广告

电动汽车的电子系统架构详解

2024-05-29 16:42:43 Giovanni Di Maria 阅读:
电动汽车不仅仅是一种带有电动发动机的交通工具,还配备了高度复杂的外围设备以及精密的电子设备。

电动汽车(EV)代表着可持续交通的前沿。电动汽车集成了复杂而精密的电子架构,随着新型半导体材料和解决方案的发现,技术每天都在取得巨大进步。本文将探讨实现电动汽车运行的最重要组件及其互连。dOSednc

背景简介

电动汽车的普及正在稳步发展,供应链的各个环节也在发生变化。其中包括原材料、用于制造电动汽车零部件的化学品、电池和各种组件。同时,还涉及到汽车充电基础设施,它们正在经历一个具有历史意义的阶段,需要进行彻底的重新设计。它们的电气化,加上政府法规,对新的汽车网络设计和软件开发提出了挑战。电子系统架构是汽车内所有电子元件、模块和网络的结构化配置,定义了汽车的电气和电子组成。特别是,电子硬件、网络通信系统、软件和所有电路的布线都被集成在一起,以增强对车辆各个方面功能的控制。dOSednc

电动汽车不仅仅是一种带有电动发动机的交通工具,它还配备了高度复杂的外围设备和精良的电子设备,可以实现多种类型的应用。电动汽车是一个复杂的技术系统,其运行基于物理、化学、电气和电子基础。它配备了一个独立的电源电池,并有各种专门用于执行不同功能的电路。一个好的架构必须考虑车辆中所有电气设备的功率和信息需求。如果说纯机械方面与传统内燃机汽车大致相似,例如车轮或车架,那么电气部分就相差甚远,其中包含大量全新设计的差异。它们涉及用于牵引的电池系统、电动机、功率调节电路以及专用于电池充电的电路。如图1所示,电动汽车的基本配置由一个或多个电池、一个能量转换器、一个电动机、一个传动部件和控制车轮的差速系统组成。dOSednc

dOSednc

图1:由单个电机组成的电力推进系统dOSednc

还有更有效的系统,即不使用差速器,而是通过两个电机推进,每个驱动轮一个。在这种情况下,虽然只能有一个电池供电,但需要两个独立的转换系统。随着近年来的技术进步,新的架构提高了系统的效率和连接性,还集成了CAN、LIN、FlexRay和以太网等通信协议。如今,随着电子元件在汽车中的使用越来越多,精心设计的架构对于提高驾驶时的可靠性和安全性以及通过降低能耗、重量和成本来提高效率是必不可少的(见图2)。由于改进了连接策略并使用了快速本地网关,新的电动汽车具有可配置性和智能性。目前,由于有了新的、极其复杂的集成电路和只有新的电子元件才有可能实现的电子解决方案,因此可以实现以前无法想象的新应用。dOSednc

电动汽车并非完全相同,而是遵循不同的设计类型。不过,它们的主要特征是分配给推进的电能百分比。有些汽车仅使用电力来驱动,而有些汽车则将电力与其他形式的能源结合使用,这被定义为“混合动力”。广义上讲,前者利用完全由电池或燃料电池等电源提供的推进能量,后者则使用各种推进能源,其中至少有一种是电力。电动汽车的设计主要是为了实现其自主性,最大限度地提高速度和加速度。从上图可以看出,电力牵引系统由各种功能块组成:电动机与功率转换器一起工作,通过线路连接。电路连接到储能系统,并由外部电源的充电系统辅助。牵引由多个设备控制。当然,有必要使用辅助液体冷却系统来将系统保持在安全的热水平。dOSednc

dOSednc

图2:电动汽车的结构(来源:morningstar.com)dOSednc

电池和BMS

电池是电动汽车的基本组件之一,它与性能优化电路一起构成了汽车的推进剂。电池储存电能,为发动机和汽车的所有其他组件提供动力。目前,锂离子电池是主流技术,在能量密度、耐用性和重量之间实现了良好的平衡。在如此强大的动力下,必须实施复杂的安全系统,提供极端高温条件下的保护、补充电解质、防止不可避免的熔断、通风以防止气体泄漏以及平衡电荷,因为在充电和放电过程中,电池的各个元件往往具有不同的电位,从而导致不平衡问题。这些组件由控制和监督系统BMS(电池管理系统)管理,该系统负责调节充电和放电命令以及热和功率控制,以始终保证最高效率的运行。dOSednc

可以说,BMS是电动汽车的大脑,它时刻监控着所有电子系统、电池、发动机、电源和辅助设备,确保车辆安全且最佳地运行。图3显示了PYLONTECH公司的48V 2.4kWh锂电池以及逆变器。它需要有一个BMS才能正常运行。电子元件之间的接线也必须精心设计。其所涉及的巨大功率意味着需要精心规划,尤其是在电缆部分,这肯定会影响系统的重量和尺寸。dOSednc

新型电动汽车的长期销售预测是乐观的,预计未来几年将增长几十个百分点,因为整个行业的目标是在所有活动中大幅减少碳排放。dOSednc

dOSednc

图3:48V 2.4kWh锂电池和逆变器(来源:Pylontech)dOSednc

电动机

电动机(见图4)将电能转换为机械能,驱动车轮前进。电动机有多种类型,例如异步感应电动机和永磁电动机,每种电动机都各有优缺点。发动机的选择取决于各种因素,例如性能、效率和成本。在电动汽车中,电动机通常位于车轮附近,由一组可充电电池供电。踩下油门踏板时,电动机从电池组中获取能量并将运动传输到车轮。它的特点是瞬时产生恒定的驱动扭矩,可实现非常平稳和安静的加速。通常,电动机由转子(旋转部分)和定子(固定部分)组成。dOSednc

dOSednc

图4:电力牵引电动机和逆变器(来源:Parker)dOSednc

电动机的核心是电力电子,它在能源管理中起着至关重要的作用。它通过DC-DC和DC-AC设备将电池电压转换为适合发动机的电平。最新的研究旨在从物理事件中回收能量,例如回收制动能量。在制动过程中,动能被转换成电能,然后储存在电池中。这个过程可略微增加车辆的行驶里程。电动汽车的所有组件都不是孤立运行的,而是通过通信网络不断进行通信和数据信息交换。这一新理念可以实现系统状态的实时数据交换,激活车辆所有组件的智能控制策略,并协调不同组件的集体运行。dOSednc

结论

电动汽车首先让人注意到的是系统的静音效果,这不仅有助于降低空气污染水平,还有助于降低噪音污染。电动汽车电子系统的结构无疑是一个非常复杂的领域,因为有许多组件在起作用。它的主要重点是需要尽可能减少对环境的影响,同时考虑到从原材料生产到用户电池充电的整个供应链。电动汽车的电子系统也在不断发展,相关创新还将涉及自动驾驶和辅助驾驶,借助人工智能实现更高的安全性和舒适性。完美无瑕的卓越架构设计对于这一革命性技术的发展和未来演变至关重要。dOSednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Architecture of electronic systems in an electric vehicle,由Ricardo Xie编译。)dOSednc

责编:Ricardo
本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了