電動(dòng)汽車電子系統(tǒng)架構(gòu)

電動(dòng)汽車 (EV) 代表著可持續(xù)交通的前沿。電動(dòng)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(dòng)汽車運(yùn)行的最重要組件及其互連。

介紹

電動(dòng)汽車的普及正在穩(wěn)步發(fā)展，供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)也在發(fā)生變化。它涵蓋了制造電動(dòng)汽車零件的原材料、化學(xué)品、電池和各種組件。與此同時(shí)，汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施也參與其中，它們正經(jīng)歷一個(gè)歷史性的階段，經(jīng)過(guò)徹底的重新設(shè)計(jì)。它們的電氣化以及政府法規(guī)對(duì)新型汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)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(lái)說(shuō)，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(duì)車輛各方面功能的控制。

電動(dòng)汽車不僅僅是一種帶有電動(dòng)發(fā)動(dòng)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(shí)現(xiàn)多種類型的應(yīng)用。電動(dòng)汽車是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其運(yùn)行基于物理、化學(xué)、電氣和電子基礎(chǔ)。它配備了一個(gè)獨(dú)立的電源電池，并有各種電路專門(mén)用于執(zhí)行不同的功能。一個(gè)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(jì)的不同之處。它們涉及用于牽引的電池系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、功率調(diào)節(jié)電路以及專用于電池充電的電路。電動(dòng)汽車的基本配置由一個(gè)或多個(gè)電池、能量轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件和控制車輪的差速系統(tǒng)組成。

有更有效的系統(tǒng)，沒(méi)有差速器，通過(guò)兩個(gè)電機(jī)推進(jìn)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪一個(gè)。在這種情況下，需要兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，盡管只能有一個(gè)電池電源。隨著近年來(lái)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(jì)的架構(gòu)對(duì)于提高駕駛時(shí)的可靠性和安全性以及通過(guò)降低能耗、重量和成本來(lái)提高效率是必不可少的(見(jiàn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)的電子解決方案，可以設(shè)置以前無(wú)法想象的新應(yīng)用程序。

電動(dòng)汽車并不完全相同，它們遵循不同的設(shè)計(jì)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(lái)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)汽車的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)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(dòng)機(jī)與功率轉(zhuǎn)換器一起工作，通過(guò)線路連接。電路連接到一個(gè)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，并由外部充電系統(tǒng)輔助供電。牽引力由多個(gè)設(shè)備控制。當(dāng)然，還需要輔助液體冷卻系統(tǒng)來(lái)將系統(tǒng)保持在安全的熱水平。

電池和BMS

電動(dòng)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(chǔ)存電能，為發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車的所有其他部件提供動(dòng)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(shí)現(xiàn)了良好的平衡。在這種動(dòng)力的作用下，必須實(shí)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(xiǎn)絲，通風(fēng)以防止氣體泄漏，以及平衡電荷，因?yàn)樵诔潆姾头烹娺^(guò)程中，電池的各個(gè)元件往往具有不同的電位，從而導(dǎo)致不平衡問(wèn)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(shuō)，BMS 是電動(dòng)汽車的大腦，它不斷監(jiān)控所有電子系統(tǒng)、電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、電源和輔助設(shè)備，確保車輛安全且最佳地運(yùn)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(yùn)行。電子元件之間的接線也必須精心設(shè)計(jì)。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(huì)影響系統(tǒng)的重量和尺寸。新型電動(dòng)汽車的長(zhǎng)期銷售預(yù)測(cè)是樂(lè)觀的，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將增長(zhǎng)幾十個(gè)百分點(diǎn)，因?yàn)檎麄€(gè)行業(yè)都致力于大幅減少所有活動(dòng)中的碳排放。

電動(dòng)機(jī)

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

電動(dòng)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(guò) DC-DC 和 DC-AC 設(shè)備將電池電壓轉(zhuǎn)換為適合發(fā)動(dòng)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(dòng)能量。在制動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)能被轉(zhuǎn)換成電能，然后儲(chǔ)存在電池中。這個(gè)過(guò)程會(huì)略微增加車輛的行駛里程。電動(dòng)汽車的所有部件并不是孤立運(yùn)行的，而是通過(guò)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(shí)時(shí)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(yùn)作。

結(jié)論

電動(dòng)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(dòng)汽車電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)當(dāng)然是一個(gè)非常復(fù)雜的領(lǐng)域，因?yàn)橛性S多組件在起作用。它主要關(guān)注盡可能減少對(duì)環(huán)境的影響，考慮到整個(gè)供應(yīng)鏈，從原材料生產(chǎn)到用戶電池充電。電動(dòng)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(dòng)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(wú)瑕的卓越架構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于這項(xiàng)革命性技術(shù)的發(fā)展和未來(lái)發(fā)展至關(guān)重要。