驱动电机技术四电动汽车专用零件五电动汽车整车设计六电动汽车技术发展电动汽车技术概述一电动汽车技术概述二动力电池技术三驱动电机技术四电动汽车专用零件五电动汽车整车设计六电动汽车技术发展n电动汽车技术发展历程n纯电动汽车技术n电动汽车基本构成电动汽车技术发展历程 1834年，美国Thomas Dvenport制造第一台电动三轮车，采用不可充电的蓄电池供电 1881年，法国Gustave Trouve
2、制造第一台可充电的电动三轮车，采用铅酸蓄电池供电1834-1881 诞生 1900年，美国年销售4200辆汽车，38电动汽车，22内燃机汽车，40蒸汽机汽车 轮毂电机、制动能量回收被发明，电动出租车、充电桩相继问世，混合动力、换电池开始被尝试，斜轮转向、充气轮胎在电动车上最先应用 随着石油的开发和内燃机技术的逐渐成熟，电动汽车逐渐淘汰1885-1930 第一次发展 石油危机和环境污染，引发第二次研发高潮，但量产的很少 矢量控制、永磁电机、开关磁阻电机、氢燃料电池、镍氢电池技术发展1970-1980 第二次发展 新材料和电子信息技术发展，节能环保呼声日益高涨，第三次研发高潮 锂电池、智能控制技术
3、21世纪 第三次发展1895年爱迪生公司生产的第一辆电动车1912年一名女子和她的电动汽车纯电动汽车技术电源技术 动力电池 辅助电源 电能补给电机技术 驱动电机 电机控制整车控制技术专用零部件技术 电源变换 再生制动 制动助力 电动空调整车集成技术 车身构架 动力性 经济性 安全性电动汽车三大核心技术：动力电池、驱动电机、控制系统电动汽车基本构成车轮低压用电器 12V蓄电池减速器空调DC/DC驱动电机动力电池高压配电盒电机控制器车载充电机电池管理系统整车控制器车轮仪表显示操作信号人机界面高压低压CAN动力电池技术一电动汽车技术概述二动力电池技术三驱动电机技术四电动汽车专用零件五电动汽车整车设计
4、六电动汽车技术发展n电池主要类型n电池参数与术语n动力电池关键性能指标n电池管理系统n电能补给n特斯拉Model S电池电池主要类型电池类型电池类型铅酸电池铅酸电池镍镉电池镍镉电池镍氢电池镍氢电池锂离子电池锂离子电池能量密度（Wh/kg）3050458060120120200循环寿命20030015003005005001500标称电压（V）21.251.253.2/3.6/3.7安全性安全安全安全有一些隐患环保性环境污染含有毒金属轻微毒性环境友好成本（RMB/Wh）0.61.02.02.62.53.82.03.5锂电池类型锂电池类型钴酸锂钴酸锂镍钴锰三元锂镍钴锰三元锂锰酸锂锰酸锂磷酸铁锂磷酸
5、铁锂能量密度（Wh/kg）15020015022010015090120循环寿命500-10001000200030070010002000标称电压（V）3.63.63.73.2热失控（）150210250270安全性差，稳定性低较好良好优秀环保性含钴含镍、钴无毒无毒原料成本很高高低廉低廉电池参数与术语电压 U(V)端电压：正负极电位差 标称电压：由电池类型决定，与电池形状和大小无关，不同荷电状态下，端电压总是高于或低于标称电压容量 C(Ah)放电电流与放电时间的乘积 同种电池体积越大，容量越高 端电压不同的电池间，不能用容量来衡量储能大小能量 E(Wh)输出电能总和 能量体积密度：Wh/L
6、能量质量密度：Wh/kg（比能量）功率 P(W)单位时间输出电能 功率体积密度：W/L 功率质量密度：W/kg（比功率）电池状态 荷电状态 SOC=剩余容量/额定容量 放电深度 DOD=1-SOC充放电速率 倍率=电流/额定容量 时率=额定容量/电流 如：额定容量为20Ah用4A电流放电，则放电倍率0.2C，时率5h内阻 电池内阻使能量以电池发热的形式损耗掉寿命 使用周期 循环次数：在一定的充放电制度下，电池容量降至某一规定值之前（一般为额定容量的80%），电池能耐受的充放电次数自放电率 无负荷存放过程中电容量自行损失的速率 用单位储存时间内自放电容量占储存前容量的百分数表示一致性 电池的不一
7、致性，会导致电池间温度、电荷、电压出现不平衡现象，引起个别电池过充、过放并产生静电反应，从而降低电池组寿命以及安全性动力电池关键性能指标能量密度（Wh/kg）功率密度（W/kg)铅酸电池（40，150）镍氢电池（70，250）锂电池（180，400）空气电池（350，100）超级电容（5，3000）动力电池功率越大，车辆动力性能越好动力电池能量越大，车辆续航能力越长功率大跑得快能量大跑得远电池管理系统电动汽车上实现电池管理的关键在于通过总线实现各检测模块和中央处理单元的通信，采集的每块电池的电压、温度和充放电电流数据，建立每块电池剩余能量的数学模型，控制SOC值（剩余能量）在合理的工作范围（3
8、070），对电池的不一致性有一定的补偿措施，维护电池组的热平衡电池管理系统电池状态监测电压监测电流监测温度监测电池状态分析剩余电量评估老化程度评估电池安全保护过电流保护过温保护过充过放保护能量控制管理充电控制管理放电控制管理均衡控制管理电池信息管理电池信息显示系统内外信息交互历史信息储存电能补给充电模式常规充电 恒流充电 恒压充电 先恒流后恒压充电快速充电 脉冲式充电 分段定流充电 变电流间歇充电 变电压间歇充电蓄电池最佳充电电流曲线，超过此电流，会对蓄电池造成损害。快速充电方法都是围绕最佳充电曲线进行设计，目的是使充电曲线尽可能逼近最佳充电曲线。ItO可接受区不可接受区最佳充电电流曲线60k
9、Wh动力电池充电实例：电源电源电压电压电流电流最大功率最大功率时间时间慢充家用插座AC 220V16A3.5kW20h充电桩AC 220V32A7kW10h快充充电站DC 500V 120A 60kW1h电能补给换电模式有不少城市和厂商尝试过换电模式，但未能实现推广 2008年，BetterPlace公司成立并推出换电服务，但最终合作车企只有雷诺一家，现已经破产；2011年，国家电网、众泰、北汽新能源在北京、杭州、厦门、兰州投放换电出租车；2013年，特斯拉发布了一段换电操作演示，但并未付诸实践，而是选择推广超级充电站；2018年5月20日，蔚来首座换电站在深圳完成最后联调北汽新能源的底盘换电
10、，过程大约3分钟换电模式难以推广的原因：电池标准化困难，不同车型为充分利用车体空间，电池包形状、尺寸、接口布置不尽相同 电池包含电动车众多核心技术，关系到整车性能与安全，难以与车辆分割 车企不愿把占电动汽车成本1/4-1/3的电池拱手让出，失去销售电池这一块的利润 换电站场地、设备、备用电池投资极大，收入主要靠电费加成，不仅回本难度大，连日常经营都难以为继特斯拉Model S电池电芯选型特斯拉ModelS使用松下的NCA系列18650型号钴酸锂电 池，单 颗 电 池 容 量 为3100毫安时，标称电压3.7。85kWh的ModelS的电池包一共运用了7104个18650电池，总重量接近900公
11、斤。钴酸锂电池具有结构稳定、容量比高、综合性能突出、但是其安全性差而且成本非常高。小容量的18650型号锂电池工艺成熟，成本低，安全性好，但也会大幅增加电池单体之间的不一致性。单个电芯电池组电池组电池模块电池模块电池包特斯拉Model S电池电池成组特斯拉ModelS将每74节18650电池并联成一组，6组串联成一板，16板串联成一个电池包。每个电池与电极板之间用保险丝连接。特斯拉Model S电池电池管理特斯拉电池管理系统的核心技术为电池温度管理系统和电荷平衡系统。特斯拉所申请的知识产权大都与电池安全控制系统相关，包括电池冷却系统、安全系统、电荷平衡系统等。驱动电机技术一电动汽车技术概述二动
12、力电池技术三驱动电机技术四电动汽车专用零件五电动汽车整车设计六电动汽车技术发展n电机类型n电机性能比较n电机控制电机类型电机类型直流驱动直流有刷电机正弦波驱动交流异步电机永磁同步电机矩形波驱动直流无刷电机开关磁阻电机直流有刷电机交流异步电机永磁同步电机直流无刷电机开关磁阻电机定子：永磁体或励磁绕组转子：电枢绕组定子：电枢绕组转子：感应绕组定子：电枢绕组转子：永磁体定子：电枢绕组转子：永磁体定子：电枢绕组转子：铁芯电机性能比较电动机类型电动机类型比较性能比较性能直流电动机直流电动机交流感应电动交流感应电动机机永磁同步电动永磁同步电动机机开关磁阻电动开关磁阻电动机机功率密度低一般高一般力矩转速性能
13、一般好好好转速范围（r/min）4000600090001500040001000015000峰值效率（%）8589949595978590过载能力（%）200300500300300500尺寸/质量大/重一般/一般小/轻小/轻可靠性差好优良好结构的坚固性差好一般优良操作控制性最好好好好主要优势优良的控制性体积小、易维护控制器简单简单、可调范围宽主要劣势有刷，维护困难控制较复杂价格较贵转矩波动、非线性应用前景早期，逐步淘汰应用最多逐步推广较少、有待发展电机控制传统控制 电压控制 电流控制 频率控制 弱磁控制 矢量控制 直接转矩控制智能控制 模糊控制 神经网络控制 PID控制 自适应控制电机控制
14、器（MCU）是根据整车控制器（VCU）的指令，将动力电池的直流电转化为驱动电机所需的电流，来控制电机的启停、速度、正反转状态，或者将制动能量回收到电池随着电动汽车和控制技术的发展，现代控制和智能控制已成为趋势电动汽车专用零件一电动汽车技术概述二动力电池技术三驱动电机技术四电动汽车专用零件五电动汽车整车设计六电动汽车技术发展n整车控制器n电源变换器n再生制动系统n制动助力系统n空调系统整车控制器整车控制器通过CAN总线获得电机和电池系统的相关信息，结合驾驶员操作信号，进行分析和运算，给出电机控制和电池管理指令，实现整车驱动控制和能量优化管理。功能电器高压配电盒 动力电池驱动电机电机控制器电池管理
15、系统整车控制器仪表显示操作信号转速车速电池SOC故障警示人机界面启动开关换挡开关加速踏板制动踏板空调开关充电开关高压CAN电源变换器 给转向、制动小功率直流电机供电 给低压蓄电池充电，给低压用电器供电 不同电源之间的特性匹配，如燃料电池组和动力电池的混合，主电源与辅助电源的混合直流/直流（DC/DC）交流电机驱动直流/交流（DC/AC），又称逆变器 车载充电机充电 交流电机能量回收交流/直流（AC/DC），又称整流器再生制动系统电动汽车的再生制动是利用电机的可逆性原理，减速或者滑行时由车轮拖动电机发电并产生反向制动力矩，其本质是电机转子的转动频率超过电机的电源频率，电机工作于发电状态，将机械能
16、转化为电能并通过逆变器的反向续流二极管给电池充电。在行驶工况变化比较频繁的路段，采用制动能量回收可增加续驶里程约20。电动汽车再生制动关键技术：制动安全性、制动能量回收率、各工况下制动控制策略 制动意图识别：减速、紧急制动 主从动轴制动力的分配问题 再生制动系统与ABS等系统的匹配 再生制动与机械制动的过渡与补偿提高制动安全性 提高电源系统峰值功率 合理分配再生制动与摩擦制动力 更有效的控制算法提高制动能量回收率 紧急制动：以机械摩擦制动为主，电气制动辅助 减速停车：电气制动减速，摩擦制动停车 下坡制动：再生制动为主 电池SOC0.8：纯机械摩擦制动不同工况的制动控制策略制动助力系统燃油车液压
17、制动系统依赖发动机为真空泵提供负压助力，一旦发动机停止运转，真空泵停止工作，刹车踏板变硬。电动汽车不具备发动机作为真空来源，但可以采用电动真空泵、真空罐电动真空泵、真空罐给制动主缸抽真空，给制动提供助力。1.电动真空助力制动制动助力系统2.电动助力制动博世 iBooster 驾驶员踩刹车踏板，踏板行程传感器2探测到输入杆6的位移，将该位移信号发送至控制器5，控制器5计算出电机应产生的伺服制动力。伺服制动力、踏板踩踏力，在制动主缸4内共同转化为制动液压力。制动助力系统3.全电控刹车系统取消助力以及液压结构，直接在四个车轮卡钳中安装电动机，利用电动机驱动刹车片挤压刹车盘。可集成制动能量回收，一般用
18、于非驱动轮。全电动刹车单纯依靠电动机施加压力，目前的技术还不够快，不够强，不像液压系统在“杠杆效应”下可以快速获得巨大的制动力，因此没有被大规模使用。空调系统燃油车：发动机带动压缩机电动汽车：电动压缩机燃油车：利用发动机冷却液的余热电动汽车：电加热PTC热敏陶瓷，水暖、风暖1.压缩机改为电力驱动，暖风机改为电加热电动汽车制暖问题：制暖耗电量大于制冷，使用电加热制暖，续航里程最多可能减半空调系统2.热电空调(a)热电发电(Seebeck效应)(b)热电制冷(Peltier效应)塞贝克效应：把两种不同的金属丝连接成一个闭合电路，把两个连接点放在温度不同的两处，就会在两个连接点之间产生一个接触电动势
19、，闭合电路中就有电流通过。帕尔帖效应：把两种不同的金属丝连接成一个闭合电路，通以直流电，就会产生一个连接点变热，另一个连接点变冷。如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。一些半导体材料具有较高的热电势可以用来做成小型热电制冷器。如图：用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，便构成的热电偶元件。优点：结构简单、体积小、启动快、控制灵活，操作具有可逆性，既可制冷，又可制热缺点：产冷量小、效率低、耗电多，缺少更好的半导体材料，半导体电堆的元件价格很高。电动汽车整车设计一电动汽车技术概述二动力电池技术三驱动电机技术四电动汽车专用零件五电动汽车整车设计六电动汽车技术发展n电动汽车车身构
20、架n电动汽车动力性n电动汽车经济性n电动汽车安全电动汽车车身构架VW E-Up从VW Take Up到VW E-Up：1.车架方向改变增加电池空间2.加强车架提高车身纵向刚度和电池承载能力3.额外的电池承载横梁4.地板上凸改变增加电池空间134324VW E-UpVW 1.0 Take Up电动汽车车身构架Bolt EV Up-gaugeDown-gaugeNo change雪佛兰Bolt EV 车体结构：1.平坦的地板2.电池箱的部分钢筋作为车体结构3.基于CAE分析结果优化汽车结构电动汽车车身构架Model S后连接铸件前连接铸件前纵梁与门槛梁连接铸件特斯拉Model S车体结构：1.门槛
21、梁贯通前后纵梁，取代地板下的车架，地板全平2.电池宽度基本与轮距等宽，长度接近轴距长3.采用挤压成型门槛梁，下部嵌入8个电池包螺母安装条，安装条可抽出更换（针对换电模式）门槛梁电动汽车动力性纯电动汽车的动力性评价指标、行驶阻力及计算方式与燃油车相同，只是发动机与电动机的机械特性及驱动力不一样电动机工作特性：变速电机通常在低于基速时具有恒转矩特性，高于基速时具有恒功率特性发动机与电动机的机械特性曲线电动汽车动力性燃油车与电动汽车的驱动力曲线Ft电机本身具有很宽的工作范围，基本不必通过多挡变速机构即可提供汽车正常行驶所需要的动力性能。因此电动汽车驱动力-行驶阻力平衡图、加速度图以及爬坡度图比燃油汽
22、车的简单。电动汽车经济性等速工况续驶里程计算：等速工况续驶里程计算：EUDC试验循环工况1：市区循环 2：市郊循环 3：基本的市区循环评价指标：能量消耗率能量消耗率（Wh/km）=电能消耗量/行驶里程市郊循环工况试验（市郊循环工况试验（NEDCNEDC）：）：测定方法：GB/T 18386电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法65款电动汽车每1000kg能量消耗率均值：10kWh/100kmtEB电池组能量T传动系统机械效率mc电动机及控制器效率DOD蓄电池放电深度，一般要求DOD75%q蓄电池放电效率电动汽车安全电动汽车安全新问题：起火 高压安全 误起步（起步冲车）制动效能热衰减电动汽车安全起
23、火原因 材料：电解液为可燃或易燃有机溶剂，电极材料解析出金属锂结晶，见空气即自燃 内部短路：隔膜老化或内部金属结晶刺穿隔膜 热失控：充放电释放热量，高温导致材料直接燃烧，或电解液气化导致外壳破裂，负极暴露空气中自燃 过充电：充电越满，内阻越大，极化越严重，材料活性越高锂电池本身易于起火爆炸 数千电池打包成组以及碰撞、挤压的使用环境加剧了电池热失控和短路风险 电池管理系统对电池的过充、过温、均衡管理不当电池包布置、管理设计问题 车辆线路故障、绝缘损坏、短路、过载导致车身易燃材料着火车辆设计、使用问题国家质检总局缺陷产品管理中心近日发布的一份公告称，2018年已发生新能源汽车起火事件40余起，对相
24、关新能源汽车产品启动调查显示，缺陷原因多为电控和机械故障 电动汽车技术发展一电动汽车技术概述二动力电池技术三驱动电机技术四电动汽车专用零件五电动汽车整车设计六电动汽车技术发展n电动汽车技术发展颈瓶n潜在的新型电池n政策导向n总结：我们如何拓展电动汽车技术发展颈瓶 液态锂离子电池理论能量密度为360Wh/kg，三元锂电池已经快到能量密度的“天花板”能量密度提升难 慢充受供电体系的限制，功率无法提升 快充已经达到电池内部电化学反应速度的极限，且对电池损害大充电速度缩短难 锂、钴、镍等稀缺金属材料价格不会因电池的产业发展而降低，反而会因需求增加而飞涨 一辆电动汽车在其使用寿命内要更换一次甚至多次电池
25、，总的购车成本在燃油车三倍以上车辆成本降低难 梯次回收：旧电池后续寿命以及安全性的监测成本高，经济性不理想 材料回收：拆解电池提取材料的成本高于回收的价值，没有企业做废旧电池回收难具有发展潜力的新电池理论比理论比能量能量（Wh/kg）特点特点应用应用超级电容1-10功率密度高，充电时间短能量密度太低作为辅助电源，用于快速启动和能量制动回收氢燃料电池造价偏高，储氢技术受限，加氢站不足丰田FCV钠硫电池760高功率，充电速度快工作温度（300350）高，安全性差安全性尚不适合车用，可用作电站储能电池固态锂电池400-500 安全性好，有望成为下一代电池已开始产业化锂硫电池2600难题：多硫化物的“
26、穿梭效应”导致电池损坏据称中南大学已攻克核心难题，准备产业化锌空气电池铝空气电池1350（锌）8100（铝）质量轻，成本低，安全比功率低，充放电速度慢功率低尚不适合车用电动汽车产业突破的关键在于：新一代动力电池政策导向燃油汽车 排放限制 负积分 限制上牌 区域限行电动汽车 财政补贴 正积分 优先上牌 停车优惠总结：我们如何拓展动力电池 动力电池系统总成的选型匹配设计 电池包设计：电芯选型、模组布置、热管理结构设计 充电系统的开发设计：控制策略、网络通讯、故障管理驱动电机 驱动电机、电机控制器的工作原理、性能参数的匹配设计及选型 驱动电机系统的控制策略、网络通讯、故障管理整车控制 整车控制策略设计、控制参数标定 整车控制器软、硬件的开发设计高压电气 高压电气原理和高压安全设计 高压配电箱、高压线束、电源变换器、继电器、熔断器等选型匹配设计总体设计 电动汽车相关政策、法规、标准研究 整车结构集成、性能集成、安全集成
