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双源电机驱动系统及电动汽车安全运营智能监控管理平台
$info.title
双电源供电的动力系统,特别地适用于燃料电池和二次电池组成的电电混合驱动系统。包含的关键技术:双源驱动电机设计技术;双源驱动总成匹配技术; 动力总成能量管理策略及双源电机控制技术。主要技术创新点基于一种成本低、效率高和体积小的新型燃料电池驱动系统的新型双源电机控制器;

◆ 提出了一种用于双源电机的零转矩d轴交变磁场的控制方法;

◆ 提出了一种双绕组电机磁场解耦的独立矢量控制方法;

◆ 设计了一种二次电源制动能量回收与驱动功率非对称装置;

◆ 提出了一种识别燃料电池和二次电源性能衰减程度的方法,优化控制策略;

◆ 建立了包含电化学、热力学、控制理论、功率电子学、电机学、车辆动力学等多学科联合仿真的匹配模型。

 

3、国际水平对标分析

 

◆ 打破了基于DC/DC的常规动力系统构型方案,最大限度兼顾燃料电池和二次电源的应用特点,具有成本低、效率高、延长燃料电池寿命和技术成熟度高等特点,处于国际领先水平;
提出一种用于双绕组电机的零转矩d轴交变磁场的控制方法,可以实现任意工况(如停车过程)下燃料电池和二次电源的能量交换,处于国际领先水平;

◆ 提出一种二次电源制动能量回收与驱动功率非对称装置,处于国际领先水平;

◆ 建立了基于电化学、热力学、控制理论、功率电子学、电机学、车辆动力学等多学科联合仿真模型,处于国际先进水平。

 

4、成果应用情况

 

所研发的双源电机驱动系统已成功在燃料电池模拟台架系统中得到应用。

 


图1 双源电机样机

 


图2 双源电机控制器样机
 

二、电动汽车安全运营智能监控管理平台

 

1、成果简介

 

电动汽车锂离子动力电池在理论和实践中均证明其存在不安全性,针对电动汽车动力电池起火爆炸问题,实验室建立了电动汽车安全运营智能监控管理平台,通过远程后台服务器与车载电池安全性预测终端的协调工作,实现对各种电动汽车的锂离子动力电池安全性和老化程度的综合分级。

 

若经过智能监控管理平台分析发现锂离子动力电池可能发生安全隐患,系统将通过向车内CAN网络发送报文、向相关人员手机自动发送报警短信、在远程后台服务器上形成报警文件等方式提醒人工干预,可有效减少动力电池起火爆炸等恶性事故的发生。

 

2、主要技术创新点

 

结合人工智能、大数据、云端计算技术的电池安全性预测方法;电池老化状态测试方法;异常电池离群点检测方法;基于电池多维数据安全结构的电池热失控预测方法。

 

3、成果应用情况

 

所开发的电动汽车安全运营智能监控管理平台已成功应用于纯电动汽车上。

 


图3  车载信息终端实物图

 


①  电动汽车安全运营智能监控管理平台的主界面

 


②  电动汽车安全运营智能监控管理平台的电池安全状态预测界面

图4  电动汽车安全运营智能监控管理平台的用户界面

 

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一种新的电动汽车生态链系统技术
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电动汽车的核心部件是动力电池箱,无论是电动汽车换电运营模式、二手电池箱更换维修需求、还是退役电池箱的循环及梯次利用,都在呼唤电池箱的标准化。然而考虑动力电池的一致性要求,标准化的电池箱是不能进行串联使用而必须并联使用,要允许新、旧电池标准箱动态并联使用,甚至允许不同材料的标准电池箱动态并联使用。

苏州达思灵的三个核心发明专利为上述要求搭建了系统技术平台,提供了完整的生态链系统技术基础。这三个发明专利基本内容包括:

 

1、标准电池箱技术及其管理方法,ZL201811571280.6(PCT/CN2019/100778)

 

2、增程式多电池标准箱动态并联集成与控制技术,ZL201710779935.8(PCT/CN2017/101685)

 

3、集装箱储能式离网可移动快充系统技术,ZL201910660868.7

 

这三个发明专利首先从构建电池标准箱技术入手,进一步深入构建了基于增程器动态平衡各电池箱能力从而允许电池标准箱动态并联使用的车载智能系统技术,最后拓展这一生态链,使用退役电池标准箱来构建建设成本低、建设周期短、调配灵活、可柔性管理的集装箱储能式离网可移动快充系统技术。展望基于这一生态链系统技术平台的新能源汽车市场的前景:

 

1)不同的电池厂大批量生产电池标准箱。
这些标准箱中电池性能的不同(如能量密度、安全性、寿命的不同等)表现在售价的差别,但是电压平台、外部电气接口、通讯接口与机械接口均是标准的(可以有3~5个尺寸不同电池标准箱),使用统一的电池管理方法。

 

2)不同车厂、或同一车厂开发不同型号或性能的电动车,可以选择不同数量的电池箱(如2~3只)集成到一辆增程式电动车上,整车的性能与成本与所选电池标准箱中的电池材料性能(容量、寿命、充放电能力等)直接相关。

 

3)电动汽车的维修可以用新的或二手电池标准箱更换故障电池标准箱。

 

4)换电站可以存储各种尺寸的电池标准箱,为需要快速更换电池的电动车(不限型号和车厂)更换上已经充满电的电池标准箱。

 

5)采用退役电池标准箱搭建的集装箱储能式可移动快充站(建造成本低、布局灵活、充电方便)可以使得市区内快充网点布局密度更高(集装箱占地小,不需要外部环境支持),快充方便。

 

6)集装箱储能式可移动快充站的电能可以在夜间到市外郊区统一充电,采用谷电减低储能成本,白天可动态布置和调配到需要的快充网点。

 

新能源汽车的发展与国家能源安全战略和环境保护战略直接相关,这一大势不可逆转。然而纯电动汽车有着成本焦虑、里程焦虑、充电焦虑、低温焦虑等瓶颈,呼唤增程式电动汽车技术路线的快速发展。如今,基于增程器动态平衡能力的动力电池箱标准化系统技术平台的出现,完善了整个新能源汽车生态链,将使得新能源汽车的发展将跟上一层楼。

 

2、标准电池箱技术

 

电池标准箱是指一系列通用型号(尺寸和形状)和相同接口(机械、电气、通讯)的电池箱系列。其中通用的型号可以是由3~5个标准型号组成,比如#1,#2,#3,#4,#5等型号,分别代表约定的尺寸和形状,使得电动汽车整车设计时可以根据所选相应的电池箱标准型号和数量直接规划空间安装方式。

 


图1:双电池箱整车布置案例

 

由于增程式电动车所需要的电池容量一般为同级纯电动车特殊定制电池箱容量的30%左右,而每只电池标准箱的容量一般在纯电动车特殊定制电池箱的10~15%,因此选用2~3只电池标准箱在整车上安装(集中安装或分布安装)是很容易实现的。对于同一个型号的电池标准箱,由于是由不同厂家生产或采用不同特性的电池材料,其实际容量、充放电特性、寿命等是有差别的。

 

同时,电池标准箱由于采用统一的电压平台(如510V),使得不同型号的标准箱也可以并联使用,使得整车集成更加灵活,见图1。

 

3、增程式多电池标准箱动态并联集成与控制技术

 

一套车载智能能量系统主要由三个部分构成,系统控制器、N个(N=2,3,4,…)电池标准箱动态并联组和一套增程器发电系统。其中增程器发电系统除了在需要时根据整车能量管理控制策略给电动汽车供电延长续驶里程外,在多个电池标准箱电压不均衡时(比如新旧电池箱之间、不同材料电池箱之间)通过系统控制器的自适应控制,为各电池标准箱均衡充电,确保电池标准箱之间的电压均衡,见图2。

 


图2:车载智能能量系统结构框图

 

在整车刚启动时,系统控制器如果发现各电池标准箱之间电压不一致,则会首先将最高电压的电池标准箱接入整车供电系统为驱动电机供电,同时启动增程器发电为其余电池标准箱充电,直至各电池箱电压与最高电压电池标准箱电压一致后再相继接入整车供电系统。在整车充电时,系统控制器如果发现各电池标准箱之间电压不一致,则会首先将最低电压的电池标准箱连接充电电路进行充电,系统控制器控制充电机的实际允许充电电流进行充电,直至与最高电压电池标准箱电压一致后再将其他电池标准箱相继接入充电电路,同时充电。

 

在车辆使用过程中,如果有一个电池标准箱出现故障,系统控制器会主动断开故障电池标准箱,允许其他电池标准箱继续工作,与增程器共同为整车供电。

 

4、集装箱储能式离网可移动快充系统技术

 

集装箱储能式离网可移动快充系统技术主要包括离网可移动集装箱快充单元,郊区集中储能与调度管理和可加盟式集装箱快充单元入站管理系统。其中,离网储能式可移动集装箱快充单元使用退役电池标准箱动态并联连接构成储能电池堆,内置多个快充器可为新能源汽车提供快速充电服务。郊区集中储能与调度管理系统利用电网谷电、清洁能源或可再生能源在夜间或充电空闲时间为离网可移动集装箱快充单元进行快速补电,并实时监控分布在市区内分布各处的集装箱快充单元的充电状态和电量状态,及时调度集装箱拖车进行更换;可加盟式集装箱快充单元入站管理系统允许注册会员个人提供的集装箱快充单元动态加入运营,见图3。

 


图3:装箱储能式离网可移动快充系统架构

 

建造离网储能式可移动充电集装箱的困难在于制造成本和投资回收周期。普通的储能式集装箱都是采用多个电池箱永久性串联或并联。出于电池芯一致性考虑,集装箱中的存储电能的容量只能一次性建成,之后不允许通过增加新的电池箱来增加容量,否则新加的电池箱健康状态与原来的不同,永久性串联或并联连接状态下在不使用时会产生电池箱之间的内部自循环。这样在早期建设储能式集装箱时如果配置容量较大而实际充电服务运营时很多电量用不完(卖不掉),就会导致建设成本过高,投资回收周期过长。早期建设时如果配置容量较小(建设成本低)的话而后期可能充电服务时不够用,但又不允许通过添加更多新电池箱进行容量扩展。

 

集装箱储能式离网可移动快充系统技术允许建设储能集装箱时采用退役的电池标准箱(电池箱成本低,建造成本负担小),由于允许各电池标准箱之间动力电路可以动态连接(电池箱之间的电压不平衡在充放电时进行主动动态平衡),不使用时各电池标准箱之间动力线是断开的。因此在储能式集装箱建设初期可安装较少的电池标准箱,随着需求的加大逐渐添加更多的电池标准箱来增加容量。维修时,也可以任意更换其他电池标准箱进行替换。

 

5、技术验证应用案例–双电池箱增程式电动车

 

苏州达思灵基于专利“增程式多电池标准箱动态并联集成与控制技术”采用双电池箱开发了增程式电动车进行了测试验证,见图4和表1。

 


图4:双电池包增程MPV

 


表1:双电池包增程MPV基本性能
 

 
第三代新能源客车低温热泵空调系统
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国家“绿色能源汽车”发展规划:到2020年,城市公共交通领域的新能源电动客车要达到20万辆。新能源客车的普及,要求空调系统能够满足各种极限工况的使用的要求。在北方地区,环境温度可达-20℃甚至更低,对低温制热能力有很高的要求。但因系统效率、运行可靠性等问题,市面上当前的大部分客车低温热泵空调只能在-7℃以上满足制热需求;当环境低于-7℃时,热泵性能急剧衰减、需采用PTC补充制热;此时整车能耗急剧上升,续航里程明显下降;当环境温度降低到-15℃时,绝大部分热泵空调系统已无法正常工作。

因此,实现在环境温度-20℃的情况下,空调系统高能效、可靠地运行,是新能源客车在北方地区大规模推广的重要支撑。

上海加冷松芝汽车空调股份有限公司在客车用低温热泵空调开发领域进行了大量工作,在当前已大批量供货的两代热泵空调系统的基础上,成功开发了国内第一款适用于-25℃环境的第三代低温热泵空调系统(LHA系列)、并实现批产。

 

图1 第三代低温热泵空调系统(LHA系列)

二、第三代低温热泵系统关键技术简介

1、系统架构

第三代客车低温热泵热管理系统原理如下图,包括低温热泵空调系统和电池热管理系统两部分。

 

图2 第三代客车低温热泵热管理系统原理图

2、适用于低环境温度的电动压缩机

电动压缩机在低环境温度下的可靠性,是客车热泵空调系统的关注重点。上海加冷松芝联合爱默生共同开发了QST专用低温热泵压缩机;该压缩机采用R407C和R410A为制冷剂,对低温下的压缩机回油和润滑进行了特殊设计,具有高可靠性、高效率等特点;产品结构如下图。

 

图3 压缩机产品结构图

3、换热器的优化设计

基于松芝专利的变流程换热器,换热效率同比提高20%左右,从而提升制冷、制热性能。

基于CFD技术的分液头精细设计,室外散热器在制热工况下分液更均匀,换热效率提高30%,除霜频次延长到3h一次、达到常规系统的3倍。

4、电子膨胀阀优化设计

采用低温专用电子膨胀阀,双向流设计,双向MOPD 均达35bar、控制稳定,关闭能力达到电磁阀级别、支持抽空停机,极小的正反向流量回差、避免恶性失步。简单的完全线性流量控制、便于实现多种控制目标,单对极电机、兼容主流控制器,初始步数考虑低温时电池热管理和超低温热泵兼容;同时,该阀件的可靠性高,可适合各种恶劣工况。

5、自适应变频控制技术

开发了具有自主知识产权的自适应变频控制技术,根据环境温度、车内温度、设定温度进行自适应调节,实现节能运行;风机和压缩机同步变频,实现最优节能运行。

 

图4 变频控制器

此外,采用多合一集成控制器,EMC性能大幅度提升。还开发了专用的防冻系列产品,解决了风机遇水冻结后空调无法运行的问题。

三、成果创新点和技术难点

以开发高能效、轻量化、智能化的低温热泵冷暖空调,主要实现以下技术创新:

1)实现空调在环境温度-25℃可靠运行、-15℃满足整车采暖需求;在标准制热工况下(TB/T 1804-2009),能效比≥2.4;在-15℃环境下,较常规热泵空调节能可达45%;

2)低温制热专用电动压缩机技术,变流程换热器、分液技术,提高制热效率、减少除霜频次;

3)具有自主知识产权的自适应变频控制技术,采用多变量联合控制,实现最优节能运行。

四、技术水平和市场前景

目前,市面有部分低温热泵产品应用的案例,但当环境温度低于-7℃时,性能急剧衰减、无法满足整车热负荷;当环境温度降低到-15℃时,已无法正常工作。

上海加冷松芝在客车热泵空调系统开发和应用领域长期处于国内领先地位,所开发的第三代低温热泵空调系统能在-25℃正常运行、-15℃满足整车热负荷。基于此技术申请的“新能源汽车低温变频热泵空调关键技术与应用”项目,获得2017年机械工业科学技术进步二等奖。目前,第三代低温热泵空调系统已实现批产、并在北京等市场使用,客户反馈良好。

随着我国新能源客车在北方地区的大力推广,预期以松芝LHA系列为代表的第三代低温热泵空调系统将得到迅速普及。



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