电动汽车开发的关键技术及发展路线浅析

摘 要：中国电动汽车产业正在快速发展，文章主要就电动汽车的结构特点、“三电”核心技术进行了介绍，同时就“三电”系统的发展路线进行了浅析。

关键词：电动汽车；关键技术；发展路线

电动汽车，作为0排放的绿色新能源交通工具，可以在减碳、节能、环保等方面发挥重大的作用，因此我国正在大力推进电动汽车技术和产业的发展。本文就当前电动汽车的结构特点、关键技术和技术路线进行简要的介绍和浅析。

1 电动汽车的结构特点

电动汽车与传统燃油汽车的差别，主要是用电代替传统燃料作为汽车动力能源，同时用电机代替发动机转换电能为动能、驱动车辆行走。电动车的能源主要由动力电池提供，一般布置在车身下方，因此安装动力电池部位的车身强度以及车身地板高度在设计时必须要特别考虑。而电机布置形式有前置、后置方式，也有特别的采用轮毂电机的方式。由于电机有很大的调速范围和能够稳定持续地输出较大扭矩，能够满足车辆的正常需求，因此从成本、重量、布置方面考虑，市场上大部分电动汽车都没有搭载独立变速器。

2 电动汽车的关键技术和发展路线浅析

电动汽车涉及到了车身、底盘、电子电器、新能源等技术，但其中最关键的是“三电”系统技术：电池系统、电机系统、整车控制系统。

2.1 电池系统

电池系统主要包括动力电池和电池管理系统，是目前制约电动汽车发展最为重要的影响要素。

2.1.1 动力电池

动力电池自身的性能对电动汽车的性能、成本、使用寿命产生决定性的影响。例如电动汽车的续航里程直接取决于电池容量；动力性能受电池功率密度的影响；成本和使用寿命更是主要受制于动力电池，电池成本占整车成本的30%甚至更高。

电动汽车动力电池的种类主要有铅酸、镍镉、钠硫、锂离子、燃料电池等，锂离子电池由于工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电率低等优点，占有绝大部分市场。而锂离子电池中磷酸铁锂又占据市场近六成份额，三元锂占约三成，二者各有优缺点：磷酸铁锂在安全、循环寿命和成本方面优于三元材料，三元锂在能量密度、低温性能等方面有优势。目前动力电池的技术关键是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低、安全性高的电池，表1是锂电池发展的技术路线目标[1]。

2.1.2 电池管理系统

电池管理系统（简称BMS），是电池系统的控制中枢，主要有以下几个功能：（1）预估电池的剩余电量（简称SOC）；（2）动态监测电池工作状态；（3）对电池组进行均衡管理。BMS的核心技术是SOC估算，其他的控制都以SOC为判断基础。SOC精度越高，越能有效利用电池电量，提高车辆续航里程，还能让每块电芯更加均衡管理，提高电池使用寿命，有效地降低电池成本。当前SOC估算方法有很多，主要有传统的电流积分法、放电实验法、开路电压法，较为创新的有Kalman滤波法、模神经网络法等[2]。国内一般厂商多用电流积分法，该法相对简单可靠，可以动态估算SOC，但其无法精确测算电池自放电率、老化程度和充放电倍率对电池SOC的影响，长期使用会导致估算误差不断累积扩大；而放电实验法、开路电压法因估算花费时间长，难以运用在运行的车辆上；Kalman滤波法、模神经网络法估算精度与建立的模型密切相关，算法较为复杂。当前，BMS核心技术的发展路线还是建立一个高精度和超强纠错性的SOC计算模型。

2.2 电机系统

电机系统包含电机及其控制系统，车辆的动力性和操纵性与其息息相关。当前的电动汽车，直流电机基本上被代替，永磁同步电机被广泛运用，除此之外还有异步电机、轮毂电机等。永磁同步电机的最大优点就是具有较高的功率密度与转矩密度，在相同质量与体积下，能够为车辆提供最大的动力输出。异步电机的优点是成本低，工艺简单，但其功率密度与转矩密度要低于永磁同步电机，适用于布置空间较大的车辆，例如特斯拉Model S。轮毂电机则是将车辆的动力、传动以及制动装置一起整合到轮毂内，省了大量的传动部件，车辆结构也相对简单；但是其在同步控制，涉水密封等方面，还有很多问题需要解决。目前电机本体本身正在往调速范围宽、转速高、起动转矩大、体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈利用率高等特性方向发展。

电机的控制系统（简称PCU），是根据整车控制器的指示，控制电机输出指定的扭矩和转速，从而驱动车辆行驶。PCU的核心技术是电机扭矩和转速控制算法，未来发展方向是更加智能化和数字化，例如变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术[3]，都将被各自或综合应用于电机控制系统，从而使得电动车拥有更好的驾驶操纵性。

2.3 整车控制系统

整车控制系统是车辆的控制大脑，其性能对汽车动力性、舒适性、安全性以及能耗等有着决定性的影响。整车控制系统架构主要由整车控制器（简称VCU）、通信网络、各零部件控制器以及驾驶员操纵系统构成，其核心电子控制单元是VCU，一般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置。VCU通过采集加速踏板、制动踏板、真空泵压力等信号来获取驾驶员的意图，同时通过当前车辆状态信息的判断处理，向BMS、PCU、充电机等发送控制指令，使得各系统有效工作。此外VCU控制例如空调、远程监控、转向助力、组合仪表、安全气囊等系统的工作；而且VCU还具有整车系统故障诊断保护与存储功能。

当前，我国VCU的技术水平与国外还有一定差距，未来提升主要方向有：（1）硬件方面，提高芯片集成能力，标准化核心电路，平台化硬件，使其更具有可移植性和扩展性；（2）软件方面，也是标准模块化软件组件，通过电动车实际运行数据，进一步优化扭矩控制，故障诊断和安全控制等策略。

3 结束语

本文主要就电动汽车当前的“三电”核心技术――电池、电机、电控进行了介绍，同时就“三电”系统的发展方向进行了浅析。中国电动汽车产业正在快速发展，相对于汽油车，我国电动汽车技术与国外的差距较小，汽车行业应抓住机遇，做好关键技术的研究工作，提升我国电动汽车的行业水平。

参考文献

[1]欧阳明高.节能与新能源汽车技术路线图[R].中国汽车工程学会年会，2016.

[2]李晓红.动力电池管理系统SOC估算研究及软件设计[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[3]电动汽车驱动电机控制系统的设计及整车性能标定[J].工程技术：全文版，2016（12）：206.