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, h; v' O" G( P% H. k! K7 u9 g2014年國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷突破8萬輛,,發(fā)展態(tài)勢(shì)喜人。為了使新能源愛好者和初級(jí)研發(fā)人員更好地了解新能源汽車的核心技術(shù),,筆者結(jié)合研發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),從新能源汽車分類,、模塊規(guī)劃,、電控技術(shù)和充電設(shè)施等方面進(jìn)行了分析。
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1,、新能源汽車分類
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& F( Z) T6 o+ [& n1 b在新能源汽車分類中,,“弱混、強(qiáng)混”與“串聯(lián),、并聯(lián)”不同分類方法令非業(yè)內(nèi)人士感到困惑,,其實(shí)這些名稱是從不同角度給出的解釋、并不矛盾,。$ R5 ?! k& f7 W' m0 [% n
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1.1消費(fèi)者角度
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0 H# b w) Y; Y% ^! j, B消費(fèi)者角度通常按照混合度進(jìn)行劃分,,可分為起停、弱混,、中混,、強(qiáng)混、插電和純電動(dòng),,節(jié)油效果和成本增等指標(biāo)加如表1所示,。表中“-”表示無此功能或較弱、“+”個(gè)數(shù)越多表示效果越好,,從表中可以看出隨著節(jié)油效果改善,、成本增加也較多。
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( E. x5 Y; x; [! ?( r& q( G表1 消費(fèi)者角度分類; j7 q( M" C& {
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8 `: N) |6 h0 R1 M% h. r' G1.2技術(shù)角度
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- J9 S0 J: h8 E4 ^2 X圖1 技術(shù)角度分類
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6 B% p9 D7 }# O! B% Z4 E& P技術(shù)角度由簡到繁分為純電動(dòng),、串聯(lián)混合動(dòng)力,、并聯(lián)混合動(dòng)力及混聯(lián)混合動(dòng)力,具體如圖1所示,。其中P0表示BSG(Belt starter generator,,帶傳動(dòng)啟停裝置)系統(tǒng),P1代表ISG(Integrated starter generator,,啟動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)一體化裝置)系統(tǒng),、電機(jī)處于發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器之間,P2中電機(jī)處于離合器和變速器輸入端之間,,P3表示電機(jī)處于變速器輸出端或布置于后軸,,P03表示P0和P3的組合。從統(tǒng)計(jì)表中可以看出,,各種結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外乘用或商用車中均得到廣泛應(yīng)用,,相對(duì)來說P2在歐洲比較流行,行星排結(jié)構(gòu)在日系和美系車輛中占主導(dǎo)地位,,P03等組合結(jié)構(gòu)在四驅(qū)車輛中應(yīng)用較為普遍,、歐藍(lán)德和標(biāo)致3008均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),。新能源車型選擇應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、節(jié)油效果和成本增加,,例如由通用,、克萊斯勒和寶馬聯(lián)合開發(fā)的三行星排雙模系統(tǒng),盡管節(jié)油效果較好,,但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高,,近十年間的市場表現(xiàn)不盡如人意。
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2,、新能源汽車模塊規(guī)劃+ u6 `, X+ Z' @
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盡管新能源汽車分類復(fù)雜,,但其中共用的模塊較多,在開發(fā)過程中可采用模塊化方法,,共享平臺(tái),、提高開發(fā)速度�,?傮w上講,,整個(gè)新能源汽車可分為三級(jí)模塊體系、如圖2所示,,一級(jí)模塊主要是指執(zhí)行系統(tǒng),,包括充電設(shè)備、電動(dòng)附件,、儲(chǔ)能系統(tǒng),、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī),、離合器,、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪箱。二級(jí)模塊分為執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分,,執(zhí)行部分包括充電設(shè)備的地面充電機(jī)、集電器和車載充電機(jī),,儲(chǔ)能系統(tǒng)的單體,、電箱和PACK,發(fā)動(dòng)機(jī)部分的氣體機(jī),、汽油機(jī)和柴油機(jī),,發(fā)電機(jī)的永磁同步和交流異步,離合器中的干式和濕式,,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的永磁同步和交流異步,,齒輪箱部分的有級(jí)式自動(dòng)變速器(包括AMT、AT和DCT等),、行星排和減速齒輪,;二級(jí)模塊的控制系統(tǒng)包括BMS,、ECU、GCU,、CCU,、MCU、TCU和VCU,,分別表示電池管理系統(tǒng),、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元、發(fā)電機(jī)控制器,、離合器控制單元,、電機(jī)控制器、變速器控制系統(tǒng)和整車控制器,。三級(jí)模塊體系中,,包括電池單體的功率型和能量型,永磁和異步電機(jī)的水冷和風(fēng)冷形式,,控制系統(tǒng)的三級(jí)模塊主要包括硬件,、底層和應(yīng)用層軟件
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, [/ `# X" i3 d0 `4 a: D圖2 三級(jí)模塊體系7 q9 p9 p0 S Z3 l! ^
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根據(jù)功能和控制的相似性,三級(jí)模塊體系的部分模塊可組成純電動(dòng)(含增程式),、插電并聯(lián)混動(dòng)和插電混聯(lián)混動(dòng)三種平臺(tái)架構(gòu),,例如純電動(dòng)(含增程式)由充電設(shè)備、電動(dòng)附件,、儲(chǔ)能系統(tǒng),、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪箱組成。各平臺(tái)模塊的通用性較強(qiáng),,采用平臺(tái)和模塊的開發(fā)方法,,可共享核心部件資源,提升新能源系統(tǒng)的安全性和可靠性,,縮短周期,、降低研發(fā)及采購成本.
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% C1 H) o; s, p3、新能源三大核心技術(shù)/ ?: x( S+ s" q2 {
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在三級(jí)模塊體系和平臺(tái)架構(gòu)中,,整車控制器(VCU),、電機(jī)控制器(MCU)和電池管理系統(tǒng)(BMS)是最重要的核心技術(shù),對(duì)整車的動(dòng)力性,、經(jīng)濟(jì)性,、可靠性和安全性等有著重要影響。
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3.1VCU
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% G h) T- Q/ C5 {9 N& m8 SVCU是實(shí)現(xiàn)整車控制決策的核心電子控制單元,,一般僅新能源汽車配備,、傳統(tǒng)燃油車無需該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位,、剎車踏板等信號(hào)來判斷駕駛員的駕駛意圖,;通過監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)(車速、溫度等)信息,,由VCU判斷處理后,,向動(dòng)力系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)送車輛的運(yùn)行狀態(tài)控制指令,,同時(shí)控制車載附件電力系統(tǒng)的工作模式,;VCU具有整車系統(tǒng)故障診斷保護(hù)與存儲(chǔ)功能。
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& |' _; W5 L {4 h" h& x圖3為VCU的結(jié)構(gòu)組成,,共包括外殼,、硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件,,硬件電路,、底層軟件和應(yīng)用層軟件是VCU的關(guān)鍵核心技術(shù)。 @+ z8 \0 g5 t" s3 |3 d) J3 t8 o% u$ B
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G1 P, J3 V+ p圖3 VCU組成
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4 z, u% u8 m pVCU硬件采用標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路( 32位主處理器,、電源,、存儲(chǔ)器、CAN )和VCU專用電路(傳感器采集等)設(shè)計(jì),;其中標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路可移植應(yīng)用在MCU和BMS,,平臺(tái)化硬件將具有非常好的可移植性和擴(kuò)展性。隨著汽車級(jí)處理器技術(shù)的發(fā)展,,VCU從基于16位向32位處理器芯片逐步過渡,,32位已成為業(yè)界的主流產(chǎn)品。0 U; P8 s6 l' r- ]% X
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1 E1 S0 w1 R! ?# N底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn),,達(dá)到電子控制單元(ECU)開發(fā)共平臺(tái)的發(fā)展目標(biāo),,支持新能源汽車不同的控制系統(tǒng);模塊化軟件組件以軟件復(fù)用為目標(biāo),,以有效提高軟件質(zhì)量,、縮短軟件開發(fā)周期。
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& }6 A' H# m" Q+ \& `- a6 e應(yīng)用層軟件按照V型開發(fā)流程,、基于模型開發(fā)完成,,有利于團(tuán)隊(duì)協(xié)作和平臺(tái)拓展;采用快速原型工具和模型在環(huán)(MIL)工具對(duì)軟件模型進(jìn)行驗(yàn)證,,加快開發(fā)速度;策略文檔和軟件模型均采用專用版本工具進(jìn)行管理,,增強(qiáng)可追溯性,;駕駛員轉(zhuǎn)矩解析、換擋規(guī)律、模式切換,、轉(zhuǎn)矩分配和故障診斷策略等是應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù),,對(duì)車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有著重要影響,。5 a$ x: p& X* ~+ b( G( l" q
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表2為世界主流VCU供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù),,代表著VCU的發(fā)展動(dòng)態(tài)。
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4 z$ e" M7 `5 M) r/ S( B- M7 Y表2 VCU技術(shù)參數(shù)
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# p2 t, ^+ |9 ^7 g, d: c作為汽車電子國際領(lǐng)先廠商,,飛思卡爾將在2015慕尼黑上海電子展上展示更多關(guān)于汽車電子的具體應(yīng)用與技術(shù),,歡迎大家屆時(shí)參觀了解。
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3.2MCU
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MCU是新能源汽車特有的核心功率電子單元,,通過接收VCU的車輛行駛控制指令,,控制電動(dòng)機(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速,驅(qū)動(dòng)車輛行駛,。實(shí)現(xiàn)把動(dòng)力電池的直流電能轉(zhuǎn)換為所需的高壓交流電,、并驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體輸出機(jī)械能。同時(shí),,MCU具有電機(jī)系統(tǒng)故障診斷保護(hù)和存儲(chǔ)功能,。
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MCU由外殼及冷卻系統(tǒng)、功率電子單元,、控制電路,、底層軟件和控制算法軟件組成,具體結(jié)構(gòu)如圖4所示,。# o4 c0 q/ M" G. e* E
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7 h- O- D6 ^) L# r1 h) A圖4 MCU組成
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8 t6 `, D6 z# AMCU硬件電路采用模塊化,、平臺(tái)化設(shè)計(jì)理念(核心模塊與VCU同平臺(tái)),功率驅(qū)動(dòng)部分采用多重診斷保護(hù)功能電路設(shè)計(jì),,功率回路部分采用汽車級(jí)IGBT模塊并聯(lián)技術(shù),、定制母線電容和集成母排設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)部分采用高防護(hù)等級(jí),、集成一體化液冷設(shè)計(jì),。
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' i1 P4 x2 N, s9 ~, a6 k
0 c" }( Q/ k0 H+ j' V與VCU類似,MCU底層軟件以AUTOSAR開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn),,達(dá)到ECU開發(fā)共同平臺(tái)的發(fā)展目標(biāo),,模塊化軟件組件以軟件復(fù)用為目標(biāo)。
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9 p2 \8 R5 z, @2 P9 B應(yīng)用層軟件按照功能設(shè)計(jì)一般可分為四個(gè)模塊:狀態(tài)控制,、矢量算法,、需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算和診斷模塊。其中,,矢量算法模塊分為MTPA控制和弱磁控制,。2 B' j$ y1 o* ?+ L
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MCU關(guān)鍵技術(shù)方案包括:基于32位高性能雙核主處理器,;汽車級(jí)并聯(lián)IGBT技術(shù),定制薄膜母線電容及集成化功率回路設(shè)計(jì),,基于AutoSAR架構(gòu)平臺(tái)軟件及先進(jìn)SVPWM PMSM控制算法,;高防護(hù)等級(jí)殼體及集成一體化水冷散熱設(shè)計(jì)。
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表3為世界主流 MCU硬件供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù),,代表著MCU的發(fā)展動(dòng)態(tài),。
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( ]% |5 d4 b6 k5 T; |表3 MCU技術(shù)參數(shù)
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6 R ]& ]: n9 d {* g! r* G3.3電池包和BMS
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3 c9 I1 F9 y! {; P J/ E) F電池包是新能源汽車核心能量源,為整車提供驅(qū)動(dòng)電能,,它主要通過金屬材質(zhì)的殼體包絡(luò)構(gòu)成電池包主體,。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯的集成,通過熱管理設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能,,電器部件及線束實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)電池的安全保護(hù)及連接路徑,;通過BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的管理,以及與整車的通訊及信息交換,。
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電池包組成如圖5所示,,包括電芯、模塊,、電氣系統(tǒng),、熱管理系統(tǒng)、箱體和BMS,。BMS能夠提高電池的利用率,,防止電池出現(xiàn)過充電和過放電,延長電池的使用壽命,,監(jiān)控電池的狀態(tài),。/ b2 U( q9 r+ [7 q
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圖5 電池包組成8 w1 Z& e- B$ ?
: d. q$ ^) m, R; k; F5 C
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6 S2 J4 W$ {, @/ w! Z& t/ \% MBMS是電池包最關(guān)鍵的零部件,與VCU類似,,核心部分由硬件電路,、底層軟件和應(yīng)用層軟件組成。但BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成,,從版安裝于模組內(nèi)部,,用于檢測(cè)單體電壓、電流和均衡控制,;主板安裝位置比較靈活,,用于繼電器控制、荷電狀態(tài)值(SOC)估計(jì)和電氣傷害保護(hù)等,。( w& k* _8 Q8 k7 ~* c$ b
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0 y5 N2 @$ s2 o0 ?9 x3 DBMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測(cè)量,,并通過高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸通道與BCU 模塊進(jìn)行指令及數(shù)據(jù)的雙向傳輸。BCU 可選用基于汽車功能安全架構(gòu)的32 位微處理器完成總電壓采集,、絕緣檢測(cè),、繼電器驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能,。, ^! W1 y) L6 p% Q/ Q
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) K9 x* m2 }1 H4 w1 ], C: t底層軟件架構(gòu)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn),模塊化開發(fā)容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和移植,,提高開發(fā)效率。$ _; S, A' @6 e0 U0 W8 z
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應(yīng)用層軟件是BMS的控制核心,,包括電池保護(hù),、電氣傷害保護(hù)、故障診斷管理,、熱管理,、繼電器控制、從板控制,、均衡控制,、SOC估計(jì)和通訊管理等模塊,應(yīng)用層軟件架構(gòu)如圖6所示,。
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圖6 應(yīng)用層軟件架構(gòu)
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表4為國內(nèi)外主流 BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù),,代表著BMS的發(fā)展動(dòng)態(tài)。8 \7 x: v+ N1 H
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表4 BMS技術(shù)參數(shù)
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4,、充電設(shè)施* }4 G8 ]3 H+ O' I
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充電設(shè)施不完善是阻礙新能源汽車市場推廣的重要因素,,對(duì)特斯拉成功的解決方案進(jìn)行分析,并提出新能源汽車的充電解決方案,、剖析充電系統(tǒng)組成,。 f! d/ i& j; i5 e2 t
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4.1特斯拉充電方案分析
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! T; O( U/ o& j4 b( a: x特斯拉超級(jí)充電器代表了當(dāng)今世界最先進(jìn)的充電技術(shù),它為MODEL S充電的速度遠(yuǎn)高于大多數(shù)充電站,,表5為特斯拉電池和充電參數(shù),。! ^# @$ y* w" x8 M8 ^, b
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表5 電池和充電參數(shù)- L7 V4 f8 V& g& a* A j0 q
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h6 z- u/ H% K- {/ D特斯拉具有5種充電方式,采用普通110/220V市電插座充電,,30小時(shí)充滿,;集成的10kW充電器,10小時(shí)充滿,;集成的20kW充電器,,5小時(shí)充滿;一種快速充電器可以裝在家庭墻壁或者停車場,,充電時(shí)間可縮短為5小時(shí),; 45分鐘能充80%的電量、且電費(fèi)全免,,這種快充裝置僅在北美市場比較普遍,。) ^! q, p: o* ]3 c+ U- y
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6 F( {' l1 A# ]) Y5 Y特斯拉使用太陽能電池板遮陽棚的充電站,既可以抵消能源消耗又能夠遮陽,。與在加油站加油需要付費(fèi)不同,,經(jīng)過適當(dāng)配置的 MODEL S 可以在任何開放充電站免費(fèi)充電,。; V$ y Q! W1 G& ]2 y
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特斯拉充電技術(shù)特點(diǎn)可總結(jié)如下兩點(diǎn):1)特斯拉充電站加入了太陽能充電技術(shù),這一技術(shù)使充電站盡可能使用清潔能源,,減少對(duì)電網(wǎng)的依賴,,同時(shí)也減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾,國內(nèi)這一技術(shù)也能實(shí)現(xiàn),。 2)特斯拉充電時(shí)間短也不足為奇,,特斯拉的充電機(jī)容量大90~120kWh,充電倍率0.8C,,跟普通快充一樣,,并沒有采用更大的充電倍率,所以不會(huì)影響電池壽命,;20分鐘充到40%,,就能滿足續(xù)航要求,主要原因是電池容量大,。
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4.2充電解決方案
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有一種可參考的新能源汽車充電解決方案,,充電系統(tǒng)組成為:配電系統(tǒng)(高壓配電柜、變壓器,、無功補(bǔ)償裝置和低壓開關(guān)柜),、充電系統(tǒng)(充電柜和充電機(jī)終端)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)(儲(chǔ)能電池與逆變器柜)。無功補(bǔ)償裝置解決充電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)影響,,充電柜內(nèi)充電機(jī)一般都具備有源濾波功能,、解決諧波電流和功率因數(shù)問題。儲(chǔ)能電池和逆變器柜解決老舊配電系統(tǒng)無法滿足充電站容量要求,、并起到削峰填谷作用,,在不充電時(shí)候進(jìn)行儲(chǔ)能,大容量充電且配電系統(tǒng)容量不足時(shí)釋放所儲(chǔ)能量進(jìn)行充電,。如果新建配電系統(tǒng)容量足夠,,儲(chǔ)能電池和逆變器柜可以不選用。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為充電系統(tǒng)提供清潔能源,,盡量減少從電網(wǎng)取電,。
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5、總結(jié). o- G# G/ A( |/ M. n- `
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從消費(fèi)者和技術(shù)角度分別對(duì)新能源汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納分類,,分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),,以及國內(nèi)外各主機(jī)廠的應(yīng)用情況。分析新能源汽車的模塊組成和平臺(tái)架構(gòu),,詳細(xì)介紹了三級(jí)模塊體系中相關(guān)的執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng),。分析VCU、MCU和BMS的結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵技術(shù),,以及世界主流供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)和發(fā)展動(dòng)態(tài),。對(duì)特斯拉成功的解決方案進(jìn)行分析,,并提出新能源汽車的充電解決方案 |
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