電動汽車動力系統(tǒng)工作原理及解決方案

電動汽車動力系統(tǒng)

小編今天給大家談?wù)勈裁词请妱悠噭恿ο到y(tǒng)。故名思議，就是通過外部動力實現(xiàn)電動汽車驅(qū)動駕駛、提供持續(xù)不斷動力源的動力系統(tǒng)。在了解動力系統(tǒng)之前，我們先來了解下電動汽車。

什么是電動汽車？

根據(jù)百度百科上的說法，電動汽車（也稱BEV）是指以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。由于對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，但當(dāng)前技術(shù)尚不成熟。

電動汽車的分類

目前，我們看到的電動汽車主要分為三種，一種是純電動車（BEV），完全由電機驅(qū)動的電動車;另外一種是混合電動汽車（也叫做復(fù)合電動汽車PHEV），一般指的是用油和電提供電動汽車動力源（即采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機和電動機兩者作為動力，可分開時間使用）的電動車;最后一種是燃料電池汽車（FCEV），采用的是氫氧混合燃料提供動力源，通常幾分鐘時間就可以“充滿電”，因為補充的燃料是氫氣，結(jié)合大氣中的氧氣化學(xué)作用產(chǎn)生動能，提供的是一種非常低碳環(huán)保的動力源。

電動汽車廠商

電動汽車廠商非常多，電動車應(yīng)用領(lǐng)域也非常的廣泛，目前比較著名的電動車廠商主要有特斯拉、比亞迪、豐田、日產(chǎn)、奇瑞、雪佛蘭、本田、寶馬、三菱、雷克薩斯等等。

特斯拉作為美國專注于電動車和能源公司，從08年推出首款Roadster運動跑車以來，在電動車領(lǐng)域發(fā)展一直處于業(yè)界領(lǐng)先地位，分別推出了Model S標(biāo)準(zhǔn)純電動車、Model X豪華電動超跑、以及即將上市的 Model 3 ，在電動車自動輔助駕駛技術(shù)更是領(lǐng)先一步。

互聯(lián)網(wǎng)造車熱潮同樣也帶領(lǐng)電動汽車發(fā)展走向新高潮，今年1月初，法拉第FF與戰(zhàn)略合作伙伴樂視正式推出首款量產(chǎn)車曝光，36小時全球預(yù)定量就達(dá)到了64124臺。格力集團董明珠近期收購珠海銀隆新能源，正式進軍互聯(lián)網(wǎng)汽車，奔向的目標(biāo)也是干凈、純潔環(huán)保的電動車方向，解決的不僅是電動車動力問題，還有就是電動車儲能的問題。

電動汽車動力系統(tǒng)及其工作原理

下面正式進入正題，什么是電動汽車動力系統(tǒng)？在這里我們首先以典型的純電動汽車動力系統(tǒng)解析：

電動汽車動力系統(tǒng)基本構(gòu)成如下圖所示，電力驅(qū)動子系統(tǒng)又由電控單元、控制器、電動機、機械傳動裝置和驅(qū)動車輪組成。主能源子系統(tǒng)由主能源、能量管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)構(gòu)成。輔助控制子系統(tǒng)具有動力轉(zhuǎn)向、溫度控制和輔助動力供給等功能。

電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機汽車的最大不同點。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)由驅(qū)動電動機、電源和電動機控制裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機汽車相同。

純電動汽車動力系統(tǒng)工作過程：

動力系統(tǒng)的工作過程是，根據(jù)從制動踏板和加速踏板輸入的信號，電子控制器發(fā)出相應(yīng)的控制指令來控制電動機，調(diào)節(jié)電動機和電源之間的功率流。輔助動力供給系統(tǒng)主要給動力轉(zhuǎn)向、空調(diào)、制動及其他輔助裝置提供動力。除了從制動踏板和加速踏板給電動汽車輸入信號外，轉(zhuǎn)向盤輸入也是一個很重要的輸入信號，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的角位置來決定汽車靈活地轉(zhuǎn)向。

下面再來簡單介紹下混合電動汽車動力系統(tǒng)：

根據(jù)目前市面上的混合動力電動車的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，主要可以分為三大類：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

（1）串聯(lián)式混合動力電動汽車

其結(jié)構(gòu)原理圖如下所示：

串聯(lián)式混合動力電動汽車由發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機三大主要部件總成組成。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機所發(fā)出的電能供給電動機，電動機驅(qū)動汽車行駛。發(fā)電機發(fā)出的部分電能向電池充電，延長混合動力電動汽車的行駛里程。另外電池還可以單獨向電動機提供電能來驅(qū)動電動汽車，使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下行駛。

（2）并聯(lián)式混合動力電動汽車

其結(jié)構(gòu)原理圖如下所示：

并聯(lián)式混合動力電動汽車

并聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、電動/發(fā)電機兩大部件總成組成，有多種組合形式，可以根據(jù)使用要求選用。兩大動力總成的功率可以互相疊加，發(fā)動機功率和電動/發(fā)電機功率約為電動汽車所需最大驅(qū)動功率的o.5～1倍，因此可以采用小功率的發(fā)動機與電動/發(fā)電機，使得整個動力系統(tǒng)的裝配尺寸、質(zhì)量都較小，造價也更低，行程也可以比串聯(lián)式混合動力電動汽車的長一些，其特點更加趨近于內(nèi)燃機汽車。并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)通常被2-9a在小型混合動力電動汽車上。

（3）混聯(lián)式混合動力電動汽車

其結(jié)構(gòu)原理圖如下所示：

混聯(lián)式混合動力電動汽車

混聯(lián)式混合動力電動汽車綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)組成，主要由發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機三大動力總成組成。發(fā)動機基本保持穩(wěn)運高效、節(jié)能的運轉(zhuǎn)，發(fā)電機和電池供給驅(qū)動電動機電能以驅(qū)動電動汽車行駛。

下面介紹幾種電動汽車動力系統(tǒng)解決方案：

電動汽車以鋰電池作為主要動力驅(qū)動，以其高能量密度優(yōu)勢、動力性能穩(wěn)定為首要條件。電池管理系統(tǒng)BMS的重要同樣不言而喻。BMS是動力電池組的核心技術(shù)，也是電動車整車的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前電池管理系統(tǒng)有兩種管理模式，分別為主動式均衡和被動式均衡兩種管理模式。

兩種管理模式各有優(yōu)缺點，所采用的方式普遍為采集單體電池電壓，串聯(lián)電流，以及溫度以及電池組的電壓，然后將這些信號傳給運算模塊進行處理發(fā)出指令，最后將整個處理的信息指令通過CAN通訊系統(tǒng)傳送給汽車中央控制單元或整車VMS系統(tǒng)。

（一） ADI全隔離式鋰離子電池監(jiān)控和保護系統(tǒng)

1.方案特點

鋰離子電池組包含大量的電池單元，必須正確監(jiān)控才能提高電池效率，延長電池壽命確保安全性。方案中的 6 通道 AD7280A 器件充當(dāng)主監(jiān)控器，向系統(tǒng)演示平臺評估板提供精確的電壓測量數(shù)據(jù)，而 6 通道 AD8280 器件充當(dāng)副監(jiān)控器和保護系統(tǒng)。

AD8280 是一款用于鋰離子電池組的純硬連線安全監(jiān)控器，配合 AD7280A 使用時，可提供具有可調(diào)閾值檢測和共用或單獨報警輸出的低成本、冗余、備用電池監(jiān)控器。它具有自測功能，因此適合混合動力電動汽車等高可靠性應(yīng)用或者不間斷電源等高壓工業(yè)應(yīng)用。AD7280A 和 AD8280 均從監(jiān)控的電池單元獲得電源。

ADuM5404集成一個DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于向ADuM1201和ADuM1401隔離器的高壓端供電，以及向AD7280ASPI 接口提供VDRIVE電源。這些4通道、磁性隔離電路是安全、可靠、易用的光耦合器替代解決方案。

2. 方案框圖

3. 芯片參數(shù)

3.1 ADI AD7280A 參數(shù)

單顆處理 4-6 s 前端

12 Bit ADC 采樣，平均每通道采樣時間1 us

能夠?qū)?個通道的電壓和溫度進行監(jiān)測，典型

精度達(dá)±1.6 mV （典型值）

多個 AD7280A 可采用菊花鏈連接，單個電路

板最多可監(jiān)控 48 個電池單元，轉(zhuǎn)換只需7 μs

提供被動式電池單元平衡控制功能

轉(zhuǎn)換模式下功耗小于6 mA

斷電模式下功耗小于1.8 uA

SPI 通信提供CRC 校驗保證數(shù)據(jù)的可靠性

3.2 ADI AD8280 參數(shù)

電壓范圍：6.0 V–30 V

多路輸入可監(jiān)控 3-6 路電池電壓和 2 個溫度

可調(diào)監(jiān)控閥值：過壓、欠壓、過溫

報警選項：單獨或者共用報警

可通過菊花鏈方式連接

（二）英飛凌AUDO MAX產(chǎn)品系列

目前，基于高性能微控制器的高效FOC系統(tǒng)，為電動汽車和混合動力汽車驅(qū)動提供安全高效的解決方案創(chuàng)造了條件。

運行于FOC模式的32位TriCore微控制器

圖1：運行于FOC模式的32位TriCore微控制器

英飛凌AUDO MAX系列非常適用于電機的控制。TriCore架構(gòu)和MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序可采用高級控制策略控制多臺三相電機，包括無刷直流電機（BLDC）塊交換（block commutation，BC）及永磁同步電機（PMSM）磁場定向控制（FOC）。單一微控制器甚至還能同時支持BLDC和PMSM電機控制。相比于其他類型的電機而言，采用FOC控制的PMSM電機能效更高、磨損更小，并且可以實現(xiàn)精確控制和定位。特別是，這種電機支持線性轉(zhuǎn)矩控制，為將其用于混合電動汽車動力總成系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

圖2：電機控制中的電流控制環(huán)

圖2顯示了MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序的電流控制環(huán)路，右側(cè)為復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動（CDD）。這個時間關(guān)鍵型電流控制環(huán)路在中斷上下文中進行處理，處理時間不超過50微秒。左側(cè)是附加的用于位置和轉(zhuǎn)速控制的軟件成分（SWC），由應(yīng)用程序提供。

英飛凌AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驅(qū)動，可并行控制多達(dá)4臺PMSM或BLDC電機，同時還能滿足應(yīng)用任務(wù)控制所需的性能。MC-ISAR eMotor和標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR MCAL驅(qū)動由同一配置工具整合，因此，用戶可在同一界面中為AUTOSAR MCAL和MC-ISAR eMotor驅(qū)動配置微控制器資源，為無縫配置不同軟件模塊創(chuàng)造了條件。汽車ECU開發(fā)人員可專注于電機的應(yīng)用相關(guān)控制，而無需改編電機的控制算法。為降低系統(tǒng)成本，AUDO MAX系列還支持直接旋轉(zhuǎn)變壓器模式，免除了加裝旋轉(zhuǎn)變壓器IC的需要。AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驅(qū)動被設(shè)計用于支持安全應(yīng)用。

（三） TI推出電池主動式均衡負(fù)載技術(shù)

1.方案特點

TI推薦電動車所采用的主動均衡方式：每個電池芯藉由矩陣開關(guān)控制變壓器與充電線路的組合，形成一個有調(diào)整功能的電壓/電流蓄水池的功能，當(dāng)電池芯由于多次充放電后產(chǎn)生不一致性而導(dǎo)致整組電池充放電容量下降，可藉由后端連接蓄水池的線路做調(diào)整，充電時不會因為監(jiān)控到某個電池芯內(nèi)壓過高而停止充電，放電時也可以完全的100%的釋放能源，進而延長電動車的行駛距離。

TI在隔離式DC-DC主動均衡技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)87%。像EM1410芯片組由5顆核心芯片加上5顆電源供應(yīng)芯片所組成，其中最主要的 EMB1432為十四信道AFE芯片、EMB1428為七信道閘控制器芯片，與EMB1499為七信道電壓控制芯片等，來建構(gòu)十四通道雙向主動式電池芯均衡功能，串聯(lián)14顆電池芯與最高60V工作電壓，提供5V雙向均衡電壓與最大750V堆棧輸出電壓能力，并滿足AECQ-100車用電子驗證標(biāo)準(zhǔn)。