純電動(dòng)汽車功率流控制原理研究

李鵬偉 劉振華 伊建玉 馮婧 馮曉?shī)? 王新潔 王靜

摘 要：文章主要研究了純電動(dòng)汽車的能量流通路徑和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。通過調(diào)查分析，總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用車型。重點(diǎn)研究了純電動(dòng)汽車的功率流控制原理，包括充電原理、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理及能量回收原理，為學(xué)習(xí)純電動(dòng)汽車功率流控制原理提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;功率流;控制原理;能量回收中圖分類號(hào)：U469 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）01-04-03

Research on power flow control principle?of electric vehicle

Li Pengwei， Liu Zhenhua， Yi Jianyu， Feng Jing， Feng Xiaoshan， Wang Xinjie， Wang Jing

（Xian Automotive technology vocational college，?Shaanxi Xian 710045）

Abstract：?This paper mainly studies the energy flow path and the structural form of the driving system of electric vehicles. Through investigation and analysis， the advantages and disadvantages of different structural forms and the applied models are summarized. This paper focuses on the power flow control principle of electric vehicles， including charging principle， motor driving principle and energy feedback principle. It provides a reference for learning the power flow control principle of electric vehicles.Keywords： electric vehicle; power flow; control principle; energy feedbackCLC NO.： U469 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）01-04-03

前言

隨著全球石油資源日益緊缺、環(huán)境污染愈演愈烈等問題的凸顯，各大主機(jī)廠及IT企業(yè)紛紛發(fā)展新能源汽車，其中純電動(dòng)汽車占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。純電動(dòng)汽車是以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，由蓄電池作為能量源。其噪音低、無(wú)污染、能耗低、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，被市場(chǎng)普遍認(rèn)可。續(xù)駛里程短、充電不方便、價(jià)格偏高等缺點(diǎn)也一直存在，因此對(duì)于純電動(dòng)汽車，優(yōu)化的功率流控制原理非常關(guān)鍵，其直接決定了車輛的運(yùn)行狀態(tài)、續(xù)駛里程及能耗等。

1 純電動(dòng)汽車能量流通路徑

1.1 低壓能量流通路徑

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)由整車控制器、電機(jī)控制器、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、動(dòng)力電池、電池管理系統(tǒng)及外接充電控制單元構(gòu)成^[1]。純電動(dòng)汽車能量流通路徑如圖1所示，包括高壓能量流通路徑和低壓能量流通路徑。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，主要是將高壓蓄電池的能量通過功率變換器內(nèi)的DC-DC轉(zhuǎn)換成14V左右的低壓電給輔助蓄電池充電和給燈光、雨刮、車窗、助力轉(zhuǎn)向等其他低壓電氣設(shè)備供電。

1.2 高壓能量流通路徑

如圖1所示，在高壓能量流通路徑中，由充電機(jī)給蓄電池充電，此時(shí)蓄電池不能通過功率變換器給電動(dòng)機(jī)提供電能。當(dāng)蓄電池放電時(shí)，在整車控制器的控制下，由功率變換器將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成可變交流電后送給電動(dòng)機(jī)，也可由功率變換器通過空調(diào)控制器給空調(diào)壓縮機(jī)和PTC提供電能。在車輛滿足一定條件而進(jìn)入能量回饋模式時(shí)，電動(dòng)機(jī)發(fā)出三相交流電經(jīng)過功率變換器轉(zhuǎn)換為高壓直流電后充進(jìn)蓄電池。

2 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式具有多樣性，常見的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有以下幾種類型：

第一種：將傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)替換為電動(dòng)機(jī)，離合器、變速器、差速器及傳動(dòng)系統(tǒng)保留。該結(jié)構(gòu)形式保留了手動(dòng)駕駛功能，但能量損失較大，能量利用率不高。該結(jié)構(gòu)形式在改裝車上比較常見，如部分駕校將桑塔納或比亞迪F3的發(fā)動(dòng)機(jī)改換為電動(dòng)機(jī)在場(chǎng)內(nèi)使用，采用48V、60V或72V低電壓鉛酸蓄電池供電，無(wú)法走入乘用車市場(chǎng)。

第二種：電動(dòng)機(jī)中置，其功率通過傳動(dòng)軸輸出至固定速比減速器，減速增扭后動(dòng)力通過傳動(dòng)軸傳遞給差速器，最后驅(qū)動(dòng)車輛行駛。該結(jié)構(gòu)形式目前主要應(yīng)用在一些電動(dòng)輕卡和電動(dòng)客車上。能量利用率比第一種結(jié)構(gòu)形式高，適合電動(dòng)機(jī)體積較大的車型上。

第三種：電動(dòng)機(jī)橫置在驅(qū)動(dòng)橋側(cè)，其功率通過齒輪輸出至固定速比減速器，減速增扭后動(dòng)力通過齒輪傳遞給差速器，動(dòng)力傳遞過程無(wú)傳動(dòng)軸。最后動(dòng)力從差速器通過傳動(dòng)軸到車輪。多數(shù)電動(dòng)轎車、MPV、SUV，部分混合動(dòng)力汽車的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋等都采用該結(jié)構(gòu)形式，能量利用率較前兩種高。如比亞迪E6、特斯拉Models P85等等，是目前市場(chǎng)主流類型。

第四種：有傳動(dòng)軸的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車輪分別用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，無(wú)機(jī)械差速器，固定速比減速器通過傳動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)車輪，可通過控制兩側(cè)電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)電子差速。該結(jié)構(gòu)形式在乘用車上不常見，全國(guó)大學(xué)生方程式電動(dòng)賽車比賽上，部分大學(xué)的自制賽車采用過該結(jié)構(gòu)。

第五種：無(wú)傳動(dòng)軸的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相比第四種結(jié)構(gòu)形式取消了傳動(dòng)軸，由固定速比減速器的輸出端直接驅(qū)動(dòng)車輪。相比第四種結(jié)構(gòu)形式，能量利用率更高，部件布置靈活性大，如比亞迪K8。

第六種：輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為輪轂，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速相同，一般為雙輪轂電機(jī)或四輪轂電機(jī)布置，可靈活實(shí)現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)或四驅(qū)。該結(jié)構(gòu)形式成本較高，控制難度也較大，但能量利用效率最高。如蔚來汽車的EP9。

3 純電動(dòng)汽車功率流控制原理

3.1 充電狀態(tài)功率流控制

純電動(dòng)汽車的能量補(bǔ)充即為充電，是車輛能量補(bǔ)充的唯一方式。充電分為“快充”和“慢充”兩種形式，都有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1?快充

快充通常指直流充電，充電電流大，速度快，不到一小時(shí)即可充至80%的電量，缺點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間使用該方式充電會(huì)縮短蓄電池的使用壽命。根據(jù)國(guó)標(biāo)，快充接口有9個(gè)端子，中間最大的兩個(gè)端子為高壓正負(fù)極，其他端子包括插槍確認(rèn)信號(hào)線和控制器通信線等。快充的控制原理包括如下幾個(gè)階段：充電插頭與車輛充電座插合，此時(shí)使車輛處于不可行駛狀態(tài);充電槍與充電座連接確認(rèn);非車載充電機(jī)自檢;充電準(zhǔn)備就緒;充電階段;正常充電條件下充電結(jié)束，非正常充電條件下充電中止。

3.1.2?慢充

慢充通常指交流充電，充電電流小，速度慢，一般充滿需要6-8個(gè)小時(shí)，相比快充可以有效保持蓄電池的使用壽命。根據(jù)國(guó)標(biāo)，慢充接口有7個(gè)端子，3個(gè)相線端子，1個(gè)零線端子，1個(gè)保護(hù)接地PE，1個(gè)CC和1個(gè)CP。CC為連接確認(rèn)信號(hào)線，CP為供電設(shè)備向車載充電機(jī)發(fā)送PWM脈沖的信號(hào)線。慢充過程的工作控制程序：充電插頭與車輛充電座插合，此時(shí)使車輛處于不可行駛狀態(tài);確認(rèn)供電接口或車輛接口已完全連接;確認(rèn)充電連接裝置是否已完全連接;車輛準(zhǔn)備就緒;供電設(shè)備準(zhǔn)備就緒;充電系統(tǒng)的啟動(dòng);檢查供電接口的連接狀態(tài)及供電設(shè)備的供電能力變化情況;正常條件下充電結(jié)束或停止，非正常條件下充電結(jié)束或停止。

快充和慢充的接口定義、控制時(shí)序等內(nèi)容可以查閱相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車部分車輛有慢充和快充兩種接口，部分車輛僅有其中一種。

3.2 放電狀態(tài)功率流控制

純電動(dòng)汽車的功率流控制主要是對(duì)放電過程的控制。控制原理是整車控制器采集點(diǎn)火開關(guān)信號(hào)、制動(dòng)踏板位置信號(hào)、加速踏板位置信號(hào)等來判斷駕駛?cè)说囊鈭D，根據(jù)駕駛?cè)说囊鈭D開始做出決策，通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制信息給BMS，由BMS控制高壓直流接觸器工作，進(jìn)而將高壓直流電從蓄電池輸出;高壓直流電輸入功率變換器，在整車控制器的控制下，功率變換器將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡瑢⒑线m的電能輸送至電動(dòng)機(jī)，該交流電可以實(shí)現(xiàn)電壓電流變化及頻率變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的扭矩及轉(zhuǎn)速調(diào)整。

高壓直流電還輸入DC-DC，其主要功能是將高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電給輔助蓄電池充電，同時(shí)為其他低壓電氣設(shè)備供電，其輸出電壓一般在14V左右，如比亞迪E6的DC-DC輸出電壓為13.8V。

該裝置在部分車型會(huì)與電動(dòng)機(jī)控制器或其他高壓控制器集成于一體。

高壓直流電還輸入空調(diào)控制器，其主要功能是給電動(dòng)壓縮機(jī)和PTC加熱器提供電能。在純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車上，空調(diào)制冷已無(wú)法采用傳統(tǒng)皮帶驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，普遍采用了電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)采用高壓交流供電，因此空調(diào)控制器會(huì)將蓄電池的輸出電壓逆變?yōu)榻涣麟姟?h3>3.3 能量回收狀態(tài)功率流控制

通過能量回饋，可有效回收車輛滑行和制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，使車輛續(xù)駛里程增加 10%～30%^[2]。在純電動(dòng)汽車行駛時(shí)，能量回收功能需要滿足一定的條件，如車輛點(diǎn)火開關(guān)ON、車速大于某一個(gè)特定值、完全松開加速踏板或踩制動(dòng)踏板等，并且在制動(dòng)過程中，根據(jù)駕駛?cè)怂砷_加速踏板去踩制動(dòng)踏板的動(dòng)作時(shí)間及制動(dòng)踏板位置信號(hào)的變化率來判斷駕駛?cè)耸欠袷蔷o急制動(dòng)。

如果不是緊急制動(dòng)，車輛行駛時(shí)松開加速踏板，未踩下制動(dòng)踏板，車輛符合能量回收條件，此時(shí)車輛進(jìn)入能量回收模式，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)開始回饋發(fā)電，將發(fā)出的三相交流電經(jīng)過功率變換器調(diào)壓整流后充進(jìn)蓄電池，并且電動(dòng)機(jī)的發(fā)電過程會(huì)使車輛產(chǎn)生電氣制動(dòng)力矩，駕駛體驗(yàn)是在駕駛?cè)怂砷_加速踏板時(shí)車輛減速度較大，滑行距離相對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車短，當(dāng)車速低于設(shè)定值時(shí)能量回饋過程結(jié)束，車輛還會(huì)以一定的車速行駛，要使車輛停車，必須依靠制動(dòng)踏板機(jī)械制動(dòng)停車。在這個(gè)過程中主要依靠能量回收時(shí)電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛減速的，停車必須依靠機(jī)械制動(dòng)。此種情況下能量回收的效率較高。

如果是緊急制動(dòng)，駕駛?cè)怂砷_加速踏板并迅速踩下制動(dòng)踏板，車輛符合能量回收條件時(shí)車輛也會(huì)進(jìn)入能量回收模式，但此時(shí)電氣制動(dòng)是次要制動(dòng)，機(jī)械制動(dòng)則是主要制動(dòng)，此種情況下能量回收的效率將會(huì)很低。

進(jìn)行高效的能量回饋，可有效延長(zhǎng)純電動(dòng)車輛續(xù)駛里程^[3]。

4 結(jié)論

純電動(dòng)汽車的整車控制邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式雖然種類較多，但市場(chǎng)主流類型發(fā)展明確，技術(shù)成熟。純電動(dòng)汽車功率流主要包括充電、放電及能量回收三個(gè)階段的控制，充電階段的控制非常關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)故障，如過充，則會(huì)使動(dòng)力電池出現(xiàn)鼓包、漏液、冒煙甚至起火爆炸的危險(xiǎn)。放電過程的控制原理簡(jiǎn)單，優(yōu)化的控制策略確是車輛主要性能的決定因素，不合理的控制策略也可能導(dǎo)致動(dòng)力電池?fù)p壞，如過放。能量回收是新能源汽車的標(biāo)配功能，能將車輛的部分動(dòng)能以電能的形式回收回來，回收效率跟駕駛?cè)说鸟{駛習(xí)慣有很大關(guān)系，因此建議駕駛?cè)吮M量避免急減速，多用能量回收時(shí)的電氣制動(dòng)，提高能量回收效率。

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