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电动汽车的支柱——电气架构

来源:国际汽车设计及制造商情 发布时间:2020-07-17 911
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电动汽车的电气架构必须非常可靠、高效、容错、安全且具有 EMI/EMV 兼容性,并且能够实现所有工作运行模式。

电动汽车的电气架构必须非常可靠、高效、容错、安全且具有EMI/EMV兼容性,并且能够实现所有工作运行模式。这些都要求在电气架构的结构设计和实施中要注意满足当下技术要求同时也为迎接未来的技术要求做好准备。


将电力驱动技术引进到私家车和商用车领域被视为是减少温室气体排放和减少气候问题的一种手段。通过各种技术手段,内燃机的效率已经提高到了35%左右;但这一效率值仍然低于动力电池供电的效率(65%左右)。因此,从长远发展来看,所有朝着电动汽车迈进的努力似乎都是可持续发展的解决方案。在这样的发展趋势、监管机构的压力下,当今的汽车生产厂家和汽车零部件供应商们都在努力寻求能够促使汽车制造企业顺利地从内燃机驱动过渡到电力驱动、推动电动汽车车辆架构发展的解决方案和技术系统。


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现有车辆中的子系统,例如空调系统、电动转向系统、座椅控制、制动锚销、安全气囊、雨刷器、前大灯、USB充电接口等均已实现了低压供电了。这些子系统的低压电源都是由汽车发动机驱动的交流发电机和相应的蓄电池提供的。在设计新的电动汽车时,必须考虑现有汽车架构的要求以及未来技术的挑战。因此,从OEM汽车制造商的角度来看,汽车架构必须要有足够的灵活性,只有这样才能使用现有的汽车平台快速实现电力驱动。现有汽车架构的模块化和可重复使用性有利于内燃机汽车向着电力驱动汽车的过渡。未来的车辆平台应尽可能地接管现有车辆架构的重要组成部分。


为应对汽车电气化的挑战,在全新的汽车架构研发中应考虑下列关键问题:


非电气系统元器件供电所需的电缆、导线(例如:制动系统、底盘控制、转向和冷却系统)


各子系统所需的电功率要求(例如:信息娱乐系统、电动车窗、空调)

基于车辆行驶的扭矩/功率要求的所有工作模式


一般的能源供应要求和能源管理要求(例如:利用充电系统和电力再生系统)


车辆产品的技术要求(例如:充电可能性、快速充电、梯度、标准、行驶周期效率)


与外界的互动(例如:通信、双向功率传输系统)


使用不同的能源(例如:燃料电池、蓄电池以及组合供电方式)


不同元器件的总重量和大小(例如:电池、驱动器、空气压缩机等)


成本费用、可靠性和其他与技术成熟度有关的关键参数(例如:使用碳化硅基的DC-DC系统、逆变器)


与车辆安全有关的参数(例如:为蓄电池管理系统、牵引力控制系统和车辆安全系统等辅助系统提供电力能源的双能源系统)


通讯系统(例如:ECU通讯的CAN总线系统、与外界(充电基础设施)通讯的网关)


电缆线束和铺设路径(例如:高压和低压电缆以及它们的布线)。


电气架构(EA)


在传统的内燃机车辆中,电气架构的作用和重要性是非常有限的:它仅仅在低压配电控制、前大灯、显示、冷却、启动系统等方面有作用。它不能控制车辆行驶的电力或者能源流,而是仅仅为发动机提供脉冲式的启动放电电力。由于电动汽车中的元器件数量明显少于内燃机汽车,因此与内燃机汽车相比,其在车辆控制方面的重要性相对提高了很多。车辆通讯技术层面中情况也是这样:每一个通讯设备都与控制单元有着非常密切的联系。因此,对于电动汽车的功能性来讲,理解、设计和开发VECU整车电控单元和电气架构则显得至关重要。但每公里瓦时(Wh/km,中国常用的是百公里耗电量)或者电池快充等概念不在设计研究和折中分析的范畴之内。因此,电动汽车的电气架构就必须非常可靠、高效、容错、安全且具有EMI/EMV兼容性,并且能够实现所有工作运行模式。


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图 2:典型的电气架构组成和各组成部分的功能

电气架构在管理电气化技术、车辆功能、驾驶辅助系统、连接系统和通过各种车辆拓扑网络和分布式功能连接的ECU电子控制器的数量方面发挥着重要的作用。电气架构应能够在正常和异常状态下的各种操作控制状态下检查和验证车辆安全性、功能性和交互性。在设计汽车的电气架构时必须考虑下列关键性的车辆控制策略:牵引力控制(包括再生牵引力的控制);车身和底盘控制;车载充电设备和外部充电设备的控制;蓄电池管理系统的控制;车载电气网络系统及其控制;通讯接口的控制(车辆内外的元器件);满足标准要求和安全性所需的元器件控制。


电气架构和设计方法


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鉴于各种高级控制功能(例如双向电流、超快充电等)日益增加的复杂性和带来的问题,必须采用“系统设计方法体系”来设计工作流。图1所示为汽车电气架构开发设计时可以使用的典型设计方法。图2表示的是一个车辆的电气架构EA和典型的关键组件,并对每个组件进行了功能描述。


面向未来汽车的电气架构


由于电气架构内在的特性,使其可以无缝地把各种面向未来的技术都集成到当今的汽车中(例如将氢燃料电池集成到电动汽车中)。这些都要求在电气架构的结构设计和实施中要注意满足如今技术要求的同时也为迎接明天的技术要求做好准备。未来的电气架构将使车辆能够更快地实现既定的功能,对基础设施发出的提示做出反应,而且未来的基础设施也将会更加互联互通、更加智能。电气架构控制的电动汽车作为新潮流的代表可以实现与智能电网和基础设施的交互。


当今的电气架构平台正逐步发展成为一种全新的多传感器控制的自动驾驶技术。这也就要求它必须在相互协作、安全性、自主学习、自主修复以及与每一个控制器以及主控单元和电气架构的联系中发挥关键作用。另外,电气架构也必须能够更快地相互通讯、做出反应和控制调节,以实现预期的结果。


KPIT公司有能力开发出满足客户功能性要求、产品开发要求的技术,其也拥有最终电动汽车系统架构等技术,包括了电路图设计、ECU发动机控制单元、配电、功能和安全标准,图1:典型的电气架构应用示例可助力实现车辆的电气化。






本文译自AutomotiveElectronic&System杂志


作者:UdayMhaskar博士,KPIT公司电动动力总成技术专家


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