新能源汽車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與能效優(yōu)化研究

摘要： 隨著全球能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，發(fā)展新能源汽車已成為汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇。新能源汽車以電氣系統(tǒng)取代傳統(tǒng)燃油汽車的內(nèi)燃機(jī)，因此其電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和能效優(yōu)化至關(guān)重要。本文首先介紹了新能源汽車電氣系統(tǒng)的組成。然后詳細(xì)分析了電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了提升新能源汽車電氣系統(tǒng)能效的主要途徑。最后得出結(jié)論，全面優(yōu)化電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，綜合提升電氣系統(tǒng)能效，有助于推動新能源汽車的健康可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；電氣系統(tǒng)；設(shè)計(jì)優(yōu)化；能效提升

引言

在全球能源和環(huán)境危機(jī)日益加劇的大背景下，發(fā)展新能源汽車已成為國內(nèi)外汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略選擇。與傳統(tǒng)燃油車相比，新能源汽車不僅有利于減少石油資源消耗，而且能夠顯著降低尾氣排放，對于改善大氣環(huán)境質(zhì)量、應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)具有重要意義。新能源汽車主要包括純電動汽車（BEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、燃料電池汽車（FCEV）等類型，其動力來源均為車載動力電池組，通過電機(jī)驅(qū)動車輪行駛，故新能源汽車實(shí)質(zhì)上是一種“電車”。由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)及其輔件等機(jī)械部件被取消，新能源汽車電氣系統(tǒng)的復(fù)雜度大大增加，同時(shí)電氣系統(tǒng)的性能直接決定整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前新能源乘用車平均電耗仍在15kWh/ 百公里以上，商用車平均電耗更是高達(dá)50kWh/ 百公里，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃油車的油耗水平，新能源汽車電池能量密度低（一般為140Wh/kg 左右）、充電時(shí)間長（快充模式30min充80% 左右）等問題也制約了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。優(yōu)化新能源汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升電氣系統(tǒng)能效，對于提高整車性價(jià)比至關(guān)重要。

一、新能源汽車電氣系統(tǒng)的組成

新能源汽車取消了傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動機(jī)、變速箱、離合器、油箱等機(jī)械部件，轉(zhuǎn)而由電池、電機(jī)、電控等電氣部件構(gòu)成其動力系統(tǒng)。典型的新能源汽車電氣系統(tǒng)，主要包括動力電池、驅(qū)動電機(jī)、電力電子控制器、車載充電機(jī)、DC/DC 變換器、輔助蓄電池等部件。其中，動力電池是新能源汽車的“心臟”，為整車提供電能，目前最常用的是鋰離子電池，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但受材料及制造工藝限制，當(dāng)前動力電池的能量密度一般在140Wh/kg 左右，遠(yuǎn)低于汽油的質(zhì)量能量密度（12000Wh/kg）。為滿足整車?yán)m(xù)航里程需求，新能源汽車一般搭載幾百上千公斤重的大容量電池組，這顯著增加了車身重量和成本[1]。驅(qū)動電機(jī)是新能源汽車的“主力”，將電池輸出的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成定子繞組交流電，在定轉(zhuǎn)子磁場聯(lián)合作用下，依據(jù)電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動車輪，新能源汽車常用驅(qū)動電機(jī)有永磁同步電機(jī)（PMSM）、交流異步電機(jī)（IM）、開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）等類型，其中PMSM 因效率高、功率密度高、調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。電力電子控制器是新能源汽車的“大腦”，對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并對動力電池、車載充電機(jī)等其他電氣部件實(shí)施管理，其核心部件是微控制器（MCU），內(nèi)置控制算法，根據(jù)加速/ 制動踏板指令、車速等信號，輸出PWM 控制信號驅(qū)動電機(jī)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和車速，同時(shí)還具備故障診斷和安全保護(hù)等功能。車載充電機(jī)用于給動力電池充電，將交流電網(wǎng)電轉(zhuǎn)換為直流電，可分為交流充電機(jī)和直流充電機(jī)兩類，交流充電機(jī)內(nèi)置AC/DC 變流器，直流充電機(jī)內(nèi)置DC/DC 變換器，兩者輸出功率可達(dá)數(shù)十千瓦，充電機(jī)選型需要綜合考慮不同的充電模式，如恒流充電、恒壓充電和涓流充電。

二、新能源汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

（一）動力電池優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

動力電池是新能源汽車最為關(guān)鍵的部件之一，其性能直接決定整車的續(xù)航里程、加速性能和使用成本，目前應(yīng)用最廣泛的是三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池，能量密度分別達(dá)到250Wh/kg 和180Wh/kg 左右，但與汽油12 000Wh/kg 的能量密度相比，電池能量密度還有很大提升空間[2]。動力電池優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心是提高能量密度，可分為電芯級、模組級和系統(tǒng)級三個(gè)層次，電芯級優(yōu)化的重點(diǎn)是開發(fā)新型高比能正負(fù)極材料，如富鋰錳基正極、硅碳負(fù)極等，同時(shí)改善電極結(jié)構(gòu)提升能量利用率，模組級優(yōu)化包括提高改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)、增大電芯支數(shù)比等，系統(tǒng)級優(yōu)化則需要在電池系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、熱管理、BMS 設(shè)計(jì)等方面做文章，綜合電芯級到系統(tǒng)級的全方位優(yōu)化能夠最大程度地提升電池能量密度。除能量密度外，動力電池的循環(huán)壽命、安全性、工作溫度范圍等也是需要重點(diǎn)考慮的因素，如何兼顧多項(xiàng)性能，權(quán)衡技術(shù)難度和成本，是動力電池優(yōu)化設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)。

（二）驅(qū)動電機(jī)性能優(yōu)化技術(shù)

目前新能源汽車最常用的驅(qū)動電機(jī)是永磁同步電機(jī)，主要優(yōu)點(diǎn)是效率高（可達(dá)97% 以上）、功率密度大、調(diào)速范圍寬（最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15 000rpm）等，但永磁同步電機(jī)也存在成本高、磁鋼資源稀缺等問題，交流異步電機(jī)雖然效率和功率密度略低于永磁同步電機(jī)，但成本優(yōu)勢明顯，也得到了部分車企的青睞，開關(guān)磁阻電機(jī)以結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝要求低等特點(diǎn)，在商用車領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力[3]。針對驅(qū)動電機(jī)的不同特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)的不同側(cè)重點(diǎn)，對于永磁同步電機(jī)，如何在保證高功率密度的前提下降低永磁材料用量是難點(diǎn)所在，可通過優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如定子槽型、磁極數(shù)、繞組方案等降低永磁體用量；可開發(fā)新型永磁材料如鐵基、非晶材料等以降低成本。對于交流異步電機(jī)，提升功率密度和效率的關(guān)鍵是降低轉(zhuǎn)子銅耗，可通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子槽型，采用銅鼠籠轉(zhuǎn)子增大定子槽滿率，提高冷卻系數(shù)等手段實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，異步電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩較小，需要采取一定的啟動控制策略。對于開關(guān)磁阻電機(jī)，降低轉(zhuǎn)矩脈動和振動噪聲是首要問題，可通過改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化轉(zhuǎn)子和定子極角寬度比，增加相數(shù)，優(yōu)化勵磁角等途徑來抑制轉(zhuǎn)矩脈動，除電機(jī)本體外，驅(qū)動電機(jī)還需與變速箱、差速器匹配，優(yōu)化傳動系統(tǒng)的效率。

三、新能源汽車電氣系統(tǒng)能效優(yōu)化途徑

（一）優(yōu)化電氣系統(tǒng)能量管理策略

新能源汽車電氣系統(tǒng)能效優(yōu)化的首要途徑是制定合理的能量管理策略。能量管理系統(tǒng)是連接整車控制器、動力電池管理系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)控制器等部件的紐帶，其主要任務(wù)是根據(jù)車輛工況，實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)電池、電機(jī)、電網(wǎng)等部件的工作狀態(tài)，最大限度地減少能量損失。目前，新能源汽車主要采用基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略兩類?；谝?guī)則的策略如確定論策略、模糊邏輯策略等，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則和邊界條件，利用“if-then”邏輯判斷實(shí)現(xiàn)能量優(yōu)化分配，該類策略魯棒性強(qiáng)，易于工程實(shí)現(xiàn)，但缺乏可預(yù)見性和自適應(yīng)性?；趦?yōu)化的策略如動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法、粒子群算法等，以某一性能指標(biāo)（如能耗最?。閮?yōu)化目標(biāo)，在滿足整車動力性、經(jīng)濟(jì)性約束的前提下，自適應(yīng)地調(diào)整電池、電機(jī)工作狀態(tài)以求得最優(yōu)解，該類策略能夠獲得理論上的最優(yōu)能量管理方案，但計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性較差。因此，如何在兩類策略的優(yōu)缺點(diǎn)之間尋求平衡，開發(fā)魯棒高效的能量管理算法，是電氣系統(tǒng)效率提升的關(guān)鍵。

（二）提高單部件效率和集成化水平

在能量管理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升電氣系統(tǒng)能效還需著眼于關(guān)鍵部件的效率水平。以驅(qū)動電機(jī)為例，目前新能源乘用車用驅(qū)動電機(jī)的峰值效率可達(dá)97%，而在實(shí)際工況下，受到電機(jī)頻繁啟停、低速時(shí)效率降低等因素影響，電機(jī)的平均效率僅為92% 左右，仍有較大提升空間。電機(jī)效率的提高可通過銅轉(zhuǎn)子異步電機(jī)、高速電機(jī)、無線繞組電機(jī)等新型電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。以高速電機(jī)（轉(zhuǎn)速可達(dá)2～3 萬rpm）為例，相比常規(guī)電機(jī)，其體積和重量可減小3 倍以上，銅耗和鐵耗也大大降低，從而使電機(jī)的功率密度和效率顯著提高。逆變器效率的提升主要通過優(yōu)化拓?fù)潆娐罚x用高性能電力電子器件，改進(jìn)調(diào)制策略等實(shí)現(xiàn)，采用碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等新型半導(dǎo)體材料制備的MOSFET，導(dǎo)通電阻僅為硅基器件的1/10，開關(guān)頻率可達(dá)到兆赫茲量級，從而大大降低逆變損耗。在提升單部件效率的同時(shí)，電氣系統(tǒng)還需向高集成化方向發(fā)展。當(dāng)前，新能源汽車的電機(jī)、電控等部件大多采用分立式布置，不僅占用更多安裝空間，也增加了部件之間的配線長度，從而加劇了線路損耗。高度集成的“三合一”電驅(qū)系統(tǒng)將電機(jī)、逆變器、減速器三位一體，安裝空間減少40% 以上，重量減輕25%，成本降低20%，且控制響應(yīng)更快、效率更高，代表了電氣系統(tǒng)集成化的發(fā)展趨勢。

結(jié)論

隨著新一代電池技術(shù)、驅(qū)動電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)的不斷突破，新能源汽車電氣系統(tǒng)的性能指標(biāo)必將不斷刷新。同時(shí)，智能化、網(wǎng)聯(lián)化、輕量化等新理念新技術(shù)的引入，也將為新能源汽車電氣系統(tǒng)帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。相信通過科技創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，新能源汽車終將在能效、安全、成本等方面達(dá)到甚至超越傳統(tǒng)燃油車的水平，為人類的綠色出行提供更加優(yōu)質(zhì)高效的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李偉， 顧建林， 王有為. 新能源車熱泵系統(tǒng)能效最優(yōu)化控制策略研究[J]. 汽車知識，2024，24（12）：1-3.

[2] 黃召明. 新能源汽車的能效與節(jié)能技術(shù)探討[J]. 大眾汽車，2024（4）：0101-0103.

[3] 申皓天， 張亞威. 新能源汽車的能效與節(jié)能技術(shù)探討[J].大眾汽車，2023（12）：0128-0130.