電子技術(shù)在新能源汽車上的應(yīng)用

時(shí)宣華

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚(yáng)州分院，江蘇 揚(yáng)州 225003)

0 前言

近年來(lái)，電子技術(shù)在汽車領(lǐng)域，特別是在新能源汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，運(yùn)用電子元件控制汽車設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)車輛高效、卓越的響應(yīng)性?；陔娮涌刂萍夹g(shù)的汽車指示燈、照明燈、方向盤、雨刮器、揚(yáng)聲器及其他汽車設(shè)備，其性能有很大的提高。

1 新能源汽車發(fā)展的困境

1.1 市場(chǎng)發(fā)展不均衡

中國(guó)新能源汽車的應(yīng)用多集中于一線城市，這是因?yàn)橐痪€城市擁有較多的充電樁，新能源汽車購(gòu)車補(bǔ)貼力度相對(duì)較大。三、四線城市的消費(fèi)者對(duì)購(gòu)買新能源汽車持觀望態(tài)度，主要有2方面原因：① 三、四線城市擁有的充電樁數(shù)量相對(duì)較少，難以滿足用戶的日常需求。與燃油汽車加燃油時(shí)間相比，新能源汽車充電時(shí)間較長(zhǎng)，時(shí)間成本較大。② 消費(fèi)者認(rèn)為政府給與的新能源汽車購(gòu)車補(bǔ)貼力度不大，購(gòu)買成本高于燃油汽車。因此，目前國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)呈現(xiàn)不同城市發(fā)展不均衡的狀況。

1.2 核心技術(shù)缺乏

新能源汽車經(jīng)歷了實(shí)用知識(shí)、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新、市場(chǎng)推廣和共同開(kāi)發(fā)等4個(gè)發(fā)展階段。節(jié)能減排一直都是新能源汽車推廣的標(biāo)簽。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)新能源汽車從不同技術(shù)路線出發(fā)探索了節(jié)能減排解決方案，推動(dòng)了新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的革新，為節(jié)能減排作出了貢獻(xiàn)。但是，僅靠環(huán)保這個(gè)標(biāo)簽仍不足以讓新能源汽車在傳統(tǒng)汽車行業(yè)中獲得較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，新能源汽車的核心技術(shù)才是其發(fā)展的基礎(chǔ)。新能源汽車核心技術(shù)是動(dòng)力電池技術(shù)，盡管我國(guó)建立了電池技術(shù)研發(fā)中心和實(shí)驗(yàn)室，但與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，新能源汽車仍缺乏核心技術(shù)。

1.3 扶持政策體系不完整

國(guó)家相關(guān)扶持政策力度對(duì)新能源汽車的發(fā)展有著重大影響。中國(guó)實(shí)施新能源汽車補(bǔ)貼政策多年，對(duì)新能源汽車市場(chǎng)的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用，增強(qiáng)了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。然而，隨著政府補(bǔ)貼政策的變化，人們對(duì)新能源汽車的購(gòu)買意愿快速下降。

2 新能源汽車電子技術(shù)應(yīng)用的重要性

汽車電子控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。在傳統(tǒng)汽車中，電子控制系統(tǒng)中的傳感器和電子控制設(shè)備被作為載體，對(duì)車輛的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)控，降低了能耗和廢氣排放。隨著汽車領(lǐng)域電子應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電子傳感器已被廣泛應(yīng)用在汽車的電子控制單元，而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能控制等電子技術(shù)也成為了新能源汽車發(fā)展的基礎(chǔ)。

目前，新能源汽車以純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車為主。在20世紀(jì)初，新能源汽車就已被研發(fā)出來(lái)，但因沒(méi)有掌握電子控制及電池發(fā)電與儲(chǔ)能等技術(shù)，新能源汽車在此后的百年內(nèi)發(fā)展緩慢。20世紀(jì)80年代，半導(dǎo)體技術(shù)取得了突破，半導(dǎo)體器件制造業(yè)飛速發(fā)展，電池和電子控制裝置的性能也逐步穩(wěn)定，從而促進(jìn)新能源汽車進(jìn)入發(fā)展的新時(shí)代。隨著新材料和新制造工藝的應(yīng)用，動(dòng)力電池的能量密度越來(lái)越高，使純電驅(qū)動(dòng)成為可能。由于電池內(nèi)單體發(fā)熱和老化等問(wèn)題會(huì)影響電池組的整體性能，因此需要運(yùn)用電子技術(shù)對(duì)每個(gè)電池單體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，控制電池組的能量輸出和散熱系統(tǒng)的工作，提高了電池使用效率和壽命。

3 電子技術(shù)在新能源汽車行業(yè)的應(yīng)用

3.1 電子技術(shù)的發(fā)展

為了滿足人們出行的需求，要不斷提高汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、舒適性，降低燃油耗和廢氣排放，因而汽車會(huì)不斷增加各種電子設(shè)備，使現(xiàn)代車輛的電氣系統(tǒng)更加復(fù)雜，使用的電子元器件更多。

電氣工程的發(fā)展可分為傳統(tǒng)電氣工程及現(xiàn)代電子和電氣工程兩個(gè)階段。傳統(tǒng)的電子設(shè)備主要由二極管和晶閘管組成，是早期電力電子儀器中最具代表性的器件，具有高成品率和低功耗等優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)代電子和電氣設(shè)備則集成了電氣自動(dòng)化技術(shù)，由相關(guān)元器件和控制系統(tǒng)組成，對(duì)提升企業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)企業(yè)智能自動(dòng)化發(fā)展具有重要作用。與傳統(tǒng)的電子技術(shù)不同，現(xiàn)代電子技術(shù)更適合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。關(guān)于電氣自動(dòng)化技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用，我國(guó)制定了詳細(xì)的計(jì)劃，特別是分布式控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。目前，我國(guó)在電氣自動(dòng)化技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，推出了快速晶閘管、逆變晶閘管和雙向晶閘管等相關(guān)設(shè)備，電子技術(shù)也正朝著高頻應(yīng)用技術(shù)、模塊化硬件結(jié)構(gòu)和綠色產(chǎn)品性能等方向發(fā)展。

在新能源汽車行業(yè)中，電動(dòng)汽車電子技術(shù)涵蓋了直流-直流(DC-DC)和直流-交流(DC-AC)的所有變換，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 電子技術(shù)的應(yīng)用

電動(dòng)汽車技術(shù)與電子技術(shù)有著密切的關(guān)系，其技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)如圖1所示。

圖1 電子技術(shù)與電動(dòng)汽車技術(shù)的關(guān)系

電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)一般包括直流電動(dòng)機(jī)的斬波器和交流電機(jī)的逆波器。與傳統(tǒng)汽車相比，在電動(dòng)汽車上主要增加了斬波器、逆變器、能量轉(zhuǎn)換器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

斬波器的工作方式有2種：① 脈寬調(diào)制方式。調(diào)制周期不變，改變每次開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間。② 頻率調(diào)制方式。每次開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間不變，改變調(diào)制周期(易產(chǎn)生干擾)。目前，電動(dòng)汽車主要由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

電動(dòng)汽車的電機(jī)通常采用永磁同步電機(jī)矢量控制方式(圖2)。在矢量控制下，通過(guò)切換處理來(lái)控制交流電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)在保持磁場(chǎng)方向的同時(shí)模擬轉(zhuǎn)矩控制，使交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)功率與直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)功率相當(dāng)。電動(dòng)汽車電機(jī)在基本轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行被稱為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，最大轉(zhuǎn)矩控制則用于插入式磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，可提高電機(jī)的負(fù)載能力和車輛性能，使車輛適應(yīng)加速、負(fù)載爬坡、頻繁啟動(dòng)停止等復(fù)雜工況。在控制驅(qū)動(dòng)器效率方面，通過(guò)對(duì)脈沖寬度的空間矢量寬度進(jìn)行調(diào)制，將電機(jī)變成具有恒定振幅的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并以三相對(duì)稱正弦電壓下永磁同步電機(jī)的理想流量循環(huán)為測(cè)量基準(zhǔn)，利用逆變器不同開(kāi)關(guān)方式產(chǎn)生的有效流量矢量來(lái)跟蹤理想流量循環(huán)。

圖2 永磁同步電機(jī)矢量控制簡(jiǎn)圖

為滿足消費(fèi)者的需求和提升消費(fèi)者的駕駛體驗(yàn)，汽車制造商在電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，提高了車輛的性能。圖3為電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能模塊示意圖。

圖3 電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能模塊示意圖

在消費(fèi)者選購(gòu)汽車時(shí)，汽車安全性是重要的參考指標(biāo)。電子信息技術(shù)在汽車安全系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，主要體現(xiàn)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信或全球定位系統(tǒng)方面。集成的安全系統(tǒng)主要由傳感器和控制器組成，先進(jìn)的電子集成技術(shù)和信息化技術(shù)可以確保汽車在行駛過(guò)程中的安全。

引發(fā)交通事故的原因不僅有汽車自身的不確定因素，還有駕駛員的操作、道路狀況和天氣等因素。汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)是相互制約的系統(tǒng)技術(shù)(圖4)。

圖4 汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)示意圖

構(gòu)建以計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為核心的主動(dòng)安全系統(tǒng)，用以協(xié)調(diào)人、車輛和環(huán)境之間的相互作用，并使各自特性達(dá)到最佳匹配，確保車輛實(shí)現(xiàn)安全、高效和舒適的駕駛。隨著車輛中電氣部件的增多，通過(guò)提升發(fā)電部件的功率和效率，車輛性能、安全性和功能也得到較大的改善。

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)和制造中，電子信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣，汽車的生產(chǎn)制造開(kāi)始向電子化、智能化方向發(fā)展，汽車的整體性能得到了極大提升?，F(xiàn)代電子技術(shù)在新能源汽車上的運(yùn)用，使其在降低污染和噪聲、提高智能化程度方面有很大的改善，是未來(lái)電動(dòng)汽車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。