電動汽車電子系統(tǒng)架構(gòu)

電動汽車 (EV) 代表著可持續(xù)交通的前沿。電動汽車集成了復(fù)雜而精密的電子架構(gòu)，隨著新半導(dǎo)體材料和解決方案的發(fā)現(xiàn)，技術(shù)每天都在取得巨大進(jìn)步。本文將探討使電動汽車運行的最重要組件及其互連。

介紹

電動汽車的普及正在穩(wěn)步發(fā)展，供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)也在發(fā)生變化。它涵蓋了制造電動汽車零件的原材料、化學(xué)品、電池和各種組件。與此同時，汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施也參與其中，它們正經(jīng)歷一個歷史性的階段，經(jīng)過徹底的重新設(shè)計。它們的電氣化以及政府法規(guī)對新型汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和軟件開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。電子系統(tǒng)架構(gòu)是車輛內(nèi)所有電子元件、模塊和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)化配置，定義了車輛的電氣和電子組成。具體來說，電子硬件、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、軟件和所有電路的布線都集成在一起，以增強(qiáng)對車輛各方面功能的控制。

電動汽車不僅僅是一種帶有電動發(fā)動機(jī)的交通工具，它還配備了高度復(fù)雜的外圍設(shè)備和精良的電子設(shè)備，可以實現(xiàn)多種類型的應(yīng)用。電動汽車是一個復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其運行基于物理、化學(xué)、電氣和電子基礎(chǔ)。它配備了一個獨立的電源電池，并有各種電路專門用于執(zhí)行不同的功能。一個好的架構(gòu)必須考慮車輛中所有電氣設(shè)備的功率和信息需求。如果純機(jī)械方面與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的機(jī)械方面大致相似，例如車輪或車架，那么電氣部分就相當(dāng)遙遠(yuǎn)，包含大量新設(shè)計的不同之處。它們涉及用于牽引的電池系統(tǒng)、電動機(jī)、功率調(diào)節(jié)電路以及專用于電池充電的電路。電動汽車的基本配置由一個或多個電池、能量轉(zhuǎn)換器、電動機(jī)、傳動部件和控制車輪的差速系統(tǒng)組成。

有更有效的系統(tǒng)，沒有差速器，通過兩個電機(jī)推進(jìn)，每個驅(qū)動輪一個。在這種情況下，需要兩個獨立的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，盡管只能有一個電池電源。隨著近年來的技術(shù)進(jìn)步，新的架構(gòu)提高了系統(tǒng)的效率和連接性，還集成了 CAN、LIN、FlexRay 和以太網(wǎng)等通信協(xié)議。如今，隨著車輛中電子元件的使用增加，精心設(shè)計的架構(gòu)對于提高駕駛時的可靠性和安全性以及通過降低能耗、重量和成本來提高效率是必不可少的(見圖 2)。得益于改進(jìn)的連接策略和使用快速本地網(wǎng)關(guān)，新型電動汽車具有可配置性和智能性。目前，由于有了新型、極其復(fù)雜的集成電路和只有新型電子元件才能實現(xiàn)的電子解決方案，可以設(shè)置以前無法想象的新應(yīng)用程序。

電動汽車并不完全相同，它們遵循不同的設(shè)計類型。但關(guān)鍵特征在于用于推進(jìn)的電能百分比。有些汽車僅使用電力來驅(qū)動，而有些汽車將電力與其他形式的能源結(jié)合使用，這被定義為“混合動力”。廣義上講，前者利用完全由電池或燃料電池等電源提供的推進(jìn)能量。后者使用各種推進(jìn)能量源，其中至少一種是電力。電動汽車的設(shè)計主要是為了實現(xiàn)其自主性，最大限度地提高速度和加速度。從上圖可以看出，電力牽引系統(tǒng)由各種功能塊組成：電動機(jī)與功率轉(zhuǎn)換器一起工作，通過線路連接。電路連接到一個能量存儲系統(tǒng)，并由外部充電系統(tǒng)輔助供電。牽引力由多個設(shè)備控制。當(dāng)然，還需要輔助液體冷卻系統(tǒng)來將系統(tǒng)保持在安全的熱水平。

電池和BMS

電動汽車的基本部件之一是電池，它與性能優(yōu)化電路一起構(gòu)成了汽車的推進(jìn)劑。電池儲存電能，為發(fā)動機(jī)和汽車的所有其他部件提供動力。目前，鋰離子電池是主流技術(shù)，在能量密度、耐用性和重量之間實現(xiàn)了良好的平衡。在這種動力的作用下，必須實施復(fù)雜的安全系統(tǒng)，提供極端熱條件的保護(hù)，補(bǔ)充電解質(zhì)，以防不可避免的保險絲，通風(fēng)以防止氣體泄漏，以及平衡電荷，因為在充電和放電過程中，電池的各個元件往往具有不同的電位，從而導(dǎo)致不平衡問題。這些組件由控制和監(jiān)督系統(tǒng)管理，BMS(電池管理系統(tǒng))可調(diào)節(jié)充電和放電命令以及熱量和功率控制，從而保證最高效率。

可以說，BMS 是電動汽車的大腦，它不斷監(jiān)控所有電子系統(tǒng)、電池、發(fā)動機(jī)、電源和輔助設(shè)備，確保車輛安全且最佳地運行。PYLONTECH 的 48 V 2.4 kWh 鋰電池以及逆變器，它需要 BMS 才能正常運行。電子元件之間的接線也必須精心設(shè)計。所涉及的巨大功率水平意味著需要精心規(guī)劃，尤其是在電纜部分，這肯定會影響系統(tǒng)的重量和尺寸。新型電動汽車的長期銷售預(yù)測是樂觀的，預(yù)計未來幾年將增長幾十個百分點，因為整個行業(yè)都致力于大幅減少所有活動中的碳排放。

電動機(jī)

電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，推動車輪。電動機(jī)有多種類型，例如異步感應(yīng)電動機(jī)和永磁電動機(jī)，每種電動機(jī)都有其優(yōu)點和缺點。發(fā)動機(jī)的選擇取決于各種因素，例如性能、效率和成本。在電動汽車中，電動機(jī)通常位于車輪附近，由一組可充電電池供電。踩下油門踏板時，電動機(jī)從電池組中獲取能量并將運動傳輸?shù)杰囕?。它的特點是瞬時且恒定的驅(qū)動扭矩，可實現(xiàn)非常平穩(wěn)和安靜的加速。通常，電動機(jī)由轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)部分)和定子(固定部分)組成。

電動機(jī)的核心是電力電子，它在能源管理中起著至關(guān)重要的作用。它通過 DC-DC 和 DC-AC 設(shè)備將電池電壓轉(zhuǎn)換為適合發(fā)動機(jī)的水平。最新的研究旨在從物理事件中回收能量，例如回收制動能量。在制動過程中，動能被轉(zhuǎn)換成電能，然后儲存在電池中。這個過程會略微增加車輛的行駛里程。電動汽車的所有部件并不是孤立運行的，而是通過通信網(wǎng)絡(luò)不斷通信和交換數(shù)據(jù)和信息。這一新概念允許實時交換系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，激活車輛所有部件的智能控制策略，并協(xié)調(diào)不同組件的集體運作。

結(jié)論

電動汽車首先讓人注意到的是系統(tǒng)的靜音性，這不僅有助于降低空氣污染水平，還有助于降低噪音污染。電動汽車電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)當(dāng)然是一個非常復(fù)雜的領(lǐng)域，因為有許多組件在起作用。它主要關(guān)注盡可能減少對環(huán)境的影響，考慮到整個供應(yīng)鏈，從原材料生產(chǎn)到用戶電池充電。電動汽車的電子系統(tǒng)在不斷發(fā)展，相關(guān)創(chuàng)新還將涉及自動駕駛和駕駛輔助，借助人工智能提高安全性和舒適性。完美無瑕的卓越架構(gòu)設(shè)計對于這項革命性技術(shù)的發(fā)展和未來發(fā)展至關(guān)重要。