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比特斯拉、比亚迪更牛的三电方案,电动车将完全替代燃油车

2020-03-18 13:33
LY说新能源
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如果本文所写三电方案将产业化,实践证明有成本优势,那么三年之后,每家每户都可以有一辆纯电动汽车。这种三电方案比目前特斯拉、比亚迪等技术更先进。

这种三电方案可以用一个句话来概括:通过按需配置,特性匹配地有序掌控电动车车辆能源。按需配置就是车辆需要消耗多少电能就在车上放置多少电能。特性匹配是指车辆能源处理(功率、转矩)特性曲线要跟车辆运动特性相符。有序掌控能源是指合理地利用机电磁基础理论,找到一种最佳的能源方案。

我们先从微型车说起,介绍这种三电控制方案,当然重型卡车,超大功率工程车同样适用该种新三电方案。

目前中国电单车存量3.5亿辆,摩托车存量1亿辆。如果这些出行需求能够使用廉价便宜的纯电动汽车来满足。假定三分之一的摩托车、电单车改为纯电动车,那么至少有1.5亿辆市场规模。

什么样的纯电动汽车才能够替代摩托车、电单车呢?

假设一辆不存在里程焦虑的宝骏E100,其售价在3万元以内。百公里电耗9度电费5.4元,首付20%,即6000元不到一个月工资。车辆保险只有现在普通家用汽车的三分之一(全保1500元一年以内)。那么这样的交通工具相比较摩托车、电单车来说是很有竞争力的。

宝骏E100的配置如下,以裸车售价3.8万宝骏E100 2019款 250km 智行版为参考。

这一款车用市场最低价是3.8万。其中电池24度,按当前电池成本800~1000元每度计算。其电池成本在1.92万~2.4万。也就是说电池成本才是这辆车的占比最大的。如果电池容量降为一半。即续航里程为125公里。那么车辆售价可以在3万元以内。在使用双电压换电的模式下。行驶到半路出现电量不足、或出行距离超过125公里。可以租用12~24度电池。

这样的短的续航里程,如果用来替代电单车、摩托车是足够的。用来替代二手燃油车也是足够的,行驶几十万辆的二手燃油车,售价不过几万,但是频繁的保养维修可以不说,燃油车即便按最低4l百公里燃料计算,一年2万公里,6.8元每升。每年需要5000元燃料,而电动车仅需要1080元(当然燃油车是4座,但4升已是最低油耗)。

由上面的分析得到,一辆没有里程焦虑的125公里巡航以上的3万宝骏E100是有市场价值的。即便是当前售价4~6万其销量也还行。

那么一辆没有里程焦虑,充电难题的宝骏E100是怎么实现的呢?有什么技术能够实现?

宝骏E100的电动机是峰值30KW。不考虑现有车型三电(电池、电控和电机是什么样的)。通过重新设计宝骏E100的三电系统,可以实现没有里程焦虑、充电难题的新宝骏E100。

将三相异步电动机选为峰值30KW。原宝骏是永磁同步电动机。改为过载、超温能力更好的牢固可靠三相异步电动其成本会降低。至于效率相差不到5个百分点,也就是每百公里续航缩减量少于5公里。但电机可以实现自冷风冷不需要额外温控。

电池系统采用最低12度,125公里以上续航。其中12度是车载固定电池,此外车主可以自主选择12度可以替换电池模组,最多两个模组。即车载空间可以最多安装12度固定电池+24度可替换电池。续航在375公里。

电控是实现这样的系统的关键。新宝骏E100的电控原理图如下

图 1 新宝骏E100电控主回路图示

图1中,有50V电池4个模组。每个模组电池容量是3度,采用磷酸锂铁电池,能量密度在160wh/kg以上,每个电池组重量在18公斤左右。50V60AH电池组。充放电是均衡的。车载电池组充电倍率在0.5C以内,放电倍率可以高达3C。可替换电池组充电倍率0.25C,放电倍率1C。

图1中开关器件选用价格低廉的MOSFET,如果选用100V60A MOSFET,那么需要三套如图1所示的主回路并联到三相电机绕组。每套主回路功率是12KW,三套并联是36KW。足够的余量。并且将其中两套的储能部件改为超级电容,利用超级电容的高功率密度作为加速时的功率放电。可以将电池组的放电倍率降低到1C。

三电平逆变器的控制电路和逻辑目前市面还没有成熟产品,这是设计的难处。但当这个技术的普及,控制电路的成本也较低廉。

这是一个三相异步电动机,当电机是六相异步电动机,九相异步电动机时。主回路翻倍即可。而电机峰值功率也会翻倍成为30KW、90KW。同时,这样的电控模式可以将圆柱形电动机应用到电动车上,通过合理的补能方式解决里程焦虑、充电难题。这才是这种电控方式魔力所在。

新三电方案原理说明

1989年 Isao 提出了将电机定子绕组打开,将两个将两个逆变器从绕组两端分别供电的结构如图2所示

图 2 双逆变变频与异步电动机较早电控图示

电动机需要根据车辆的运动特性来需求调配电力。所以呢,什么样的电机驱动系统才是最佳的电控系统呢?

调配电力能力跟车辆需求特性匹配的电控系统。

异步(同步)电动机定子需求的是正弦波。而电池供给的直流小幅波动电压(电池电量不同会有偏移)。这就要求逆变器使用高速开关器件(IGBT,GTO,MEOST)将电池电能调配成正弦波。这正弦波是不同电压,不同频率的。

根据"solar to service"(太阳能到服务人们生产生活的效率)的三个效率,及电动车电能使用调配补能方式的分析中,我们知道,60V以内的安全电压适用于补能方式补充。所以有了一个双电压的方案。

按这个方向去优化纯电动汽车的电驱系统,并给出一个可行的控制方案。新三电方案的思路。

图1的双逆变器异步(同步)电动机控制原理是一种推拉式供电方式,有利于提高电机供电电压。此外还有人提出过双定子绕组,双转子电机等等。这些都是可以用来作为双电压系统的方式。但这些方式中,有且只有一种在一定工况下是最优的。

因电能的使用方式千变万化,条条道路通北京,目前作者也无法判断哪一种电池+逆变器+电机是新能源汽车电控的最佳控制方式,只是利用所有时间去深入浅出学习这方面的知识。

目前找到的电机+电控+电池的电控方案比较好的方式如下,我认为这种方式仍有很大的优化空间,分享出来给广大专业人员参考,抛砖引玉。

图 3 简单48V电控主回路a)和控制回路b)示意图

我们设定Ud/2为48V~60V。暂定额定值为50V

图 4 工况1方案48V系统逆变器输出电压

根据 刘凤君 著作《多电平逆变技术及其应用》课本。异步电机两端的逆变器可以是三相两电平SPWM逆变器,也可以是三相三电平或多电平逆变器。交流电机两端的逆变器桥臂是可以对称,也可以是非对称的,每一相绕组逆变器两端直流电压可以是相等,也可以不相等。

这样的技术原理给电动车电控设计带来了极大的方便。

为了最简单易于理解,我们设定4个电池组供电都是额定电压50V直流。逆变器是三电平三相逆变器。

在这样的设计下主回路如下图

图 5 三电平双逆变器异步电机开绕组主回路图示

在图5中50V额定电池电压,加在一个等效电机绕组两端的线电压峰谷差是200V,故电机线电压等效有效值约为141V。当电机额定是70KW最高电机线电流在300A以内。这是较经济的电机电流。也就是说,这种控制方案中单个三相电机做到70KW是经济可行的。

新三电电控方案可以命名为:调相调极变频控制。这种方案将会未来广泛应用在带储能装置、或者高压直流供电的电力拖动中。

在所有的电机控制课本中,交流直流电机的调速的本质是什么?如何从调速的本质优化电动车电控方案?

在学习时,这两个问题带来了解决问题的方向。根据郑萍《电机机电能量转换原理》

图 6 机电换能器方框图

调速属于机电换能器。在这本书中,尽管用数学很详尽地解释了机电能量转换关系。却没有给出电机调速的本质。

通过学习总结得出:电动机调速的本质是能量有序地转换为变化的磁场,通过磁力作用到机械形变。

那么如何通过这样的本质特性优化电机调速,并形成一种较优的电动车电控方案呢?

抓住两个字"有序能量转换"

图 7 电机调速的本质

如图7,所有的电机都是利用导体产生变化的磁场获得动力。如何有序地掌控能量,如何合理地调速成为电动车电控的关键。

电场和磁场的变化耦合的最佳形式是正弦波式变化。故交流电动机调速也是最佳的。

通过工况匹配,对现有技术的筛选。得到三相同步或异步电动机是最佳的。

但目前电动车电控方案存在一个很大的问题,有序的能量变换方式不是最佳的。

为什么这样说呢?

当前的三相异步电机控制方案中,电池里的负电荷从负极出发,经过SPWM变换,到达电机实现电磁耦合能量变化,然后从正极回来锂离子上,实现电荷中和。这个负电荷走完了一整个闭环回路。

图 8 双逆变器三相电机开绕组理想电路

如8中,负电荷只需要经过一半的路径。这样的路径短了之后呢?负电荷走的路短,消耗的能量就少了。

我们进一步简化

图 9 单相开绕组双逆变器简化电路

如图9是一个单相电感,两边是变化的有序正弦波电压,能量可以从左右两边的电池向电机绕组移动,也可以在制动时将能量反馈给电池。当然也可以在左右电池流动。当这是单相的 时候,其优势不能发挥。当3~9相并实现变相变极的时候,你就会发现这是一种有序控制电磁能量的较佳方式。

图 10 九相变相变极异步电动机控制主回路

如10所示。4个独立的50V电池组、若干逆变器组和一个九相异步电动机。我们假定每相绕组功率在5~10KW,那么九相可以得到45~90KW的总功率。而通过控制每一相的电压、电位角、及串接接线方式。我们就能够得到一个变相变极的调速方式。外加简单调频,就可以得到超越现在所有电动车电控方案的调速方式。

这种调速方式的调速性能不只是调速性能好,更多的是实现了能量的有序控制。此外,如果优先实现将其中一个或多个电池组电量用完,可以停车就更换电池组。以一辆百公里10~20度耗电量的车辆计算,每行驶一百公里,更换掉其中一个电量最少的电池组。那么其更换电池的重量较轻,便捷性超过加油。从而解决了电动车的里程焦虑、充电难题。

然而,这种电控方式的还会带来更多的变化,尤其是电动机。我曾花非常多的时间去学习电动机构造设计,认为圆柱形电动机比轮毂电机更适合电动车,因圆柱形电机可以将定子绕组融入车身,成为为车体的一部分且传动结构也较轮毂电机简单,更重要的是其散热性能更高。轴向电机的高功率密度是电磁耦合面更宽,而圆柱形电机可以超越轴向电机的功率密度。

比如,如果我们将一个30KW的三相异步电动机设计成长达1米的,细长圆柱电机。定子是壳体与车身融为一体,定子是车轴与传动融为一体。而双逆变器开绕组的接线方式可以让电控及整车布局更加节省空间。将电机做成圆柱形还能节省电缆。

如果没有变相变极的调速,没有采用开绕组双逆变器。圆柱形电机没有优势。

目前市面上没有这样的产品,更多是长宽接近的矩形电机,大直径电机扭矩更高。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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