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纯电动汽车关键技术研究现状

纯电动汽车结构和设计不同于传统的内燃机驱动汽车,同样是一个复杂系统工程,需要将动力电池技术,电机驱动技术,汽车技术,现代控制理论相集成,实现最优化的控制过程。国家在电动汽车科技发展规划中,继续坚持“三纵三横”的研发布局,根据“纯电驱动”技术转型战略,进一步突出“三横”共性关键技术研究,即研究驱动电机及其控制系统、动力电池及其管理系统、动力总成控制系统。各大厂家依据国家发展战略制定各自的业务发展策略。

笔者在梳理新能源动力总成开发过程中的关键技术,为动力总成的设计和测试生产提供理论基础和参考。计划分为5个篇章来整纯电动汽车动力总成开发中关键技术,今天首先聊一下第一篇章纯电动汽车动力总成系统中技术研究现状:

纯电动汽车关键技术研究现状

图1 动力总成开发中的关键环节

目前纯电动汽车动力总成的核心关键技术包括以下四类:

纯电动汽车关键技术研究现状

图2 动力总成关键技术

1.动力电池及管理系统技术

作为纯电动汽车的驱动能源,动力电池也是电动汽车动力系统的关键部件。目前纯电动汽车应用较多的动力电池主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等。

表1 不同正极电池性能对比

纯电动汽车关键技术研究现状

注:因为不同厂家的材料和工艺,装配形式区别,表中参数仅供参考。

2021年,受益于磷酸铁锂产业链布局的完整,较深的技术储备,各大电池企业都加大了对磷酸铁锂电池生产的产能规划,使得市场对磷酸铁锂电池需求量高速增长。2021年1-12月,我国动力电池产量累计219.7GWh,同比累计增长163.4%。其中,三元电池产量累计93.9GWh,占总产量42.7%,同比累计增长93.6%;磷酸铁锂电池产量累计125.4GWh,占总产量57.1%,同比累计增长262.9%。中国市场磷酸铁锂电池装机量已经超过三元电池装机量。

动力电池化学反应复杂,电池内阻、端电压及充、放电效率受众多因素影响,电池内阻与容量之间也并无确定关系,开发出高效电池管理系统BMS对于准确预估电池状态(SOC/SOH/SOE/SOP)具有重要作用。目前行业内尚未开发出满足动力锂电池组安全管理需求精确的估算方法。对于特定型号的电池,只能通过对大量的试验数据进行统计建立具有一定精度的数学模型,为电池组充、放电效率预测、估算等提供依据

2.驱动电机技术

驱动电机系统是纯电动车辆的核心部件,,其工作效率对纯电动车辆续驶里程影响很大。直流电机因效率低、体积和质量大、以及散热困难等缺陷,使其在现代电动汽车中的应用越来越少,目前纯电动汽车中釆用的多是永磁同步电机和交流异步电机等交流电驱动系统。

纯电动汽车关键技术研究现状

图3 不同电机对比

驱动电机系统效率优化的研究都是围绕轻载时优化励磁电流、降低电机损耗进行的,对于负荷变化缓慢的工况,这些方法都具有较理想的控制效果。而作为市内行驶车辆,电动汽车在实际行驶过程中频繁地起动、加速及减速,需保持较高的磁通水平提高电机动态转矩响应速度,电机磁路可能处于饱和状态,同时铁心损耗及温度变化等因素对定子电阻、转子电阻、电磁时间常数及磁通水平等电机参数也会产生较大影响,需要建立准确反映电机工作过程的数学模型。

3.动力总成控制系统

动力总成控制系统也称整车控制器,是电动汽车的智能核心。它根据钥匙的开关、挡位、加速踏板行程信号、制动踏板行程信号以及车速信号识别车辆行驶模式,基于设定的控制策略对整车动力系统进行控制,以满足对车辆动力性、经济性及驾驶舒适性的要求。

目前在制动能量回馈方面,各个公司都在围绕能量回馈控制策略的开发、回馈模式的实现以及制动有效性的评价等开展大量研究,对于整车的续航里程和效率的提升将会很大的帮助。

4.动力总成匹配技术

动力总成系统的匹配是纯电动汽车开发过程中的一个重要环节。动力电池组、驱动电机等部件应进行合理选型,确保这些部件高效区域与电动汽车频繁运行区域之间的合理匹配。动力总成系统的匹配包括试验模拟仿真、台架性能试验、室内试验和实际道路试验进行,而在匹配过程中所关注的整车频繁运行区域,可通过对特定城市车辆行驶道路工况的统计分析得到。

总结:

市面上新能源汽车路线包括纯电路线,混动路线和燃料电池(氢能/甲醇等)都需要将动力总成合理高效的设计,保证动力电池和电机驱动系统,控制系统有效的匹配,应对复杂的实际路况。车辆行驶工况受各城市道路特征、交通流量分布及地理特征等因素的影响因此,不同城市行驶车辆的频繁运行区域不同,对车辆动力总成系统的需求也不相同。根据地域不同,幵发具有针对性的行驶工况,统计得到车辆动力总成系统常用工作区域,对动力总成系统的匹配及整车性能优化具有重要的指导意义。

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