电动汽车动力系统工作原理及解决方案

　　小编今天给大家谈谈什么是电动汽车动力系统。故名思议，就是通过外部动力实现电动汽车驱动驾驶、提供持续不断动力源的动力系统。在了解动力系统之前，我们先来了解下电动汽车。
　　什么是电动汽车？
　　根据百度百科上的说法，电动汽车（也称BEV）是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。
　　电动汽车的分类
　　目前，我们看到的电动汽车主要分为三种，一种是纯电动车（BEV），完全由电机驱动的电动车；另外一种是混合电动汽车（也叫做复合电动汽车PHEV），一般指的是用油和电提供电动汽车动力源（即采用传统内燃机和电动机两者作为动力，可分开时间使用）的电动车；最后一种是燃料电池汽车（FCEV），采用的是氢氧混合燃料提供动力源，通常几分钟时间就可以“充满电”，因为补充的燃料是氢气，结合大气中的氧气化学作用产生动能，提供的是一种非常低碳环保的动力源。
　　电动汽车厂商
　　电动汽车厂商非常多，电动车应用领域也非常的广泛，目前比较著名的电动车厂商主要有特斯拉、比亚迪、丰田、日产、奇瑞、雪佛兰、本田、宝马、三菱、雷克萨斯等等。
　　特斯拉作为美国专注于电动车和能源公司，从08年推出首款Roadster运动跑车以来，在电动车领域发展一直处于业界领先地位，分别推出了Model S标准纯电动车、Model X豪华电动超跑、以及即将上市的 Model 3 ，在电动车自动辅助驾驶技术更是领先一步。
　　互联网造车热潮同样也带领电动汽车发展走向新高潮，今年1月初，法拉第FF与战略合作伙伴乐视正式推出首款量产车曝光，36小时全球预定量就达到了64124台。格力集团董明珠近期收购珠海银隆新能源，正式进军互联网汽车，奔向的目标也是干净、纯洁环保的电动车方向，解决的不仅是电动车动力问题，还有就是电动车储能的问题。
　　电动汽车动力系统及其工作原理
　　下面正式进入正题，什么是电动汽车动力系统？在这里我们首先以典型的纯电动汽车动力系统解析：
　　电动汽车动力系统基本构成如下图所示，电力驱动子系统又由电控单元、控制器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成。主能源子系统由主能源、能量管理系统和充电系统构成。辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。

　　电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。
　　纯电动汽车动力系统工作过程：
　　动力系统的工作过程是，根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制电动机，调节电动机和电源之间的功率流。辅助动力供给系统主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘输入也是一个很重要的输入信号，动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。
　　下面再来简单介绍下混合电动汽车动力系统：
　　根据目前市面上的混合动力电动车的驱动结构，主要可以分为三大类：串联式、并联式和混联式。
　　（1） 串联式混合动力电动汽车
　　其结构原理图如下所示：

　　串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机和驱动电动机三大主要部件总成组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。
　　（2） 并联式混合动力电动汽车
　　其结构原理图如下所示：

　　并联式混合动力电动汽车主要由发动机、电动/发电机两大部件总成组成，有多种组合形式，可以根据使用要求选用。两大动力总成的功率可以互相叠加，发动机功率和电动/发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的o.5～1倍，因此可以采用小功率的发动机与电动/发电机，使得整个动力系统的装配尺寸、质量都较小，造价也更低，行程也可以比串联式混合动力电动汽车的长一些，其特点更加趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统通常被2-9a在小型混合动力电动汽车上。
　　（3） 混联式混合动力电动汽车
　　其结构原理图如下所示：

　　混联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式混合动力电动汽车的结构组成，主要由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成。发动机基本保持稳运高效、节能的运转，发电机和电池供给驱动电动机电能以驱动电动汽车行驶。
　　下面介绍几种电动汽车动力系统解决方案：
　　电动汽车以锂电池作为主要动力驱动，以其高能量密度优势、动力性能稳定为首要条件。电池管理系统BMS的重要同样不言而喻。BMS是动力电池组的核心技术，也是电动车整车的关键环节。
　　目前电池管理系统有两种管理模式，分别为主动式均衡和被动式均衡两种管理模式。
　　两种管理模式各有优缺点，所采用的方式普遍为采集单体电池电压，串联电流，以及温度以及电池组的电压，然后将这些信号传给运算模块进行处理发出指令，最后将整个处理的信息指令通过CAN通讯系统传送给汽车中央控制单元或整车VMS系统。
　　（一） ADI全隔离式锂离子电池监控和保护系统
　　1.方案特点
　　锂离子电池组包含大量的电池单元，必须正确监控才能提高电池效率，延长电池寿命确保安全性。方案中的 6 通道 AD7280A 器件充当主监控器，向系统演示平台评估板提供精确的电压测量数据，而 6 通道 AD8280 器件充当副监控器和保护系统。
　　AD8280 是一款用于锂离子电池组的纯硬连线安全监控器，配合 AD7280A 使用时，可提供具有可调阈值检测和共用或单独报警输出的低成本、冗余、备用电池监控器。它具有自测功能，因此适合混合动力电动汽车等高可靠性应用或者不间断电源等高压工业应用。AD7280A 和 AD8280 均从监控的电池单元获得电源。
　　ADuM5404集成一个DC-DC转换器，用于向ADuM1201和ADuM1401隔离器的高压端供电，以及向AD7280ASPI接口提供VDRIVE电源。这些4通道、磁性隔离电路是安全、可靠、易用的光耦合器替代解决方案。
　　2. 方案框图

　　3. 芯片参数
　　3.1 ADI AD7280A 参数
　　单颗处理 4-6 s 前端
　　12 Bit ADC 采样，平均每通道采样时间1 us
　　能够对6个通道的电压和温度进行监测，典型
　　精度达±1.6 mV （典型值）
　　多个 AD7280A 可采用菊花链连接，单个电路
　　板最多可监控 48 个电池单元，转换只需7 μs
　　提供被动式电池单元平衡控制功能
　　转换模式下功耗小于6 mA
　　断电模式下功耗小于1.8 uA
　　SPI 通信提供CRC 校验保证数据的可靠性
　　3.2 ADI AD8280 参数
　　电压范围：6.0 V–30 V
　　多路输入可监控 3-6 路电池电压和 2 个温度
　　可调监控阀值：过压、欠压、过温
　　报警选项：单独或者共用报警
　　可通过菊花链方式连接
　　（二） 英飞凌AUDO MAX产品系列
　　目前，基于高性能微控制器的高效FOC系统，为电动汽车和混合动力汽车驱动提供安全高效的解决方案创造了条件。

　　图1：运行于FOC模式的32位TriCore微控制器

　　英飞凌AUDO MAX系列非常适用于电机的控制。TriCore架构和MC-ISAR eMotor驱动程序可采用高级控制策略控制多台三相电机，包括无刷直流电机（BLDC）块交换（block commutation，BC）及永磁同步电机（PMSM）磁场定向控制（FOC）。单一微控制器甚至还能同时支持BLDC和PMSM电机控制。相比于其他类型的电机而言，采用FOC控制的PMSM电机能效更高、磨损更小，并且可以实现精确控制和定位。特别是，这种电机支持线性转矩控制，为将其用于混合电动汽车动力总成系统奠定了基础。

　　图2：电机控制中的电流控制环

　　图2显示了MC-ISAR eMotor驱动程序的电流控制环路，右侧为复杂设备驱动（CDD）。这个时间关键型电流控制环路在中断上下文中进行处理，处理时间不超过50微秒。左侧是附加的用于位置和转速控制的软件成分（SWC），由应用程序提供。
　　英飞凌AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驱动，可并行控制多达4台PMSM或BLDC电机，同时还能满足应用任务控制所需的性能。MC-ISAR eMotor和标准AUTOSAR MCAL驱动由同一配置工具整合，因此，用户可在同一界面中为AUTOSAR MCAL和MC-ISAR eMotor驱动配置微控制器资源，为无缝配置不同软件模块创造了条件。汽车ECU开发人员可专注于电机的应用相关控制，而无需改编电机的控制算法。为降低系统成本，AUDO MAX系列还支持直接旋转变压器模式，免除了加装旋转变压器IC的需要。AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驱动被设计用于支持安全应用。
　　（三） TI推出电池主动式均衡负载技术
　　1.方案特点
　　TI推荐电动车所采用的主动均衡方式：每个电池芯藉由矩阵开关控制变压器与充电线路的组合，形成一个有调整功能的电压/电流蓄水池的功能，当电池芯由于多次充放电后产生不一致性而导致整组电池充放电容量下降，可藉由后端连接蓄水池的线路做调整，充电时不会因为监控到某个电池芯内压过高而停止充电，放电时也可以完全的100%的释放能源，进而延长电动车的行驶距离。
　　TI在隔离式DC-DC主动均衡技术的能源转换效率高达87%。像EM1410芯片组由5颗核心芯片加上5颗电源供应芯片所组成，其中最主要的 EMB1432为十四信道AFE芯片、EMB1428为七信道闸控制器芯片，与EMB1499为七信道电压控制芯片等，来建构十四通道双向主动式电池芯均衡功能，串联14颗电池芯与最高60V工作电压，提供5V双向均衡电压与最大750V堆栈输出电压能力，并满足AECQ-100车用电子验证标准。

　　2.芯片参数：
　　2.1 EMB1432Q
　　单颗处理 14S前端模拟
　　最高输入耐压60V
　　输出电压误差为+/- 1mV
　　SPI 通讯支持1MHz
　　符合ACE-Q100汽车规范
　　2.2 EMB1428Q
　　最高输入耐压60V
　　SPI 通讯支持1MHz
　　最低待机功耗（《100uA）
　　符合ACE-Q100汽车规范
　　2.3 EMB1499Q
　　最高输入耐压60V
　　SPI 通讯支持1MHz
　　最低待机功耗（《30uA）
　　符合ACE-Q100汽车规范