纯电动汽车功率流控制原理研究

李鹏伟 刘振华 伊建玉 冯婧 冯晓姗 王新洁 王静

摘 要：文章主要研究了纯电动汽车的能量流通路徑和驱动系统结构形式。通过调查分析，总结了不同结构形式的优缺点及应用车型。重点研究了纯电动汽车的功率流控制原理，包括充电原理、电动机驱动原理及能量回收原理，为学习纯电动汽车功率流控制原理提供了参考依据。关键词：电动汽车;功率流;控制原理;能量回收中图分类号：U469  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）01-04-03

Research on power flow control principle of electric vehicle

Li Pengwei， Liu Zhenhua， Yi Jianyu， Feng Jing， Feng Xiaoshan， Wang Xinjie， Wang Jing

（Xian Automotive technology vocational college， Shaanxi Xian 710045）

Abstract： This paper mainly studies the energy flow path and the structural form of the driving system of electric vehicles. Through investigation and analysis， the advantages and disadvantages of different structural forms and the applied models are summarized. This paper focuses on the power flow control principle of electric vehicles， including charging principle， motor driving principle and energy feedback principle. It provides a reference for learning the power flow control principle of electric vehicles.Keywords： electric vehicle; power flow; control principle; energy feedbackCLC NO.： U469  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）01-04-03

前言

随着全球石油资源日益紧缺、环境污染愈演愈烈等问题的凸显，各大主机厂及IT企业纷纷发展新能源汽车，其中纯电动汽车占据市场主导地位。纯电动汽车是以电动机作为动力装置，由蓄电池作为能量源。其噪音低、无污染、能耗低、效率高、运行平稳等优点，被市场普遍认可。续驶里程短、充电不方便、价格偏高等缺点也一直存在，因此对于纯电动汽车，优化的功率流控制原理非常关键，其直接决定了车辆的运行状态、续驶里程及能耗等。

1 纯电动汽车能量流通路径

1.1 低压能量流通路径

纯电动汽车动力系统由整车控制器、电机控制器、电动机、传动装置、动力电池、电池管理系统及外接充电控制单元构成^[1]。纯电动汽车能量流通路径如图1所示，包括高压能量流通路径和低压能量流通路径。与传统燃油汽车相比，主要是将高压蓄电池的能量通过功率变换器内的DC-DC转换成14V左右的低压电给辅助蓄电池充电和给灯光、雨刮、车窗、助力转向等其他低压电气设备供电。

1.2 高压能量流通路径

如图1所示，在高压能量流通路径中，由充电机给蓄电池充电，此时蓄电池不能通过功率变换器给电动机提供电能。当蓄电池放电时，在整车控制器的控制下，由功率变换器将蓄电池的直流电转换成可变交流电后送给电动机，也可由功率变换器通过空调控制器给空调压缩机和PTC提供电能。在车辆满足一定条件而进入能量回馈模式时，电动机发出三相交流电经过功率变换器转换为高压直流电后充进蓄电池。

2 纯电动汽车驱动系统结构形式

纯电动汽车驱动系统结构形式具有多样性，常见的驱动系统结构有以下几种类型：

第一种：将传统燃油汽车的发动机替换为电动机，离合器、变速器、差速器及传动系统保留。该结构形式保留了手动驾驶功能，但能量损失较大，能量利用率不高。该结构形式在改装车上比较常见，如部分驾校将桑塔纳或比亚迪F3的发动机改换为电动机在场内使用，采用48V、60V或72V低电压铅酸蓄电池供电，无法走入乘用车市场。

第二种：电动机中置，其功率通过传动轴输出至固定速比减速器，减速增扭后动力通过传动轴传递给差速器，最后驱动车辆行驶。该结构形式目前主要应用在一些电动轻卡和电动客车上。能量利用率比第一种结构形式高，适合电动机体积较大的车型上。

第三种：电动机横置在驱动桥侧，其功率通过齿轮输出至固定速比减速器，减速增扭后动力通过齿轮传递给差速器，动力传递过程无传动轴。最后动力从差速器通过传动轴到车轮。多数电动轿车、MPV、SUV，部分混合动力汽车的纯电动驱动桥等都采用该结构形式，能量利用率较前两种高。如比亚迪E6、特斯拉Models P85等等，是目前市场主流类型。

第四种：有传动轴的双电机驱动，驱动桥两侧车轮分别用一台电动机驱动，无机械差速器，固定速比减速器通过传动轴直接驱动车轮，可通过控制两侧电机以不同转速转动来实现电子差速。该结构形式在乘用车上不常见，全国大学生方程式电动赛车比赛上，部分大学的自制赛车采用过该结构。

第五种：无传动轴的双电机驱动，相比第四种结构形式取消了传动轴，由固定速比减速器的输出端直接驱动车轮。相比第四種结构形式，能量利用率更高，部件布置灵活性大，如比亚迪K8。

第六种：轮毂电机驱动，即电动机的转子即为轮毂，电动机转速与车轮转速相同，一般为双轮毂电机或四轮毂电机布置，可灵活实现前驱、后驱或四驱。该结构形式成本较高，控制难度也较大，但能量利用效率最高。如蔚来汽车的EP9。

3 纯电动汽车功率流控制原理

3.1 充电状态功率流控制

纯电动汽车的能量补充即为充电，是车辆能量补充的唯一方式。充电分为“快充”和“慢充”两种形式，都有相应的国家标准。

3.1.1 快充

快充通常指直流充电，充电电流大，速度快，不到一小时即可充至80%的电量，缺点是长时间使用该方式充电会缩短蓄电池的使用寿命。根据国标，快充接口有9个端子，中间最大的两个端子为高压正负极，其他端子包括插枪确认信号线和控制器通信线等。快充的控制原理包括如下几个阶段：充电插头与车辆充电座插合，此时使车辆处于不可行驶状态;充电枪与充电座连接确认;非车载充电机自检;充电准备就绪;充电阶段;正常充电条件下充电结束，非正常充电条件下充电中止。

3.1.2 慢充

慢充通常指交流充电，充电电流小，速度慢，一般充满需要6-8个小时，相比快充可以有效保持蓄电池的使用寿命。根据国标，慢充接口有7个端子，3个相线端子，1个零线端子，1个保护接地PE，1个CC和1个CP。CC为连接确认信号线，CP为供电设备向车载充电机发送PWM脉冲的信号线。慢充过程的工作控制程序：充电插头与车辆充电座插合，此时使车辆处于不可行驶状态;确认供电接口或车辆接口已完全连接;确认充电连接装置是否已完全连接;车辆准备就绪;供电设备准备就绪;充电系统的启动;检查供电接口的连接状态及供电设备的供电能力变化情况;正常条件下充电结束或停止，非正常条件下充电结束或停止。

快充和慢充的接口定义、控制时序等内容可以查阅相应的国家标准。市场上的纯电动汽车部分车辆有慢充和快充两种接口，部分车辆仅有其中一种。

3.2 放电状态功率流控制

纯电动汽车的功率流控制主要是对放电过程的控制。控制原理是整车控制器采集点火开关信号、制动踏板位置信号、加速踏板位置信号等来判断驾驶人的意图，根据驾驶人的意图开始做出决策，通过CAN网络发送控制信息给BMS，由BMS控制高压直流接触器工作，进而将高压直流电从蓄电池输出;高压直流电输入功率变换器，在整车控制器的控制下，功率变换器将直流电逆变为交流电，将合适的电能输送至电动机，该交流电可以实现电压电流变化及频率变化，进而实现电动机的扭矩及转速调整。

高压直流电还输入DC-DC，其主要功能是将高压直流电转换为低压直流电给辅助蓄电池充电，同时为其他低压电气设备供电，其输出电压一般在14V左右，如比亚迪E6的DC-DC输出电压为13.8V。

该装置在部分车型会与电动机控制器或其他高压控制器集成于一体。

高压直流电还输入空调控制器，其主要功能是给电动压缩机和PTC加热器提供电能。在纯电动汽车和混合动力汽车上，空调制冷已无法采用传统皮带驱动的压缩机，普遍采用了电动涡旋式压缩机，该压缩机采用高压交流供电，因此空调控制器会将蓄电池的输出电压逆变为交流电。

3.3 能量回收状态功率流控制

通过能量回馈，可有效回收车辆滑行和制动时的动能，使车辆续驶里程增加 10%～30%^[2]。在纯电动汽车行驶时，能量回收功能需要满足一定的条件，如车辆点火开关ON、车速大于某一个特定值、完全松开加速踏板或踩制动踏板等，并且在制动过程中，根据驾驶人松开加速踏板去踩制动踏板的动作时间及制动踏板位置信号的变化率来判断驾驶人是否是紧急制动。

如果不是紧急制动，车辆行驶时松开加速踏板，未踩下制动踏板，车辆符合能量回收条件，此时车辆进入能量回收模式，驱动电动机开始回馈发电，将发出的三相交流电经过功率变换器调压整流后充进蓄电池，并且电动机的发电过程会使车辆产生电气制动力矩，驾驶体验是在驾驶人松开加速踏板时车辆减速度较大，滑行距离相对传统燃油汽车短，当车速低于设定值时能量回馈过程结束，车辆还会以一定的车速行驶，要使车辆停车，必须依靠制动踏板机械制动停车。在这个过程中主要依靠能量回收时电动机的电气制动实现车辆减速的，停车必须依靠机械制动。此种情况下能量回收的效率较高。

如果是紧急制动，驾驶人松开加速踏板并迅速踩下制动踏板，车辆符合能量回收条件时车辆也会进入能量回收模式，但此时电气制动是次要制动，机械制动则是主要制动，此种情况下能量回收的效率将会很低。

进行高效的能量回馈，可有效延长纯电动车辆续驶里程^[3]。

4 结论

纯电动汽车的整车控制逻辑相对简单，驱动系统结构形式虽然种类较多，但市场主流类型发展明确，技术成熟。纯电动汽车功率流主要包括充电、放电及能量回收三个阶段的控制，充电阶段的控制非常关键，一旦出现故障，如过充，则会使动力电池出现鼓包、漏液、冒烟甚至起火爆炸的危险。放电过程的控制原理简单，优化的控制策略确是车辆主要性能的决定因素，不合理的控制策略也可能导致动力电池损坏，如过放。能量回收是新能源汽车的标配功能，能将车辆的部分动能以电能的形式回收回来，回收效率跟驾驶人的驾驶习惯有很大关系，因此建议驾驶人尽量避免急减速，多用能量回收时的电气制动，提高能量回收效率。

参考文献

[1] 朱军.新能源汽车动力系统控制原理及应用[D].上海：上海科学技术出版社，2013：23-27.

[2] 尹巍，全书海.基于模糊控制的燃料电池电动车制动能量回馈策略[J].仪表技术，2010（5）：4-7.

[3] 黄万友，程勇，曹红等.纯电动汽车能量回馈效率特性测试分析[J]. 机械工程学报，2012（6）：88-95.