電動汽車動力系統(tǒng)工作原理及解決方案

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】電動汽車動力系統(tǒng)工作原理及解決方案我今天給大家談談什么是電動汽車動力系統(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；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，電動車應用領(lǐng)域也非常的廣泛，目前比較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)界地位，分別推出了ModelS標準純電動車、ModelX豪華電動超跑、以及即將上市的Model3，在電動車自動輔助駕駛技術(shù)更是一步。

互聯(lián)網(wǎng)造車熱潮同樣也帶著電動汽車發(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小時預定量就到達了64124臺。格力集團董明珠近期收購***銀隆新能源，正式進軍互聯(lián)網(wǎng)汽車，奔向的目標也是干凈、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)成如下列圖所示，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應等功能。

電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的，也是區(qū)別于內(nèi)燃機汽車的不同點。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。輔助動力供應系統(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)動構(gòu)造，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

其構(gòu)造原理圖如下所示：

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)出的電能供應電動機，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

其構(gòu)造原理圖如下所示：

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

其構(gòu)造原理圖如下所示：

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構(gòu)造組成，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)電機和電池供應驅(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開展處理發(fā)出指令，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器件充當主監(jiān)控器，向系統(tǒng)演示平臺評估板提供的電壓測量數(shù)據(jù)，而6通道AD8280器件充當副監(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用或者不間斷電源等高壓工業(yè)應用。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)

3.1ADIAD7280A參數(shù)

單顆處理4-6s前端

12BitADC采樣，平均每通道采樣時間1us

能夠?qū)?個通道的電壓和溫度開展監(jiān)測，典型

精度達±1.6mV（典型值）

多個AD7280A可采用菊花鏈連接，單個電路

板多可監(jiān)控48個電池單元，轉(zhuǎn)換只需7μs

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6mA

斷電模式下功耗小于1.8uA

SPI通信提供CRC校驗保證數(shù)據(jù)的可靠性

3.2ADIAD8280參數(shù)

電壓范圍：6.0V–30V

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AUDOMAX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。

圖1：運行于FOC模式的32位TriCore微控制器

英飛凌AUDOMAX系列非常適用于電機的控制。TriCore架構(gòu)和MC-ISAReMotor驅(qū)動程序可采用控制策略控制多臺三相電機，包括無刷直流電機（BLDC）塊交換（blockcommutation，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)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)奠定了根底。

圖2：電機控制中的電流控制環(huán)

圖2顯示了MC-ISAReMotor驅(qū)動程序的電流控制環(huán)路，右側(cè)為復雜設備驅(qū)動（CDD）。這個時間關(guān)鍵型電流控制環(huán)路在中斷上下文中開展處理，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），由應用程序提供。

英飛凌AUDOMAX系列和MC-ISAReMotor驅(qū)動，可并行控制多達4臺PMSM或BLDC電機，同時還能滿足應用任務控制所需的性能。MC-ISAReMotor和標準AUTOSARMCAL驅(qū)動由同一配置工具整合，因此，用戶可在同一界面中為AUTOSARMCAL和MC-ISAReMotor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，AUDOMAX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。AUDOMAX系列和MC-ISAReMotor驅(qū)動被設計用于支持安全應用。

（三）TI推出電池主動式均衡負載技術(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，當電池芯由于多次充放電后產(chǎn)生不一致性而導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87%。像EM1410芯片組由5顆芯片加上5顆電源供給芯片所組成，其中主要的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60V工作電壓，提供5V雙向均衡電壓與750V堆棧輸出電壓能力，并滿足AECQ-100車用電子驗證標準。

2.芯片參數(shù)：

2.1EMB1432Q

單顆處理14S前端模擬

輸入耐壓60V