电子技术在新能源汽车中的应用

2018-11-29郑新强

汽车与驾驶维修(维修版) 2018年4期

郑新强

（东莞理工学校 523000)

0 引言

随着汽车的普及，汽车能耗的加剧，传统汽车越来越不适应社会的发展。加大新能源汽车的推广可以达到节能减排的目的，从而推动汽车行业的健康发展，所以对新能源汽车的研究势在必行。新能源汽车是集机械、电工电子及智能控制学领域最新技术的产物，是国家工业发展水平的重要标志。现阶段混合动力汽车和纯电动汽车已进入实用化阶段，是新能源汽车中最重要的组成部分，而电子技术作为现代科学技术发展的重要成果，其在新能源汽车的中发挥着越来越重要的作用，可以说正是电子技术的不断进步才支撑起新能源汽车的发展。

1 电子技术对于新能源汽车发展的重要意义

汽车作为一种工业产品，伴随着科技水平的不断发展，汽车电子化趋势也越来越明显，电气设备和电子控制装置在汽车中的应用也越来越普遍。汽车从最初的纯机械化产品发展到现在的机电一体化产品，乃至今后向电气化产品转变的历程中，电子技术应用的比重不断提高。

1.1 电子技术在传统汽车中的发展为新能源汽车应用打下基础

在传统汽车中以传感器技术和电子控制装置为载体，对汽车行驶过程中的运作情况进行有效的监测，进而减少能源的消耗以及尾气的排放，使到电子技术在汽车领域的应用已经有足够雄厚的技术积累，现阶段的主流汽车产品中已大量使用先进电子传感器、电子控制单元、网络技术和智能控制等电子技术，而这些也都是新能源汽车首先要具备的技术条件。

电子技术在传统汽车上的普及使到传统汽车厂商能尽快地研发新能源汽车，而不用单独地开发新的产品架构，特别是现阶段已成熟的汽车总线控制技术，带来了模块化开发的便利性。事实上现阶段面世的很多混合动力甚至纯电动汽车都是在已有的传统车型上升级的产物，形成了同一种车型的燃油版、混动版和纯电版并存的格局。比如卡罗拉的燃油版和双擎版并存，上汽荣威的EI6和I6并存等等[1]。

1.2 电子技术应用在新能源汽车中的优越性

在以“电”为关键的新能源汽车中，电子技术当然具有先天的优越性。其实电动汽车和混合动力汽车在很早以前就被发明出来了，早在1900年费迪南德保时捷就已经研发出来电动汽车和混合动力汽车，但在之后的将近一个世纪里基本上没有新的突破，电动汽车停滞不前而被燃油汽车远远超越，其最主要的原因就是电池技术和电子控制技术的瓶颈。但在21世纪以来，这状况得到了极大的改观，就是因为电子技术的飞跃发展，使到电池和电子控制装置的性能越来越强，从而使电动汽车又得到了新的生命。

首先是电池技术，新的材料和新的工艺使现在动力电池的能量密度越来越高，让纯电驱动成为可能。但随之而来的是电池的控制管理问题，比如电池内单体的发热和老化会影响到整个电池组的性能，这就要依靠电子技术对每个电池单体进行监测，让控制器及时地知道单体的工作状况，从而控制整个电池组的输出和控制散热系统的工作，来提高电池的效率和寿命。

其次是动力系统的控制技术，新能源汽车的动力来源于电机，这些电机通常都是大功率的三相交流电机，为了达到能量回收的目的，需要高效率的控制器来控制电能的流向和转化，而在混合动力汽车中甚至还要控制复杂的发动机和动力混合装置，这都有赖于大功率电子器件、快速运算的控制单元和高性能的传感器。可以说没有电子技术的应用就不可能有新能源汽车的发展。

2 现阶段电子技术在新能源汽车上的应用情况

电力驱动系统可以说是新能源汽车的心脏，其主要分为2个部分：电机及其控制部分、电池及电源管理装置。目前，电力电子技术在电动汽车上的应用与传统汽车相比，主要增加了在电力驱动系统上的应用，包括电机驱动和逆变装置、电池管理装置、DC-DC转换器、充电器等。新能源汽车的电子系统越来越复杂，同时，汽车恶劣的使用工况和复杂多变的使用环境对电子技术提出了更高的要求，因为汽车电子系统要求运行电压很宽，并且有很大的瞬态电压和温度变化，对于电子装置来说越来越有挑战性，这就要求开发更高性能的电力电子设备[2]。

2.1 电机及其控制装置的应用

新能源汽车使用的电机应具有瞬时功率大、过载能力强、能量转换效率高、使用寿命长的特点，同时必须具有宽的调速范围，要求有高的可靠性，能在较恶劣环境下长期工作；从经济学角度来讲应该满足结构简单、适应大批量生产、运行噪声低、使用维修方便，价格便宜等条件。目前我国自主开发的永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机等均实现了整车小批量配套能力。其中轿车用永磁电机比功率超过1 300 W/kg，电机系统最高效率达93%以上，功率覆盖200 kW以下民用电动车辆范围。90 kW车用永磁驱动电机技术指标接近国际先进水平：系统功率密度≥1.36 kW/kg、电机峰值效率≥97%。

电机在低速下最大输出转矩取决于逆变器的电流输出能力，最大输出功率由逆变器的功率决定。因此电机驱动控制器的设计是整个新能源汽车系统设计中的重点和难点。新能源汽车中的电机驱动控制器一方面要求效率高，电磁干扰小。另一方面要求环境适应性强，工作可靠和体积小。

2.2 电池管理系统（BMS）的应用

目前新能源汽车上普遍使用锂电池作为动力电源，而锂电池的管理系统（BMS）实现的功能包括：数据监测、荷电状态（SOC）估计、热管理、均衡管理、数据通信、数据显示与报警。我国在十五期间就设立电动汽车重大专门研究项目，在BMS方面也取得很大突破。如今，BMS已是上至国家下至企业，都重点关注的研发领域。我国的BMS研究成果显著，像比亚迪、北汽、奇瑞、哈飞、上汽都在研发自己的电池管理系统，争相开拓电动汽车市场。

2.3 DC-DC转换器的应用

在电动车行驶过程中需频繁加减速，在电机端的电压是不断变化的，但由于蓄电池或燃料电池的比功率指标的限制，直接用它们去驱动电机或接收电机端回流的电能，会造成驱动性能恶化。而使用双向DC/DC变换器就是用来平衡电池端和电机端的电压，可将动力电池组或超级电容器的电压维持在相对稳定的数值上，以明显提高电机的驱动性能。这就需要DC-DC转换器有足够大的容量和足够高的效率，新能源汽车的车载复合电源对 DC-DC变换器的要求是十几安培到上百安培的级别，再加上DC-DC变换器装载在汽车内部的狭小空间，要受到旁边电机与发动机强烈的电磁干扰，这种对 DC-DC的设计要求非常高。

2.4 充电装置的应用

发展自动充电器是发展电动汽车的必要条件,因为它能将交流电网的电能有效补充到每辆电动汽车的蓄电池中。今后为使电动汽车普及,则需要建立蓄电池充电站,每个站必须配备若干套自动充电器。充电器的功能就是将交流电变为直流电,这就需要用到电工电子技术,使用功率器件。

当这些充电器用到电动汽车中时,人们对它们提出了更多的要求。要求它们恒流恒压二段式充电,还要求高效、轻量,有自检及自动充电等多种保护功能,并且能程控设定充电时间曲线、监视电池温度,对电网无污染等。这些要求需要电工电子技术来解决,更突出了电工电子技术在充电器上的应用。

2.5 在新能源汽车附属装置的应用

在传统汽车中，大部分附属装置所需的动力都是来源于发动机，比如汽车空调压缩机、水泵、转向助力油泵和真空制动助力器等等。而在新能源汽车中，这些装置功能依然存在，但已经不能沿用传统的方式，因为新能源汽车并不完全依靠发动机来驱动，所以要开发新型的附属装置，比如电动压缩机、电动水泵、电动转向助力、电动真空泵及线控刹车系统等等，实现全车电气化运行。