电子电气架构设计之三电系统设计

近年来,作为区别于传统燃油车最核心的技术,新能源汽车三电技术获得了迅速而持续的发展。

想要深入了解电动汽车,必定绕不开三电系统。三电系统指的是电动汽车的电驱系统、电池系统和电控系统,这三大系统也是电动汽车最为核心的技术,直接影响产品的最终性能表现。今天我们就来了解一下电动汽车三电系统及其电子电气架构设计。


什么是三电系统

下图展示了三电系统包含的内容,三电系统占据了电动汽车一半以上的成本,而电池系统在整个三电系统中所占的比重最高。

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01 电驱系统

电驱系统是电动汽车的关键系统,电动汽车的运行性能主要取决于电驱系统的类型和性能,电驱系统主要包括驱动电机、传动机构(减速器)和变换器(逆变器和DCDC变换器)。

驱动电机:

驱动电机是将电能转换为机械能的装置,是一种依靠电磁感应原理工作的装置,为车辆行驶提供驱动力。电机可分为直流驱动、永磁同步、交流感应三种形式,不同形式的电机其特性也不尽相同。

传动机构(减速器):

电动汽车需要满足爬坡等需要低速大扭矩的情况,满足低速大扭矩的特性,从经济性、减轻整车质量、开发难度等角度考虑,目前多数电动汽车配备了减速器。减速器介于驱动电机和驱动半轴之间,驱动电机的动力输出轴通过花键直接与减速器输入轴齿轮连接。一方面减速器将驱动电机的动力传给驱动半轴,启动降低转速增大转矩的作用,另一方面满足汽车转弯及在不平路面上行驶时,左右轮以不同的转速旋转,保证车辆的平稳运行。

逆变器:

逆变器的功能体现在以下几个方面:将电池的直流电转换为交流电输出,以驱动电机;在制动能量回收时,将交流电转化为直流电存到电池中;动力电池直流电转换为交流电以驱动空调;充电时将交流电转换为直流电给动力电池充电。有些情况下可以将逆变器、减速器、驱动电机集成在一个控制器中,一体化后成为三合一控制器。

DCDC变换器:

将动力电池的高压电转换为低压电(12V),为蓄电池以及车载电子设备供电。


02 电池系统

电池系统里面有电芯、模组和电池包三个层级的概念,在动力电池包中,为了安全和有效的管理好成百上千的单颗电芯,电芯并不是随意的放在动力电池的壳里面,而是按照模块和包有序的放置的。最小的单元就是电芯,一组电芯可以组成一个模组,而几个模组可以组成一个包。

电芯:

电芯是动力电池的最小单位,也是电能存储单元,它必须要有较高的能量密度,以尽可能多的存储电能,使电动汽车拥有更远的续航里程。除此之外,电芯的寿命也是最为关键的因素,任何一颗电芯的损坏,都会导致整个电池包的损坏。

模组:

当多个电芯被同一个外壳框架封装在一起,通过统一的边界与外部进行联系时,这就组成了一个模组。

电池包:

当数个模组被BMS和热管理系统共同控制或管理起来后,这个统一的整体就叫做电池包。

电池的种类:

目前市面上主流的电动汽车电池种类大致归为铅酸电池、镍氢电池、钴酸锂离子电池、锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池(镍钴锰酸锂离子电池)等,不同种类的电池关键原材料、电解液、隔膜等也有区别,电动汽车上常用的电池为三元(镍钴锰)锂电池和磷酸铁锂电池。


03 电控系统

电控系统是一个总称,包含很多的系统,主要有:整车控制系统、电机控制系统、电池管理系统,另外还有热管理系统、驱动控制系统等,具体后面子系统功能规范(SSTS)部分会做介绍。


整车开发阶段简介

三电系统电子电气架构设计依托于整车开发流程,并且包含在整车开发流程中,本部分将首先对整车开发阶段做简要介绍:整车开发阶段大致分为4个阶段,起始阶段、概念阶段、开发阶段和优化阶段。

起始阶段

主要进行方案策划,主要考虑市场细分、产品定位、开发成本、生产成本等相关因素,在完成项目可行性分析之后,确定新车型的设计目标框架。

概念阶段

主要工作是可行性与经济性分析与制定,此阶段会进行整车概念规划、初始设计需求、供应商供货能力、工厂产量分析、市场活动概念、售后概念、创新设计评估、整车性能评估等工作,设计能力较强的主机厂还会在此阶段引入虚拟车辆开发技术,进行前期建模仿真,辅助明确设计指标。

开发阶段

进行工程设计,完成部件设计、整车集成、样车制造、测试验证、生产前准备等工作,以满足设计需求。

优化阶段

需要确认实际产品是否满足功能及物理开发需求、确认产量与质量达成目标,确认成本与利润满足经济目标。对于售出的车辆,执行维护与品质保证等活动。


三电系统电子电气架构设计介绍


三电系统电子电气架构设计工作面向三电系统内的电子电气功能,即与电控系统的设计相关。其工作流程主要包括功能清单的确定、子系统功能规范(SSTS)和部件功能规范(CTS)的编写制定。

01 功能清单的确定

在整车开发阶段的前两个阶段,即起始阶段和概念阶段完成后,三电系统的具体功能已经能够明确下来,也就形成了功能的输入,即功能清单。

功能清单常包含域名、一级功能、二级功能、三级功能、功能描述、功能编号,车型配置等信息。

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02 子系统功能规范(SSTS)

子系统功能规范(SSTS)达到承前启后的功能,满足前面功能清单的需求,并建立下一层部件功能规范(CTS)的需求。SSTS对复杂的功能进行结构性的拆解与分析,并且定义多个部件的组合行为,以及各个子系统的交互信息及方式。

SSTS相较于功能清单更加具体,描绘信号交互、功能逻辑、场景分析等。而SSTS相较于CTS更加抽象,通常不涉及包装、实现方案、详细原理、环境测试等内容。也因为抽象性,SSTS才具备通用性的特点。SSTS能够独立于实现方案,却又为实现方案约定一种设计框架,使供应商在这个框架之中,能够进行各种创新或者降低成本设计,但又不会偏离初始的设计需求。因此车厂在选择供应商方案时,能够基于SSTS,去挑选品质与成本最优的方案。

根据车型功能定位(功能清单)的不同,三电子系统的数量和功能会有一些差别,下面介绍一些基础子系统的功能。


高压上下电管理子系统

高压上下电管理系统包括整车在启动和充电时的高压上电、高压下电以及紧急情况时高压下电等,典型的方案是整车控制器VCU向电池管理系统BMS发送高压上下电指令,由BMS控制继电器的闭合和断开,从而实现整车高压上下电管理和控制。

充电控制子系统

整车在充电枪插入后需进行充电,在充电管理中VCU会根据整车状态控制是否允许BMS进行充电,在充电中BMS实时根据电池的工况发送充电需求参数并监控整个充电过程,当出现充电异常时限制或终止充电,以保障充电安全。


电动汽车电池包的充电系统有两条充电路径:直流充电和交流充电。直流充电口外接直流充电桩,输入直流电经过高压电气盒配送给电池包进行充电,直流充电方式的电流较大充电速度较快,通常也叫快充。交流充电口外接家用交流电源或交流充电桩,通过车载充电机OBC把交流电转换为直流电,再经过高压电气盒配送给电池包进行充电,交流充电方式的充电电流相对较小充电速度较慢,通常也叫慢充。

热管理子系统

热管理系统的作用是对电机降温,电池温度过高时降温或者低温充电前加热电池包,主要包括三个水路控制系统:电机水路控制系统、电池包加热和冷却水路控制系统、暖芯和PTC加热水路系统控制。

电池管理子系统

通过检测动力电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态,并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施,实现对动力电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。

能量管理子系统

电动汽车整车能量管理按照整车驱动和制动形式,可划分为功率分配管理和制动能量回收控制两部分,其中功率分配管理基于电池、电机和附件完成整车高压用电的功率分配,制动能量回收控制结合车辆行驶车速、不同制动强度、电机输出功率和电池充电功率,完成整车不同等级的制动能量回收控制。

制动能量回收子系统

车辆在滑行或制动时,通过电机回收动能转换为电能贮存到动力电池的功能。VCU通过对整车制动状态的判断,结合整车运行车速、电机限值、电池限值、ESC工作状态以及驾驶员输入的不同制动回收强度等,完成对驱动电机的制动转矩控制,从而实现对整车制动能量回收的控制。

驱动行驶子系统

整车控制器根据加速踏板开度,挡位状态,车速,制动踏板等计算驾驶员的需求扭矩作为整车驱动、制动能力计算的一部分。VCU计算整车系统输出转矩时,主要受限于电机输出能力、电池充放电能力、传动系统传动能力和整车能量分配。

高压附件子系统

附件系统控制主要是针对VCU管理的水泵继电器、低速风扇继电器、高速风扇继电器、PTC继电器、电动真空泵继电器以及水泵的PWM输出等进行控制。


03 部件功能规范(CTS)

在子系统功能规范(SSTS)确定后,需要具体的控制器对子系统里面的功能进行承接,也就是将SSTS的功能点通过功能分配,将设计需求分配给不同的部件来实现,而一个功能点可能与多个部件相关,这样就有了部件功能规范。

CTS详细描述供应商所提供的控制器设计原理,包含控制芯片要求、电气原理图、控制功能逻辑、交互信号、睡眠唤醒、电气特性、性能测试等方面。下面介绍几个典型的部件功能规范。


 VCU(整车控制器)

电控系统以整车控制器作为动力域控制核心,具有休眠/唤醒、低压电源管理、高压上下电、车辆模式管理、档位管理、扭矩控制、蠕行控制、能量回馈功能、冷凝风扇控制、电池热管理、真空泵控制、DCDC控制、整车诊断、仪表显示、续驶里程估算、整车防盗、功率分配控制、高压安全监控等功能。VCU作为整车的核心主控制单元,通过硬线或CAN等方式与其他控制单元进行信息交互,通过对接收到的信息的处理,判断各个子控制单元和整车系统的状态,做出合理、安全的指令,从而实现各个子控制单元协调且安全的工作。

 MCU(电机控制器)

通过接收VCU的车辆行驶控制指令,控制电机输出指定的扭矩和转速,驱动车辆行驶,实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能,MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能。

BMS(电池管理系统)

主要通过对电压、电流、温度、以及SOC等参数采集、计算,进而控制电池的充放电过程,实现对动力电池的安全及寿命保护、提升电池的综合性能。主要包含充电控制、放电控制、SOC策略、能量均衡管理功能、热管理功能、电池安全管理功能等。

DCDC(直流转直流变换器)

将动力电池的高压直流电转换为低压直流电用于给车载低压电器件供电。

OBC(车载充电机)

专用于慢充充电过程,电网电压经由地面交流充电桩、交流充电口,连接至OBC,给动力电池进行充电。


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