陳家城

摘 要：發(fā)展純電動(dòng)汽車已成為解決能源、環(huán)境問(wèn)題的重要措施之一，然而純電動(dòng)汽車發(fā)展還存在安全與節(jié)能技術(shù)等主要問(wèn)題和瓶頸，該文針對(duì)我國(guó)純電動(dòng)汽車在安全與節(jié)能技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上得出純電動(dòng)汽車的核心技術(shù)及主要問(wèn)題，以期為我國(guó)純電動(dòng)汽車的發(fā)展提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車 安全 節(jié)能技術(shù) 研究現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（a）-0025-03

全球汽車保有量逐年上升的同時(shí)，溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題也日益突出，加之考慮化石能源的日益枯竭，以純電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車的發(fā)展成為最好的選擇。純電動(dòng)汽車有著無(wú)污染、低噪音、高效率以及廣泛、幾乎無(wú)窮盡的能量來(lái)源，是未來(lái)汽車發(fā)展的重要方向之一[1]。19世紀(jì)90年代第一輛純電動(dòng)汽車誕生以來(lái)，在20世紀(jì)初第一次達(dá)到生產(chǎn)高峰，占領(lǐng)了汽車市場(chǎng)大約40%的份額。隨后由于電池技術(shù)、純電動(dòng)汽車動(dòng)力不足、電力傳動(dòng)系統(tǒng)制造成本高、汽車電力電子裝置技術(shù)缺乏等諸多原因?qū)е录冸妱?dòng)汽車技術(shù)停滯不前。

汽車電力電子技術(shù)的發(fā)展，包括高能量密度鋰離子蓄電池、鋰離子電容器等的發(fā)明，以及乘用車電動(dòng)輪技術(shù)的開(kāi)發(fā)和實(shí)用化等，促使了第二代純電動(dòng)汽車的出現(xiàn)。與第一代純電動(dòng)汽車相比，它在充電時(shí)間、續(xù)航里程、動(dòng)力性、快速充放電能力等方面取得了很大進(jìn)步[2]。但純電動(dòng)汽車離真正商業(yè)化應(yīng)用仍然存在高壓觸電隱患、成本高、續(xù)航里程短等安全與節(jié)能技術(shù)的瓶頸和問(wèn)題。

純電動(dòng)汽車在研究過(guò)程中，安全系統(tǒng)是十分重要的方面，純電動(dòng)汽車在使用過(guò)程中面臨的安全隱患也較多。如電動(dòng)汽車在充電或行駛過(guò)程中出現(xiàn)碰撞、翻車等事故，可能使得汽車的線路短路、漏電乃至燃燒等安全問(wèn)題。

該文針對(duì)我國(guó)純電動(dòng)汽車在安全與節(jié)能技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上得出純電動(dòng)汽車的核心技術(shù)及主要問(wèn)題，以期為我國(guó)純電動(dòng)汽車的發(fā)展提供參考和借鑒。

1 純電動(dòng)汽車安全技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

純電動(dòng)汽車在使用過(guò)程中存在的安全隱患較多，具體主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[3]：第一，動(dòng)力系統(tǒng)高壓短路。高壓線路短路會(huì)造成電池和高壓線束的燃燒甚至爆炸，也可能造成高壓電漏電，對(duì)人們生命造成威脅。第二，發(fā)生碰撞或翻車。純電動(dòng)汽車在發(fā)生碰撞或翻車時(shí)，很可能導(dǎo)致高壓短路，存在觸電、燃燒和爆炸的危險(xiǎn)。第三，涉水或遭遇暴雨。純電動(dòng)汽車在充電或行駛過(guò)程中遭遇涉水時(shí)，可能使得高壓線路絕緣電阻變小或短路，從而導(dǎo)致電池燃燒、漏液或爆炸。第四，充電時(shí)車輛無(wú)意識(shí)移動(dòng)。充電時(shí)車輛若出現(xiàn)無(wú)意思移動(dòng)，會(huì)造成充電電纜斷裂，存在觸電的危險(xiǎn)。第五，車輛扭矩安全。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是電機(jī)旋轉(zhuǎn)提供的，電機(jī)在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的旋轉(zhuǎn)方向相反，其工作過(guò)程的選擇方向受電機(jī)控制器控制，存在電機(jī)在工作過(guò)程中突然改變旋轉(zhuǎn)方向的情況，從而造成安全事故。

純電動(dòng)汽車安全防護(hù)措施大致有以下幾個(gè)方面。

1.1 設(shè)置高壓互鎖裝置及主繼電器

純電動(dòng)汽車的安全主要是高壓安全，為防止動(dòng)力系統(tǒng)高壓短路，設(shè)置高壓互鎖裝置是純電動(dòng)汽車采取的最有效措施之一。當(dāng)高壓互鎖被斷開(kāi)時(shí)，車上人員和維修人員很可能高壓觸電，所以電池管理系統(tǒng)在檢測(cè)到各個(gè)高壓互鎖開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，必需立即斷開(kāi)相應(yīng)的高壓觸電器，切斷高壓輸出。同時(shí)為防止高壓觸電純電動(dòng)汽車中的高壓電器部件的接插件都采用IP67的高壓防護(hù)等級(jí)，可以防止高壓觸電，防水、防塵。

1.2 設(shè)置維修開(kāi)關(guān)

維修安全是純電動(dòng)汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，主要是通過(guò)在動(dòng)力電池上設(shè)置安全維修開(kāi)關(guān)來(lái)確保在維修作業(yè)之前將高壓系統(tǒng)斷開(kāi)。當(dāng)維修開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)時(shí)，汽車電力輸出就處于中斷狀態(tài)，可以有效地防止出現(xiàn)高壓危險(xiǎn)。

1.3 絕緣監(jiān)測(cè)

絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了避免人員車身人員免遭高壓觸電的風(fēng)險(xiǎn)。絕緣監(jiān)測(cè)是通過(guò)時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣電阻的參數(shù)來(lái)評(píng)定高壓系統(tǒng)的絕緣性能，一旦監(jiān)測(cè)到絕緣參數(shù)指標(biāo)不符要求時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)將高壓系統(tǒng)切斷，能有效保證人員安全。

1.4 安裝碰撞傳感器

汽車在行駛過(guò)程中很容易發(fā)生如追尾等碰撞交通事故，純電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，除了存在傳統(tǒng)燃油車的機(jī)械傷害外，還存在高壓動(dòng)力電池發(fā)生漏電爆炸的危險(xiǎn)。純電動(dòng)汽車為預(yù)防碰撞時(shí)產(chǎn)生高壓漏電危險(xiǎn)，通常是將碰撞傳感器慣性開(kāi)關(guān)串聯(lián)到高壓觸發(fā)器的高壓回路中，一旦發(fā)生碰撞事故，可以使慣性開(kāi)關(guān)立即斷開(kāi)，或通過(guò)碰撞傳感器將碰撞信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳送給控制單元由控制器切斷高壓回路，使得動(dòng)力電池高壓輸出自動(dòng)斷開(kāi)，防止高壓觸電，保證人員安全。

1.5 設(shè)置預(yù)充電回路

預(yù)充電回路可以有效防止動(dòng)力電池在充放電初期因?yàn)樗查g電壓過(guò)大而造成高壓回路的燒毀，在動(dòng)力電池在充放電初期預(yù)先對(duì)電池外部的高壓系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)充電，降低內(nèi)外測(cè)的電勢(shì)差。

設(shè)置高壓互鎖及主繼電器、絕緣監(jiān)測(cè)、碰撞傳感器及預(yù)充電回路等安全防護(hù)措施功能的實(shí)現(xiàn)都是以性能優(yōu)越的電源管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)。因此性能優(yōu)越的電源管理技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車安全性上有著至關(guān)重要的作用。

2 純電動(dòng)汽車節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

純電動(dòng)汽車技能技術(shù)主要包括制動(dòng)能量回收技術(shù)、電機(jī)控制策略等。

2.1 制動(dòng)能源回收技術(shù)

制動(dòng)能量回收技術(shù)提高了能量的利用率，是新能源汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段之一。根據(jù)制動(dòng)能量回收硬件系統(tǒng)方案，制動(dòng)能量回收控制策略可以分為并聯(lián)控制策略和串聯(lián)控制策略。串聯(lián)式再生制動(dòng)優(yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)力，當(dāng)制動(dòng)力不足時(shí)再使用液壓制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償，再生制動(dòng)能量回收率相比較于并聯(lián)式較高。

純電動(dòng)汽車制動(dòng)能源回收控制策略必須考慮車輛的安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性。為了兼顧能量回收和純電動(dòng)汽車的安全性和經(jīng)濟(jì)性等，近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了大量的研究。如初亮[4]等，提出了一種基于全解耦式制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型的串聯(lián)式再生制動(dòng)控制策略，通過(guò)模擬仿真，得到車輛在小強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，可以充分利用制動(dòng)力進(jìn)行能力回收。而在中高速大強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，則可以對(duì)電機(jī)制動(dòng)力矩進(jìn)行限制，提高車輛制動(dòng)穩(wěn)定安全性的結(jié)論。陳贊[5]提出了采用制動(dòng)力矩再生制動(dòng)策略來(lái)回收制動(dòng)能量。王若飛[6]等，通過(guò)建立再生制動(dòng)系統(tǒng)的升壓和降壓數(shù)學(xué)模型和仿真模型，分析了再生制動(dòng)系統(tǒng)的約束條件，提出了以駕駛員駕駛感覺(jué)和制動(dòng)穩(wěn)定性為首要目的的恒定再生制動(dòng)力矩控制策略。趙青青[7]等，提出了四輪電機(jī)輪轂驅(qū)動(dòng)控制策略，在ADVISOR中建立制動(dòng)能量回收仿真模型，得到制動(dòng)中能量回收效率達(dá)到48.2%。陳燕[8]等，則以制動(dòng)強(qiáng)度為依據(jù)劃分制動(dòng)模式，提出了以電子制動(dòng)力分配技術(shù)（EBD）來(lái)分配前、后軸制動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制策略方法，通過(guò)模型仿真分析，得到該控制策略方法不僅可以提高制動(dòng)能量回收效率，還可以有效防止車輪在低附著路面上抱死，保證車輛的穩(wěn)定性和安全性。方亞洲[9]等，采用模糊控制策略分配驅(qū)動(dòng)輪再生制動(dòng)力，使用遺傳算法對(duì)模糊控制器隸屬度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)遺傳算法優(yōu)化的模糊控制器能明顯提高再生制動(dòng)能源的回收效率。

2.2 電機(jī)控制策略研究

電機(jī)控制器是一種將直流逆變?yōu)榻涣鞯尿?qū)動(dòng)裝置，調(diào)制技術(shù)的重要指標(biāo)是對(duì)直流電壓的利用率。合適的電機(jī)控制策略可以提高電機(jī)的工作效率和能源的利用率，減少能量的消耗，是純電動(dòng)汽車節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的比例積分控制策略因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和對(duì)線性問(wèn)題控制的有效性而得到較為廣泛的應(yīng)用，但存在對(duì)變化參數(shù)和非線性問(wèn)題的有效控制不足的缺陷。因此尋求有效的智能控制算法成為電機(jī)控制策略研究的熱點(diǎn)。

王悝[10]采用了模糊控制策略對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制，雖能有效地處理非線性問(wèn)題，但實(shí)時(shí)跟隨效果不佳。李琳[11]提出了基于徑向基核函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)控制策略，能有效提高控制精度和響應(yīng)速度，但存在處理數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)病態(tài)問(wèn)題的不足。陳燎[12]等設(shè)計(jì)了一種基于向后傳播算法模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PI控制器，能較好實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)車速的精確跟隨，降低能量損耗。周衛(wèi)明[13]等，設(shè)計(jì)了一款以TMS320F2812為核心的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)占空比實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點(diǎn)。陳慶[14]等，則以TMS320F28035為控制核心，采用48 V的低壓電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)，提高了電動(dòng)汽車安全性，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中能提供盡可能大的轉(zhuǎn)矩和較高的能量利用率。

3 純電動(dòng)汽車的核心技術(shù)和主要問(wèn)題

純電動(dòng)汽車的核心技術(shù)包括電池系統(tǒng)集成、能量管理技術(shù)、高速減速器技術(shù)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成匹配技術(shù)、充變電技術(shù)等[15]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)保證電機(jī)在復(fù)雜惡劣環(huán)境下安全有效的正常工作有著至關(guān)重要的地位。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制技術(shù)、高性能材料和電力電子元件等。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)及控制技術(shù)主要采用國(guó)內(nèi)外合作開(kāi)發(fā)的方式，目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)基本能滿足需求。電機(jī)控制策略國(guó)內(nèi)外學(xué)者都有大量研究，很多的控制策略方法通過(guò)仿真模擬都能達(dá)到較佳的水平，但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中由于受到電力電子器件、總線通訊模式等控制技術(shù)的影響，還存在控制的可靠性還有待提高的問(wèn)題。

因此，純電動(dòng)汽車的“三電”核心技術(shù)中，電控技術(shù)的控制精度的提高是關(guān)鍵。其存在的主要問(wèn)題有以下幾種。

（1）核心部件、原材料的研發(fā)不夠。如高性能高精度傳感器技術(shù)、功率驅(qū)動(dòng)模塊、高速軸承等產(chǎn)品主要依托進(jìn)口。

（2）電池、電機(jī)產(chǎn)業(yè)在制造工藝、自動(dòng)化生產(chǎn)、可靠性及成本控制上都有待提高。

（3）能夠滿足復(fù)雜路況需求的電機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)控制策略有待進(jìn)一步研究，提高控制精度，真正使純電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)安全、節(jié)能。

4 結(jié)論

純電動(dòng)汽車是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)，本文從純電動(dòng)汽車發(fā)展的安全與節(jié)能技術(shù)方面切入，通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車安全與技能技術(shù)的現(xiàn)狀及最新研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）性能優(yōu)越的電源管理系統(tǒng)是現(xiàn)階段電池性能不足的補(bǔ)充，在電動(dòng)汽車安全性上更有著至關(guān)重要的功用。

（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)技術(shù)相對(duì)成熟，但適應(yīng)與復(fù)雜路面工況的電機(jī)控制系統(tǒng)、控制策略實(shí)現(xiàn)高精度的、安全節(jié)能的控制仍然有較大的提升空間。

（3）新技術(shù)、新材料的研發(fā)應(yīng)用對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展有著重要的作用，可能從根本上解決相關(guān)難題。

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