劉釗 蔣進(jìn)科

摘? 要：為了提升電動(dòng)汽車(chē)電氣零部件的通用性，對(duì)比了當(dāng)前熱門(mén)的三種電動(dòng)汽車(chē)類型，選擇車(chē)輛結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的增程式電動(dòng)汽車(chē)為對(duì)象，分別對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)的通信電氣架構(gòu)和動(dòng)力電氣架構(gòu)進(jìn)行了分析，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際情況與未來(lái)發(fā)展要求，提出了一種關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)電氣系統(tǒng)的發(fā)展設(shè)想，目的在于統(tǒng)一增程式電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)的電氣結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)更快一步的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車(chē);電氣架構(gòu);零部件;通用性

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）03-0071-05

Abstract： In order to improve the universality of the electric components of the electric vehicle. Three popular types of electric vehicles are compared， the range-extended electric vehicle with a more complex vehicle structure is selected as the object. The communication and power electrical architecture of the extended-range electric vehicle was analyzed， based on the analysis of current conditions and future development requirements， and a development concept for the electric system of the electric vehicle was proposed. The electrical structure of automobiles and fuel cell vehicles promotes the rapid development of electric vehicles.

1? ? 前言

電動(dòng)汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展方向，然而目前大多數(shù)混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)都是在內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的基礎(chǔ)上改裝而成，并未從底層進(jìn)行電氣化設(shè)計(jì)。而電動(dòng)汽車(chē)與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)從根本結(jié)構(gòu)以及電氣需求上是不同的，這樣的改裝不利于電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。因此搭建電動(dòng)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)，建立電動(dòng)汽車(chē)電氣化標(biāo)準(zhǔn)，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)零部件規(guī)模化生產(chǎn)、降低成本起到良好的促進(jìn)作用。

電動(dòng)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)主要包含兩部分，一是通信電氣架構(gòu)，即信號(hào)傳輸系統(tǒng)。目前汽車(chē)上廣泛使用的CAN總線誕生于20世紀(jì)80年代，用于解決當(dāng)時(shí)汽車(chē)上出現(xiàn)越來(lái)越多的電子系統(tǒng)所造成的總線龐大問(wèn)題。然而未來(lái)汽車(chē)傳感器與控制單元間的數(shù)據(jù)傳輸量會(huì)大幅提升，CAN總線將難以應(yīng)對(duì)未來(lái)汽在各方面的需求[1]。因此需要一種新的車(chē)用現(xiàn)場(chǎng)總線以適應(yīng)汽車(chē)的發(fā)展要求。

二是動(dòng)力電氣架構(gòu)，也稱為高壓電氣架構(gòu)。相比于傳統(tǒng)汽車(chē)12V與24V電氣架構(gòu)，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電氣架構(gòu)在安全性、密封性等方面提出了更高的要求。同時(shí)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電氣架構(gòu)還需要具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，能夠兼容各種類型的電動(dòng)汽車(chē)，如純電動(dòng)汽車(chē)、增程式電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)等。

在2018年發(fā)改委下發(fā)的《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定（征求意見(jiàn)稿）》中，明確將增程式電動(dòng)汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)一起列為純電動(dòng)汽車(chē)投資項(xiàng)目，提高了增程式電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)注度。由于增程式電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)比純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)都復(fù)雜，因此本文著重以增程式電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行研究。

2? ? 通信電氣架構(gòu)

電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展并不僅僅是電池、電機(jī)與電控等系統(tǒng)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)同樣帶動(dòng)了自動(dòng)駕駛汽車(chē)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展，這樣的發(fā)展又對(duì)汽車(chē)的通信電氣系統(tǒng)提出了新的要求。

汽車(chē)通信電氣系統(tǒng)現(xiàn)階段主要指車(chē)用現(xiàn)場(chǎng)總線，是各種傳感器、控制單元以及執(zhí)行器互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)。目前常用的車(chē)用總線有CAN總線、LIN總線、FlexRay總線、MOST總線和車(chē)載以太網(wǎng)（Ethernet）等[2-5]，這些幾種總線的性能特點(diǎn)如表1所示：

LIN總線采用單線通信，成本較低，主要用于玻璃升降、燈光、雨刮等系統(tǒng)。CAN總線采用雙絞線通信，又分為低速CAN和高速CAN，低速CAN傳輸速率為125kb/s，主要用于儀表、防盜等;高速CAN傳輸速率為500kb/s，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制、制動(dòng)ABS等系統(tǒng);CANFD總線是CAN總線的基礎(chǔ)上發(fā)展的高帶寬模式，通信速率最大可達(dá)5Mb/s。FlexRay總線采用雙通道通信，每條通道的速率為10Mb/s，雙通道可以傳輸相同數(shù)據(jù)以提升準(zhǔn)確性和安全性，也可以傳輸不同數(shù)據(jù)以提升速率，主要用于地盤(pán)控制。MOST總線采用塑料光纖通信，成本較高，用于多媒體系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航等。車(chē)載以太網(wǎng)采用雙絞線進(jìn)行通信，目前在汽車(chē)領(lǐng)域缺乏統(tǒng)一規(guī)范，還處于發(fā)展階段。

隨著高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的逐步發(fā)展，車(chē)輛上各種傳感器及控制器數(shù)量越來(lái)越多，CAN總線已顯現(xiàn)出無(wú)法應(yīng)對(duì)的趨勢(shì)。目前以太網(wǎng)通信逐步進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域，然而現(xiàn)階段車(chē)載以太網(wǎng)通信協(xié)議尚未完善，其成本依然偏高。因此當(dāng)前可行的方案是以當(dāng)前較為成熟的CAN總線為基礎(chǔ)，逐步向以太網(wǎng)過(guò)渡，一方面挖掘目前應(yīng)用廣泛的通信協(xié)議CAN總線的技術(shù)潛力，另一方面完善適應(yīng)未來(lái)汽車(chē)要求的以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)則，形成CAN-以太網(wǎng)混合通信架構(gòu)[6]-[7]，如圖1所示：

在該通信電器架構(gòu)中，保持現(xiàn)有高速CAN總線不變，將LIN總線替換為低速CAN總線，F(xiàn)lexRay總線替換為CANFD總線，MOST總線替換為以太網(wǎng)，在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)和車(chē)輛網(wǎng)方面應(yīng)用以太網(wǎng)，以此形成一種CAN-以太網(wǎng)混合通信電氣架構(gòu)。

然而這種混合型架構(gòu)僅僅是一種在滿足功能需求與降低成本之間綜合考量的產(chǎn)物，是一種過(guò)渡時(shí)期的通信電氣架構(gòu)。隨著以太網(wǎng)總線在汽車(chē)上逐步擴(kuò)大應(yīng)用，其成本必然下降，可逐步將混合架構(gòu)中的CAN總線替換為以太網(wǎng)總線，增強(qiáng)動(dòng)力系統(tǒng)以及底盤(pán)動(dòng)作的響應(yīng)速度，以提升車(chē)輛的操控性和安全性，同時(shí)滿足未來(lái)汽車(chē)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線高傳輸效率、高安全性的要求。同時(shí)與外接通信的對(duì)接更容易形成“人、車(chē)、路”協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)，為智能交通奠定基礎(chǔ)。

3? ? 動(dòng)力電氣架構(gòu)

目前世界各國(guó)都在鼓勵(lì)新能源汽車(chē)的發(fā)展，然而對(duì)于新能源汽車(chē)的發(fā)展之路并未達(dá)成共識(shí)。對(duì)未來(lái)汽車(chē)發(fā)展方向的預(yù)測(cè)主要分成兩派，一派是以美國(guó)特斯拉為代表的純電動(dòng)汽車(chē);另一派是以日本豐田為代表的氫燃料電池汽車(chē)。純電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但行駛里程受需電池能量密度的限制，行駛里程短且重量較大，同時(shí)充電時(shí)間長(zhǎng);氫燃料電池汽車(chē)沒(méi)有行駛里程的缺陷，單次加氫時(shí)間與燃油車(chē)相當(dāng)。但燃料電池和儲(chǔ)氫罐的成本高，加氫站的建設(shè)成本也比充電站要高[8]。這兩種未來(lái)的新能源汽車(chē)實(shí)際上與增程式電動(dòng)汽車(chē)一樣，都是以電動(dòng)機(jī)為唯一動(dòng)力源的汽車(chē)。在目前汽車(chē)發(fā)展道路并不明朗的情況下，可以優(yōu)先發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)、電控等部分，并盡早統(tǒng)一電動(dòng)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)，帶動(dòng)其他部分的發(fā)展。

借鑒燃油汽車(chē)的電氣架構(gòu)，汽油車(chē)采用12V電氣系統(tǒng)，車(chē)上其他電子部件嚴(yán)格遵照電氣架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，有利于統(tǒng)一規(guī)格和大批量生產(chǎn)。車(chē)上啟動(dòng)電機(jī)、噴油器、電磁閥等大部分機(jī)構(gòu)均以12V電壓為工作電壓;而火花塞工作電壓能達(dá)到上萬(wàn)伏，是用12V電壓經(jīng)過(guò)點(diǎn)火線圈所形成的;大部分傳感器如溫度、壓力傳感器等工作電壓為5V，也是用12V電壓通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元轉(zhuǎn)換而成。由此可見(jiàn)，有了統(tǒng)一的電氣架構(gòu)，汽車(chē)的設(shè)計(jì)以及功能擴(kuò)展變得更加容易，促進(jìn)了汽車(chē)電氣化的發(fā)展。

目前歐洲正在推行48V電氣系統(tǒng)，美國(guó)也在研究90V電氣系統(tǒng)，然而這些電氣架構(gòu)僅用于混合動(dòng)力車(chē)型，能夠使用啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)、電動(dòng)渦輪增壓器等裝置，并不適合電動(dòng)汽車(chē)[9]。博世、德?tīng)柛５绕?chē)零部件供應(yīng)商也在著力發(fā)展新能源汽車(chē)電氣架構(gòu)，如表2所示。但到目前為止，電動(dòng)汽車(chē)仍沒(méi)有統(tǒng)一的電氣架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，各大汽車(chē)制造商和零部件供應(yīng)商仍處于摸索階段，都在研發(fā)適合自己本公司體系的電動(dòng)汽車(chē)架構(gòu)，然而這樣做容易造成社會(huì)資源浪費(fèi)，并且不利于電動(dòng)汽車(chē)的迅速發(fā)展，因此有必要為電動(dòng)汽車(chē)建立標(biāo)準(zhǔn)。

圖2為純電動(dòng)汽車(chē)、氫燃料電池汽車(chē)和增程式電動(dòng)汽車(chē)架構(gòu)示意圖。圖中直流母線與其他功率型器件通過(guò)功率變換器相連，直流母線電壓不依賴于儲(chǔ)能裝置的電壓及容量，也可以與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定工作電壓相分離，因此在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電氣架構(gòu)中母線電壓的設(shè)置上具有較大的靈活性[10]。一旦各方對(duì)直流母線電壓達(dá)成一致，功率型器件的生產(chǎn)廠家可以將器件與功率變換器集成為一體，減少整車(chē)生產(chǎn)商的工作量，同時(shí)形成標(biāo)準(zhǔn)的零部件供應(yīng)體系，則電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電氣架構(gòu)可基本達(dá)成，進(jìn)一步降低零部件成本，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

從圖2可以看出，三種電動(dòng)汽車(chē)架構(gòu)只有左側(cè)部分有差異，其他電氣設(shè)備相同。純電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，蓄電池容量最大，由外接電源供電;燃料電池汽車(chē)由燃料電池發(fā)電，蓄電池容量較小，用來(lái)平衡燃料電池輸出功率與需求功率的差值，同時(shí)可以回收制動(dòng)能量;增程式電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，包含增程器、超級(jí)電容器、蓄電池，由外接電源供電，但增程器、超級(jí)電容器、蓄電池功率及容量均較小，成本較低。也就是說(shuō)這三種電動(dòng)汽車(chē)中大部分零部件都是通用的，無(wú)論今后汽車(chē)朝哪個(gè)方向發(fā)展，總體構(gòu)造并不會(huì)有太大的差異，因此構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)電氣架構(gòu)具有前瞻性意義。

建立直流母線電壓標(biāo)準(zhǔn)，其他電氣設(shè)備可參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整合功率變流器及其他附屬器件，有利于電氣設(shè)備的規(guī)模化、集成化生產(chǎn)，降低電動(dòng)汽車(chē)成本，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。

目前各大汽車(chē)廠家對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)并沒(méi)有統(tǒng)一的母線電壓標(biāo)準(zhǔn)，甚至相同廠家的不同車(chē)型電壓也不一樣，通常將電池組電壓作為車(chē)輛的母線電壓，也有將主電機(jī)額定電壓作為母線電壓，通用性較差。如豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車(chē)蓄電池電壓為直流201.6V;日產(chǎn)Leaf電池電壓為350V，三菱i-MiEV電池電壓為300V，特斯拉Model S電池電壓為400V，比亞迪秦電池電壓為460.8V（混動(dòng)版）和633.6V（電動(dòng)版）等。從以上數(shù)據(jù)可以看出，各個(gè)車(chē)型電壓并不統(tǒng)一。由德?tīng)柛＝y(tǒng)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)電氣要求發(fā)展趨勢(shì)（圖3）也可以看出，隨著電動(dòng)汽車(chē)電氣化程度的提升，電壓呈上升趨勢(shì)。電壓升高有兩個(gè)好處，一是能量/功耗損失小，二是電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率更高。但提高母線電壓會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)絲等保護(hù)器件以及IGBT等功率器件成本提升，因此選擇合適的母線電壓需要以當(dāng)前技術(shù)條件為基礎(chǔ)。

在國(guó)標(biāo)[11]中要求直流母線電壓取以下等級(jí)：36V、48V……600V、650V、700V、750V等。由于標(biāo)準(zhǔn)電壓過(guò)多，沒(méi)有形成較強(qiáng)的約束力，對(duì)目前電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義有限。接口功率變換器中IGBT元件的工作電壓等級(jí)大體分為600V、1200V、1700V、2500V、3300V等，考慮到IGBT關(guān)斷時(shí)的沖擊電壓，一般IGBT的額定電壓要高于直流母線電壓約兩倍[12]。因此，電動(dòng)汽車(chē)的母線電壓可選為約350V、600V、750V、1300V、1500V等，考慮到目前電動(dòng)汽車(chē)電池電壓的發(fā)展現(xiàn)狀，可以將母線電壓標(biāo)準(zhǔn)定為600V，形成一整套基于該電壓的零部件供應(yīng)體系。當(dāng)前廣泛使用的12V零部件系統(tǒng)可通過(guò)接入600V/12V變壓模塊實(shí)現(xiàn)通用，以充分降低電動(dòng)汽車(chē)的成本。

鑒于各種車(chē)輛所需不同的動(dòng)力電池容量以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，考慮到電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)動(dòng)力結(jié)構(gòu)的不同，其動(dòng)力電池與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同樣可以制定標(biāo)準(zhǔn)，形成一套嚴(yán)格的系統(tǒng)。針對(duì)不同大小的車(chē)輛，在同一輛車(chē)上布置多個(gè)動(dòng)力電池包以及多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以滿足車(chē)輛對(duì)電池容量與驅(qū)動(dòng)功率的提升，更進(jìn)一步發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)模塊化設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本。

4? ? 結(jié)論

電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展給汽車(chē)行業(yè)注入了新的活力，但就目前情況而言，電動(dòng)汽車(chē)仍然是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修補(bǔ)，無(wú)法充分發(fā)揮電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)。因此需要從底層架構(gòu)層面入手，設(shè)計(jì)適合目前技術(shù)條件與需求的電動(dòng)汽車(chē)。

本文從通信電氣架構(gòu)和動(dòng)力電氣架構(gòu)兩方面，分別描述了當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的現(xiàn)狀及需求，并以此為基礎(chǔ)引申出技術(shù)革新路線。在通信電氣架構(gòu)方面，建立以太網(wǎng)為主、兼容CAN總線協(xié)議的CAN-以太網(wǎng)構(gòu)架，在高級(jí)駕駛輔助、智能網(wǎng)聯(lián)、多媒體等新型領(lǐng)域使用以太網(wǎng)通信，通過(guò)復(fù)合網(wǎng)關(guān)兼容傳統(tǒng)汽車(chē)動(dòng)力、車(chē)身及地盤(pán)系統(tǒng)的CAN總線控制。

在動(dòng)力電氣架構(gòu)方面，建立母線電壓600V的標(biāo)準(zhǔn)電氣系統(tǒng)，其他能量元件與功率元件通過(guò)功率變換器與直流母線相連，同時(shí)兼容傳統(tǒng)汽車(chē)12V電氣系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑官軍，計(jì)時(shí)鳴，張利，等. CAN總線技術(shù)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003， 31（1）：58-61.

[2]韋志魁，韓小偉. 汽車(chē)總線技術(shù)分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（09）：95-96.

[3]田洪清，王巖，紀(jì)斌義. 車(chē)輛總線技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（03）：226-227.

[4]尹榮彬，陳博，孔祥明，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 汽車(chē)文摘，2019（11）.

[5]唐妍，孟鑫，謝佶宏等. 自動(dòng)駕駛汽車(chē)總線技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)[J]. 電子世界，2019（10）：170-171.

[6]湯龍梅，劉曉升. CAN-以太網(wǎng)互連系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006（012）：14-15.

[7]楊朝陽(yáng)，阮海庭，張儀夫等. 汽車(chē)通用混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019（2）.

[8]孫田田，王林，郭巧巧，等. 純電動(dòng)汽車(chē)與氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 科技視界，2016（4）：163-164.

[9]曾俊夫. 電氣化時(shí)代來(lái)臨 眾廠商力推48V混合動(dòng)力系統(tǒng)[J]. 汽車(chē)之友，2017（19）：138-139.

[10]Polini C，Crescimbini F，Napoli A D，et al. Power flow analysis for plug in hybrid electric vehicles[C]// The Xix International Conference on Electrical Machines - Icem. IEEE，2010：1-6.

[11]GB/T 18488.1-2015 電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)[S]. 2015.

[12]黃實(shí)批. IGBT結(jié)構(gòu)及在電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用的關(guān)鍵控制因素分析[J]. 電子測(cè)試，2019（12）：58-59.