電動(dòng)汽車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展路線淺析

陳鋮彬

摘 要：中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，文章主要就電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、“三電”核心技術(shù)進(jìn)行了介紹，同時(shí)就“三電”系統(tǒng)的發(fā)展路線進(jìn)行了淺析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展路線

電動(dòng)汽車，作為0排放的綠色新能源交通工具，可以在減碳、節(jié)能、環(huán)保等方面發(fā)揮重大的作用，因此我國(guó)正在大力推進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文就當(dāng)前電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)路線進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹和淺析。

1 電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的差別，主要是用電代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料作為汽車動(dòng)力能源，同時(shí)用電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換電能為動(dòng)能、驅(qū)動(dòng)車輛行走。電動(dòng)車的能源主要由動(dòng)力電池提供，一般布置在車身下方，因此安裝動(dòng)力電池部位的車身強(qiáng)度以及車身地板高度在設(shè)計(jì)時(shí)必須要特別考慮。而電機(jī)布置形式有前置、后置方式，也有特別的采用輪轂電機(jī)的方式。由于電機(jī)有很大的調(diào)速范圍和能夠穩(wěn)定持續(xù)地輸出較大扭矩，能夠滿足車輛的正常需求，因此從成本、重量、布置方面考慮，市場(chǎng)上大部分電動(dòng)汽車都沒(méi)有搭載獨(dú)立變速器。

2 電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展路線淺析

電動(dòng)汽車涉及到了車身、底盤、電子電器、新能源等技術(shù)，但其中最關(guān)鍵的是“三電”系統(tǒng)技術(shù)：電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)。

2.1 電池系統(tǒng)

電池系統(tǒng)主要包括動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng)，是目前制約電動(dòng)汽車發(fā)展最為重要的影響要素。

2.1.1 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池自身的性能對(duì)電動(dòng)汽車的性能、成本、使用壽命產(chǎn)生決定性的影響。例如電動(dòng)汽車的續(xù)航里程直接取決于電池容量；動(dòng)力性能受電池功率密度的影響；成本和使用壽命更是主要受制于動(dòng)力電池，電池成本占整車成本的30%甚至更高。

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的種類主要有鉛酸、鎳鎘、鈉硫、鋰離子、燃料電池等，鋰離子電池由于工作電壓高、比能量大、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，占有絕大部分市場(chǎng)。而鋰離子電池中磷酸鐵鋰又占據(jù)市場(chǎng)近六成份額，三元鋰占約三成，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)：磷酸鐵鋰在安全、循環(huán)壽命和成本方面優(yōu)于三元材料，三元鋰在能量密度、低溫性能等方面有優(yōu)勢(shì)。目前動(dòng)力電池的技術(shù)關(guān)鍵是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)、成本低、安全性高的電池，表1是鋰電池發(fā)展的技術(shù)路線目標(biāo)[1]。

2.1.2 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱BMS），是電池系統(tǒng)的控制中樞，主要有以下幾個(gè)功能：（1）預(yù)估電池的剩余電量（簡(jiǎn)稱SOC）；（2）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電池工作狀態(tài)；（3）對(duì)電池組進(jìn)行均衡管理。BMS的核心技術(shù)是SOC估算，其他的控制都以SOC為判斷基礎(chǔ)。SOC精度越高，越能有效利用電池電量，提高車輛續(xù)航里程，還能讓每塊電芯更加均衡管理，提高電池使用壽命，有效地降低電池成本。當(dāng)前SOC估算方法有很多，主要有傳統(tǒng)的電流積分法、放電實(shí)驗(yàn)法、開路電壓法，較為創(chuàng)新的有Kalman濾波法、模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[2]。國(guó)內(nèi)一般廠商多用電流積分法，該法相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，可以動(dòng)態(tài)估算SOC，但其無(wú)法精確測(cè)算電池自放電率、老化程度和充放電倍率對(duì)電池SOC的影響，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致估算誤差不斷累積擴(kuò)大；而放電實(shí)驗(yàn)法、開路電壓法因估算花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，難以運(yùn)用在運(yùn)行的車輛上；Kalman濾波法、模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法估算精度與建立的模型密切相關(guān)，算法較為復(fù)雜。當(dāng)前，BMS核心技術(shù)的發(fā)展路線還是建立一個(gè)高精度和超強(qiáng)糾錯(cuò)性的SOC計(jì)算模型。

2.2 電機(jī)系統(tǒng)

電機(jī)系統(tǒng)包含電機(jī)及其控制系統(tǒng)，車輛的動(dòng)力性和操縱性與其息息相關(guān)。當(dāng)前的電動(dòng)汽車，直流電機(jī)基本上被代替，永磁同步電機(jī)被廣泛運(yùn)用，除此之外還有異步電機(jī)、輪轂電機(jī)等。永磁同步電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)就是具有較高的功率密度與轉(zhuǎn)矩密度，在相同質(zhì)量與體積下，能夠?yàn)檐囕v提供最大的動(dòng)力輸出。異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，工藝簡(jiǎn)單，但其功率密度與轉(zhuǎn)矩密度要低于永磁同步電機(jī)，適用于布置空間較大的車輛，例如特斯拉Model S。輪轂電機(jī)則是將車輛的動(dòng)力、傳動(dòng)以及制動(dòng)裝置一起整合到輪轂內(nèi)，省了大量的傳動(dòng)部件，車輛結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單；但是其在同步控制，涉水密封等方面，還有很多問(wèn)題需要解決。目前電機(jī)本體本身正在往調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量輕、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋利用率高等特性方向發(fā)展。

電機(jī)的控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PCU），是根據(jù)整車控制器的指示，控制電機(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速，從而驅(qū)動(dòng)車輛行駛。PCU的核心技術(shù)是電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速控制算法，未來(lái)發(fā)展方向是更加智能化和數(shù)字化，例如變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、專家控制、遺傳算法等非線性智能控制技術(shù)[3]，都將被各自或綜合應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)，從而使得電動(dòng)車擁有更好的駕駛操縱性。

2.3 整車控制系統(tǒng)

整車控制系統(tǒng)是車輛的控制大腦，其性能對(duì)汽車動(dòng)力性、舒適性、安全性以及能耗等有著決定性的影響。整車控制系統(tǒng)架構(gòu)主要由整車控制器（簡(jiǎn)稱VCU）、通信網(wǎng)絡(luò)、各零部件控制器以及駕駛員操縱系統(tǒng)構(gòu)成，其核心電子控制單元是VCU，一般僅新能源汽車配備、傳統(tǒng)燃油車無(wú)需該裝置。VCU通過(guò)采集加速踏板、制動(dòng)踏板、真空泵壓力等信號(hào)來(lái)獲取駕駛員的意圖，同時(shí)通過(guò)當(dāng)前車輛狀態(tài)信息的判斷處理，向BMS、PCU、充電機(jī)等發(fā)送控制指令，使得各系統(tǒng)有效工作。此外VCU還控制例如空調(diào)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、轉(zhuǎn)向助力、組合儀表、安全氣囊等系統(tǒng)的工作；而且VCU還具有整車系統(tǒng)故障診斷保護(hù)與存儲(chǔ)功能。

當(dāng)前，我國(guó)VCU的技術(shù)水平與國(guó)外還有一定差距，未來(lái)提升主要方向有：（1）硬件方面，提高芯片集成能力，標(biāo)準(zhǔn)化核心電路，平臺(tái)化硬件，使其更具有可移植性和擴(kuò)展性；（2）軟件方面，也是標(biāo)準(zhǔn)模塊化軟件組件，通過(guò)電動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化扭矩控制，故障診斷和安全控制等策略。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要就電動(dòng)汽車當(dāng)前的“三電”核心技術(shù)——電池、電機(jī)、電控進(jìn)行了介紹，同時(shí)就“三電”系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了淺析。中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，相對(duì)于汽油車，我國(guó)電動(dòng)汽車技術(shù)與國(guó)外的差距較小，汽車行業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇，做好關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，提升我國(guó)電動(dòng)汽車的行業(yè)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]歐陽(yáng)明高.節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖[R].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2016.

[2]李曉紅.動(dòng)力電池管理系統(tǒng)SOC估算研究及軟件設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3]電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及整車性能標(biāo)定[J].工程技術(shù)：全文版，2016（12）：206.