純電動汽車動力系統(tǒng)功能策略開發(fā)綜述

純電動汽車與傳統(tǒng)燃油車的主要區(qū)別是動力系統(tǒng)構成的不同。純電動汽車的行駛原理主要是將電池中的電能轉(zhuǎn)化為機械能，電動機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)車輛的行駛。這一過程需要通過動力系統(tǒng)內(nèi)部一系列功能策略共同作用實現(xiàn)。

動力系統(tǒng)功能概述

動力電池是儲能裝置[1，2]，提供車輛運行所需的電能；電驅(qū)系統(tǒng)是驅(qū)動裝置，把電池提供的電能到轉(zhuǎn)化成機械能驅(qū)動車輛行駛；電控系統(tǒng)是指對電池和電驅(qū)的控制管理：如上下高壓控制、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩控制、充電控制、能量管理及故障診斷監(jiān)控等；OBC（On-BoardCharger，車載充電動機）作用是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電給動力電池充電的裝置。DC/DC（DC-DCconverter，直流-直流變換器）作用是將高壓直流電轉(zhuǎn)換成低壓12V直流電的裝置。新能源汽車動力系統(tǒng)構成如圖1所示。

圖1動力系統(tǒng)組成

動力系統(tǒng)功能清單

功能開發(fā)的起點是整車功能清單，它定義了整車需要實現(xiàn)的必要功能，是軟件功能開發(fā)的目錄和綱領。整車功能清單定義一般分為以下幾個階段：

（1）需求收集包含市場調(diào)研、銷售配置、用戶需求、法規(guī)要求及競品對標等。

（2）功能定義把收集的需求轉(zhuǎn)化為具體的功能條目，并明確功能的名稱、描述、應用場景及實現(xiàn)方式等。

（3）功能分級將功能劃分為主功能、子功能和UC（Usecase，用例）。主功能是基于用戶的主要場景動作，如座椅調(diào)節(jié)。子功能是針對細分場景需求或關聯(lián)零部件的功能，如座椅的前后調(diào)節(jié)和后背調(diào)節(jié)。UC是描述子功能實現(xiàn)的具體場景，包括輸入、判斷、輸出等步驟[3]。功能描述中功能名稱應能表達整車、系統(tǒng)或零件之間的關系，而不應直接以零件或系統(tǒng)命名。功能描述需涵蓋功能的應用場景、用戶操作、系統(tǒng)響應及異常處理等內(nèi)容。

（4）評審優(yōu)化通過多輪評審，確保功能清單的完整性和準確性。整車功能清單的構建是一個動態(tài)過程，需不斷迭代以適應技術發(fā)展和用戶需求變化。根據(jù)功能清單定義輸入，可以開展動力系統(tǒng)功能開發(fā)。表1為動力系統(tǒng)相關聯(lián)的部分功能清單舉例。

表1動力系統(tǒng)功能清單

動力系統(tǒng)功能詳細開發(fā)

1.高壓上下電控制

高壓上下電控制是指電動汽車高壓系統(tǒng)的上電和下電過程，如圖2所示，這是確保車輛安全運行和保護高壓部件的重要環(huán)節(jié)[4]。高壓上電是指將高壓電池的電能接入高壓系統(tǒng)，為車輛的驅(qū)動電動機、電動空調(diào)、DC-DC等高壓部件供電。高壓下電是指切斷高壓電池與高壓系統(tǒng)的連接，使車輛進入非運行狀態(tài)。

圖2高壓系統(tǒng)上下電控制

VCU（VehicleControlUnit，整車控制器）應負責仲裁各項高壓上電條件，判斷高壓系統(tǒng)各零部件自檢完成情況，高壓互鎖、系統(tǒng)故障、網(wǎng)絡通信等是否正常。在滿足條件后，允許高壓系統(tǒng)上電，請求BMS（BatteryManagementSystem，電池管理系統(tǒng)）進入相應的上電狀態(tài)。上高壓電的功能場景有很多，如鑰匙啟動車輛、直流/交流充電、車輛對外放電、遠程起動空調(diào)、遠程電池加熱、哨兵模式及低壓蓄電池自動補電。VCU負責仲裁各項高壓下電條件，請求BMS進入相應的下電狀態(tài)，在BMS進入相應下電狀態(tài)后，同時請求DCU（電動機控制器，DriveControlUnit）對高壓直流母線殘余電能進行泄放。

BMS應負責檢測電池狀態(tài)、控制高壓繼電器。BMS在高壓上電前會進行電池自檢，包括檢測電池電壓、溫度、絕緣狀態(tài)等，確保電池系統(tǒng)處于安全狀態(tài)且無故障。在收到VCU發(fā)送上電指令后，BMS控制主負繼電器和預充繼電器閉合，通過預充回路對電動機控制器的母線電容進行充電，當母線電壓達到動力電池總電壓的一定比例（ ）時，判斷預充完成，控制主正繼電器閉合，并斷開預充繼電器，完成高壓上電。在收到VCU發(fā)送下電指令后，BMS控制斷開主正和主負繼電器，完成高壓下電。當檢測到嚴重故障（如嚴重過溫、過壓、欠壓及熱失控等）時，BMS會切斷高壓回路進行主動下電，確保車輛和人員安全。

DCU應負責檢測電驅(qū)系統(tǒng)狀態(tài)及協(xié)助上電預充和下電泄放功能。高壓系統(tǒng)中存在大量容性負載，直接上電會產(chǎn)生沖擊電流。DCU內(nèi)部存在母線電容，在高壓上電階段，預先對母線電容進行充電，保護電池直流母線電壓波動振幅，避免損壞高壓回路及部件。在高壓下電時，收到VCU下電泄放指令后，DCU通過內(nèi)部放電回路將母線電容中的殘余電能快速釋放，確保母線電壓在規(guī)定時間內(nèi)（2s）降至安全水平。如果主動泄放功能故障，則利用電動機控制器控制電子元器件進行自然放電，這種形式叫做被動放電，此種情況放電時間較長，一般在5min內(nèi)完。

2.行駛轉(zhuǎn)矩控制

純電動汽車的行駛原理主要是將電池中的電能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)車輛的行駛。這一過程需要電池系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、VCU共同作用完成。

動力電池系統(tǒng)的作用是存儲電能，為車輛提供動力來源。BMS通過對電池系統(tǒng)的監(jiān)控，根據(jù)電池的溫度、電量、電壓等參數(shù)，實時發(fā)送電池可用的放電功率提供給VCU計算可用于驅(qū)動的功率。

驅(qū)動電動機工作是通過電磁感應原理，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。當電動機控制器提供的交流電通過電動機繞組時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再通過傳動系統(tǒng)把力傳遞到車輪形成動能的輸出。電驅(qū)系統(tǒng)的核心部件是DCU中的逆變器，它根據(jù)VCU的轉(zhuǎn)矩請求指令，通過脈寬調(diào)制信號控制功率半導體器件（如IGBT或MOSFET）的開關頻率，從而調(diào)節(jié)電動機的電壓、頻率和電流，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精準控。DCU具備多種保護功能，如過載保護、過熱保護、短路保護、欠壓保護及過壓保護等。同時，它還能夠?qū)崟r監(jiān)測電動機的運行狀態(tài)（如電流、電壓、溫度等），并進行故障診斷，將故障信息發(fā)送給VCU。

此外，通過改變電流方向，電動機控制器可以控制電動機的正反轉(zhuǎn)，也就是車輛的倒擋和制動回收。

1）電動機轉(zhuǎn)速為正，轉(zhuǎn)矩也為正，電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動車輪正常運轉(zhuǎn)，車輛正常前進行駛屬于此類。

2）電動機轉(zhuǎn)速為負，轉(zhuǎn)矩為負。電動機反向旋轉(zhuǎn)，車輛倒車行駛屬于此類。

3）電動機轉(zhuǎn)速為正，轉(zhuǎn)矩為負。電動機進入發(fā)電模式，將車輪的機械能轉(zhuǎn)化為電能，通過電動機控制器的整流作用，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，回饋到電池中。這一過程稱為再生制動，能夠有效實現(xiàn)制動能量回收功能，是提高車輛的續(xù)駛里程的一個重要措施，。

VCU是轉(zhuǎn)矩控制功能的“大腦”，負責協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的運行（見圖3）。它根據(jù)駕駛人的操作（如掛擋，踩加速踏板、踩制動踏板）和車輛狀態(tài)（如車速、電池電量），向電動機控制器、電池管理系統(tǒng)（BMS）等發(fā)送指令，實現(xiàn)車輛的行駛轉(zhuǎn)矩控制、能量回收等。

圖3動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳遞路徑

行駛擋位控制主要通過VCU和擋位開關實現(xiàn)。擋位開關的作用是通過傳感器采集駕駛人操作的電信號，通過CAN總線傳輸至VCU，包含D擋（前進擋）信號、N擋（空擋）信號、R擋（倒擋）信號及P擋（駐車擋）等。這些駕駛人掛擋的意圖操作，VCU需要綜合判斷車速、車門狀態(tài)、制動踏板狀態(tài)及車輛防盜狀態(tài)是否滿足要求，特別是解除P擋要符合GB15740一2024《汽車防盜裝置》的國家標準要求[7]，D擋和R擋切換要符合GB/T18384.2-2015《電動汽車安全要求第2部分：操作安全和故障防護》的國家標準要求。條件滿足后，VCU使能真實擋位位置，并在組合儀表點亮對應的擋位指示燈。當VCU判斷真實擋位是D擋，VCU請求DCU正轉(zhuǎn)矩，DCU輸出電流控制電動機正轉(zhuǎn)，驅(qū)動車輛前進；當VCU判斷真實擋位是R擋，VCU請求DCU負轉(zhuǎn)矩，DCU輸出反向電流控制電動機反轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動車輛倒退。

VCU通過采集加速踏板的位置開度信號，結合車輛當前狀態(tài)（如車速、擋位等），計算出駕駛人的需求轉(zhuǎn)矩。這一過程通過PedalMAP（踏板映射）軟件標定實現(xiàn)，即根據(jù)加速踏板開度和車速對應不同的需求轉(zhuǎn)矩，從而滿足駕駛人的駕駛意圖。為了避免轉(zhuǎn)矩突變導致的頓挫或抖動，VCU會對需求轉(zhuǎn)矩進行濾波處理，特別是在轉(zhuǎn)矩零點附近，采用拋物線的方式濾波，使轉(zhuǎn)矩變化更加平滑。當多個系統(tǒng)（如底盤安全、定速巡航等）對轉(zhuǎn)矩有不同需求時，VCU會根據(jù)優(yōu)先級進行轉(zhuǎn)矩仲裁，確保車輛在復雜工況下安全運行。VCU根據(jù)車輛狀態(tài)（如車速、電池SOC等）和電動機電池能力，在車輛滑行或踩下制動踏板后，請求DCU進入能量回收模式，提高車輛的續(xù)駛里程。VCU會對轉(zhuǎn)矩限制，進行能量管理，以防止電動機或電池超負荷工作。例如，根據(jù)電池的最大充放電功率、電動機的溫度和轉(zhuǎn)速等條件，限制電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，從而保護電池和電動機的使用壽命。

純電動汽車通常提供多種駕駛模式，以滿足不同駕駛需求和場景。VCU接收到不同駕駛模式的開關信號后，通過改變PedalMAP映射關系（見圖4），得到不同的動力輸出和能量回收體驗。

用戶可以根據(jù)實際需求選擇合適的模式，以獲得最佳的駕駛體驗：

（1）經(jīng)濟模式（ECOMode）其特點是：踏板前段的轉(zhuǎn)矩輸出較為溫和，斜率較小，動力響應相對遲緩。隨著踏板深度增加，轉(zhuǎn)矩輸出逐漸增大，但整體動力輸出被限制。同時加強能量回收強度，達到降低能耗、延長續(xù)駛里程的目的，適合城市低速行駛和擁堵路況。

圖4不同駕駛模式動力性對比

（2）標準模式（NormalMode） 其特點是：動力輸出較為線性，踏板深度與轉(zhuǎn)矩輸出成正比，整體斜率較為一致，能量回收適中，適合日常駕駛。

（3）運動模式（SportMode）其特點是：踏板前段的轉(zhuǎn)矩輸出非常靈敏，斜率較大，動力響應迅速，隨著踏板深度增加，轉(zhuǎn)矩輸出接近最大值，但后段轉(zhuǎn)矩變化相對平緩，能量回收強度較低，適合追求駕駛激情的用戶，加速感強烈。

3.充電控制

純電動汽車行駛消耗的能量，需要利用電網(wǎng)充電給車輛補能。充電原理可以概括為：通過充電樁與車輛之間建立通信，建立充電交互策略握手，將外部電能傳輸?shù)杰囕v的動力電池中的過程。

充電系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：外部電源設備，包括交流充電樁、直流充電樁或便攜式充電器；充電接口，車輛上的充電插口，用于連接外部電源設備；OBC，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的設備；動力電池，存儲電能；BMS，負責監(jiān)控充電中電池狀態(tài)（電壓、電流、溫度等），并和VCU協(xié)同控制充電。

充電方式主要分為兩種：交流充電和直流充電0]充電過程大致分為以下幾個階段：

（1）連接與通信充電槍插入車輛充電接口，充電樁與車輛建立通信協(xié)議。對于交流充電，OBC通過充電接口中的充電連接確認端子（CC）確認與充電樁的連接狀態(tài)，通過控制引導端子（CP）PWM信號與樁握手進行通信，OBC檢測到充電槍連接正常后，向VCU發(fā)送連接確認信號；對于直流充電，BMS通過充電接口中的充電連接確認端子（CC）與充電樁的連接狀態(tài)、通過CAN（ ，S-）信號樁握手進行通信。

（2）充電準備充電樁和車輛通過握手協(xié)議，確認充電參數(shù)，BMS檢測動力電池的狀態(tài)，包括電池的電量、電壓、溫度等參數(shù)，并發(fā)送允許的充電電流和電壓范圍。VCU綜合判斷車輛是否滿足充電條件，滿足后則請求BMS和OBC進人充電等待狀態(tài)。

（3）充電階段充電樁根據(jù)VCU請求電流和電壓輸出電能為車輛充電，BMS實時監(jiān)控電池的狀態(tài)，確保充電電流和電壓在安全范圍內(nèi)，并根據(jù)電池的SOC動態(tài)調(diào)整充電參數(shù)，以優(yōu)化充電效率和保護電池壽命。

（4）充電完成電池充滿或達到設定值后，BMS發(fā)送停止充電指令，充電樁切斷電源，完成充電。

4.熱管理控制

電動機在運行過程中會產(chǎn)生大量熱量，過高的溫度會導致電動機效率下降；而電池在適宜的溫度范圍內(nèi)工作時，離子的擴散速度更快，充放電效率更高。電動車熱管理系統(tǒng)是確保車輛電池、電動機和電子組件在適宜溫度下運行的關鍵技術，直接影響車輛的性能、續(xù)駛里程和使用壽命。它的實現(xiàn)原理主要通過制冷劑或冷卻液的循環(huán)，結合傳感器和控制器的智能調(diào)節(jié)，實現(xiàn)熱量的高效分配和管理。

熱管理系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：

（1）冷卻系統(tǒng)包括冷卻液循環(huán)回路水管、散熱器、電子水泵及冷卻風扇等。（2）加熱系統(tǒng)包括水加熱器、水泵、水管等。（3）控制單元TMC（ThermalManagementController，熱管理控制器）實現(xiàn)水泵、水閥的具體控制。（4）傳感器用于監(jiān)測溫度、流量、壓力等參數(shù)。（5）閥門和換熱器如多通閥、電子膨脹閥、水冷板、冷凝器及蒸發(fā)器等。

圖5所示是一種典型純電動汽車熱管理系統(tǒng)架構圖，基于此圖說明下工作原理。

圖5一種典型純電動汽車熱管理系統(tǒng)架構

1）電驅(qū)系統(tǒng)冷卻功能（圖5橙色回路）。當電驅(qū)系統(tǒng)工作產(chǎn)生熱量時，DCU會根據(jù)自身傳感器采集的電動機控制器溫度和轉(zhuǎn)子溫度，請求水泵以一定流量轉(zhuǎn)動，溫度越高請求轉(zhuǎn)速越快。TMS接收到DCU的流量請求，驅(qū)動水泵控制，并根據(jù)散熱器出水口溫度請求前端散熱器電子風扇線性工作，以達成給電驅(qū)系統(tǒng)冷卻的作用。

2）電池系統(tǒng)冷卻功能（圖5藍色回路）。電池系統(tǒng)冷卻分為慢冷和快冷。慢冷指利用前端散熱器電子風扇給水回流降溫，多用于春秋等發(fā)熱小的場景；快冷指利用空調(diào)低溫冷媒流經(jīng)換熱器水冷板，和電池回路熱水進行熱交互，給電池水回路快速降溫，多用于夏季發(fā)熱大的場景。BMS采集內(nèi)部電芯的溫度，根據(jù)不同溫度請求冷卻模式和水泵流量。TMS根據(jù)BMS的請求，控制電動三通閥水路聯(lián)通關系實現(xiàn)慢冷和快冷的切換，并根據(jù)電池溫度請求前端散熱器電子風扇工作，和請求空調(diào)系統(tǒng)冷媒制冷量大小。

3）電池系統(tǒng)加熱功能。在電池溫度較低時，TMS根據(jù)BMS采集的電池溫度，請求電動三通閥切到加熱回路，并請求水加熱器和水泵工作，水流經(jīng)加熱器被加熱后再將熱量傳遞到電池包內(nèi)水冷板，最后傳遞到電芯模組實現(xiàn)加熱。

熱管理系統(tǒng)的效率及能耗，對車輛高溫續(xù)駛、低溫續(xù)駛影響重大，進而發(fā)展出很多新技術應用[11]。

1）熱泵空調(diào)技術，其工作原理類似于家用空調(diào)分為制冷模式和制熱模式。制冷模式是指從車內(nèi)或電池包內(nèi)吸收熱量，通過制冷劑循環(huán)將熱量散發(fā)到外界。制熱模式是制冷模式的逆過程，即通過制冷劑的相變循環(huán)，從外界環(huán)境中吸收熱量，并將其轉(zhuǎn)移到需要加熱的車內(nèi)或電池包內(nèi)。相比傳統(tǒng)水加熱原理僅是利用電流流過內(nèi)部陶瓷材料產(chǎn)生熱量，將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，熱泵系統(tǒng)其核心是利用少量的電能驅(qū)動壓縮機，將低溫環(huán)境中的熱量“搬運”到高溫環(huán)境中，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，所以熱泵系統(tǒng)的能效更高，可顯著提升車輛的冬季續(xù)駛里程。

2）余熱回收技術，原理是將電動機、電池等部件產(chǎn)生的余熱回收，用于車內(nèi)取暖或電池加熱，這部分能量本來是散發(fā)到空氣中浪費掉的，由于重新回收利用，從而提高能源利用效率，降低能耗。

3）多通閥技術，是指過通過閥體開關的切換，實現(xiàn)不同熱管理回路之間的連通關系的變化，這個技術叫做多通閥技術。余熱回收便是通過多通閥技術實現(xiàn)電池、電動機、乘員艙等多系統(tǒng)回路的切換才得以實施。

4）集成化技術，通過對熱管理部件的集成，包含水泵、換熱器、傳感器及TMS，實現(xiàn)整車一體化熱管理設計，減少零部件數(shù)量，優(yōu)化管路長度，優(yōu)化空間布局，降低能耗。

5.低壓電管理

純電動汽車中沒有發(fā)電機，DC/DC轉(zhuǎn)換器將高壓電池的電能轉(zhuǎn)換為低壓直流電，為車內(nèi)的12v低壓蓄電池充電和其他低壓設備的供電。完成上高壓電后，VCU請求DC/DC進入發(fā)電模式，并可以根據(jù)低壓蓄電池的SOC情況，請求DC/DC變化電壓輸出，達成更好的為蓄電池補電功能。在車輛長時間停放時，VCU監(jiān)控到低壓蓄電池SOC偏低時，會觸發(fā)自動上高壓電功，請求DC/DC工作，完成給低壓蓄電池補電的作用。

6.故障處理策略

電池和電動機系統(tǒng)是電動車動力系統(tǒng)的重要組成部分，這些系統(tǒng)在使用過程中可能會出現(xiàn)各種故障，導致車輛無法行駛，影響車輛安全。因此需要設計合理的故障處理策略對零部件和車輛進行保護。

電池系統(tǒng)的常見故障有過溫故障、過流故障、過壓故障、欠壓故障、過充故障、繼電器粘連故障、預充故障、電芯采樣線故障及絕緣故障[12等。電驅(qū)系統(tǒng)的常見故障有過溫故障、欠壓故障、IGBT故障、短路故障、超速故障及總線通信故障等。不同故障帶來的性能變化也不同：輕微故障，對車輛基本沒有影響；一般故障，電池、電驅(qū)會通過降低功率來減緩故障惡化程度，比如過溫、過流故障，通過減少輸出來緩解故障，但車輛的加速性能會變差；嚴重故障，電池和電動機會停止工作，請求下高壓電，車輛無法行駛（見表2）。

表2動力系統(tǒng)故障處理分級表

動力系統(tǒng)功能開發(fā)驗證

新能源汽車動力系統(tǒng)功能開發(fā)驗證是確保新能源汽車性能、安全性和可靠性的重要環(huán)節(jié)。它涉及對電池、電動機、電控系統(tǒng)等核心部件以及整車動力系統(tǒng)的全面測試和驗證。根據(jù)動力系統(tǒng)功能清單，編制動力系統(tǒng)功能測試清單。表3為部分功能測試清單舉例，按照測試項目，測試步驟，設計要求完成測試，最后記錄測試結果。

表3動力系統(tǒng)功能測試清單

結語

純電動汽車動力系統(tǒng)功能策略開發(fā)是一個復雜的過程。以用戶需求為導向，通過市場調(diào)研和用戶反饋收集，精準把握目標用戶群體對于新能源汽車功能的期望和痛點。在此基礎上，完成相應的功能策略開發(fā)方案，包括但不限于上下電控制、轉(zhuǎn)矩控制、充電控制、熱管理控制及故障診斷等，并通過實車測試等手段對其進行驗證和優(yōu)化。

展望未來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G通信等前沿技術在汽車領域的深度融合，新能源汽車動力系統(tǒng)功能策略開發(fā)將朝著更智能化、個性化方向發(fā)展，為用戶提供更加安全、便捷、高效的出行體驗。

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