新能源汽車電氣系統的設計與能效優化研究

摘要： 隨著全球能源短缺和環境污染問題日益嚴峻，發展新能源汽車已成為汽車工業轉型升級的必然選擇。新能源汽車以電氣系統取代傳統燃油汽車的內燃機，因此其電氣系統的設計和能效優化至關重要。本文首先介紹了新能源汽車電氣系統的組成。然后詳細分析了電氣系統設計中的關鍵技術。在此基礎上，進一步探討了提升新能源汽車電氣系統能效的主要途徑。最后得出結論，全面優化電氣系統設計，綜合提升電氣系統能效，有助于推動新能源汽車的健康可持續發展。

關鍵詞：新能源汽車；電氣系統；設計優化；能效提升

引言

在全球能源和環境危機日益加劇的大背景下，發展新能源汽車已成為國內外汽車工業轉型升級的戰略選擇。與傳統燃油車相比，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，對于改善大氣環境質量、應對氣候變化挑戰具有重要意義。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，通過電機驅動車輪行駛，故新能源汽車實質上是一種“電車”。由于傳統內燃機及其輔件等機械部件被取消，新能源汽車電氣系統的復雜度大大增加，同時電氣系統的性能直接決定整車的動力性、經濟性、安全性和可靠性。據不完全統計，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50kWh/ 百公里，遠高于傳統燃油車的油耗水平，新能源汽車電池能量密度低（一般為140Wh/kg 左右）、充電時間長（快充模式30min充80% 左右）等問題也制約了其進一步推廣應用。優化新能源汽車電氣系統設計，提升電氣系統能效，對于提高整車性價比至關重要。

一、新能源汽車電氣系統的組成

新能源汽車取消了傳統燃油汽車的發動機、變速箱、離合器、油箱等機械部件，轉而由電池、電機、電控等電氣部件構成其動力系統。典型的新能源汽車電氣系統，主要包括動力電池、驅動電機、電力電子控制器、車載充電機、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、循環壽命長、無記憶效應等優點。但受材料及制造工藝限制，當前動力電池的能量密度一般在140Wh/kg 左右，遠低于汽油的質量能量密度（12000Wh/kg）。為滿足整車續航里程需求，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]。驅動電機是新能源汽車的“主力”，將電池輸出的直流電通過逆變器轉換成定子繞組交流電，在定轉子磁場聯合作用下，依據電磁感應定律產生電磁轉矩驅動車輪，新能源汽車常用驅動電機有永磁同步電機（PMSM）、交流異步電機（IM）、開關磁阻電機（SRM）等類型，其中PMSM 因效率高、功率密度高、調速范圍寬等優勢被廣泛應用。電力電子控制器是新能源汽車的“大腦”，對驅動電機進行實時控制，并對動力電池、車載充電機等其他電氣部件實施管理，其核心部件是微控制器（MCU），內置控制算法，根據加速/ 制動踏板指令、車速等信號，輸出PWM 控制信號驅動電機，調節電機轉矩和車速，同時還具備故障診斷和安全保護等功能。車載充電機用于給動力電池充電，將交流電網電轉換為直流電，可分為交流充電機和直流充電機兩類，交流充電機內置AC/DC 變流器，直流充電機內置DC/DC 變換器，兩者輸出功率可達數十千瓦，充電機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設計中的關鍵技術

（一）動力電池優化設計技術

動力電池是新能源汽車最為關鍵的部件之一，其性能直接決定整車的續航里程、加速性能和使用成本，目前應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]。動力電池優化設計的核心是提高能量密度，可分為電芯級、模組級和系統級三個層次，電芯級優化的重點是開發新型高比能正負極材料，如富鋰錳基正極、硅碳負極等，同時改善電極結構提升能量利用率，模組級優化包括提高改進散熱設計、增大電芯支數比等，系統級優化則需要在電池系統的拓撲結構、熱管理、BMS 設計等方面做文章，綜合電芯級到系統級的全方位優化能夠最大程度地提升電池能量密度。除能量密度外，動力電池的循環壽命、安全性、工作溫度范圍等也是需要重點考慮的因素，如何兼顧多項性能，權衡技術難度和成本，是動力電池優化設計面臨的主要挑戰。

（二）驅動電機性能優化技術

目前新能源汽車最常用的驅動電機是永磁同步電機，主要優點是效率高（可達97% 以上）、功率密度大、調速范圍寬（最高轉速可達15 000rpm）等，但永磁同步電機也存在成本高、磁鋼資源稀缺等問題，交流異步電機雖然效率和功率密度略低于永磁同步電機，但成本優勢明顯，也得到了部分車企的青睞，開關磁阻電機以結構簡單、加工工藝要求低等特點，在商用車領域具有較大的應用潛力[3]。針對驅動電機的不同特性，優化設計的不同側重點，對于永磁同步電機，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所在，可通過優化電機結構參數如定子槽型、磁極數、繞組方案等降低永磁體用量；可開發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，提升功率密度和效率的關鍵是降低轉子銅耗，可通過優化轉子槽型，采用銅鼠籠轉子增大定子槽滿率，提高冷卻系數等手段實現，同時，異步電機的啟動轉矩較小，需要采取一定的啟動控制策略。對于開關磁阻電機，降低轉矩脈動和振動噪聲是首要問題，可通過改進電機結構、優化轉子和定子極角寬度比，增加相數，優化勵磁角等途徑來抑制轉矩脈動，除電機本體外，驅動電機還需與變速箱、差速器匹配，優化傳動系統的效率。

三、新能源汽車電氣系統能效優化途徑

（一）優化電氣系統能量管理策略

新能源汽車電氣系統能效優化的首要途徑是制定合理的能量管理策略。能量管理系統是連接整車控制器、動力電池管理系統、驅動電機控制器等部件的紐帶，其主要任務是根據車輛工況，實時協調電池、電機、電網等部件的工作狀態，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則的能量管理策略和基于優化的能量管理策略兩類。基于規則的策略如確定論策略、模糊邏輯策略等，根據預先設定的規則和邊界條件，利用“if-then”邏輯判斷實現能量優化分配，該類策略魯棒性強，易于工程實現，但缺乏可預見性和自適應性。基于優化的策略如動態規劃、遺傳算法、粒子群算法等，以某一性能指標（如能耗最小）為優化目標，在滿足整車動力性、經濟性約束的前提下，自適應地調整電池、電機工作狀態以求得最優解，該類策略能夠獲得理論上的最優能量管理方案，但計算量大、實時性較差。因此，如何在兩類策略的優缺點之間尋求平衡，開發魯棒高效的能量管理算法，是電氣系統效率提升的關鍵。

（二）提高單部件效率和集成化水平

在能量管理的基礎上，進一步提升電氣系統能效還需著眼于關鍵部件的效率水平。以驅動電機為例，目前新能源乘用車用驅動電機的峰值效率可達97%，而在實際工況下，受到電機頻繁啟停、低速時效率降低等因素影響，電機的平均效率僅為92% 左右，仍有較大提升空間。電機效率的提高可通過銅轉子異步電機、高速電機、無線繞組電機等新型電機來實現。以高速電機（轉速可達2～3 萬rpm）為例，相比常規電機，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化拓撲電路，選用高性能電力電子器件，改進調制策略等實現，采用碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等新型半導體材料制備的MOSFET，導通電阻僅為硅基器件的1/10，開關頻率可達到兆赫茲量級，從而大大降低逆變損耗。在提升單部件效率的同時，電氣系統還需向高集成化方向發展。當前，新能源汽車的電機、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”電驅系統將電機、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%，且控制響應更快、效率更高，代表了電氣系統集成化的發展趨勢。

結論

隨著新一代電池技術、驅動電機技術、電力電子技術的不斷突破，新能源汽車電氣系統的性能指標必將不斷刷新。同時，智能化、網聯化、輕量化等新理念新技術的引入，也將為新能源汽車電氣系統帶來新的機遇和挑戰。相信通過科技創新和模式創新，新能源汽車終將在能效、安全、成本等方面達到甚至超越傳統燃油車的水平，為人類的綠色出行提供更加優質高效的解決方案。

參考文獻：

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

[2] 黃召明. 新能源汽車的能效與節能技術探討[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能技術探討[J].大眾汽車，2023（12）：0128-0130.