電動汽車開發(fā)的關鍵技術及發(fā)展路線淺析

陳鋮彬

摘 要：中國電動汽車產業(yè)正在快速發(fā)展，文章主要就電動汽車的結構特點、“三電”核心技術進行了介紹，同時就“三電”系統(tǒng)的發(fā)展路線進行了淺析。

關鍵詞：電動汽車；關鍵技術；發(fā)展路線

電動汽車，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，因此我國正在大力推進電動汽車技術和產業(yè)的發(fā)展。本文就當前電動汽車的結構特點、關鍵技術和技術路線進行簡要的介紹和淺析。

1 電動汽車的結構特點

電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的差別，主要是用電代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料作為汽車動力能源，同時用電機代替發(fā)動機轉換電能為動能、驅動車輛行走。電動車的能源主要由動力電池提供，一般布置在車身下方，因此安裝動力電池部位的車身強度以及車身地板高度在設計時必須要特別考慮。而電機布置形式有前置、后置方式，也有特別的采用輪轂電機的方式。由于電機有很大的調速范圍和能夠穩(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，市場上大部分電動汽車都沒有搭載獨立變速器。

2 電動汽車的關鍵技術和發(fā)展路線淺析

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

2.1 電池系統(tǒng)

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

2.1.1 動力電池

動力電池自身的性能對電動汽車的性能、成本、使用壽命產生決定性的影響。例如電動汽車的續(xù)航里程直接取決于電池容量；動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力電池，電池成本占整車成本的30%甚至更高。

電動汽車動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、質量輕、循環(huán)壽命長、自放電率低等優(yōu)點，占有絕大部分市場。而鋰離子電池中磷酸鐵鋰又占據(jù)市場近六成份額，三元鋰占約三成，二者各有優(yōu)缺點：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。目前動力電池的技術關鍵是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長、成本低、安全性高的電池，表1是鋰電池發(fā)展的技術路線目標[1]。

2.1.2 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（簡稱BMS），是電池系統(tǒng)的控制中樞，主要有以下幾個功能：（1）預估電池的剩余電量（簡稱SOC）；（2）動態(tài)監(jiān)測電池工作狀態(tài)；（3）對電池組進行均衡管理。BMS的核心技術是SOC估算，其他的控制都以SOC為判斷基礎。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。當前SOC估算方法有很多，主要有傳統(tǒng)的電流積分法、放電實驗法、開路電壓法，較為創(chuàng)新的有Kalman濾波法、模神經(jīng)網(wǎng)絡法等[2]。國內一般廠商多用電流積分法，該法相對簡單可靠，可以動態(tài)估算SOC，但其無法精確測算電池自放電率、老化程度和充放電倍率對電池SOC的影響，長期使用會導致估算誤差不斷累積擴大；而放電實驗法、開路電壓法因估算花費時間長，難以運用在運行的車輛上；Kalman濾波法、模神經(jīng)網(wǎng)絡法估算精度與建立的模型密切相關，算法較為復雜。當前，BMS核心技術的發(fā)展路線還是建立一個高精度和超強糾錯性的SOC計算模型。

2.2 電機系統(tǒng)

電機系統(tǒng)包含電機及其控制系統(tǒng)，車輛的動力性和操縱性與其息息相關。當前的電動汽車，直流電機基本上被代替，永磁同步電機被廣泛運用，除此之外還有異步電機、輪轂電機等。永磁同步電機的最大優(yōu)點就是具有較高的功率密度與轉矩密度，在相同質量與體積下，能夠為車輛提供最大的動力輸出。異步電機的優(yōu)點是成本低，工藝簡單，但其功率密度與轉矩密度要低于永磁同步電機，適用于布置空間較大的車輛，例如特斯拉Model S。輪轂電機則是將車輛的動力、傳動以及制動裝置一起整合到輪轂內，省了大量的傳動部件，車輛結構也相對簡單；但是其在同步控制，涉水密封等方面，還有很多問題需要解決。目前電機本體本身正在往調速范圍寬、轉速高、起動轉矩大、體積小、質量輕、效率高且有動態(tài)制動強和能量回饋利用率高等特性方向發(fā)展。

電機的控制系統(tǒng)（簡稱PCU），是根據(jù)整車控制器的指示，控制電機輸出指定的扭矩和轉速，從而驅動車輛行駛。PCU的核心技術是電機扭矩和轉速控制算法，未來發(fā)展方向是更加智能化和數(shù)字化，例如變結構控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、自適應控制、專家控制、遺傳算法等非線性智能控制技術[3]，都將被各自或綜合應用于電機控制系統(tǒng)，從而使得電動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，其性能對汽車動力性、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)架構主要由整車控制器（簡稱VCU）、通信網(wǎng)絡、各零部件控制器以及駕駛員操縱系統(tǒng)構成，其核心電子控制單元是VCU，一般僅新能源汽車配備、傳統(tǒng)燃油車無需該裝置。VCU通過采集加速踏板、制動踏板、真空泵壓力等信號來獲取駕駛員的意圖，同時通過當前車輛狀態(tài)信息的判斷處理，向BMS、PCU、充電機等發(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、遠程監(jiān)控、轉向助力、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)故障診斷保護與存儲功能。

當前，我國VCU的技術水平與國外還有一定差距，未來提升主要方向有：（1）硬件方面，提高芯片集成能力，標準化核心電路，平臺化硬件，使其更具有可移植性和擴展性；（2）軟件方面，也是標準模塊化軟件組件，通過電動車實際運行數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化扭矩控制，故障診斷和安全控制等策略。

3 結束語

本文主要就電動汽車當前的“三電”核心技術——電池、電機、電控進行了介紹，同時就“三電”系統(tǒng)的發(fā)展方向進行了淺析。中國電動汽車產業(yè)正在快速發(fā)展，相對于汽油車，我國電動汽車技術與國外的差距較小，汽車行業(yè)應抓住機遇，做好關鍵技術的研究工作，提升我國電動汽車的行業(yè)水平。

參考文獻

[1]歐陽明高.節(jié)能與新能源汽車技術路線圖[R].中國汽車工程學會年會，2016.

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

[3]電動汽車驅動電機控制系統(tǒng)的設計及整車性能標定[J].工程技術：全文版，2016（12）：206.