增程式電動汽車電氣架構分析

劉釗 蔣進科

摘? 要：為了提升電動汽車電氣零部件的通用性，對比了當前熱門的三種電動汽車類型，選擇車輛結構較為復雜的增程式電動汽車為對象，分別對增程式電動汽車的通信電氣架構和動力電氣架構進行了分析，根據(jù)當前實際情況與未來發(fā)展要求，提出了一種關于電動汽車電氣系統(tǒng)的發(fā)展設想，目的在于統(tǒng)一增程式電動汽車、純電動汽車、燃料電池汽車的電氣結構，促進電動汽車更快一步的發(fā)展。

關鍵詞：增程式電動汽車;電氣架構;零部件;通用性

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）03-0071-05

Abstract： In order to improve the universality of the electric components of the electric vehicle. Three popular types of electric vehicles are compared， the range-extended electric vehicle with a more complex vehicle structure is selected as the object. The communication and power electrical architecture of the extended-range electric vehicle was analyzed， based on the analysis of current conditions and future development requirements， and a development concept for the electric system of the electric vehicle was proposed. The electrical structure of automobiles and fuel cell vehicles promotes the rapid development of electric vehicles.

1? ? 前言

電動汽車是未來汽車的發(fā)展方向，然而目前大多數(shù)混合動力汽車和電動汽車都是在內燃機汽車的基礎上改裝而成，并未從底層進行電氣化設計。而電動汽車與內燃機汽車從根本結構以及電氣需求上是不同的，這樣的改裝不利于電動汽車的發(fā)展。因此搭建電動汽車電子電氣架構，建立電動汽車電氣化標準，能夠為實現(xiàn)電動汽車零部件規(guī)?；a、降低成本起到良好的促進作用。

電動汽車電子電氣架構主要包含兩部分，一是通信電氣架構，即信號傳輸系統(tǒng)。目前汽車上廣泛使用的CAN總線誕生于20世紀80年代，用于解決當時汽車上出現(xiàn)越來越多的電子系統(tǒng)所造成的總線龐大問題。然而未來汽車傳感器與控制單元間的數(shù)據(jù)傳輸量會大幅提升，CAN總線將難以應對未來汽在各方面的需求[1]。因此需要一種新的車用現(xiàn)場總線以適應汽車的發(fā)展要求。

二是動力電氣架構，也稱為高壓電氣架構。相比于傳統(tǒng)汽車12V與24V電氣架構，電動汽車動力電氣架構在安全性、密封性等方面提出了更高的要求。同時電動汽車動力電氣架構還需要具有較強的擴展能力，能夠兼容各種類型的電動汽車，如純電動汽車、增程式電動汽車、太陽能電動汽車、燃料電池汽車等。

在2018年發(fā)改委下發(fā)的《汽車產業(yè)投資管理規(guī)定（征求意見稿）》中，明確將增程式電動汽車與純電動汽車、燃料電池汽車一起列為純電動汽車投資項目，提高了增程式電動汽車的關注度。由于增程式電動汽車的結構比純電動汽車和燃料電池汽車都復雜，因此本文著重以增程式電動汽車進行研究。

2? ? 通信電氣架構

電動汽車的發(fā)展并不僅僅是電池、電機與電控等系統(tǒng)的發(fā)展，電動汽車同樣帶動了自動駕駛汽車和智能網聯(lián)汽車的發(fā)展，這樣的發(fā)展又對汽車的通信電氣系統(tǒng)提出了新的要求。

汽車通信電氣系統(tǒng)現(xiàn)階段主要指車用現(xiàn)場總線，是各種傳感器、控制單元以及執(zhí)行器互聯(lián)的通信網絡。目前常用的車用總線有CAN總線、LIN總線、FlexRay總線、MOST總線和車載以太網（Ethernet）等[2-5]，這些幾種總線的性能特點如表1所示：

LIN總線采用單線通信，成本較低，主要用于玻璃升降、燈光、雨刮等系統(tǒng)。CAN總線采用雙絞線通信，又分為低速CAN和高速CAN，低速CAN傳輸速率為125kb/s，主要用于儀表、防盜等;高速CAN傳輸速率為500kb/s，主要用于發(fā)動機控制、制動ABS等系統(tǒng);CANFD總線是CAN總線的基礎上發(fā)展的高帶寬模式，通信速率最大可達5Mb/s。FlexRay總線采用雙通道通信，每條通道的速率為10Mb/s，雙通道可以傳輸相同數(shù)據(jù)以提升準確性和安全性，也可以傳輸不同數(shù)據(jù)以提升速率，主要用于地盤控制。MOST總線采用塑料光纖通信，成本較高，用于多媒體系統(tǒng)、GPS導航等。車載以太網采用雙絞線進行通信，目前在汽車領域缺乏統(tǒng)一規(guī)范，還處于發(fā)展階段。

隨著高級駕駛輔助系統(tǒng)和智能網聯(lián)汽車的逐步發(fā)展，車輛上各種傳感器及控制器數(shù)量越來越多，CAN總線已顯現(xiàn)出無法應對的趨勢。目前以太網通信逐步進入汽車領域，然而現(xiàn)階段車載以太網通信協(xié)議尚未完善，其成本依然偏高。因此當前可行的方案是以當前較為成熟的CAN總線為基礎，逐步向以太網過渡，一方面挖掘目前應用廣泛的通信協(xié)議CAN總線的技術潛力，另一方面完善適應未來汽車要求的以太網技術規(guī)則，形成CAN-以太網混合通信架構[6]-[7]，如圖1所示：

在該通信電器架構中，保持現(xiàn)有高速CAN總線不變，將LIN總線替換為低速CAN總線，F(xiàn)lexRay總線替換為CANFD總線，MOST總線替換為以太網，在高級駕駛輔助系統(tǒng)和車輛網方面應用以太網，以此形成一種CAN-以太網混合通信電氣架構。

然而這種混合型架構僅僅是一種在滿足功能需求與降低成本之間綜合考量的產物，是一種過渡時期的通信電氣架構。隨著以太網總線在汽車上逐步擴大應用，其成本必然下降，可逐步將混合架構中的CAN總線替換為以太網總線，增強動力系統(tǒng)以及底盤動作的響應速度，以提升車輛的操控性和安全性，同時滿足未來汽車對于現(xiàn)場總線高傳輸效率、高安全性的要求。同時與外接通信的對接更容易形成“人、車、路”協(xié)同通信網絡，為智能交通奠定基礎。

3? ? 動力電氣架構

目前世界各國都在鼓勵新能源汽車的發(fā)展，然而對于新能源汽車的發(fā)展之路并未達成共識。對未來汽車發(fā)展方向的預測主要分成兩派，一派是以美國特斯拉為代表的純電動汽車;另一派是以日本豐田為代表的氫燃料電池汽車。純電動汽車結構簡單，但行駛里程受需電池能量密度的限制，行駛里程短且重量較大，同時充電時間長;氫燃料電池汽車沒有行駛里程的缺陷，單次加氫時間與燃油車相當。但燃料電池和儲氫罐的成本高，加氫站的建設成本也比充電站要高[8]。這兩種未來的新能源汽車實際上與增程式電動汽車一樣，都是以電動機為唯一動力源的汽車。在目前汽車發(fā)展道路并不明朗的情況下，可以優(yōu)先發(fā)展電動汽車的電機、電控等部分，并盡早統(tǒng)一電動汽車標準，帶動其他部分的發(fā)展。

借鑒燃油汽車的電氣架構，汽油車采用12V電氣系統(tǒng)，車上其他電子部件嚴格遵照電氣架構進行設計制造，有利于統(tǒng)一規(guī)格和大批量生產。車上啟動電機、噴油器、電磁閥等大部分機構均以12V電壓為工作電壓;而火花塞工作電壓能達到上萬伏，是用12V電壓經過點火線圈所形成的;大部分傳感器如溫度、壓力傳感器等工作電壓為5V，也是用12V電壓通過發(fā)動機控制單元轉換而成。由此可見，有了統(tǒng)一的電氣架構，汽車的設計以及功能擴展變得更加容易，促進了汽車電氣化的發(fā)展。

目前歐洲正在推行48V電氣系統(tǒng)，美國也在研究90V電氣系統(tǒng)，然而這些電氣架構僅用于混合動力車型，能夠使用啟動發(fā)電一體機、電動渦輪增壓器等裝置，并不適合電動汽車[9]。博世、德爾福等汽車零部件供應商也在著力發(fā)展新能源汽車電氣架構，如表2所示。但到目前為止，電動汽車仍沒有統(tǒng)一的電氣架構標準，各大汽車制造商和零部件供應商仍處于摸索階段，都在研發(fā)適合自己本公司體系的電動汽車架構，然而這樣做容易造成社會資源浪費，并且不利于電動汽車的迅速發(fā)展，因此有必要為電動汽車建立標準。

圖2為純電動汽車、氫燃料電池汽車和增程式電動汽車架構示意圖。圖中直流母線與其他功率型器件通過功率變換器相連，直流母線電壓不依賴于儲能裝置的電壓及容量，也可以與驅動電機的額定工作電壓相分離，因此在電動汽車動力電氣架構中母線電壓的設置上具有較大的靈活性[10]。一旦各方對直流母線電壓達成一致，功率型器件的生產廠家可以將器件與功率變換器集成為一體，減少整車生產商的工作量，同時形成標準的零部件供應體系，則電動汽車動力電氣架構可基本達成，進一步降低零部件成本，促進電動汽車行業(yè)的發(fā)展。

從圖2可以看出，三種電動汽車架構只有左側部分有差異，其他電氣設備相同。純電動汽車結構簡單，蓄電池容量最大，由外接電源供電;燃料電池汽車由燃料電池發(fā)電，蓄電池容量較小，用來平衡燃料電池輸出功率與需求功率的差值，同時可以回收制動能量;增程式電動汽車結構最復雜，包含增程器、超級電容器、蓄電池，由外接電源供電，但增程器、超級電容器、蓄電池功率及容量均較小，成本較低。也就是說這三種電動汽車中大部分零部件都是通用的，無論今后汽車朝哪個方向發(fā)展，總體構造并不會有太大的差異，因此構建電動汽車電氣架構具有前瞻性意義。

建立直流母線電壓標準，其他電氣設備可參照標準進行設計，整合功率變流器及其他附屬器件，有利于電氣設備的規(guī)?；⒓苫a，降低電動汽車成本，促進行業(yè)發(fā)展。

目前各大汽車廠家對于電動汽車并沒有統(tǒng)一的母線電壓標準，甚至相同廠家的不同車型電壓也不一樣，通常將電池組電壓作為車輛的母線電壓，也有將主電機額定電壓作為母線電壓，通用性較差。如豐田普銳斯混合動力汽車蓄電池電壓為直流201.6V;日產Leaf電池電壓為350V，三菱i-MiEV電池電壓為300V，特斯拉Model S電池電壓為400V，比亞迪秦電池電壓為460.8V（混動版）和633.6V（電動版）等。從以上數(shù)據(jù)可以看出，各個車型電壓并不統(tǒng)一。由德爾福統(tǒng)計的電動汽車電氣要求發(fā)展趨勢（圖3）也可以看出，隨著電動汽車電氣化程度的提升，電壓呈上升趨勢。電壓升高有兩個好處，一是能量/功耗損失小，二是電機驅動效率更高。但提高母線電壓會導致保險絲等保護器件以及IGBT等功率器件成本提升，因此選擇合適的母線電壓需要以當前技術條件為基礎。

在國標[11]中要求直流母線電壓取以下等級：36V、48V……600V、650V、700V、750V等。由于標準電壓過多，沒有形成較強的約束力，對目前電動汽車設計的指導意義有限。接口功率變換器中IGBT元件的工作電壓等級大體分為600V、1200V、1700V、2500V、3300V等，考慮到IGBT關斷時的沖擊電壓，一般IGBT的額定電壓要高于直流母線電壓約兩倍[12]。因此，電動汽車的母線電壓可選為約350V、600V、750V、1300V、1500V等，考慮到目前電動汽車電池電壓的發(fā)展現(xiàn)狀，可以將母線電壓標準定為600V，形成一整套基于該電壓的零部件供應體系。當前廣泛使用的12V零部件系統(tǒng)可通過接入600V/12V變壓模塊實現(xiàn)通用，以充分降低電動汽車的成本。

鑒于各種車輛所需不同的動力電池容量以及驅動電機功率，考慮到電動汽車與傳統(tǒng)汽車動力結構的不同，其動力電池與驅動電機同樣可以制定標準，形成一套嚴格的系統(tǒng)。針對不同大小的車輛，在同一輛車上布置多個動力電池包以及多個驅動電機，以滿足車輛對電池容量與驅動功率的提升，更進一步發(fā)展電動汽車模塊化設計，降低生產成本。

4? ? 結論

電動汽車的快速發(fā)展給汽車行業(yè)注入了新的活力，但就目前情況而言，電動汽車仍然是在傳統(tǒng)內燃機汽車的基礎上進行修補，無法充分發(fā)揮電動汽車的優(yōu)勢。因此需要從底層架構層面入手，設計適合目前技術條件與需求的電動汽車。

本文從通信電氣架構和動力電氣架構兩方面，分別描述了當前電動汽車的現(xiàn)狀及需求，并以此為基礎引申出技術革新路線。在通信電氣架構方面，建立以太網為主、兼容CAN總線協(xié)議的CAN-以太網構架，在高級駕駛輔助、智能網聯(lián)、多媒體等新型領域使用以太網通信，通過復合網關兼容傳統(tǒng)汽車動力、車身及地盤系統(tǒng)的CAN總線控制。

在動力電氣架構方面，建立母線電壓600V的標準電氣系統(tǒng)，其他能量元件與功率元件通過功率變換器與直流母線相連，同時兼容傳統(tǒng)汽車12V電氣系統(tǒng)。

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