純電動汽車安全與節能技術研究現狀

陳家城

摘 要：發展純電動汽車已成為解決能源、環境問題的重要措施之一，然而純電動汽車發展還存在安全與節能技術等主要問題和瓶頸，該文針對我國純電動汽車在安全與節能技術方面的研究現狀進行分析，在此基礎上得出純電動汽車的核心技術及主要問題，以期為我國純電動汽車的發展提供參考和借鑒。

關鍵詞：純電動汽車 安全 節能技術 研究現狀

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（a）-0025-03

全球汽車保有量逐年上升的同時，溫室效應等環境問題也日益突出，加之考慮化石能源的日益枯竭，以純電動汽車為代表的新能源汽車的發展成為最好的選擇。純電動汽車有著無污染、低噪音、高效率以及廣泛、幾乎無窮盡的能量來源，是未來汽車發展的重要方向之一[1]。19世紀90年代第一輛純電動汽車誕生以來，在20世紀初第一次達到生產高峰，占領了汽車市場大約40%的份額。隨后由于電池技術、純電動汽車動力不足、電力傳動系統制造成本高、汽車電力電子裝置技術缺乏等諸多原因導致純電動汽車技術停滯不前。

汽車電力電子技術的發展，包括高能量密度鋰離子蓄電池、鋰離子電容器等的發明，以及乘用車電動輪技術的開發和實用化等，促使了第二代純電動汽車的出現。與第一代純電動汽車相比，它在充電時間、續航里程、動力性、快速充放電能力等方面取得了很大進步[2]。但純電動汽車離真正商業化應用仍然存在高壓觸電隱患、成本高、續航里程短等安全與節能技術的瓶頸和問題。

純電動汽車在研究過程中，安全系統是十分重要的方面，純電動汽車在使用過程中面臨的安全隱患也較多。如電動汽車在充電或行駛過程中出現碰撞、翻車等事故，可能使得汽車的線路短路、漏電乃至燃燒等安全問題。

該文針對我國純電動汽車在安全與節能技術方面的研究現狀進行分析，在此基礎上得出純電動汽車的核心技術及主要問題，以期為我國純電動汽車的發展提供參考和借鑒。

1 純電動汽車安全技術發展現狀

純電動汽車在使用過程中存在的安全隱患較多，具體主要表現在以下幾個方面[3]：第一，動力系統高壓短路。高壓線路短路會造成電池和高壓線束的燃燒甚至爆炸，也可能造成高壓電漏電，對人們生命造成威脅。第二，發生碰撞或翻車。純電動汽車在發生碰撞或翻車時，很可能導致高壓短路，存在觸電、燃燒和爆炸的危險。第三，涉水或遭遇暴雨。純電動汽車在充電或行駛過程中遭遇涉水時，可能使得高壓線路絕緣電阻變小或短路，從而導致電池燃燒、漏液或爆炸。第四，充電時車輛無意識移動。充電時車輛若出現無意思移動，會造成充電電纜斷裂，存在觸電的危險。第五，車輛扭矩安全。純電動汽車的動力驅動是電機旋轉提供的，電機在驅動和制動過程的旋轉方向相反，其工作過程的選擇方向受電機控制器控制，存在電機在工作過程中突然改變旋轉方向的情況，從而造成安全事故。

純電動汽車安全防護措施大致有以下幾個方面。

1.1 設置高壓互鎖裝置及主繼電器

純電動汽車的安全主要是高壓安全，為防止動力系統高壓短路，設置高壓互鎖裝置是純電動汽車采取的最有效措施之一。當高壓互鎖被斷開時，車上人員和維修人員很可能高壓觸電，所以電池管理系統在檢測到各個高壓互鎖開關斷開后，必需立即斷開相應的高壓觸電器，切斷高壓輸出。同時為防止高壓觸電純電動汽車中的高壓電器部件的接插件都采用IP67的高壓防護等級，可以防止高壓觸電，防水、防塵。

1.2 設置維修開關

維修安全是純電動汽車安全系統設計的一個重要內容，主要是通過在動力電池上設置安全維修開關來確保在維修作業之前將高壓系統斷開。當維修開關處于斷開時，汽車電力輸出就處于中斷狀態，可以有效地防止出現高壓危險。

1.3 絕緣監測

絕緣監測系統的設計是為了避免人員車身人員免遭高壓觸電的風險。絕緣監測是通過時時監測絕緣電阻的參數來評定高壓系統的絕緣性能，一旦監測到絕緣參數指標不符要求時，系統就會將高壓系統切斷，能有效保證人員安全。

1.4 安裝碰撞傳感器

汽車在行駛過程中很容易發生如追尾等碰撞交通事故，純電動汽車發生碰撞時，除了存在傳統燃油車的機械傷害外，還存在高壓動力電池發生漏電爆炸的危險。純電動汽車為預防碰撞時產生高壓漏電危險，通常是將碰撞傳感器慣性開關串聯到高壓觸發器的高壓回路中，一旦發生碰撞事故，可以使慣性開關立即斷開，或通過碰撞傳感器將碰撞信號轉變成電信號傳送給控制單元由控制器切斷高壓回路，使得動力電池高壓輸出自動斷開，防止高壓觸電，保證人員安全。

1.5 設置預充電回路

預充電回路可以有效防止動力電池在充放電初期因為瞬間電壓過大而造成高壓回路的燒毀，在動力電池在充放電初期預先對電池外部的高壓系統進行預充電，降低內外測的電勢差。

設置高壓互鎖及主繼電器、絕緣監測、碰撞傳感器及預充電回路等安全防護措施功能的實現都是以性能優越的電源管理系統為基礎。因此性能優越的電源管理技術對電動汽車安全性上有著至關重要的作用。

2 純電動汽車節能技術研究現狀

純電動汽車技能技術主要包括制動能量回收技術、電機控制策略等。

2.1 制動能源回收技術

制動能量回收技術提高了能量的利用率，是新能源汽車實現節能減排的重要手段之一。根據制動能量回收硬件系統方案，制動能量回收控制策略可以分為并聯控制策略和串聯控制策略。串聯式再生制動優先使用電機制動力，當制動力不足時再使用液壓制動力進行補償，再生制動能量回收率相比較于并聯式較高。

純電動汽車制動能源回收控制策略必須考慮車輛的安全性、經濟性和舒適性。為了兼顧能量回收和純電動汽車的安全性和經濟性等，近年國內外學者也做了大量的研究。如初亮[4]等，提出了一種基于全解耦式制動系統構型的串聯式再生制動控制策略，通過模擬仿真，得到車輛在小強度制動時，可以充分利用制動力進行能力回收。而在中高速大強度制動時，則可以對電機制動力矩進行限制，提高車輛制動穩定安全性的結論。陳贊[5]提出了采用制動力矩再生制動策略來回收制動能量。王若飛[6]等，通過建立再生制動系統的升壓和降壓數學模型和仿真模型，分析了再生制動系統的約束條件，提出了以駕駛員駕駛感覺和制動穩定性為首要目的的恒定再生制動力矩控制策略。趙青青[7]等，提出了四輪電機輪轂驅動控制策略，在ADVISOR中建立制動能量回收仿真模型，得到制動中能量回收效率達到48.2%。陳燕[8]等，則以制動強度為依據劃分制動模式，提出了以電子制動力分配技術（EBD）來分配前、后軸制動力的電動機制動與機械制動的協調控制策略方法，通過模型仿真分析，得到該控制策略方法不僅可以提高制動能量回收效率，還可以有效防止車輪在低附著路面上抱死，保證車輛的穩定性和安全性。方亞洲[9]等，采用模糊控制策略分配驅動輪再生制動力，使用遺傳算法對模糊控制器隸屬度函數進行優化后，進行仿真實驗，結果表明經過遺傳算法優化的模糊控制器能明顯提高再生制動能源的回收效率。

2.2 電機控制策略研究

電機控制器是一種將直流逆變為交流的驅動裝置，調制技術的重要指標是對直流電壓的利用率。合適的電機控制策略可以提高電機的工作效率和能源的利用率，減少能量的消耗，是純電動汽車節能技術的關鍵技術之一。傳統的比例積分控制策略因結構簡單和對線性問題控制的有效性而得到較為廣泛的應用，但存在對變化參數和非線性問題的有效控制不足的缺陷。因此尋求有效的智能控制算法成為電機控制策略研究的熱點。

王悝[10]采用了模糊控制策略對無刷直流電機進行控制，雖能有效地處理非線性問題，但實時跟隨效果不佳。李琳[11]提出了基于徑向基核函數神經網絡的電機控制策略，能有效提高控制精度和響應速度，但存在處理數據時會出現數據病態問題的不足。陳燎[12]等設計了一種基于向后傳播算法模糊神經網絡的PI控制器，能較好實現對目標車速的精確跟隨，降低能量損耗。周衛明[13]等，設計了一款以TMS320F2812為核心的控制系統，能夠實時調控電機轉動，通過占空比實現高精度轉速調節，具有響應速度快，轉速穩定，穩態誤差小的優點。陳慶[14]等，則以TMS320F28035為控制核心，采用48 V的低壓電機作為驅動電機，設計了純電動汽車的電機控制器及轉子磁場定向矢量控制系統，提高了電動汽車安全性，實現電動汽車運行過程中能提供盡可能大的轉矩和較高的能量利用率。

3 純電動汽車的核心技術和主要問題

純電動汽車的核心技術包括電池系統集成、能量管理技術、高速減速器技術、動力驅動系統總成匹配技術、充變電技術等[15]。電機驅動系統對保證電機在復雜惡劣環境下安全有效的正常工作有著至關重要的地位。驅動電機的關鍵技術有驅動電機及其控制技術、高性能材料和電力電子元件等。

驅動電機技術及控制技術主要采用國內外合作開發的方式，目前驅動電機技術基本能滿足需求。電機控制策略國內外學者都有大量研究，很多的控制策略方法通過仿真模擬都能達到較佳的水平，但實際應用過程中由于受到電力電子器件、總線通訊模式等控制技術的影響，還存在控制的可靠性還有待提高的問題。

因此，純電動汽車的“三電”核心技術中，電控技術的控制精度的提高是關鍵。其存在的主要問題有以下幾種。

（1）核心部件、原材料的研發不夠。如高性能高精度傳感器技術、功率驅動模塊、高速軸承等產品主要依托進口。

（2）電池、電機產業在制造工藝、自動化生產、可靠性及成本控制上都有待提高。

（3）能夠滿足復雜路況需求的電機控制系統、電機控制策略有待進一步研究，提高控制精度，真正使純電動汽車實現安全、節能。

4 結論

純電動汽車是汽車產業發展的一大趨勢，本文從純電動汽車發展的安全與節能技術方面切入，通過對純電動汽車安全與技能技術的現狀及最新研究分析，得出以下結論：

（1）性能優越的電源管理系統是現階段電池性能不足的補充，在電動汽車安全性上更有著至關重要的功用。

（2）驅動電機的相關技術相對成熟，但適應與復雜路面工況的電機控制系統、控制策略實現高精度的、安全節能的控制仍然有較大的提升空間。

（3）新技術、新材料的研發應用對電動汽車的發展有著重要的作用，可能從根本上解決相關難題。

參考文獻

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[11] 李琳.基于RBF神經網絡無刷直流電機控制系統的基礎研究[D].淮南：安徽理工大學，2015.

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[14] 陳慶，魏麗君，熊異.基于DSP和弱磁控制算法的純電動汽車電機控制系統[J].微特電機，2016，44（5）：48-51.

[15] 王大江.純電動汽車電機驅動系統及控制技術研究[D].北京：北京信息科技大學，2015.