純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)分析

常澤楠

摘要：隨著石油資源的快速消耗以及燃油汽車對環(huán)境破壞的日益嚴(yán)重，純電動(dòng)汽車因自身能源效率高，清潔環(huán)保無污染，且易于維修等特點(diǎn)越來越符合當(dāng)今汽車行業(yè)發(fā)展的需求。本文在對純電動(dòng)汽車組成模塊和工作原理進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上，分析了純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，并對其技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了深入剖析，指明了純電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展方向，為純電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展提供了參考。

Abstract： With the rapid consumption of petroleum resources and the increasingly serious environmental damage caused by oil-fueled vehicles， pure electric vehicles are more and more in line with the development needs of today's automobile industry due to their high energy efficiency， clean environmental protection and no pollution， and easy maintenance. On the basis of the composition module and principle of pure electric vehicle， this paper analyzes the key technical links of pure electric vehicle， and makes an in-depth analysis of its technical difficulties， pointing out the development direction of pure electric vehicle technology， and providing a reference for the development of pure electric vehicle industry.

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;組成模塊;關(guān)鍵技術(shù);發(fā)展方向

Key words： battery electric vehicle;constitute a module;key technologies;the development direction

0 ?引言

21世紀(jì)以來，面對全球日益嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染等問題，美日歐中相繼將汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化改革，形成了從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車到混合動(dòng)力汽車，再到純電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。我國的純電動(dòng)汽車發(fā)展較晚，目前正處于探索階段，仍存在眾多需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)問題，因此對純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)及技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，就顯得尤為重要。

1 ?純電動(dòng)汽車概述

純電動(dòng)汽車（Battery Electric Vehicles，BEV）是一種僅依靠蓄電池提供動(dòng)力的新能源汽車，它是在混合動(dòng)力汽車的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[1]。首先，與混合動(dòng)力汽車相比，純電動(dòng)汽車能源利用率高，且無廢氣污染物排放。其次，純電動(dòng)汽車無內(nèi)燃機(jī)、油箱、冷卻和排氣系統(tǒng)等零部件，大大減少了汽車內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而有效地減輕汽車車身重量，降低車輛的磨損和噪音。此外，純電動(dòng)汽車于夜間蓄電，可避開用電高峰期，有利于電網(wǎng)均衡負(fù)荷，降低成本。

1.1 純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)汽車主要由三大模塊組成，即車載電源模塊、電力驅(qū)動(dòng)模塊、以及輔助模塊構(gòu)成。其中，電力驅(qū)動(dòng)模塊是純電動(dòng)汽車的核心部分，主要包括控制單元、驅(qū)動(dòng)控制器、電動(dòng)機(jī)、車輪以及機(jī)械傳動(dòng)裝置，其主要功能即將車載蓄電池的電能轉(zhuǎn)變成汽車行駛的動(dòng)能，并在汽車減速行駛時(shí)，將車輪的動(dòng)能回收轉(zhuǎn)化為電能。由車載蓄電池、充電控制器以及能量管理系統(tǒng)組成的車載電源模塊，其主要功能是保證對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定供電，并實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋車載電源的消耗情況，以便及時(shí)控制充電設(shè)備對車載蓄電池進(jìn)行充電。輔助模塊主要由動(dòng)力轉(zhuǎn)向單元、駕駛室操縱臺(tái)、輔助動(dòng)力源以及其他輔助裝置組成，其主要是為了提高汽車操控性、舒適性、安全性而設(shè)置的。（圖1）

1.2 純電動(dòng)汽車工作原理

由圖1可知，在純電動(dòng)汽車正常行駛時(shí)，中央控制單元通過加速/制動(dòng)踏板輸入的信號(hào)，向驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)出相應(yīng)指令，從而對電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、加/減速以及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。

純電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)具有二重性，既可以輸出電能，又能夠回收電能。在正常行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)將蓄電池提供的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動(dòng)裝置將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞給車輪，驅(qū)動(dòng)汽車向前行駛;在減速和制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)又將車輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，回收儲(chǔ)存于蓄電池中，提高能量的利用效率。

2 ?純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)分析

目前，在科研人員的不懈努力下，純電動(dòng)汽車已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，但由于純電動(dòng)汽車的研發(fā)涉及眾多知識(shí)體系和多項(xiàng)學(xué)科領(lǐng)域，其各項(xiàng)技術(shù)尚未完全成熟。其中，整車控制技術(shù)、電池及管理技術(shù)、電機(jī)及控制技術(shù)以及汽車車身輕量化技術(shù)，是純電動(dòng)汽車架構(gòu)體系中最為重要的四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，下面一一論述。

2.1 整車控制技術(shù)

整車控制技術(shù)是純電動(dòng)汽車研究的重要領(lǐng)域，其主要是在汽車傳感器對行駛速度、溫度、油門踏板等信息進(jìn)行監(jiān)測和采集后，經(jīng)整車控制系統(tǒng)處理反饋給車輛的電力系統(tǒng)和動(dòng)力控制系統(tǒng)，進(jìn)而對汽車傳達(dá)相應(yīng)的調(diào)控指令。

一般而言，純電動(dòng)汽車的整車控制系統(tǒng)由兩條總線構(gòu)成，分別為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制器、組合儀表以及EPS的高速CAN總線（一般為lMbps）以及控制真空助力制動(dòng)系統(tǒng)以及充電動(dòng)機(jī)的低速CAN總線（一般為125kbps）。高速CAN總線上，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為各個(gè)子系統(tǒng)的ECU，如變速控制、防抱死制動(dòng)以及巡航控制等[4]。低速CAN總線按照物理位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)，用于管理車身控制電子部分，如座椅和車窗運(yùn)行控制。

純電動(dòng)汽車的整車網(wǎng)絡(luò)化控制，可以有效解決汽車線路復(fù)雜和線束增加等問題，同時(shí)，為先進(jìn)的電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車上應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，也為線控技術(shù)（X-by-Wire）提供了保障[4]。

2.2 電機(jī)及控制技術(shù)

電動(dòng)機(jī)是純電動(dòng)汽車的核心部件。純電汽車的電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍廣、運(yùn)行效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大以及制動(dòng)強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。電機(jī)控制系統(tǒng)主要功能是對電機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，并對控制電路、遺傳算法等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集存儲(chǔ)。此外，在超負(fù)荷狀態(tài)或者惡劣工況下，對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

隨著相關(guān)技術(shù)瓶頸的突破，電機(jī)及控制系統(tǒng)逐步朝智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。如今，電機(jī)控制系統(tǒng)已逐步發(fā)展為以變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制等多項(xiàng)非線性控制技術(shù)構(gòu)成的操控體系。這些技術(shù)的使用，大大提高純電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力，使純電動(dòng)汽車性能得以進(jìn)一步提升。

2.3 電池及管理技術(shù)

蓄電池是純電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿碓础ｋ姵亟M性能的優(yōu)劣，對純電動(dòng)汽車的加速性、續(xù)航里程以及制動(dòng)能量回收效率有著至關(guān)重要的影響。電動(dòng)汽車車載電池歷經(jīng)鉛酸蓄電池、堿性電池的發(fā)展，目前，鋰離子電池因其具有較高的比能量和比功率，而引起研究人員的關(guān)注，但其生產(chǎn)成本太高，目前關(guān)鍵是降低批量化生產(chǎn)成本，提高鋰離子電池的可靠性、安全性。

此外，在電動(dòng)汽車行駛過程中，車載蓄電池會(huì)產(chǎn)生大量熱量，而蓄電池的運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性以及使用壽命均與其工作溫度有關(guān)。因此，為了提高蓄電池的性能和使用壽命，在對蓄電池進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮蓄電池的密封防水、防塵絕緣等問題，又必須考慮電池的散熱通風(fēng)設(shè)計(jì)，這成為純電動(dòng)汽車研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

電池管理系統(tǒng)通過對車載蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對其實(shí)時(shí)調(diào)控，特別是在蓄電池處于過壓、欠壓狀態(tài)時(shí)，對其進(jìn)行保護(hù)，從而減少蓄電池?fù)p耗，延長蓄電池的使用壽命。

2.4 車身輕量化技術(shù)

汽車車身輕量化是提高汽車動(dòng)力、增加續(xù)航里程的重要技術(shù)手段。試驗(yàn)表明，汽車整體質(zhì)量每下降10%，能源消耗便可降低3～5%。純電動(dòng)汽車因電池組的緣故而使車身較為繁重，輕量化問題就尤為突出，如何在滿足續(xù)航里程的前提下，將車身質(zhì)量減小，成為未來純電動(dòng)汽車發(fā)展的重中之重[3]。目前，有以下四項(xiàng)措施可降低車身質(zhì)量：

①降低車身零部件構(gòu)件質(zhì)量。通過對汽車零部件，如前橋、后橋、橫梁等進(jìn)行輕質(zhì)優(yōu)化分析，可適當(dāng)降低汽車底盤以及其他零部件的質(zhì)量，使得汽車輕量化。

②合理選擇車載蓄電池和電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。在對汽車實(shí)際運(yùn)行工況分析的基礎(chǔ)上，對車載蓄電池的容量、電壓以及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，在滿足汽車工況能夠正常運(yùn)行的前提下，合理選擇蓄電池和電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，從而減輕蓄電池和電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，使汽車車身質(zhì)量降低。

③進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對車載電動(dòng)機(jī)、汽車傳動(dòng)系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，從而降低動(dòng)力總成和車載能源系統(tǒng)的重量。此外，將蓄電池、汽車充電動(dòng)機(jī)等設(shè)備根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行集成或分散設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。

④車身結(jié)構(gòu)盡量使用輕質(zhì)材料。在材料選擇中，汽車輪轂、車載蓄電池箱框架可使用輕質(zhì)合金材料，汽車車身、懸架、剎車片等零部件盡量使用復(fù)合材料。通過這些輕型材料的使用，達(dá)到減輕汽車車身質(zhì)量的目的[4]。

3 ?結(jié)語

總之，純電動(dòng)汽車因具有結(jié)構(gòu)簡單、清潔環(huán)保無污染、能源效率高等特點(diǎn)而成為新能源汽車發(fā)展的一個(gè)主流趨勢。目前，純電動(dòng)汽車的整車控制技術(shù)、電機(jī)及控制技術(shù)、電池及管理技術(shù)以及汽車車身輕量化技術(shù)已經(jīng)取得一定成就，但各項(xiàng)技術(shù)仍存在一些亟待解決的問題，相信在國家的大力扶持下，純電動(dòng)汽車技術(shù)會(huì)越來越完善，其發(fā)展非常可期！

參考文獻(xiàn)：

[1]邱先文.純電動(dòng)汽車技術(shù)狀況及發(fā)展趨勢研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2019，48（06）：74-79.

[2]李靖.新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)及其難點(diǎn)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（05）：230-231.

[3]張子康.淺談新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（12）：186-187.

[4]崔勝民.新能源汽車技術(shù)（第2版）[M].北京：北京大學(xué)出版社，2018.151-155.