電動汽車開發的關鍵技術及發展路線淺析

陳鋮彬

摘 要：中國電動汽車產業正在快速發展，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”系統的發展路線進行了淺析。

關鍵詞：電動汽車；關鍵技術；發展路線

電動汽車，作為0排放的綠色新能源交通工具，可以在減碳、節能、環保等方面發揮重大的作用，因此我國正在大力推進電動汽車技術和產業的發展。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

電動汽車與傳統燃油汽車的差別，主要是用電代替傳統燃料作為汽車動力能源，同時用電機代替發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定持續地輸出較大扭矩，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”系統技術：電池系統、電機系統、整車控制系統。

2.1 電池系統

電池系統主要包括動力電池和電池管理系統，是目前制約電動汽車發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、循環壽命長、自放電率低等優點，占有絕大部分市場。而鋰離子電池中磷酸鐵鋰又占據市場近六成份額，三元鋰占約三成，二者各有優缺點：磷酸鐵鋰在安全、循環壽命和成本方面優于三元材料，三元鋰在能量密度、低溫性能等方面有優勢。目前動力電池的技術關鍵是要開發出比能量高、比功率大、使用壽命長、成本低、安全性高的電池，表1是鋰電池發展的技術路線目標[1]。

2.1.2 電池管理系統

電池管理系統（簡稱BMS），是電池系統的控制中樞，主要有以下幾個功能：（1）預估電池的剩余電量（簡稱SOC）；（2）動態監測電池工作狀態；（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，主要有傳統的電流積分法、放電實驗法、開路電壓法，較為創新的有Kalman濾波法、模神經網絡法等[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、模神經網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

電機系統包含電機及其控制系統，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、效率高且有動態制動強和能量回饋利用率高等特性方向發展。

電機的控制系統（簡稱PCU），是根據整車控制器的指示，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，未來發展方向是更加智能化和數字化，例如變結構控制、模糊控制、神經網絡、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，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

整車控制系統是車輛的控制大腦，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。整車控制系統架構主要由整車控制器（簡稱VCU）、通信網絡、各零部件控制器以及駕駛員操縱系統構成，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信息的判斷處理，向BMS、PCU、充電機等發送控制指令，使得各系統有效工作。此外VCU還控制例如空調、遠程監控、轉向助力、組合儀表、安全氣囊等系統的工作；而且VCU還具有整車系統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據，進一步優化扭矩控制，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”系統的發展方向進行了淺析。中國電動汽車產業正在快速發展，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水平。

參考文獻

[1]歐陽明高.節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的設計及整車性能標定[J].工程技術：全文版，2016（12）：206.