纯电动汽车关键技术研究

纯电动汽车关键技术研究

杨　华　(武汉理工大学)孙振东　刘玉光　(中国汽车技术研究中心)

【摘要】　文章全面介绍了新一代纯电动轿车的系统规划、整车轻量化、整车一体化和系统一体化设计思

想,以及在整车控制策略、CAN 总线技术、车载能源及整车故障诊断等方面所取得的创新性成果。

【主题词】　电动轿车　轻量化　研究

收稿日期:2007-07-11

0　概述

发达国家对电动汽车技术和产品的研究以及产业化投入了大量资金,一方面促进了电动汽车本身的技术和产业的迅速发展;另一方面极大地推动了传统汽车技术和产业的跨越式发展。纯电动汽车所涉及的电机及其驱动技术、电池及其管理系统、整车的控制策略等,是电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等新型汽车发展的基石。

以科技创新和产业化为开发目标,对新一代系列纯电动轿车进行了全面、系统的规划。同时,以整车轻量化设计、整车一体化和系统一体化设计、整车控制策略的优化及系统优化匹配、CAN 总线技术、电池均衡及热管理、整车故障诊断及安全管理、批量车辆运营数据的记录和分析、基于无线远程通信技术的车辆运行智能化监控管理系统开发等作为课题任务的工作重点,实现科技创新和产业化的有机结合。与国外同类电动汽车相比,无论是高新技术的开发、应用,还是具体性能指标,均有创新和突破。

1　关键技术构成

新型纯电动轿车的技术构成分为:整车部分、

电机及其控制系统、动力系统主控制器、电池及其

管理系统、车载充电机、车身低速总线控制系统、数字VF D 仪表(含组合仪表节点)、车载记录仪(车载终端)及运行数据分析系统、故障诊断及安全管理系统、车辆运行智能化监控管理平台以及相应的支持平台,如虚拟设计平台、整车性能仿真平台、CAN 总线开发平台、各关键子系统开发平台、整车及子系统测试评价平台等。

新型纯电动轿车的研发没有将整车开发作为一个系统工程,而是既侧重支持平台的研制和建设,又在汽车电子先进技术领域给予重要关注;既在整车设计上努力实现技术创新,也对基于无线远程通讯技术的车辆运行智能化监控管理系统做了规划和开发。1.1整车轻量化设计

整车轻量化始终是汽车技术重要的研究内容。纯电动汽车由于布置了电池组,整车重量增加较多,轻量化问题更加突出。

(1)通过对整车实际使用工况和使用要求的分析,对电池的电压、容量、驱动电机功率、转速和转矩、整车性能等车辆宏观参数的总体优化,合理选择电池和电机参数。

(2)通过结构优化和集成化、模块化优化设计,减轻动力总成、车载能源系统的重量。这里包括对电机、电机驱动器、传动系、冷却系统、空调和制动真空系统的集成和模块化设计,使系统得到

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新能源汽车

优化;电池、电池箱、电池管理系统、车载充电机组成的车载能源系统的合理集成和分散,实现系统优化。

(3)积极采用轻质材料,如电池箱的结构框架、箱体封皮、轮毂等采用轻质合金材料。

(4)利用CAD 技术对车身承载结构件(如前后桥、新增的边梁、横梁等)进行有限元分析研究,用计算和试验相结合的方式,实现结构最优化。1.2　基于双总线的分布式网络控制系统

新型纯电动轿车整车控制系统是两条总线的网络结构,即驱动系统的高速CAN 总线和车身系统的低速总线。高速CAN 总线每个节点为各子系统的ECU 。低速总线按物理位置设置节点,基本原则是基于空间位置的区域自治,即物理位置相近的电器元件连接到一个节点控制单元,各元件的信号通过ECU 与总线进行通讯。低速总线有两种方案可以选择,低速CAN 和L I N 总线。前一种方案中,高速和低速CAN 总线的结构都为控制结构,可以按照I S O 118、J1939及J2284组建高速CAN ,按照I S O 1151922、J1939及J2284组建低速容错CAN 。各节点自成一个系统,节点控制单元根据本地传感器和来自CAN 总线上的信号,控制本地执行机构,同时将需要与其他节点共享的信号传输到总线上。

图1为纯电动轿车采用的整车控制系统网络结构示意图,控制系统为两条总线的网络结构:驱动系统的高速CAN 总线和车身系统的低速总线。图2为车身舒适性系统网络拓扑关系示意图

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图1　整车控制系统网络结构示意图

实现整车网络化控制,其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题,网

络化实现的通讯和资源共享能力成为新的电子与图2　车身舒适性系统网络拓扑关系

计算机技术在汽车上应用的一个基础,同时也为

X 2by 2W ire 技术提供有力的支撑。1.3　故障诊断及高压电安全管理技术

故障诊断及安全管理系统对纯电动轿车动力链的各个环节进行状态监控、故障诊断,并相应启动失效策略和安全保护功能,确保车辆的安全性和可靠性。其设计功能为:以高压电安全管理为第一功能目标;以分布式控制系统的故障诊断为特点;兼顾CAN 总线的故障检测与管理。1.4　能量储存系统的重构和集成

实现动力电池与电池管理系布置集成,以及与车载智能充电机、均衡系统以及专用充电机的功能架构细分,实现充电过程管理系统和充电机协同工作,快充和车载慢充两种方式智能识别,快充过程车辆身份和充电信息基于CAN 总线交互。1.5　电池均衡及热管理系统的设计

电动汽车的性能表现依赖于作为能量贮存系统的动力蓄电池组。电池组性能直接影响整车的加速特性、续驶里程以及制动能量回收的效率等。电池的成本和循环寿命直接影响车辆的成本和可靠性,所有影响电池性能的参数必须得到优化。电动车的电池在使用中发热量很大,电池温度影响电池的电化学系统的运行、循环寿命和充电可接受性、功率和能量、安全性和可靠性。所以,为了达到最佳的性能和寿命,需将电池包的温度控制在一定范围内。减小包内不均匀的温度分布以避免模块间的不平衡,以此避免了电池性能下降,且可以消除相关的潜在危险。由于电池包的设计既要密封、防水、防尘、绝缘等,又要考虑空气流流场分布、均匀散热。电池包的散热通风设计,成为电动车研究的一个重要领域。

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在新型纯电动轿车的研发中加强电池均衡及热管理系统研究的力度,采用专用流体分析软件F LUE NT和通用大型有限元分析软件ANSYS对电池包内流动情况进行分析,同时进行了大量的实物验证试验,在考虑各种因素的情况下对电池包的尺寸、电池布置、甚至箱体材料等进行优化。1.6　车载记录仪及数据分析系统、在线监控标定

技术和车辆运行的智能化管理系统

基于多通讯端口的车载数据记录仪对于滚动课题的整车动力系统匹配、示范运行管理和运行分析具有十分重要的意义。车载记录仪应能满足车辆驾驶及运行状态、电机状态、电池状态等多信息记录功能,相关的电动轿车运行数据分析软件实现运行历史数据的回放和分析,包括统计分析等。车载记录仪进一步拓展,成为基于无线远程通信技术的车载终端。

为方便整车匹配和性能优化,各子系统的ECU具备基于RS232和CAN接口的在线参数监控和标定功能。各子系统的控制对象、管理策略实现参数化,并且可以通过通讯接口实现在线监控和标定。

在纯电动轿车的测试标定、考核试验和运行示范中引入GPS、GS M、GI S技术,用于车辆通讯、调度与跟踪等智能化管理工作。通过车辆智能化监测管理平台,车载终端将车辆实时运行的状态信息传输到监测管理系统,实现对运行车辆的定位、监测和管理调度,并可以完成无线远程调试、标定和分析功能,进一步扩展可以实现车辆运行过程中故障诊断、报警和远程救援功能。

2　结语

(1)新型纯电动轿车在开发过程中充分体现科技创新,在整车轻量化设计、整车一体化和系统一体化设计、整车控制策略、电池均衡冷却系统设计、整车故障诊断及安全管理等诸多方面取得创造性成果。

(2)电动汽车由于其环保特性和能源的广泛性,是未来汽车最主要、最简洁的解决方案。从总体看,混合动力汽车、燃料电池汽车均在解决或回避目前纯电动汽车所面临的瓶颈———动力电池问题。

(3)电动汽车将成为汽车新技术开发和应用的平台,为我国汽车先进技术研发提供了条件。

(4)电动汽车关键技术的欠成熟性,为形成自主知识产权和自主开发能力提供了机遇。为避免出现目前在传统汽车研发和生产领域中受制于人的局面。

(5)纯电动汽车所涉及的关键技术也是混合动力汽车、燃料电池汽车中必须面对的共性问题。国际上成功的经验表明,混合动力汽车、燃料电池汽车技术最先进的丰田、通用等汽车公司,也是纯电动汽车技术最先进的公司。只有纯电动汽车关键技术突破,混合动力汽车、燃料电池汽车才有了真正的发展基础。

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Abstract

The designing ideas of syste m p lanning,vehicle light w eighting,vehicle integrati on and syste m integra2 ti on are intr oduced.The article als o deals with the in2 novati onal results of the vehicle contr ol strategy,CAN bus technol ogy,on2board energy res ources,fault diag2 nosis and etc..

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