《电动汽车工程手册 第一卷 纯电动汽车整车设计》读书笔记

《电动汽车工程手册 第一卷 纯电动汽车整车设计》

 孙逢春 林程 林逸

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 1.1 纯电动汽车简介

• 1.1 纯电动汽车简介纯电动汽车是驱动能量完全由电能提供的、由电机驱动的汽车。电机的驱动电能来源于车载可充电储能系统或其他能量储存装置。自20世纪90年代开始兴起的传统汽车向新能源汽车变革的本质特征，是汽车动力系统的电动化，形成了以电驱动、动力蓄电池（以下简称动力电池）和电控三大核心技术为支撑的电动化平台，如图1-1所示。
• 与传统汽车相比，纯电动汽车以电机为动力源，仅靠车载动力电池等能量源供给电能，具有以下特点[插图]：1)纯电动汽车的驱动能源来源于动力电池，可实现电能的双向流动，既能在汽车驱动时输出电能，也能在制动时回收制动能量，这是汽油、柴油等能源所不具备的特点，因此纯电动汽车可与能源网结合起来，作为与绿色能源、智能电网连接在一起的一个移动节点，从而推动能源革命。2)驱动电机输出特性具有低速恒转矩、高速恒功率的特点，不搭载变速器即可满足汽车的基本行驶需求，且不需要维持怠速的装置，结构较简单。另外，驱动电机还具有控制快速精确、转矩转速信息可知等特点，能方便快捷地将电控系统解析出的驾驶人需求信息转化为汽车的行驶驱动转矩，提高汽车的驾驶乐趣。3)纯电动汽车的电控系统是包括整车控制器、电机控制器和动力电池管理系统等的网络化控制系统，通过LIN、CAN、FlexRay和MOST等车载总线进行通信。纯电动汽车的网联化控制系统可与信息网结合起来，使纯电动汽车作为与新一代移动通信、共享出行进行连接的节点，从而推动汽车的信息革命。4)纯电动汽车结构简单且零部件数量少，相比传统汽车，动力总成可自由布置。驱动系统的布置方式（例如集中式驱动和分布式驱动等）会使不同纯电动汽车的结构产生很大差异，采用不同类型的电机（如直流电机和交流电机）和储能装置（如蓄电池和复合电源系统）会影响纯电动汽车的重量、尺寸和形状。纯电动汽车的能量主要通过柔性电线而不是刚性机械部件传递，因此其各部件的布置具有很大的灵活性，可实现与传统汽车完全不同的造型设计。
• 1.1.1 纯电动汽车基本结构如图1-2所示，纯电动汽车动力系统一般可分为三个子系统，即电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统由驱动电机、电控单元、功率变换器和机械传动装置等组成。主能源子系统一般由动力电池及其管理系统和充电系统等构成。辅助控制系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。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功率转换器的功率装置通断。功率转换器的功能是调节电机和电源之间的功率流。当纯电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率流是反向的。动力电池管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收。动力电池管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统为电动汽车辅助系统提供不同等级的直流或交流电源，给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。除从制动踏板和加速踏板给纯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实现纯电动汽车的灵活转向。
• 电气系统是纯电动汽车的“神经”，承担着对电能传递、变换、控制，以及对信息进行处理的功能，对纯电动汽车的动力性、经济性和安全性等有很大影响。电气系统主要由高压电气系统、低压电气系统和整车网络化控制系统等组成。
• 1.1.1.1 高压电气系统高压电气系统主要由动力电池、驱动电机、高压配电箱(PDU)、DC/DC变换器、电动压缩机、车载充电器(OBC)和高压线束等部件组成，其主要功能是根据车辆行驶的功率需求完成从动力电池到驱动电机的能量传输与变换。为提高能效，对于功率较大的子系统，例如纯电动商用车制动系统、转向系统和电动空调系统一般也采用高压供电。
• 1.1.1.3 整车网络化控制系统纯电动汽车整车网络通信及控制系统主要包括整车控制器、车载总线、车载网络、车载仪表及显示系统和车载通信终端等。整车网络化控制系统的主要作用是对各子系统进行协调控制。其中，整车控制器是整车网络化控制系统的核心，负责汽车内部的数据交换与管理、故障诊断、安全监控和驾驶人意图识别等功能。各子系统之间的信息传递通过网络信息系统实现，目前常用的通信协议是CAN通信协议，它具有数据传输效率较高、可靠性高、实时性好、有一定容错性和简化整车线束等优点。
• 19世纪末到20世纪20年代是纯电动汽车发展的第一个黄金期。这期间，由于车用内燃机技术还相当落后，燃油汽车存在行驶里程短、故障多和维修困难等问题，其性能远不及纯电动汽车，因此纯电动汽车得到了普遍认可，美国、英国和法国的许多公司都开始生产纯电动汽车。1896—1920年，美国Riker公司生产了很多类型的纯电动汽车。1897年，英国的伦敦电动出租汽车公司生产了15辆纯电动出租车，如图1-6所示。1898年，美国康涅狄格州的Pope制造公司生产了大约500辆Columbia纯电动汽车。1899年，由比利时工程师卡米乐·热纳茨(Camille Jenatzy)设计的铝质车身汽车，是世界上第一辆车速超过100km/h的纯电动汽车，如图1-7所示。1907—1938年，美国底特律电气公司生产的纯电动汽车不但无噪声、清洁可靠，而且最高车速达到40km/h，续驶里程可达129km。1912年，美国注册有34000辆纯电动汽车。20世纪20年代，纯电动汽车的发展进入瓶颈期，在蓄电池技术和降低制造成本方面没有明显进步。相比之下，内燃机技术达到了一个新水平，装备内燃机的汽车速度更快，因此到1940年左右，纯电动汽车基本从欧美汽车市场中消失了。
• 1996年，通用汽车推出一款两座双门、前置前驱的纯电动汽车EV1（图1-8）。第一代EV1由铅酸蓄电池供电，蓄电池容量16.5～18.7kW·h，整车总质量1400kg，续驶里程为112～160km。1999年，通用汽车发布配有镍氢蓄电池的第二代EV1，动力电池容量提高至26.4kW·h，整车总质量1319kg，续驶里程为160～230km。2001年，法国推出采用铅酸和镍铬蓄电池的纯电动公交客车（图1-9），并配套建设了超过3000m2的充换电站。
• 进入21世纪，随着各国对纯电动汽车技术研发投入的不断加大，车用动力电池、电机及其控制系统等技术取得了重大进展，电力电子、控制和信息技术的广泛应用使纯电动汽车技术深入发展、日臻完美，产品的可靠性、寿命得到明显提升，成本得到有效控制，纯电动汽车技术在世界范围内得到快速发展。
• 在纯电动客车发展历程中，早在1994年，北京理工大学团队就研发出我国第一辆纯电动客车“远望”号（图1-13）。2000年，两辆具有完全自主知识产权的纯电动公交客车开始在北京121路公交线试验运营。2005年，约40辆纯电动客车在北京121路公交线和密云开发区开展了当时世界上最大规模的纯电动公交客车示范运营工作。2008年北京奥运会期间，北京理工大学团队研发的50辆支持换电模式的锂离子电池纯电动低地板公交客车在奥运核心区运行（图1-14），并设计建设了世界上首座大型公交换电站，成功实现了奥运期间电动客车24h连续运营。加上后续上海世博会、广州亚运会和部分城市示范运营等重大应用项目的推动，为我国纯电动客车技术发展积累了数千万千米的宝贵运行经验和数据。近年来，随着政府政策的持续推动，我国主要地区均出台了新能源公交车采购更新计划，例如广东、河北、河南均要求“十三五”期间，本地公交车要实现80%以上的电动化替换。深圳市在2017年就已实现了公交100%电动化。目前，国内新能源客车更加注重产品升级和技术升级。在市场方面，2017年，我国新能源客车累计推广超过30万辆，推广规模全球第一。以大中型纯电动客车产品为主，宇通、比亚迪等新能源客车凭借高可靠性、安全性等成为出口的主流产品。在技术方面，2016—2018年，新能源客车的能耗平均降低幅度接近10%，动力电池系统能量密度提升幅度平均超过25%。
• 1.1.3.1 能源安全和环境保护促进各国发展纯电动汽车1.能源安全第二次世界大战结束后，发达国家对石油产品的依赖不断增强。从地缘政治角度而言，减少对外部能源，尤其是化石能源供应的依赖，是提升能源安全和国家安全的重要途径。世界石油储量分布不均加剧了亚太地区的石油供应问题，图1-15所示为2017年及历年石油分布区域图。目前，石油输出国组织成员国占有全球石油探明储量的71.8%。随着一些地区石油资源的枯竭，各国、各地区间的石油贸易量将进一步增大，石油运输需求也相应增大，石油储运设施及供应安全等问题日益严峻。
• 为减少对石油的过分依赖，各国都在努力寻找替代能源，大力推广与发展纯电动汽车。2010年，日本政府发布了《日本新一代汽车战略》，计划到2020年将200万辆电动汽车投入使用。由于日本电动汽车发展速度较快，其2013年的销量就已经达到预期目标。2016年，美国政府发布了支持电动汽车产业发展的一系列计划，建立了电动汽车发展联盟，同时制定了《推动电动汽车与充电设施的指导原则》，倡议电动汽车企业加大生产力度，福特、通用及特斯拉等企业纷纷响应美国政府的号召，并表示将尽快向市场推出更多有竞争力的纯电动汽车产品。在欧洲，荷兰、挪威计划从2025年起禁止销售燃油汽车。我国是当今世界三大石油消费国之一，2018年，我国石油消费占世界总消费量的13%。同年，我国石油进口量为4.62亿t，较10年前增长了1倍多，对外依存度已达70.9%，而10年前仅为50%左右。随着我国汽车保有量的快速增长，汽车产业已经成为石油资源的第一大消费领域。由此可见，快速增长的汽车燃油消耗已经成为影响我国能源安全的重大问题，必须加快改变汽车能源过度依赖石油的状态。
• 2.环境保护燃油汽车完全依赖于汽油、柴油等石油提炼物，这些燃料的燃烧不可避免地会产生空气污染，并给周围环境带来严重的噪声污染。燃油汽车不仅会释放出有毒的气体和粉尘污染当地环境，还会释放出导致全球变暖的温室气体。据统计，全球16%的CO2排放来自于汽车尾气[插图]。除此之外，燃油汽车尾气还含有以CO、HC、NOx和微粒为主的有害物质，大中型城市空气污染中，CO、NOx和微粒的污染占比分别达到80%以上、40%以上和20%以上[插图]。除汽车尾气污染外，城市区域主要交通道路上汽车产生的噪声也成为市内噪声的主要来源。据统计，城市区域主要交通道路上，汽车产生的噪声可达65～75dB(A)，汽车鸣笛频繁的区域甚至高达80dB(A)以上，占市区噪声的40%以上，这对市民的正常生活和工作产生了明显的影响[插图]。
• 从环保的角度看，纯电动汽车是零排放的市区交通工具。如图1-16所示，如果在能源全生命周期内对燃油汽车和纯电动汽车的排放进行对比分析，就可发现，在全球范围内，纯电动汽车产生的有害排放物要比燃油汽车少很多。大力发展纯电动汽车，实现交通能源转型和交通可持续发展已成为国际共识。为降低或至少控制由道路交通所造成的空气污染恶化速度，1990年，美国加州大气资源管理局(CARB)颁布了一项法规，规定1998年在加州出售的汽车中有2%必须是零排放车辆(ZEVs)，到2003年零排放车辆占比应达到10%。受美国加州法规的影响，众多国家都开始制定类似法规。随着我国经济发展和汽车保有量的持续增长，环保压力日益增大。虽然近两年我国加大了环境保护的力度，全国城市平均空气质量明显好转，但目前的大气污染程度仍然与理想的空气环境有一定差距。汽车尾气排放已成为大城市本地污染物的主要来源。根据原环境保护部（现生态环境部）2016年的报告，北京31.3%、上海29.2%、杭州28%的细颗粒物来自机动车。
• 1.1.3.2 发展纯电动汽车是我国实现汽车强国战略的重要路径之一我国大规模发展乘用车工业不过20年，汽车技术，尤其是内燃机技术与世界先进水平相比有较大差距。而我国在纯电动汽车领域的技术差距较小，因此汽车工业发展在面临挑战的同时，也获得了缩小与世界先进水平差距的机遇。世界汽车工业正进入一个以电动化、智能化、共享化为标志的变革时代，汽车技术、运用方式与消费理念都会产生重大改变，这必将引发全球汽车产业结构的大调整与市场重塑。我国在新能源汽车领域已经取得巨大成就。2018年，我国新能源汽车产销分别完成127万辆和125.6万辆，比上年同期分别增长59.9%和61.7%。其中，纯电动汽车产销分别完成98.6万辆和98.4万辆，比上年同期分别增长47.9%和50.8%。2018年，全球新能源汽车累计销量突破564万辆，我国占比达52.8%，为节能减排、应对气候变化做出了重要贡献。随着纯电动汽车的普及，汽车将演变为数量可观的有利用价值的分布式储能系统，成为智能电网的重要组成部分，促进能源体系的变革。电动化是智能化的最佳载体，尽管各国对共享化未来发展的规模与愿景有不同预期，但可以预测，应用电动化与智能化成果实现一定范围的共享化将成为未来汽车运用的重要发展趋势。我国已在十多年前统一认识、制定规划、实施有效政策，大力推动电动化，取得了令人瞩目的成果，带动了我国汽车整车、关键零部件与基础设施技术的发展，走到了国际前列。

 1.2 纯电动汽车构型与分类

• 1.2.1 纯电动汽车驱动系统构型纯电动汽车的驱动系统主要包括驱动电机和传动系统，根据驱动电机的分布、传动系统的形式可分为多种不同的构型。驱动系统构型一般分为两类，即集中式驱动和分布式驱动。其中，集中式驱动只有一个动力源，通过传动系统将动力分配至各驱动轮，而分布式驱动具有多个驱动电机，且每个驱动电机对单个车轮进行独立驱动。
• 1.2.1.1 集中式驱动集中式驱动是目前广泛应用于纯电动汽车的一类驱动系统构型，其布置形式所需底盘与燃油汽车底盘相比改动较小，以集中式电驱动总成代替燃油汽车的发动机及变速器，再通过传动系统将动力分配于各驱动轮上。随着纯电动汽车产业的发展，集中式驱动构型技术也在不断变革。在发展过程中，根据驱动电机个数的不同以及传动系统形式的区别，集中式驱动衍生出了多种不同的驱动系统构型，可满足乘用车、商用车和特种车等多种类型纯电动汽车的动力性需求。单电机直驱是目前应用较广泛、技术发展相对成熟的一种集中式驱动系统构型。单电机直驱构型结构如图1-17所示，主要由驱动电机、固定传动比减速器以及差速器构成。其驱动方式较为简单，驱动电机输出动力，经过减速器将输出转矩放大后传至差速器，最后通过差速器分配给驱动轮。这种构型结构简单紧凑，易于布置，由于不需要换档，驱动系统的控制也较为简单，在软、硬件和成本方面都具有一定的优势。但这种构型的传动系统传动比固定，不能选择变速档位，因此驱动电机要保证纯电动汽车能在起动、加速和爬坡等不同工况下的动力性需求，这就要求驱动电机具备较高的起动转矩和较大的后备功率。另一种应用范围较广的驱动系统构型是单电机+变速器，其基本结构如图1-18所示。这种构型与单电机直驱构型的主要区别是将固定传动比减速器替换为变速器，在其基础上增加了多个档位，通过换档来满足不同工况下的动力需求。这种构型可满足更多工况下的动力需求，拓宽了驱动系统的转矩及功率输出范围，对整车动力性有较大提升。同时，由于具有多个档位，其对驱动电机的要求也相对较低。但相比单电机直驱构型，其结构较复杂、尺寸较大，需要通过电机和变速器的一体化设计等方式来降低布置难度。此外，其控制相对复杂，控制过程中需要综合考虑电机控制及换档规律、换档平顺性等问题。总之，单电机+变速器构型具有更好的动力性，但受结构及控制特点影响，其成本高于单电机直驱构型。
• 近年来，由于纯电动汽车的整车动力性需求有所提升，发展出一种多电机耦合驱动构型。多电机耦合驱动构型种类繁多，各具优势。如图1-19所示，根据耦合方式的不同，可分为多电机直接串联耦合驱动、多电机+动力耦合装置等多种驱动系统构型。总体来说，相对目前广泛应用的单电机直驱构型与单电机+变速器构型，多电机耦合驱动构型有以下特点：1)可达到更高的功率及更大的转矩输出范围。2)通过改变动力耦合方式可实现多种不同的动力特性，适用于更多车型。3)控制更加灵活，可通过多电机、多档位协调控制，将各电机的输出动力进行合成与分解，达到最佳动力性能。4)可通过合理、高效的动力分配实现驱动系统能量管理，降低能耗。由于其结构复杂度高，为保证结构紧凑、降低布置难度，对零部件的加工精度及装配精度也有了更高的要求。同时，其控制难度大，控制策略的优劣将直接影响动力输出。一旦出现控制不合理的情况，各电机就可能互相干涉，影响整车可靠性。因此，多电机耦合驱动构型的研发及制造成本相比前两种构型都有一定程度的提高。
• 1.2.1.2 分布式驱动分布式驱动构型一直是纯电动汽车领域的研究热点，近年来也开始逐步实现产业化。分布式驱动是指整车动力需求由多个电机共同满足，且每个驱动电机对单个车轮进行独立驱动的一类构型。根据驱动电机的分布形式及布置方式，主要可分为轮边电机驱动构型和轮毂电机驱动构型。由于分布式驱动构型具有多电机独立控制的特点，其与传统汽车只有单一动力源的底盘结构形式差别较大，故需要对底盘进行重新设计以满足布置需求。轮边电机驱动构型与轮毂电机驱动构型可实现单个车轮的独立驱动，其传动系统一般采用固定传动比减速器，也有个别车型应用了多档变速器。相比其他构型，其主要特点如下：1)取消了机械差速器等传动系统的组成部分，进一步缩短了传动链，提高了传动效率，降低了传动噪声。2)简化了传动系统，在重新对底盘结构进行合理设计后，布置更加方便，能节省更多空间。3)每个驱动轮独立控制，不受机械差速器固有工作特性的限制，能更精确地调节驱动轮动力输出，通过多电机协调控制实现电子差速控制、驱动防滑控制和横摆力矩控制等，更容易实现汽车底盘集成控制，能在各种复杂工况下达到更好的整车控制效果，改善车辆的行驶性能和主动安全性。4)可实现电动轮制动能量回收的独立控制，与其他驱动系统构型相比，具有更高的能量回收效率，有助于提高纯电动汽车续驶里程。这两种构型对整车控制策略的要求很高，驱动控制问题尚未完全解决。此外，由于其布置形式的特殊性，必须对底盘进行重新设计，研发制造成本均高于其他构型。轮边电机驱动构型的结构如图1-20所示，其驱动电机布置于车轮附近，动力经过固定传动比减速器、驱动半轴传至驱动轮，甚至取消驱动半轴，动力直接通过布置在车轮轮边或车轮内部的减速器进行传递。轮毂电机驱动构型的结构如图1-21所示，其驱动电机及减速器直接集成于车轮中。这二者相比，轮边电机驱动构型对轴向布置空间的要求较高，传动链也较长。轮毂电机驱动构型虽然结构十分紧凑，传动链最短，但其驱动电机与传动系统均属簧下质量，可能影响整车的垂向动力学特性。此外，由于电机布置在轮毂内，这种构型对电机的可靠性要求也更高。
• 除上述车型外，还有采用多电机集中式驱动构型的车型，例如上汽荣威MARVEL X（双电机耦合驱动），如图1-24所示。其动力源由两个永磁同步电机并联组成，最大输出功率分别为85kW和52kW，最大转矩分别为255N·m和155N·m，总功率为137kW，峰值转矩为410N·m。两个电机之间通过电控耦合机构连接，在一般工况时会断开小功率电机，急加速或激烈驾驶时两台电机一起工作。上汽荣威MARVEL X主要参数见表1-4。
• 国外的纯电动乘用车代表车型为特斯拉Model 3，如图1-25所示。该车为前后轴双电机全轮驱动。Model 3的动力系统分别由驱动前轮的交流感应电机和驱动后轮的永磁同步电机组成，前驱电机的最大功率为144kW，后驱电机的最大功率为192kW，动力系统总功率336kW。其最高续驶里程可达499km，百千米加速时间仅3.5s。特斯拉Model 3主要参数见表1-5。
• 1.2.2.2 纯电动商用车纯电动汽车在商用车领域的推广主要集中在公交客车、通勤客车、物流车和环卫车等方面。郑州宇通、比亚迪、山东中通、北汽福田、厦门金旅等国内企业在纯电动客车领域均有重要地位，具有较丰富的新能源客车开发经验与技术储备，销量在国内处于领先水平。宇通E8为8m纯电动公交客车，如图1-26所示，续驶里程为135～165km（C-WTV C工况）。宇通E8公交车主要参数见表1-6。中通LCK6850EVGA1型纯电动公交客车，如图1-27所示，专门针对城市公交市场，采用全承载车身、锂离子动力电池组，二级踏步，大空间。多种动力电池组合，续驶里程可达120km以上，具体参数见表1-7。福田BJ6123EVCA纯电动城市客车，如图1-28所示，它采用纯电直驱结构，动力布置紧凑，能量利用率高。此外，还采用轻量化车身技术，整备质量轻，具体参数见表1-8。

 1.3 发展纯电动汽车需要解决的基本问题及关键技术

• 1.3 发展纯电动汽车需要解决的基本问题及关键技术新能源汽车是我国战略新兴产业之一。“十五”期间，科技部设立电动汽车重大专项，提出“三纵三横”研究开发布局，以纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车三种整车研究为核心，开展相关研究工作。北京奥运会成功应用纯电动汽车后，在重大利好政策的刺激下，我国纯电动汽车产业化工作进入快车道。纯电动汽车基本问题如图1-33所示。相较燃油汽车，纯电动汽车在环保、能量效率、构型选择和智能化等方面均有较大优势。但是，受限于当前的动力电池和储能系统技术、电机驱动技术和基础设施等，纯电动汽车存在续驶里程短、能量补充困难和环境适应性差等缺点，这影响了它的成本和用户认知度，进而阻碍了其产业化发展。为解决这些问题，近年来，电动汽车行业积极抓住新材料、网联化和智能化等新一轮技术革命所带来的机遇，大力推进电动汽车高能材料、高效驱动、新型电力电子、轻量化和智能网联等关键技术的发展，实现电动汽车在低能耗、高安全、高可靠、全气候和智能化五个方面的性能提升。
• 1.3.1.1 续驶里程问题续驶里程是制约纯电动汽车产业化的关键因素之一。作为燃油汽车的替代工具，纯电动汽车研发的主要目标之一就是在续驶里程方面与燃油车基本一致。经过近几年动力电池及电机技术的发展，纯电动汽车续驶里程逐渐接近燃油汽车单次满油续驶里程。如图1-34所示，通过对截至2019年4月底累计发布的24批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中的1013款纯电动乘用车与4758款纯电动商用车进行统计，我国纯电动乘用车和商用车的平均续驶里程已由2014年的160km和234km分别增长至364km和445km，提前实现了《节能与新能源汽车技术路线图》中提出的到2020年纯电动乘用车平均纯电续驶里程达到300km的目标[插图][插图] 。
• 提升纯电动汽车续驶里程最简单的方式就是增加动力电池容量，但这会带来以下困难：1)车辆成本提高。2)车辆整备质量提升。3)车辆布置困难。4)车辆能耗增加。从长远发展的角度看，最佳解决方案是提升动力电池组的能量密度[插图]。制约纯电动汽车续驶里程提高的最主要因素就是动力电池组的比能量，近年来动力电池组的能量密度已经获得了一定幅度的提升，但提升速度没有达到我国发展规划的要求[插图]。根据2012年国务院印发的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》要求，纯电动汽车动力电池模块比能量在2015年应达到150W·h/kg，到2020年应达到300W·h/kg。截至2018年，我国主流车辆的动力电池系统能量密度为140～150W·h/kg，略低于2015年要求的水平，而磷酸铁锂动力电池单体的能量密度已达到160W·h/kg，三元锂动力电池单体的能量密度已达240W·h/kg。
• 1.3.1.2 能量补充不便问题纯电动汽车充电时间长、能量补充慢的问题，也是制约其发展的关键因素[插图]。首先，纯电动汽车能量补充的形式，决定了其能量补充速度很难与燃油汽车媲美。最近几年发展迅速的动力电池快充技术，将充电时间逐渐缩短到30min以内，在很大程度上加速了纯电动汽车的发展和普及，各车型充电时间如图1-35所示。
• 此外，能量补充基础设施建设未能跟上纯电动汽车数量增长的步伐，也加剧了纯电动汽车能量补充问题[插图]。传统汽车的能量补充设施经过多年建设已经形成了非常完善的体系，而纯电动汽车基础设施发展时间较短，能量补充设施数量及分布都跟不上需求，造成了纯电动汽车能量补充困难的问题。但与传统汽车不同，纯电动汽车的能量补充方式有一定多样性，例如充电及换电两种方式，可根据车型及具体需求选择不同的能量补充方式，以提高能量补充效率。近年来，纯电动汽车的能量补充设施正在逐步完善，并朝着进一步多样化的趋势发展。除此之外，相关的政策也在推进能量补充设施的发展，例如北京市住房与城乡建设委员会开展的“社区自用充电设施电源建设示范”工作，截至2016年底，已协调5000余个小区安装了自用充电桩2.6万个，并于2017年继续投放了500个移动充电设备。
• 1.3.1.3 动力蓄电池环境适应性问题纯电动汽车是一种采用电力驱动的全天候多地形交通工具，其采用动力电池作为能量源，因此动力电池的环境适应性直接影响纯电动汽车在各种气候环境下的使用稳定性。受动力电池技术限制，当冬季气温过低时，其活性降低，充电能力随之降低，具体表现是充放电效率大幅下降，续驶里程锐减[插图]。美国AAA汽车研究中心最新的研究表明，当温度降至-6℃时，续航里程比常温工况(25℃)下降约41%。影响纯电动汽车环境适应性的不仅是低温下动力电池性能表现降低，从节能增效方面考虑，现有电动客车冬季采暖方案为PTC电阻加热，无法满足采暖负荷要求，且电阻加热能耗大，冬季制热消耗电能可达1/3以上，严重制约纯电动汽车续驶里程。因此，低温下的纯电动汽车，为保证动力充足，减少能量消耗，需从动力电池、车身保温密封和整车热管理等方面提出更高的设计要求。
• 1.3.1.4 安全性问题纯电动汽车与传统汽车相比，能量源、驱动系统结构都发生了极大改变。纯电动汽车装有驱动电机系统和动力电池系统等高电压部件，车辆超过300V的电压可能危及人身安全和高压零部件的使用安全。因此相对传统汽车来说，对纯电动汽车的高压安全防护提出了更高的要求。根据纯电动汽车的整车布置和高压电路特点，设计合理安全的防护系统，是确保驾乘人员和车辆设备运行安全的关键。纯电动汽车安全事故很多来自碰撞后的动力电池热失控。清华大学欧阳明高院士提出，动力电池有三种主要热失控机理：第一种是负极析活性锂，就是快充或过充引起的；第二种是隔膜刺穿导致内短路引发热失控；第三种是高比能量动力电池正极析活性氧，析氧密度随着比能量提升不断下降。针对第一种机理和第二种机理主要是预防诱因，即动力电池充电析锂与快充控制。保障动力电池系统安全性的核心，除提高产品生产工艺水平外，研发先进的动力电池管理系统至关重要。短期内，液态电解液的锂离子动力电池是主流，通过动力电池管理系统和热蔓延的抑制来防止安全事故发生，这类动力电池能满足电动汽车500km续驶里程的要求。中长期，从液态电解质电池逐步过渡到全固态电解质电池。据估计，2030年全固态动力电池将得到产业化应用。固态锂动力电池具有高能量密度、高安全性和长循环寿命等优点。固态锂动力电池的固态电解质能与正极形成稳定的界面，同时能阻挡锂枝晶的穿刺，使采用高电压的正极材料和高能量密度的锂金属负极成为可能。在提高安全性的同时提升了锂动力电池的能量密度，极大提升了新能源汽车的经济性和环保性。近年来，为敦促生产企业不断提升新能源汽车产品的核心竞争力和安全性能，国家标准化管理委员会等颁布GB/T 31498—2015等一系列针对新能源汽车碰撞电安全相关的法规及标准。2018版C-NCAP将纯电动汽车碰撞电安全性能正式纳入星级评价规程。由此可见，我国对纯电动汽车碰撞安全性能的重视度和要求不断提升。对纯电动汽车来说，发生碰撞后如果动力电池包损坏，则车辆存在发生燃烧甚至爆炸事故的可能。而在纯电动汽车专属平台上制造的产品，动力电池、电机和变换器等设备一开始就被整合进整车结构之中，因此动力电池和相关组件属于承受碰撞负荷的一部分，在设计过程中需要考虑碰撞过程中分配冲击负荷，使伤害最小化。因此，车辆的结构设计在很大程度上决定了其是否安全。1.3.1.5 电磁兼容问题电磁兼容一般意义上指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。传统汽车的发动机控制系统、自动变速系统、制动系统、空气调节系统以及行驶系统中有很多电子设备，不可避免地会产生电磁干扰问题。纯电动汽车的电子器件更多，且配备有高压电气元件，会对周围环境产生更强的电磁干扰。特别是采用大量功率半导体器件（例如IGBT、MOSFET等），功率半导体器件的快速通断会产生较高的电流变化率di/dt和电压变化率du/dt，是传导发射和辐射发射的根源。由于纯电动汽车中电能应用区域较多，不可避免地使各区域之间的电磁兼容处理难度提高。同时，随着网联化和智能化的发展，更多低压电气元件得到应用，这些部件本身对复杂电磁环境的承受能力较弱，降低了纯电动汽车的抗干扰能力。未来高功率密度电驱动系统、智能化控制系统的发展，对于纯电动汽车电磁兼容性的要求也日益严格。电磁干扰的来源主要有车体静电干扰源、车外电磁干扰源以及车内电磁干扰源。车体静电干扰指汽车在高速行驶过程中，车体与空气不断摩擦产生静电，当电荷积累到一定数量且外在条件合适时，就会发生放电现象，同时产生高频辐射。车外电磁干扰主要发生在某些特定环境下，例如无线电发射基站和变电站等强辐射源附近。车内电磁干扰指汽车内部的电子电气设备在正常工作时产生的电磁干扰，充电系统和电驱动系统等强电设备在运行过程中都会产生强烈的电磁辐射，并对车内其他部件产生严重的电磁干扰，这是车内电磁干扰的主要来源，也是目前纯电动汽车电磁兼容问题的主要研究对象。无论哪种干扰都严重影响着纯电动汽车行驶的安全性和可靠性。传统汽车的某些电磁兼容整车测试标准也适用于纯电动汽车，除此之外，还加入了专门针对纯电动汽车的测试标准，两者构成了纯电动汽车电磁兼容整车测试标准。电磁兼容试验方法众多，所遵从的标准也不尽相同。表1-13为国内外纯电动汽车的电磁干扰、电磁兼容测试标准。
• 1.3.2 纯电动汽车发展的关键技术纯电动汽车是一个涉及多学科技术的复杂系统，包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和电化学技术等。为实现纯电动汽车高效节能与安全舒适，就要突破高能量、高安全及全气候动力电池技术、高效电驱动及智能网联等一系列关键技术。
• 1.3.2.1 高能量、高安全动力电池技术动力电池是纯电动汽车的动力源，对纯电动汽车普遍采用的锂离子动力电池系统的要求为高比能、高安全、高可靠、高稳定、长寿命宽温区以及低成本等。国家“十三五”规划对单体电池的技术目标为：能量密度大于300W·h/kg，循环寿命大于1500次，成本低于0.8元/W·h。对全固态锂离子动力电池的技术目标为，能量密度大于500W·h/kg，循环寿命大于1500次或60万km。这就要求从动力电池本体研发上，改良正负极材料、隔膜和电解液，并提高制造工艺。为保证持续高效的动力，不仅动力电池技术需要提高，动力电池管理系统也很重要。如果动力电池管理不当，则会严重影响使用安全和循环寿命。例如低温环境、热冲击等都会加剧单体差异化，使动力电池寿命缩短，而锂离子动力电池连接或充放电不当都可能导致严重安全问题。因此，鲁棒性高的动力电池连接、充放电控制以及合理的热管理和能量管理都是保证动力电池寿命，规避安全隐患的关键技术。宁德时代高比能快充锂离子动力电池采用石墨负极材料，运用孔道优化和“快离子环”技术，在石墨表面打造一圈高速通道，大幅提高了锂离子在石墨负极的嵌入速度，可实现10～12min充电80%SOC，结合正负极极片的晶体取向和容量过量系数等参数调配，配套机械件、热管理和快充BMS设计，使化学体系和动力电池设计参数达到最优匹配，在实现快充的同时保持高能量和长寿命等特点。图1-36所示为高比能快充锂离子动力电池。
• 1.3.2.2 全气候动力电池及动力电池热管理技术相较燃油汽车，纯电动汽车耐低温性能差，低温工况容易出现续驶里程缩短及动力性能降低等问题。动力电池低温性能差是导致这些问题的主要原因。如何提高动力电池的低温性能，开发全气候动力电池系统，成为纯电动汽车研究的关键问题之一。全气候动力电池系统研发主要包括全气候动力电池组及动力电池管理系统研发。在全气候动力电池组研发方面，通过动力电池加热技术，可在低温环境下将动力蓄电池温度在短时间内加热至适合其工作的温度，从而提升动力电池组的低温性能。目前主要有电阻加热、液冷式加热以及新型全气候动力电池组应用的内电阻自加热等方式。其中，电阻式是采用流过电阻时产生的大量欧姆热，通过电阻与动力电池直接接触对动力电池进行加热。目前，常采用金属膜加热，通过外部加热电源对金属膜通电，实现低温加热过程。液冷式加热是与动力电池液冷系统集成实现的低温加热方案。低温环境下，外部热源对液冷系统中的液体进行加热，高温液体通过动力电池系统内部的液冷管道流动，实现对动力电池的低温加热过程。除此之外，北京理工大学孙逢春院士团队与中信国安盟固利公司合作开发的新型全气候动力电池组，从新型内阻自加热单体电池、先进成组技术以及动力电池加热回路等方面入手，实现了动力电池的快速加热。内阻自加热单体电池在现有锂离子动力电池结构的基础上，增加了一个第三极，即快速加热极（金属箔），其结构如图1-37所示。在低温条件下，当需要进行动力蓄电池加热时，开关闭合，电流被强制流过金属箔，产生大量欧姆热，动力蓄电池快速加热。加热到最佳工作温度后，开关断开，锂离子动力蓄电池正常工作。
• 1.3.2.3 高效电驱动技术电驱动系统利用动力电池提供的能量，通过包括驱动电机、电机控制器和传动系统在内的一系列零部件实现车轮驱动及车辆行驶。作为车辆关键系统，电驱动系统决定了纯电动汽车的动力性、经济性等重要性能指标。在纯电动汽车续驶里程较短及能量补充不便的背景下，电驱动系统的高效运行显得尤为重要。近年来，基于碳化硅(SiC)材料的功率逆变控制技术、一体化动力传动技术和分布式驱动技术等成为研究应用热点。基于SiC材料的宽禁带半导体与常规半导体器件对比如图1-38所示。SiC材料应用是实现功率逆变控制器功率密度提升、效率提升和成本减半的关键要素。全SiC控制器功率密度比Si控制器提升2倍以上，采用SiC半导体的功率逆变控制器将进一步提升电驱动系统性能。特斯拉开发并量产了基于SiC MOSFET的大功率电机控制器，它具有开关频率高、耐热性能好、损耗低的优势，并可使电机进一步小型化和轻量化，已大批量应用于Model 3纯电动汽车。
• 驱动转矩从电机输出后，还要经过变速器、传动轴等才能传递到车轮上，高效传动是高效驱动必不可少的一部分。传动系统采用变速器不仅能为车辆行驶提供行驶动力，还能根据驾驶人意图和车辆行驶状态提供不同的行驶档位，以提高纯电动汽车的动力性与经济性。作为纯电动汽车，传动系统匹配的好坏直接影响电机的功率能否最优发挥，以及电机是否经常在效率最高的转速范围内工作，因此选择良好的换档控制策略至关重要。为提高效率，可选用自动机械变速器(AMT)，实现车辆动力性的大幅提高，使低速加速和爬坡电流降低50%，且能耗降低5%～10%。此外，动力系统构型的演化历程由直驱发展到带自动变速器的动力总成、无动力中断的动力总成、分布式驱动系统等多种构型。而构型多样化的同时，也带来了整车控制策略要求更高、驱动控制问题复杂等难题。在分布式驱动技术方面，米其林研发出一款将轮毂电机和电子主动悬架都整合到轮内的驱动/悬架系统，如图1-39所示。比亚迪汽车高效大功率轮边驱动系统如图1-40所示，其关键技术包括电机与驱动桥轮边深度集成技术、电机铁心直冷技术、分布式精准控制技术和IGBT复用融合技术等先进创新技术，解决了纯电动城市客车全通道低地板的技术难题，已大批应用在纯电动城市客车上。
• 1.3.2.4 高带宽整车智能电控平台技术随着电子电气技术的不断发展，纯电动汽车相继引入了动力电池及充放电控制、驱动电机控制、电动空调、电动助力制动及电动助力转向控制等系统/装置，以及车辆关键状态数据上传与存储等功能。这些电控功能的引入，使车辆控制部件越来越多，相互之间的通信与控制传输需求增大。在此背景下，大量数据的快速交换、高可靠性及成本要求使电动化底盘必然向深度网联化的方向发展，高速CAN FD总线通信、以太网通信和域控制器等先进技术正走向大规模产业化应用，纯电动汽车的整车电控平台需要有更高的功能带宽[插图]。图1-41所示为博世(BOSCH)提出的整车电子电气架构规划。
• 整车智能电控平台的关键技术包括动力与底盘控制器、高级辅助驾驶控制器等域控制器技术，以及以太网、CAN FD等新型通信总线技术等。域控制器能融合本域内所有相关传感器信息，进行控制决策后，将执行命令发送到执行器。因此，要求域控制器具有较高的数据运算与处理能力，且具备多路通信接口、控制线接口。以自动驾驶域控制器为例，它需要具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制、无线通信和高速通信能力。通常需要外接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达以及IMU等设备，完成的功能包含图像识别、数据处理等。为满足可靠、高效数据传输需要，CAN FD通信总线以其高速率、低成本、高可靠性的优点，正越来越多地应用于车辆实时控制。此外，更高速率的以太网通信也已经在部分量产车型上应用。1.3.2.5 基于电动助力的能量回馈式制动技术在城市行驶工况中，直接驱动车辆运行的能量大约有1/3～1/2在制动过程中耗散。能量回馈式制动技术可对这部分耗散的能量加以回收利用，显著延长纯电动汽车一次充电的续驶里程。由于来自电驱动系统的回馈制动力受到车辆状态、动力电池和电机特性的影响，需实时对摩擦制动力进行调节，以满足总制动力需求，这是能量回馈式制动系统要重点关注的问题。能量回馈式制动系统的两个主要任务是调节轮缸制动压力和维持制动踏板感觉。近几年，出现了一种基于电动助力的能量回馈式制动技术，并开始在纯电动汽车上应用。不同于基于EHB的能量回馈式制动技术，基于电动助力的能量回馈式制动技术采用电机直接推动制动主缸的思路，摒弃了高压蓄能器，避免了泄漏风险。基于电动助力的能量回馈式制动系统（图1-42）利用踏板行程传感器感知驾驶人制动需求，进而控制电机直接驱动传动机构，与制动踏板推杆一起，经过耦合机构，一同推动制动主缸活塞建立制动压力，制动主缸中的制动液经过液压调节单元进入制动轮缸。位于耦合机构中的踏板力补偿器可消除踏板力的变化，保证制动踏板感觉。当压力供给单元失效时，制动踏板仍可直接推动制动主缸，产生足够的制动力来满足制动法规。
• 基于电动助力的能量回馈式制动技术的难点在于电机和减速机构，要求电机体积小、转速高（每分钟超过1万转）、转矩大、散热好，还要求减速机构加工精度高，同时要与主缸液压系统一起进行系统优化。目前，该技术的典型产品有德国Continental公司的MK C1（图1-43）和BOSCH公司的iBooster（图1-44）。博世(BOSCH)公司的系统方案是由iBooster提供电动助力，由ESP进行轮缸制动力调节。而Continental公司的MK C1则更进一步，电动助力机构与摩擦制动力调节机构被高度集成至一个小型轻量级制动模块中。
• 图1-44 BOSCH公司iBooster 基于电动助力的能量回馈式制动技术高度匹配纯电动汽车制动系统的需求，消除了对电动真空泵助力的依赖，实现了制动踏板与制动系统执行机构的解耦，解决了摩擦制动力调节与制动踏板感觉模拟的矛盾，为制动能量回收提供了最佳解决方案，是未来电动汽车制动技术的发展方向之一。 1.3.2.6 基于超轻质材料的轻量化技术 汽车的轻量化是指在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量。在纯电动汽车领域，车身及动力电池的轻量化，能有效提升整车的续驶里程及能量利用率。相关研究表明，纯电动汽车每减少100kg重量，续驶里程可提升10%～11%，还可减少20%的动力电池成本及20%的日常损耗成本[插图]。即在不考虑其他影响因素的情况下，轻量化可有效提高纯电动汽车的续驶里程，减少全生命周期对动力电池的消耗量和动力电池使用成本。续驶里程的增加和动力电池使用成本的减少，都促使消费者购买和使用纯电动汽车的意愿增加，从而推动纯电动汽车的市场化进程，这使在轻量化方面的改进更加迫切。从国际上看，包括宝马i3、特斯拉Model系列等产品都已经实现了轻量化材料的规模化应用，而在国内，包括吉利、北汽等一大批自主品牌车企都在轻量化道路上进行了一系列积极探索。 采用轻量化材料是车身轻量化设计的重要入手点之一。轻量化材料主要包括超高强度钢、轻质合金和非金属复合材料等，通过使用高比强度、高比模量的材料替换传统汽车用材，实现零件或系统的轻量化。表1-15为典型车用金属材料和非金属材料性能。 表1-15 典型车用金属材料和非金属材料性能对比 [插图] 从力学性能对比方面不难发现，碳纤维复合材料(CFRP)比强度、比模量高，力学性能突出。同时，其设计自由度高、易于集成，且耐疲劳度强、耐腐蚀性好，更易满足汽车各项性能需求，达到显著的轻量化效果。近几年，CFRP在轻量化车身中的应用比例逐渐增加，同时，应用范围从非结构件向次结构件、结构件逐步拓展，已成为先进轻量化材料的应用热点。
• 1.3.2.6 基于超轻质材料的轻量化技术汽车的轻量化是指在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量。在纯电动汽车领域，车身及动力电池的轻量化，能有效提升整车的续驶里程及能量利用率。相关研究表明，纯电动汽车每减少100kg重量，续驶里程可提升10%～11%，还可减少20%的动力电池成本及20%的日常损耗成本[插图]。即在不考虑其他影响因素的情况下，轻量化可有效提高纯电动汽车的续驶里程，减少全生命周期对动力电池的消耗量和动力电池使用成本。续驶里程的增加和动力电池使用成本的减少，都促使消费者购买和使用纯电动汽车的意愿增加，从而推动纯电动汽车的市场化进程，这使在轻量化方面的改进更加迫切。从国际上看，包括宝马i3、特斯拉Model系列等产品都已经实现了轻量化材料的规模化应用，而在国内，包括吉利、北汽等一大批自主品牌车企都在轻量化道路上进行了一系列积极探索。采用轻量化材料是车身轻量化设计的重要入手点之一。轻量化材料主要包括超高强度钢、轻质合金和非金属复合材料等，通过使用高比强度、高比模量的材料替换传统汽车用材，实现零件或系统的轻量化。表1-15为典型车用金属材料和非金属材料性能。
• 从力学性能对比方面不难发现，碳纤维复合材料(CFRP)比强度、比模量高，力学性能突出。同时，其设计自由度高、易于集成，且耐疲劳度强、耐腐蚀性好，更易满足汽车各项性能需求，达到显著的轻量化效果。近几年，CFRP在轻量化车身中的应用比例逐渐增加，同时，应用范围从非结构件向次结构件、结构件逐步拓展，已成为先进轻量化材料的应用热点。以宝马为例，在i3、i8等车型中大量应用了CFRP。其中，i3首次采用CFRP单体式车身，其整备质量仅为1250kg，较传统电动汽车减重250～350kg。实现车身轻量化后，宝马i3获得了更多的动力电池空间及续驶里程，操控稳定性和动力性能也得到显著提升。应用CFRP轻量化技术是纯电动汽车轻量化的有效手段，但成本高和成型效率低是该技术实现大批量应用的主要阻碍。三维编织(3D-braiding)技术具有材料利用率高、成型效率高两大优势，可使材料利用率从传统成型方法的70%提高至90%，大幅降低材料成本，同时省去传统复合材料部件成型中的“裁剪”和“铺覆”两个加工环节，大幅提高部件成型效率。因此可实现CFRP技术在汽车轻量化领域大批量应用的“降本增效”。北汽新能源基于该技术开发了碳纤维侧围加强梁与前防撞梁部件，如图1-45所示。
• 1.3.2.7 车内声品质优化设计技术与传统内燃机汽车不同，纯电动汽车取消了发动机，电机及相关附件总声压级显著降低，动力系统振动量级约为发动机的1/10，动力系统NVH性能有所提升。但由驱动电机取代发动机，又会带来定子和转子谐波激励噪声问题，例如电机48阶、96阶啸叫。此外，在30～100km/h匀加速时，纯电动汽车内部噪声比常规内燃机汽车低8dB(A)，声压仅为普通内燃机汽车的40%。同时，内部噪声频率成分也有差异，内燃机汽车中低频动感十足，能感受速度的变化。纯电动汽车无法感知速度变化，缺乏驾驶激情，还会有烦躁的高频声干扰。纯电动汽车存在高频电磁噪声，高频噪声（大于1000Hz）所占比例越高，驾驶中给人的感觉就越“吵”。在消除了发动机噪声后，空调噪声、助力转向泵的噪声反而凸显。受车内热负荷变化的影响，压缩机吸气口附近会产生气流脉动，使压缩机振动加剧，并通过管路传至乘客舱。吸气单向阀可减小此脉动产生的振动和噪声。电子液压助力泵通过支架安装在左前轮前方、左纵梁下侧，通过高压油管及回油管与转向机相连。转向系统采用EHPS电子液压助力转向泵，噪声较大[插图]。驾驶人对纯电动汽车的噪声抱怨已不再是噪声级的高低，而是声品质的水平。提高纯电动汽车乘坐舒适性，离不开上述声品质问题的优化设计。当前，除常规NVH降噪方法外，主动降噪、主动悬置和主动悬架减振技术也开始应用于纯电动汽车车内声品质优化领域。Bose公司在CES2019上发布了QuietComfort主动路噪消减技术，其原理如图1-46所示。根据路噪与车内噪声传感器探测到的噪声信息，降噪控制器控制车内扬声器发出与路噪反向的声学信号，最终消减车内声音。
• 1.3.2.8 基于人工智能的自动驾驶技术纯电动汽车的发展，使汽车实现了由机械化向电气化的转型，为下一步向智能网联化的转型提供了电动化的基础平台。线控技术在纯电动汽车上的广泛应用也助力了纯电动汽车的智能化发展。按照SAE L0～L5级自动驾驶分级标准[插图]，自动驾驶车辆要有自动制动、自动转向的能力。具体分级依据见表1-16。线控化底盘以其响应迅速等优势，能满足车辆智能化要求。
• 在目前人工智能、计算机视觉和电子通信等技术快速发展的背景下，国内外研究机构都在重点研究复杂交通环境下的环境信息感知及处理技术、车辆定位技术，以及包括车辆决策、控制技术在内的自动驾驶技术。目前，一些企业的产品已实现L2级自动驾驶，未来将全面向L3及更高等级的自动驾驶技术发展。特斯拉Model 3的Autopilot系统目前已实现L2级自动驾驶，在驾驶人主动监控的条件下，可实现车道内自动辅助转向、自动辅助加速和辅助制动。传感器包括8个摄像头、12个超声波传感器及前置雷达，各传感器的探测范围如图1-47所示。完全自主驾驶所需硬件已经搭载于特斯拉旗下所有新款车型，未来可向更高等级的自动驾驶技术升级。
• 1.3.2.9 基于5G的纯电动汽车网联化技术在复杂交通环境下实现无人驾驶，需要实时处理大量道路环境信息，因此在5G技术发展的背景下，纯电动汽车也将逐步向网联化方向发展，使纯电动汽车逐渐成为移动互联网、物联网、车联网、云计算、能源存储和可再生能源等先进技术的应用平台，为安全、舒适、节能、环保的驾驶方式和交通出行提供综合解决方案。纯电动汽车可通过整合全球定位系统(GPS)导航技术、车对车交流技术、无线通信及远程感应技术和智能交通技术等，实现人与车、车与车、车与充电网络等之间的互动，将道路、交通、车辆和充电网络等全置于计算机的控制下，构成一个复杂且高效的管理系统，形成以城市交通网及车辆之间的信息实时交互为基础的智慧交通平台，向人们提供更为安全、高效的汽车交通网际互联平台[插图]。华为推出的车路一体化网联技术(C-V2X)是基于已有移动带宽网络（3G、4G及5G）的一种车联网技术，总体架构如图1-48所示。未来将构建包括车用无线通信技术、亚米级（甚至厘米级）高精度定位技术、高精度地图生成与更新技术、包括V2V和I2V等部分的车路协同自动驾驶技术、安全隐私技术、人车交互技术、交通状况全面感知技术以及交通信号优化技术等关键技术的协同式智能交通新体系。总之，纯电动汽车作为新一轮工业革命的标志性、引领性产品，是智能交通（图1-49）、智慧城市的基本单元，是把绿色能源、智能电网、新一代移动通信和共享出行连接在一起的节点，从而推动能源革命、信息革命、交通革命和消费革命，重塑未来愿景。

 第2章 纯电动汽车整车总体设计

• 第2章　纯电动汽车整车总体设计整车总体设计是汽车正向设计开发的核心环节，对产品质量和开发周期起着至关重要的作用。本阶段进行的性能参数匹配与总体方案设计等研发活动直接融入了整车企业特有的研发理念和品牌特色，体现了整车企业的自主创新能力与核心知识产权。本章将系统介绍纯电动汽车整车总体设计要点、开发流程、性能参数匹配计算方法和整车总体方案设计，并对影响整车品质的安全性、电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, EMC)和声品质优化技术进行详细阐述，获得整车设计系统级目标需求，并为各总成系统的设计与匹配提供依据和约束条件。

 2.1 纯电动汽车总体设计概述

• 2.1 纯电动汽车总体设计概述2.1.1 纯电动汽车总体设计要点纯电动汽车不仅需要配置传统燃油汽车上的车身控制、信息娱乐控制、辅助驾驶控制等功能，还因其搭载动力蓄电池系统、驱动电机系统等特有系统会带来驱动型式、总体布置、充放电控制、高压安全以及电磁兼容、电磁噪声等新问题[插图][插图]。纯电动汽车的总体设计有以下要点：1.电驱动系统型式及布置方案设计对于传统燃油汽车，转向、制动、空调、低压发电、冷却等附件依靠发动机的动力进行工作，且受限于发动机外特性，传动系统复杂、体积庞大。这些因素带来的复杂机械连接需求限制了发动机的布置位置，进而限制了传统燃油汽车的构型与空间布置。与传统燃油车相比，电动汽车的转向、制动、空调、低压发电、冷却等附件借助自带电机工作，且得益于驱动电机外特性，其减速器传动比比档位少（甚至为1）、体积小，这使得电动汽车上各子系统间机械耦合少，布置灵活。如何充分利用电动汽车在构型上的灵活性优势进行布置方案设计，是电动汽车研发的首要问题。在进行动力电池和驱动电机布置时，首先应遵循轴荷分配的约束，以使质心位置与中性转向点、风压中心等一致[插图]；布置高压控制器时，应在考虑高压安全约束的前提下，尽量缩短线束、节省成本；布置充电座时，既要考虑减少车身覆盖件模具费用，又要考虑用户日常停车习惯[插图]；而车身、内外饰设计还应考虑动力电池对地板高度的影响，以及电动汽车特有功能带来的按键开关的布置需求。2.动力蓄电池安全及极端环境应对设计动力蓄电池的安全设计是整车设计阶段必须重视的设计要点。当前广泛使用的锂离子动力蓄电池存在热失控的风险，而碰撞挤压带来的电解液泄漏、过充电或长期过放电带来的极柱析锂等，是动力蓄电池热失控的主要原因[插图][插图]。如何进行安全防护设计，确保动力蓄电池不至于在用户使用中轻易受到碰撞、挤压，是电动汽车整车布置及结构设计时需要重点考虑的内容之一。动力蓄电池包由体积较小、形状规则的单体电池（电芯）构成，可设计成扁平的长方体或设计成多个分箱体方便灵活布置，乘用车多布置于车辆的底部，商用车可布置于底部、座椅下或车顶。在布置动力蓄电池箱体时，需要满足离地间隙在13cm以上，且需要根据刮底和撞底两种失效模式进行设计阶段的仿真计算及后期实车试验。动力蓄电池包还应设计安全机制，以防止出现过充电、长期过放电等情况。目前国家正在审批《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（报批稿）强制性标准，将为动力电池的安全设计和使用提供重要依据。动力蓄电池系统设计还应考虑极端使用条件下动力蓄电池的性能与安全问题。作为纯电动汽车的唯一能量源，动力蓄电池系统必须保证在各种极端使用条件下的安全性，且性能不大幅度下降。温度对动力蓄电池的性能与安全有很大影响，如图2-1所示。对于高温、严寒等极端温度条件，通过设计动力蓄电池热管理系统来确保电池的性能和安全性。
• 3.整车电子电气架构设计在车辆功能需求确定后，要进行整车的电子电气架构设计[插图][插图]。作为整车级电控系统集成方案，电子电气架构设计应在电控零部件开发之前进行。按照业务开展顺序，功能需求梳理与实现架构设计、电控部件接口设计、整车通信与控制网络设计、整车高低压线束原理设计，是整车电子电气架构设计的主要内容。整车电子电气架构设计的起始工作，是梳理功能需求，并结合当前零部件资源最终确定单个功能的实现架构。此部分工作的开展，需要综合考虑技术趋势、技术成熟度、零部件成本、供应商资源等因素最终确定设计，是架构设计的难点之一。此外，近些年来随着车辆智能网联功能增多，电子电气架构设计越来越注重功能安全和信息安全。功能架构确定后，整车高低压供电原理、控制器唤醒与休眠原理也确定下来，电控部件接口随之确定。接下来根据电控部件间通信与控制资源需求，进行整车通信与控制拓扑设计，完成电气特性匹配、部件选型后，整车高低压线束设计冻结。合理的电子电气架构，应在满足整车功能搭载及扩展需求的前提下，最大限度考虑通信及控制安全可靠性、控制部件集成化、线束连接简洁化，进而提升车辆的整体性能，降低成本。4.高压安全设计高压用电安全是电动汽车大规模市场应用的前提。目前纯电动汽车电压等级较高，GB/T 31466—2015《电动汽车高压系统电压等级》推荐采用的电压等级和实际应用的电压均超出了人体所能承受的安全电压范围，这就要求电动汽车必须配置严格的高压暴露检测、绝缘检测以及高压切断控制功能。目前，高压暴露检测多通过高压互锁机制实现。即，在高压带电部件的盒盖、高压线束插接器中，同步并联一路低压检测电路，以在高压部件盒盖被打开或者高压插接器被拔开时，高压控制系统能够及时切断动力蓄电池的输出。在设计高压互锁回路时，为防止误报、漏报问题发生，插接器质量、检测回路连接形式、互锁故障时高压切断控制逻辑等是设计难点。整车高压绝缘检测是电动汽车必备的另一个基本安全机制，主要由动力蓄电池管理系统在控制高压上电时执行，绝缘无问题后才进行整车高压回路连接，并在绝缘发生故障时切断高压连接。考虑到绝缘故障造成伤害时的容忍时间短，需要对绝缘检测的周期进行约束。根据绝缘检测机制，对高压回路中的阻容进行选型需要特别注意对绝缘检测的影响。碰撞时高压回路自动切断，不仅能防止动力蓄电池短路起火，同时也是防止高压线断开或高压部件破裂造成高压暴露的重要机制，这需要在设计高压控制器环节进行设计[插图][插图]。5.电磁兼容设计对于纯电动汽车，除了驱动部件，电动助力转向、电子制动系统等采用电力电子组件的辅助控制装置也越来越多。这些车载电动装置的使用可以提高控制性能，但也会带来电磁兼容问题。电力电子设备依靠金属-氧化物半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的高速开关动作来控制高电压和大电流，这种急速变化的电压和电流会使电路中的电感元件积蓄能量，产生高频噪声，影响其他电气设备的信号接收。EMC问题已经成为纯电动汽车现阶段的重要技术课题[插图][插图]。当前，整车电磁兼容问题主要集中于以下几种模式：①零部件150kHz～30MHz频段辐射发射或传导发射不满足发射要求。②高压部件工作关联性大，需要设置电容元件或加装磁环等进行解耦。③进行零部件测试时，缺乏整车电磁环境模拟测试。④零部件电磁兼容特性设计指标不完善。⑤装车部件一致性问题导致批量装车后出现电磁兼容问题。⑥在线束走向设计、搭铁点、导电性设计环节缺乏对电磁兼容的考虑。在进行整车电磁兼容设计时，需要重点考虑、解决以上问题。6.整车声品质设计与传统内燃机汽车不同，纯电动汽车取消发动机，使得动力系统NVH性能有所提升，但由驱动电机取代发动机，又出现了定子和转子谐波激励噪声问题。纯电动汽车还存在高频电磁噪声，驾驶中给人的感觉会有点“吵”。此外，在缺少了发动机噪声后，空调噪声、助力转向泵的噪声反而凸显出来。顾客对电动汽车的噪声抱怨已不再是噪声级的高低，而是声品质的水平。上述声品质问题的优化设计，需要基于声品质客观评价与主观评价进行对应部分的优化设计。当前，电动汽车常用声品质评价指标主要有A计权声压级、响度与脉冲度、尖锐度与音调度、粗糙度与抖动度和语音清晰度等。声品质主观评价主要通过主观评价实验完成。驱动电机噪声是电动汽车声品质的主要影响因素，因此，整车声品质设计需要进行专门的电机电磁力分析及车内电机噪声预测，并据此进行隔声设计及主动降噪设计。此外，有的电动汽车上还装配有行人提醒警示装置，也是电动汽车低速工况下声品质的重要影响因素，行人警示声需要与车内噪声结合起来进行优化设计[插图]。
• 2.1.2 纯电动汽车开发流程内燃机汽车经过100多年的持续研发与应用，相关部件和整车技术早已成熟，在此基础上，内燃机汽车的相关开发流程也已经趋于完善。电动汽车的研发与传统燃油车类似，但纯电动汽车是以电力电子和信息技术深度应用为主要特征的车辆产品组成，相应动力蓄电池、驱动电机、整车电控、电助力制动、电动助力转向、电动空调等高低压电动化部件的搭载，对整车的设计与验证环节提出了新的需求。各纯电动汽车研发生产企业在制定开发流程时，多是在世界知名内燃机汽车研发生产经验的基础上，针对纯电动汽车的特性进行了更改升级。2.1.2.1 传统内燃机车企的整车开发流程通用汽车的整车开发流程(GVDP)、大众汽车的整车开发流程(PEP)和丰田的精益整车产品开发流程，都是得到实践验证的整车正向开发流程，并成为全球范围内各主机厂制订自主整车开发流程的主要参考对象。图2-2所示为通用汽车整车正向开发流程图。在车型产品开发项目的初期，首先要进行架构设计、战略规划和概念设计。①架构设计是整车开发过程中的先导工作，主要是根据性能能力和带宽要求，完成架构开发及验证，同时发布整车结构件初版数据，为下一步项目论证和产品开发明确前提。②战略规划阶段是产品型谱向产品项目的转化阶段。在这个阶段，需要完成公司对原有产品型谱和未来产品战略的再平衡，决定是否启动产品项目的开发工作。这一阶段的工作重点是更为深入地分析产品在产品型谱中的定位和产品项目需要达到的边界条件，比如销量、投资、成本、产品特征、开发周期、赢利能力等。③概念设计阶段是在产品战略明确并且可行性得到批准的基础上，完成产品项目方案的开发。这些方案包括动力总成的方案、整车技术规范(Vehicle Technical Specif ication，VTS)目标、全尺寸主题模型、关键零部件的设计、整车的物料成本、制造规划方案、产品质量目标等。
• 概念设计完成后，车型开发正式开始。开发阶段的工作是对产品概念的实现，通过产品工程、制造工程、前期质保和采购的同步工作完成产品概念的早期验证，最终完成产品数据冻结。最后的产品/生产成熟阶段主要是完成产品本身的设计有效性验证，同时推动零部件和整车达到制造质量成熟的状态，实现产品的批量生产制造[插图]。2.1.2.2 纯电动汽车整车开发流程纯电动汽车的开发流程大致分为两种：①由燃油汽车平台衍生而来的纯电动汽车平台，即衍生改造平台。随着我国电动汽车市场产品种类的不断增多，竞争越来越激烈，且国家及地方政府推出一系列电动汽车推广政策，促使衍生改造成为我国车企向新能源汽车市场进军的“快行道”。所谓衍生改造平台，是指利用现有燃油汽车平台，在车体结构基本不变的情况下将包括发动机在内的动力总成换为包括动力蓄电池、电机在内的电动动力总成，车辆外观、内饰等方面与原型燃油车基本没有区别，如图2-3所示的利用大众MQB[插图]燃油平台改造研发的e-Golf。
• ②完全正向开发专用于纯电动汽车的平台，例如大众/奥迪汽车的MEB[插图]平台、长城汽车的ME平台等，绝大部分造车新势力车企都采用这种路线。接下来将重点讲述纯电动汽车全新平台的开发流程。
• 2.1.2.3 纯电动汽车全新车型开发纯电动汽车全新平台是指采用新技术、新设计构思、研制、生产专门应用电动架构的汽车平台。虽然各汽车公司对电动汽车整车开发阶段各有侧重，但是其项目开发的思想和方法却十分相似。如图2-4所示，整车开发流程包括从项目启动直到标准作业流程(Stanclard Operation Procedure, SOP)整个过程，共分为六个阶段：市场定位阶段、项目立项阶段、方案和造型阶段、详细设计阶段、产品验证阶段和量产准备阶段。[插图]图2-4 新产品开发流程框架一般而言，在一套完整的正向电动汽车整车开发流程中，各阶段的主要工作应具备以下共同点：
• 1.市场定位阶段QG10之前的阶段为市场定位阶段，通过分析国家政策、基础设施、市场及客户需求、竞争态势，结合车企自身能力和战略，制订和描绘出在目标市场上战胜竞争对手的初步整车方案，并基于历史数据和经验进行评估修正。①在此阶段应规划车型的续驶里程、能耗等指标。②在配置规划时需要考虑目标区域的能量补充设施完善程度，以确定车辆能否配置换电、直流充电等。③针对目标客户群体明确应用的商业模式，据此规划纯电动汽车的功能配置、续驶里程目标等。④在面向分时租赁市场需求进行设计时，应预留防盗防劫报警器的安装接口、第三方行驶记录与远程控制接口等；在电动商用车应用于公交车、团体客户时，应注意在车辆布置阶段考虑载客量需求，并根据行驶距离设计续驶里程。⑤根据确立的当前市场的先进竞争车型进行项目定位，是本阶段重要的工作内容。当前市场有一定销量的车型在政策符合性、能量补充便利性、商业模式等方面已被市场认可，具有重要的参考价值。2.项目立项阶段QG10之后、QG9前的阶段为项目立项阶段。本阶段的工作目标是明确车辆概念的可实现性、投资合理性、各类计划是否可行，要针对整个开发周期中所有工作目标、方案和计划进行梳理，确认项目管理基线。在本阶段，需要评审当前型谱设定的产品是否具备条件进入项目前期的论证阶段，从产品战略和公司目标来考量其必要性，做出是否启动立项研究的决定。本阶段需要开展以下的关键控制活动：①批准初始的项目生命周期及产品定位。②批准初始的车身型式及品牌。③批准初始的业务计划。④申请项目代号。⑤批准初始目标市场和主要竞品。⑥批准项目立项工作计划、费用概算及资源需求。⑦批准项目总监和立项准备工作小组的建议人选。3.方案和造型阶段QG9之后、QG7前的阶段为方案和造型设计阶段。在此阶段，通过概念设计来修订及最终确定整车及零部件的造型、结构、工艺、技术、品质等方案的可执行性，以及理论上可达到目标的程度及风险。整车概念设计包括造型设计、架构设计、总布置设计、整车匹配仿真、第一批FP Car（Function Prototype Car-1，在项目QG7前支持电动汽车电驱动系统初始验证和标定工作的样车）试制等工作，并最终冻结数据。电动汽车搭载较多高压及低压零部件，在确定总体方案时，需要特殊考虑动力蓄电池、驱动电机、电动空调系统的布置及由此带来的对整车布置的影响。此外，整车高压及低压电气系统设计的主体工作也在本阶段完成。4.详细设计阶段QG7之后、QG5前的阶段为详细设计阶段。在此阶段，首先进行第二批FP Car（Function Prototype Car-2，为支持整车/系统方案进一步的设计和验证，包括整车布置、电气原理、电驱动系统匹配、电辅助系统及全车通信联合验证的样车）试制。在此基础上，需要完成工程数据及零部件设计，并试制以完成结构和功能验证，进行第一批EP Car（Engineering Prototype Car-1，结合零部件设计进展，进行整车设计方案全面优化，满足整车及零部件设计规范和整车产品技术条件要求，进行零部件调试等的样车）试制，最终完成工程数据发布及开模指令发布。此阶段工作是明确产品的图样结构得到验证，图样和技术协议已确定并满足供应商和工艺部门针对工装设计及制造的要求，关键属性初步验证达到指标或风险较小。电动汽车上配备包括动力蓄电池、电机以及电控系统的“大三电”，以及包括电制动、电转向、电空调的“小三电”等特有的零部件及系统。这就要求在详细设计阶段，除了传统的材料、功能、尺寸等方面的验证和确认外，还需要对高压、低压有关的电性能方面进行设计、分析及认可。此外，根据《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，动力蓄电池系统在设计阶段需要为车辆报废后的梯次利用或回收预留接口。5.产品验证阶段QG5之后、QG3前的阶段为产品验证阶段，主要工作内容有开展模具制造、OTS（硬模件）生产、法规认证、工装验证。在此阶段进行第二阶段EP Car（Engineering Prototype Car-2，用于零部件精细调试、公告法规验证等的样车）试制及PPV Car（Production Process Validation Car，用于总装顺序验证、生产线工艺验证等的样车）小批量装车验证，启动产品推广及营销策划。此阶段需明确产品的结构、性能、品质、可靠性和成本已达到项目目标，生产线、工装、器具和设备已验证并准备就绪，以确定车辆是否可以批量生产。在产品验证阶段，电动汽车与传统燃油汽车相比，由于搭载较多的电气件，更强调基于整车网络的整车功能性及可靠性表现。另外，由于电动汽车的结构特殊性，法规认证及准入也是产品认证阶段的重中之重。6.量产准备阶段QG3之后、QG1前的阶段为量产准备阶段，主要工作内容是开展生产线验证，进行工装验收、生产培训、销售培训、上市推广方案实施及上市准备情况检查，验证零部件厂商的爬坡能力和零部件生产一致性能力。此阶段通过PP Car（Pre-Pilot Car，使用工装件按照工艺要求在生产线上装配，以完成产品和/或过程的最终验证和认可的样车）、P Car（Pilot Car，主要用于验证完全工装和工艺条件下批量提供的零部件质量的样车）生产，最终明确项目目标达成、上市准备度检查及产品可以批量生产销售。电动汽车在准备量产阶段与传统燃油汽车基本类似。QG1节点通过后进入正式投产，同时进行项目总结。
• 2.1.2.4 纯电动汽车架构平台化开发纯电动汽车架构平台化开发需求主要是在新车型开发前期的市场定位阶段确定的。产品规划负责人根据市场调查、行业趋势和产品技术趋势分析，从覆盖市场不同车型、配置需求，降低成本，缩短各车型开发周期的角度，制定新产品平台开发需求。需求包括平台下基础车型的外形尺寸变换、主要功能配置扩展计划等。在整车总体和部件系统开发负责人开展设计时，需要满足平台化需求，各阶段设计需要覆盖本平台下不同车型配置的需求，注重通用性，并在所采用设计标准、规范及工具应用方面做到各车型统一。其中，整车驱动构型方案、悬架形式、电压平台方案，以及动力蓄电池、电驱动系统、高压附件等开发是电动汽车平台化开发特有的重要环节。当前，国内车企的车型平台化开发主要以关键部件系统平台化为着手点，在驱动电机及控制系统、动力蓄电池系统、整车控制架构及控制器等关键部件上实现多车型共用，并通过控制器写入配置字进行具体车型的配置。在整车平台化开发方面，大众汽车公司是平台化开发最成功的汽车制造商之一。它于2018年推出了应用于纯电动汽车产品的MEB平台，如图2-5所示。该平台采用模块化设计，尺寸可被缩短、伸长或进行其他修改，其特点如下：①该平台可用于多种汽车制造，按尺寸划分，囊括了从SUV到掀背式轿车的各种车型，规划未来有1500万辆电动汽车将基于此平台开发。②MEB平台具有前舱短、轴距长、质心低、空间大、坐姿高的特点。为了配合电池包的布置，轮胎尺寸规划为18～21in(1in=2.54cm)。[插图]图2-5 大众MEB纯电动汽车平台③MEB平台采取后驱形式，车辆的前后重量接近50:50，更利于驾驶性能提高。④车身及底盘整体材料采用轻量化结构，并以钢为主要材料，而电池箱体采用铝合金为主要材料。⑤通过轴距拉伸和轮距拓宽，MEB平台能够满足不同车型的变换需求。

 2.2 纯电动汽车性能参数匹配计算

• 2.2.1 纯电动汽车测试工况与传统的内燃机汽车相比，纯电动汽车在行驶过程中车轮与地面之间相互接触、相互作用，其力学过程本质上并没有发生变化。它们之间主要的差别在于采用了不同的动力源。电动汽车全部或部分采用动力蓄电池提供电能，通过驱动电机和传动系统驱动汽车行驶，因此电动汽车的操纵稳定性、平顺性及通过性与传统内燃机汽车基本一致。但是由于受到动力蓄电池等因素的制约，当前的纯电动汽车在动力性、续驶里程、成本和可靠性等方面和传统汽车有较大差距。为了设计出性能优越的纯电动汽车，首先需要对电动汽车的具体使用工况进行详尽调研，然后进行有针对性的设计，使整车的动力系统可以工作在较优的工作范围之内。在进行电动汽车的整车参数匹配时，首先要确定整车动力性能设计指标，根据指标要求确定整车动力系统需求参数，然后结合运行工况进行仿真优化，从而完成整车系统参数匹配过程[插图][插图]。目前国内通用的纯电动汽车动力性测试工况要求见GB/T 18385—2005《电动汽车动力性能试验方法》。该标准规定了纯电动汽车的加速特性、最高车速和爬坡能力等的试验方法，是整车动力系统设计的基本依据。纯电动汽车经济性测试工况要求见GB/T 18386—2017《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》，该标准规定了纯电动汽车的能量消耗率和续驶里程的试验方法，是进行动力系统优化设计的依据。该标准对不同种类、不同最大设计总重量的车型规定了不同的工况法和等速法测试工况。标准中等速法规定M1车、N1车、最大设计总质量不超过3500kg的M2车进行等速试验的车速为(60±2)km/h，其他车型等速试验车速为(40±2)km/h；工况法规定M1车、N1车、最大设计总质量不超过3500kg的M2车按照新欧洲驾驶工况(New European Driving Cycle, NEDC)循环进行测试，其他车型中，城市客车采用中国典型城市公交循环（CCBC或C-WTVC）进行测试，其他车辆采用C-WTVC循环工况进行测试。NEDC测试循环由4个市区循环和1个市郊循环组成，理论试验距离为11.02km，时间1180s，图2-6给出了NEDC测试循环曲线。
• 2015年起，我国开始着手建立中国工况。经过三年多的努力，形成《中国汽车行驶工况》（以下简称《中国工况》）初稿，并于2018年8月1日，由全国汽车标准化技术委员会发出“汽车推荐性国家标准《中国汽车行驶工况》第1部分～第2部分征求意见的函”。在《中国工况》中，将测试车辆主要分为轻型汽车和重型商用车两大部分，并分别在第1部分和第2部分对“中国轻型汽车行驶工况”(China Light-duty-vehicle Test Cycle，CLTC)以及“中国重型商用车行驶工况”(China Heavy-duty-commercial-vehicle Test Cycle, CHTC)两种中国汽车典型工况做出具体规定。本卷主要适用对象是纯电动汽车，同样划分为轻型汽车和重型商用车两大类。其中，轻型汽车采用《中国工况》第1部分乘用车工况和轻型商用车工况作为典型工况，重型商用车采用第2部分客车工况作为典型工况。
• 2.2.1.1 轻型汽车1.乘用车（CLTC-P工况）CLTC-P工况包括低速、中速和高速三个速度区间，工况时长共计1800s，其中低速区间时间比例为37.4%，中速区间时间比例为38.5%，高速区间时间比例为24.1%，平均车速为29.0km/h，最大车速为114.0km/h，怠速比例为22.1%。CLTC-P行驶工况曲线如图2-9所示，CLTC-P行驶工况曲线统计特征参数见表2-1。2.轻型商用车（CLTC-C工况）CLTC-C工况共包括低速、中速和高速三个速度区间，工况时长共计1800s，其中低速区间时间比例为40.8%，中速区间时间比例为34.2%，高速区间时间比例为25.0%，平均车速为32.9km/h，最大车速为92.0km/h，怠速比例为20.3%。CLTC-C行驶工况曲线如图2-10所示，CLTC-C行驶工况曲线统计特征参数见表2-2。
• 2.2.1.2 重型商用车1.城市客车（CHTC-B工况）CHTC-B工况共包括两个速度区间，工况时长共计1310s，其中低速区间时间比例为30.5%，高速区间时间比例为69.5%，平均车速为15.1km/h，最大车速为45.6km/h，怠速比例为24%。CHTC-B行驶工况曲线如图2-11所示，CHTC-B行驶工况曲线统计特征参数见表2-3。
• 2.客车（不含城市客车，CHTC-C工况）CHTC-C工况共包括三个速度区间，工况时长共计1800s，其中市区区间时间比例为16.9%，城郊区间时间比例为49.6%，高速区间时间比例为33.5%，平均车速为39.2km/h，最大车速为95.7km/h，怠速比例为19.3%。CHTC-C行驶工况曲线如图2-12所示，CHTC-C行驶工况曲线统计特征参数见表2-4。
• 3.货车（GVW[插图]＞5500kg, CHTC-HT工况）CHTC-HT工况共包括三个速度区间，工况时长共计1800s，其中市区区间时间比例为19.0%，城郊区间时间比例为54.9%，高速区间时间比例为26.1%，平均车速为34.7km/h，最大车速为88.5km/h，怠速比例为14.3%。CHTC-HT行驶工况曲线如图2-13所示，CHTC-HT行驶工况曲线统计特征参数见表2-5。
• 4.货车（GVW≤5500kg, CHTC-LT工况）CHTC-LT工况共包括三个速度区间，工况时长共计1652s，其中市区区间时间比例为18.7%，城郊区间时间比例为58.9%，高速区间时间比例为28.4%，平均车速为34.6km/h，最大车速为97.0km/h，怠速比例为13.4%。CHTC-LT行驶工况曲线如图2-14所示，CHTC-LT行驶工况曲线统计特征参数见表2-6。5.自卸汽车（CHTC-D工况）CHTC-D工况共包括两个速度区间，工况时长共计1300s，其中低速区间时间比例为41.5%，高速区间时间比例为58.5%，平均车速为23.2km/h，最大车速为71.4km/h，怠速比例为21%。CHTC-D行驶工况曲线如图2-15所示，CHTC-D行驶工况曲线统计特征参数见表2-7。
• 6.半挂牵引车（CHTC-S工况）CHTC-S工况共包括两个速度区间，工况时长共计1800s，其中低速区间时间比例为26.3%，高速区间时间比例为73.7%，平均车速为46.6km/h，最大车速为88.0km/h，怠速比例为9%。CHTC-S行驶工况曲线如图2-16所示，CHTC-S行驶工况曲线统计特征参数见表2-8。
• 2.2.1.3 工况分析由上文可知，《中国工况》包括八类工况，分别适用于轻型汽车和重型商用车；而目前采用的经济性测试工况GB/T 18386—2017《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》包括三类工况，分别适用于轻型汽车和重型商用车。①针对轻型汽车，以经济性测试工况中的NEDC和《中国工况》中的CLTC-P为例进行对比分析。由表2-9可知，CLTC-P的最高车速比NEDC的最高车速减小了5%，而最大加速度和最大减速度分别提升了41.1%和6.5%。②针对重型商用车，以经济性测试工况中的C-WTVC和《中国工况》中的CHTC-B为例进行对比分析。由表2-9可知，CHTC-B的最高车速比C-WTVC的最高车速减小了48.1%，而最大加速度和最大减速度分别提升了37.4%和28.26%。总体而言，《中国工况》与经济性测试工况相比，最高车速有所减小，而最大加速度和最大减速度有较大提升。同时，在进行电动汽车性能参数匹配计算过程中，可利用上述工况进行经济性校核，从而对系统的匹配参数进行验证并提出优化方案[插图]。
• 2.2.2 整车动力系统匹配对整车动力系统进行匹配时，首先需确定整车动力性设计目标；然后按照整车动力性目标，计算动力系统性能基本参数（包括动力系统额定功率、峰值功率、额定转矩、峰值转矩和车轮转速）；最后初步确定整车动力匹配参数[插图][插图][插图][插图]。
• 2.经济性仿真分析根据运行工况及经济性指标，由上述初步匹配结果，采用计算机仿真的手段进行经济性仿真，从而对系统的参数匹配结果进行验证并提出优化方案[插图][插图][插图][插图]。例如，影响汽车能耗的因素有滚动阻力系数、空气阻力系数、整车最大质量、电驱动系统效率等参数。从原理上分析，降低滚动阻力系数、空气阻力系数和整车最大质量，可以减少汽车能量消耗，提高电驱动系统效率，并使行驶过程中的轮端对应的电驱动系统工作点尽可能处于电驱动系统高效区附近，也可以降低汽车能耗。以适用于城市客车的中国汽车行驶工况CHTC-B和中国典型城市公交循环工况CCBC为例，对电机直驱的纯电动车进行Cruise仿真能耗分析，采用的整车（某8m纯电动客车）参数见表2-15。

 2.3 整车总体方案设计

• 2.3 整车总体方案设计整车总体方案设计主要包括整车概念设计、总布置设计和高低压电气系统方案设计等。其中，整车概念设计工作又分为造型设计、人机工程设计和油泥模型模拟设计等工作，该部分的工作与传统内燃机汽车的区别较小，本书不再赘述。本节主要论述整车总体方案设计的整车总布置设计和高低压电气系统设计内容，围绕这两部分的设计工作，详细论述其内容、业务流程、设计及验证要点、参考图表和经验公式，并列举典型设计案例。2.3.1 整车总布置设计整车总布置设计是汽车设计前期的首要工作，是车型平台化设计的重要着手点。进行整车总布置设计时，首先需要明确设计内容以及布置参考的规范、标准、业务流程等。在此基础上，进行具体设计，需要在满足法规和基本布置需求的前提下，综合考虑尺寸目标达成、安全可靠性、使用便利性、驾驶乘坐及行李舱空间舒适性、轻量化、装配维修便利性、平台化扩展性等要求[插图][插图][插图]。本节将围绕设计要点给出常用方法的详细论述，包括参考图表及经验公式，并列举设计实例。
• 2.3.1.1 纯电动乘用车整车布置设计1.整车总布置概述(1)纯电动乘用车总布置的特殊性纯电动汽车与燃油汽车的主要差异在机舱布置和底盘（地板下）布置。纯电动汽车与燃油汽车相比，机舱布置少了发动机、进排气等部件，但需要增加电机、电机控制器、DC/DC变换器、充电机、整车控制器(VCU)、高压线束等部件的布置。其他零部件布置与燃油车基本一致，如熔断器盒、蓄电池、洗涤壶、制动主缸等。图2-21和图2-22是某燃油汽车和某纯电动汽车的机舱布置概况对比。
• 纯电动汽车与燃油汽车相比，底盘布置少了油箱、排气管等部件的布置，但需要增加动力蓄电池包的布置（纯电动乘用车动力蓄电池包一般都布置在整个地板下）。图2-23和图2-24所示为某燃油汽车和某纯电动汽车的底盘布置概况。
• (2)纯电动乘用车概念设计内容整车总布置设计中要综合考虑尺寸目标达成、安全可靠性、使用便利性、驾驶乘坐舒适性及行李舱空间合理性、轻量化、装配维修便利性、平台化扩展性等要求，对总成和部件进行空间布置，形成最佳组合方案。反映这一工作结果的图面就是总布置图，各总成部件在总布置图上的空间条件就是各总成、部件工程师进行相关设计的前提条件。
• 在总布置设计的概念设计阶段，应规划整车驱动形式、布置形式和基本尺寸。①车辆用途、通过性要求及动力性要求是影响选取驱动形式的主要因素，增加驱动轮数能够提高车辆的通过能力或动力性能，但驱动轮数越多，车辆结构越复杂，成本、能耗越高。②布置形式，是指动力总成、驱动轮和驾驶室的相互关系和布置特点。纯电动乘用车的布置形式主要有动力总成前置前轮驱动结构、动力总成后置后轮驱动结构、动力总成前后分置四轮驱动结构和分布式轮毂电机驱动结构。③基本尺寸包括以下方面：外形尺寸，即长、宽、高、轴距、轮距、前悬长、后悬长；室内空间，即室内长、宽、高，腿部空间，头部空间及行李舱空间等；外形设计的硬点，即前后风窗的上、下端位置，车身中部高度，散热器前端位置等。在布置之初，先设定总布置的主要构成要素并进行布置，然后验证这种布置是否达到原设定的主要尺寸、性能等目标。一般要反复修改多次才能逐渐接近原定目标。为了确定车辆总布置，需要同时进行局部空间布置，如机舱布置、驾驶室人机布置和底盘布置等。(3)整车总布置业务流程总布置业务主要围绕整车三维数据开展工作。通过前期对标杆车的研究来确定硬点，然后组织协调各专业工程师一起进行初步和细化的总布置方案设计，完成整车总布置三维数据装车前的固化，最后经过试制装车及试验验证进行必要的总布置数据的调整，完成整车开发流程中的总布置业务。具体工作为：总布置工程师负责组织各专业技术部门按照《整车产品设计任务书》的要求进行三维结构设计，负责对各专业系统的三维结构设计进行合理性审查，统筹考虑布置空间、布置美观度、工艺执行方便性、维修方便性等因素，整体把控结构设计和性能，进行动态、静态校核，进行人机工程校核，并组织评审。整车开发过程中的总布置业务流程如图2-25所示。
• (4)纯电动乘用车整车布置标准纯电动乘用车整车布置除了要基于传统燃油汽车总布置标准（纯电动汽车不涉及的除外，如关于发动机、进排气的）进行设计外，还要遵守及参考关于纯电动汽车的专有标准（如关于充电口的）。常用的标准有：SAE J1100—2009《机动车尺寸标准》；GB/T 17346—1998《轿车脚踏板的侧向间距》；GB 1589—2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》；GB 4785—2007《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》；GB 11566—2009《乘用车外部凸出物》；GB 11552—2009《乘用车内部凸出物》；GB 11562—2014《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》；GB 15084—2013《机动汽车间接视野装置性能和安装要求》；GB 14167—2013《汽车安全带安装固定点》；GB 11551—2014《汽车正面碰撞的乘员保护》；GB 20071—2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》；GB 15741—1995《汽车和挂车号牌板（架）及其位置》；GB 7063—2011《汽车护轮板》；GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》；GB 17354—1998《汽车前、后端保护装置》；GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》；GB/T 28382—2012《纯电动乘用车技术条件》；GB/T 20234.2—2015《电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》；GB/T 20234.3—2015《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》。
• 2.整车总布置设计下面将详细论述相关系统的布置原则、布置方式及发展趋势。(1)动力总成布置电机是电动汽车的核心部件之一。纯电动乘用车一般将单级减速器与电机装配在一起构成动力总成实现驱动功能。动力总成的布置位置有以下几种：1)动力总成布置在前机舱的横置方式。这是经济型纯电动乘用车的主流布置方式，如图2-29所示。
• 2)动力总成布置在前排座椅下的纵置方式，多为MPV、M1类车型布置方式，如图2-30所示。
• 3)动力总成布置在后排座椅下或后机舱的横置方式，即后置后驱。这是纯电动平台新的发展趋势，如图2-31所示。
• 4)分布式轮毂电机方式，这是未来车型发展方向，如图2-32所示。
• 动力总成布置应遵循的原则：①在侧视图中，动力总成输出轴一般布置在整备轮心之上。②驱动轴夹角在整备、半载、满载状态下都较小，提高驱动轴使用寿命。③动力总成应高于副车架或车身横梁。④减速器角度在供应商许可的范围内。⑤满足动力总成周边安全间距要求：根据动力总成的运动特点和总装工艺要求确定实际的安全间距。
• 高压控制器布置原则：①布置在前机舱时，考虑行人保护要求，根据CAE分析，与机盖之间留出安全间隙。②与动力总成集成时，随动力总成一起运动，与周边零部件留出运动间隙。③在控制器前后方向留出碰撞溃缩空间，在碰撞发生时，不能侵入驾驶舱。④考虑高、低压线束以及冷却管路的走向空间。⑤考虑插接器的插拔空间。(3)动力蓄电池包布置动力蓄电池包是纯电动汽车的最核心的部件之一，它为整车提供能量，决定了纯电动汽车的续驶里程，影响电机的输出功率。由于目前动力蓄电池包的能量密度较低，仅为传统化石燃料的几十分之一，这就决定了要达到较高的续驶里程，需要庞大的动力蓄电池包。动力蓄电池包的布置有以下要求：①需要比较齐整的空间。②具有承载动力蓄电池包重量的车身结构。③满足碰撞防护的要求。④具有一定隔热、防火的要求。动力电池布置，应兼顾以下几项原则：①碰撞安全性：保证动力蓄电池包在碰撞时不发生损坏。②平台兼容性：与选定底盘平台结构相匹配，保证整车电量需求及电压需求。③统筹性能，兼顾平衡：优先满足各系统性能确定动力蓄电池包的性能参数，平衡各系统性能间的矛盾，统筹确定性能增减，以达到整体最优。④装配及检修的方便性：必须满足工艺对各零部件装配方便性的要求，以及线路连接、充电、检查和装卸时的高压安全和方便。目前，大多数纯电动乘用车将动力蓄电池包布置在车底位置，如图2-35所示。
• 其布置要点如下：①动力蓄电池包上方与地板间隙控制在5～10mm。②动力蓄电池包前后与副车架间隙控制在20mm以上，以满足动力蓄电池包对碰撞防护的要求。③动力蓄电池包与车身横梁、纵梁或门槛梁间隙控制在15～20mm，满足装配间隙的要求。④动力蓄电池包与门槛梁外侧间隙要求在200mm以上，或以CAE分析结果指导设计，以满足侧碰安全的要求。(4)充电座布置动力蓄电池是纯电动汽车的唯一能量供应，在使用一段时间以后，需要进行充电以补充能量。充电方式分为快充和慢充两种：快充需要专门的设备，一般在充电站进行充电时使用；慢充需要车载充电器，使用220V电压。充电座的布置形式比较多，目前主流的布置方式主要有以下几种：①快慢充电座集中布置在充电口位置，对应于传统燃油汽车的加油口位置。②快慢充电座分开布置在充电口位置，车身左右一边一个，对应于传统燃油汽车的加油口位置。③慢充电座布置在充电口位置，对应于传统燃油汽车的加油口位置；快充电座布置在前格栅位置。④快慢充电座集中布置在前格栅位置。⑤快慢充电座分开布置在翼子板位置，车身左右一边一个。在实际应用中发现：①将充电座布置在前格栅，不利于行人保护。②将充电座布置在前格栅或翼子板处，进入停车位较困难，但对于高压部件布置在前舱的车型，可以缩短高压线束长度，降低装配难度与成本；对于高压部件位于后机舱的车型，充电座布置在后侧围上更有利，既能缩短线束长度，又方便进入停车位。(5)车身、内外饰布置设计电动汽车仪表板布置需要在传统燃油汽车的基础上对组合仪表、中控显示屏、空调箱、换档系统、转向管柱等进行电动化设计，并且电动汽车更追求智能科技的设计，主要体现在电动汽车的仪表板更追求一体化大屏幕，甚至曲面屏设计，并且仪表板区域物理开关按键逐渐减少更改为触摸按键，或者集成在显示屏内进行屏幕操作。
• 仪表及中控台位置布置示例如图2-36所示。仪表板区域布置：1)纯电动汽车的组合仪表布置与传统燃油汽车的要求基本一致，主要考虑：①仪表视野不能被转向盘遮挡。②通过整车玻璃照射的自然光线不能反射到人眼而使驾驶员产生眩目。③夜间，仪表在前风窗玻璃上产生的影像不能影响驾驶员驾驶，在侧风窗玻璃成像不能影响驾驶员观察外后视镜。2)中控屏幕（一体化大屏，图2-37）需要满足：①驾驶员坐在驾驶位置上能够方便地进行触控操作，如不满足则需要对人机接口(Human Machine Interface, HMI)中可触控的信息进行校核确认。②前风窗玻璃上入射光线不能反射到人眼而使驾驶员产生眩目。如存在眩目现象，则屏幕需要进行贴膜处理，结合实车模型评审最终确认屏幕位置及状态。③夜间，仪表在前风窗玻璃上产生的影像不能影响驾驶员驾驶，在侧风窗玻璃成像不能影响驾驶员观察外后视镜。
• 3)与传统燃油汽车相比，电动汽车只能选择电动助力转向系统，管柱轴线需要满足转向系统的力矩波动要求，转向控制器可以根据不同品牌控制器选型的要求进行布置调整。(6)乘客舱区域布置电动汽车注重智能化、电动化设计，如高级驾驶辅助系统(Advanced Driving Assistant System, ADAS)、道路救援(T-BOX)、行人预警、对外充电等功能，因此会相应地增加辅助控制器来实现具体功能。在整车上布置各辅助控制器（图2-38）时，须根据具体供应商的要求来进行。1)自动驾驶摄像头布置。自动驾驶摄像头布置在前风窗玻璃上，尽可能居中靠上水平布置，摄像头布置不能影响前方上视野及玻璃透明区的设计，且在刮水器刮刷区域之内。[插图]图2-38 各辅助控制器布置位置示意图2)智能座舱控制器布置。智能座舱控制器布置在座椅下方，方便拆卸维修。3)T-BOX布置。T-BOX布置在侧围、仪表台内均可，避免与大电流电气元器件布置在一起，防止电磁干扰，同时方便与天线及多媒体主机进行通信。4)对外充电转接设备。纯电动汽车通常会配有对外输出的充电设备，如车对车充电设备、车对用电器充电设备等。通常将对外充电转接设备布置在行李箱内，与充电工具放置在一起。
• (7)行李舱区域布置与传统燃油车相比，纯电动汽车行李舱一般会取消备胎、千斤顶等设计，取而代之的是充气泵和补胎液，并配有充电枪等工具方便用户充电使用。为了实现轻量化，行李舱地板采用注塑件的设计也比较常见。这种设计打破了常规的钣金件冲压深度的限制，增大了行李舱空间。
• (8)天窗布置（图2-41）在纯电动汽车中，由于地板下方布置动力蓄电池系统，同时在外观造型上追求主流流线型，所以在高度方向（人机高度）受到压缩。在高度空间一定的条件下，为了平衡人机内部空间和整车高度的矛盾，在天窗布置上会打破常规设计，如采用大玻璃顶天窗或者与风挡组成贯通式全景天窗。
• (9)人机工程布置分析纯电动汽车将传统燃油汽车的动力总成发动机和变速箱更改为电机和减速器，为提升整车纵向空间利用率提供了基础。对于纯电动汽车，主要通过减小前悬架尺寸（图2-43）、增大轴距来增加乘员纵向空间，提高纵向空间的利用率如图2-42所示。
• 纯电动汽车相较于传统燃油车另一个主要特点是由于动力蓄电池包布置对整车Z向空间有一定影响（图2-46），导致整车高度较传统燃油汽车高。
• 由于造型美观等原因，纯电动汽车的整车高度尽可能接近燃油汽车。为了不过多牺牲人体坐高和头部空间，纯电动轿车一般采用玻璃顶结构，以减小顶部的厚度。电动SUV多采用偏轿车化的低坐姿降低人体高度从而降低整车高度。全新开发的A级和A0级纯电动汽车与燃油汽车的高度对比分别如图2-47和图2-48所示。
• 3.整车总布置图根据新产品规划和概念设计确定车身总布置方案，然后绘制总布置草图，最后开始进一步的造型设计。其中，整车总布置草图是后期的开发设计的依据，起指导作用，下面将以某车型项目总布置图为例进行说明。[插图]图2-48 全新开发的A0级纯电动汽车与燃油汽车的高度对比总布置图中，主要体现如下内容：①整车外廓尺寸，包括长、宽、高、轮距、轴距、前悬、后悬。②整备、半载、满载状态下的地面线，车轮静力半径，通过性参数。③法规要求及设计目标。④驾驶员及乘客H点（驾驶员或乘客躯干和大腿的旋转中心）坐标、人机内部空间等相关参数。[插图]图2-49 纯电动汽车的造型与布置特殊性⑤踏板位置关系。⑥前机舱盖、后行李舱盖或尾门开闭的方便性。⑦关键零部件的状态及其他细节。纯电动汽车的造型与布置特殊性如图2-49所示。
• 2.3.1.2 纯电动商用车整车布置方案与纯电动乘用车相比，纯电动商用车的布置空间更加宽裕。本节将简要论述纯电动商用车整车布置原则及主要内容。纯电动商用车的整车布置应满足安全、环保和相关法规、国际惯例要求，以及相应的功能、性能要求。整车的总体平衡是车辆布置的基础，设计时应把使用性能放在首位，然后按照制造、维修、外形的顺序来考虑问题，使整车好用、好修、好造、好看。整车布置应配合协调，与外形构思相适应。纯电动商用车应重点考虑高压元器件防水、防尘、防火等性能，符合造型的风格和要求，充分考虑车身与底盘、高压元器件的装配要求。纯电动商用车的高压元器件主要由电驱动系统、储能装置、电附件、电控单元、受电装置等相关高压零部件组成，各系统之间通过电控单元保证整车安全运行。①动力蓄电池包等储能装置根据市场需求主要有底置中段加后段和顶置加底置后段布局形式：底置应充分考虑储能装置散热、保温需求以及防碰撞要求，顶置储能装置应增加相应防护罩。②电附件、电控单元主要集中布置在车辆末排座椅下方及后高压元器件舱体，电控单元与后围保证一定的安全距离。③如有受电装置，则一般将受电装置布置于车顶。低地板或低入口纯电动客车的设计应符合国家标准GB 19260—2016《低地板及低入口城市客车结构要求》，布置整车高压元器件时应保证轮罩间通道的宽度与坡度、一级踏步离地高度以及车厢内高度等整体空间设计要求。其中，前轮罩间宽度的要求具体如下：①对于车长≤9m的低地板、低入口客车，前轮罩间的通道宽≥550mm。②对于车长＞9m的低地板客车，前轮罩间通道宽≥800mm。③对于车长＞9m的低入口客车，前轮罩间通道宽≥600mm。后轮罩间的通道宽≥500mm；轮罩间通道宽度应在地板面至上方1800mm的范围内测量。通道坡度在车辆处于正常行驶质量且车身升降系统不工作时，纵向坡度应不超过8%，横向坡度应不超过5%。一级踏步离地高度应在车身处于正常行驶质量且放置在平整水平面时测量，具体要求如下：①低地板客车的一级踏步离地距离≤360mm。②采用空气悬架的低入口客车的一级踏步离地距离≤360mm，采用机械悬架的一级踏步离地距离≤380mm。低地板、低入口客车车厢内高度要求见表2-20。表2-20 低地板、低入口客车车厢内高度要求[插图]注：低地板区域指无踏步的单一地板通道区域。低地板纯电动客车高压元器件的典型布置方式如图2-50所示，动力蓄电池包一般布置于后段底部及座椅下方底部空间或车顶，电驱动系统布置于后段底部，整车电控部件布置于后方高压电器件舱体。
• 2.3.2 高低压电气系统设计纯电动汽车与传统燃油汽车的区别，主要体现在高低压电气系统方面。纯电动汽车上有动力蓄电池包、驱动电机、车载充电机、电动压缩机等高压部件，又有充放电控制、上下电控制等相关的低压电控部件，相关设计内容都具有特殊性。本节将从总体设计的角度，论述纯电动乘用车及商用车高低压电气系统的组成及分类，明确电气系统方案设计的内容，如参考标准和业务开展流程，并分别列举具体车型应用实例。
• 2.3.2.1 纯电动乘用车高压电气系统方案1.纯电动乘用车高压电气系统概述(1)高压电气系统的组成纯电动乘用车高压系统分为五部分，即动力蓄电池系统、驱动系统、电源系统、空调系统和高压配电系统[插图]，如图2-52所示。
• (2)高压控制原理设计内容及流程高压电气系统设计分为两个主要部分：高压控制原理设计；高压线束拓扑设计及器件选型。高压控制原理设计主要包括：①整车电压平台选取设计。②高压电网架构设计，互锁网络连接架构设计，以及X电容和Y电容匹配选型设计等设计内容和相关的电安全测试、整车绝缘测试内容。车辆技术标准输入内容见表2-21。
• (3)高压线束拓扑设计及器件选型内容及流程下面介绍高压配电系统中高压线束布置、高压线缆、高压熔断器、高压接触器等部分设计要点。高压线束布置时需要满足以下要求：1)根据整车高压线束走向、选型确定的导线、插接器来布置高压线束，增加固定点、固定支架、导向槽等。2)所有插接器在拆装时应有足够的手动空间，根据SAE J833标准规定，手掌宽度取110mm，手动空间取150mm。3)布置插接器时尽量避开水能溅到的地方。布置在车身下部或水能溅到的地方都应有特殊的设计对线束及插接器进行防护，如增加挡板等。4)在进行线束布置时，应避免线缆的弯曲半径过小，一般最小弯曲半径≥5×电缆直径；避免在插接器50～100mm处进行线束弯曲布置，防止插接器密封件受力变形而漏水。5)在对车辆悬架等有较大振动的部位进行布线时，所有的电缆及线束都要有适当的防振防护，如使用橡胶件、套管、波纹管等，尽量避免将线束固定在相对运动的部件上。6)线束的固定方法应该有防止结构的错误安装。7)线束与其他运动件间保证50mm以上的间隙，与无相对运动的零件间保证25mm以上的间隙。8)插接器放于一起或交叉布置时，应使用标记或类似方法进行区分。整车高压线束架构布置如图2-53所示。
• 2.整车高压控制原理设计本节以高压系统接口定义为输入，参考《电动汽车安全要求》（报批稿），设计整车高压电气原理，主要包括整车电压平台选取设计、高压控制原理图设计和电阻电容选型设计。(1)整车电压平台选取设计在满足驱动电机峰值功率需求、电流不至于过大的前提下，当前电压平台宜选在300～450V之间。①如果电压等级太低，则电功率一定时，整车主回路电流大，电效率低。②如果电压等级太高，则高压器件爬电距离大，绝缘保障要求高，当前主流供应商产品难以满足，需要特殊定制开发。当前主流供应商电机控制器电压范围见表2-23。③选取电压平台时还需要考虑高压部件效率的影响。车载充电机效率随电压平台变化的曲线如图2-54所示。DC/DC变换器效率随电压平台变化的曲线如图2-55所示。
• ④此外，应考虑各车型不同动力蓄电池包电量需求下，电压平台范围应相近，如特斯拉主要车型电压平台在264～403V之间，如图2-56所示。(2)高压安全设计纯电动汽车的高压系统不同于传统汽车的电气系统，需要增加额外的安全防护措施以确保车辆和人员的安全，如高压零部件及高压线束的警示标识要求、遮拦和外壳方面的IP防护等级要求、主动放电要求、电位均衡要求、整车高压互锁（通过低压信号监测整车高压系统连接完整性）要求、整车绝缘监控要求。通过多方面的安全防护措施，保证纯电动汽车的安全性和可靠性[插图][插图][插图]。
• 图2-56 特斯拉主要车型电压平台1)整车高压互锁设计。纯电动汽车上高压回路互锁，是将高压接插器、高压零部件盒盖等用低压线串接起来，当插接器公母端分离或高压部件盒盖打开时，低压线路同时被切断；此时，低压回路检测控制器发出警报，警示当前处于高压暴露状态；高压电控制系统将切断整车高压回路，防止人员触电[插图][插图]。
• 2)整车绝缘监控设计。纯电动汽车绝缘监测系统如图2-58所示，电阻Rn、Rp分别为动力蓄电池包负极、正极对地等效电阻值，绝缘监测电路(IMD)基于电桥法测量出Rn、Rp，集成于动力蓄电池管理控制器内部。
• 3.高压控制系统拓扑及器件选型设计下面论述高压配电系统中铜排、熔断器、继电器、高压线缆等部分设计要点[插图][插图][插图][插图]。(1)高压线缆的选型要求高压电缆是传输电流的导体，选型时主要考虑温升、电阻率、耐压、绝缘、热延伸、热收缩、低温拉伸等性能。高压线缆载流量参考曲线如图2-60所示。
• (2)高压熔断器的选型要求高压熔断器主要是用来保护电路的功能器件，防止在整车过电流、过电压的情况下对整车用电回路造成损伤。选型需要考虑如下条件：1)整车相关因素：①整车电压等级、熔断器的电压等级必须大于整车最大可持续电压。②最大预期短路电流、最小预期断路电流、熔断器分断能力验证。③连接方式、环境温度等。2)负载相关因素：①负载额定电压、额定电流和额定功率。②最大可持续电压、电流及最大可持续电流时间。③峰值电压、电流及峰值电流持续时间。④寿命期脉冲冲击次数。⑤故障电流源。3)回路相关因素：①继电器最大可持续电流及持续电流时间。②电缆线径和长度。③回路电容。(3)高压继电器的选型要求高压继电器是实现电路通断功能的器件，主要用于电池内部、快充电、加热器和压缩机等回路。选型主要考虑如下条件：①线圈额定参数，匹配对应的控制系统需求。②触电参数，根据所使用的功能判断继电器接触电阻、额定电压、额定负载、最大分断电流、最大切换电压、适用负载、电流耐受等是否满足负载需求。③寿命，主要包含电耐久性和机械耐久性，根据负载控制逻辑及使用频次判断。④性能，主要包含绝缘电阻、介质电压、时间参数、振动冲击、电冲击等。⑤装配性，满足装配空间、尺寸需求。⑥环保要求，满足禁用物质标准要求。(4)熔断器选型举例以某纯电动乘用车型PTC回路电缆和熔断器选型为例，额定电压为410V，PTC回路额定电流为20A，Imax及持续时间为30A/500ms。电缆选型举例：整车电压为410V，额定电流为20A，经过查表，电缆选择600V屏蔽电缆，线径2.5mm2。1)额定电压的选型。根据整车电压范围，要求回路中的最大应用电压(Umax)小于熔断器额定电压。一般预留15%以上安全裕量。通过查询熔断器规格书，500V熔断器满足设计要求。通过查询PTC规格书，回路中不存在瞬时电压高于整车电压范围的情况，熔断器无需修正选型。
• 2.3.2.2 纯电动乘用车低压电气系统方案1.概述(1)低压电气系统的组成（图2-61）纯电动汽车车载电源系统主要指将高压系统的电力转换为低压电源向低压电器设备供电的系统，由蓄电池、DC/DC变换器、熔断器、开关（或继电器）、导线和电器负载等连接而成。其中，蓄电池、DC/DC变换器为低压电源系统；熔断器、开关（或继电器）和导线组成电源的分配系统[插图][插图]。[插图]图2-61 低压电气系统(2)低压电气系统的设计内容及流程低压电气系统设计内容包括蓄电池选型设计、整车电源分配设计、整车电气原理图设计、线束设计及附件设计等。低压电气系统的设计流程如图2-62所示。(3)设计参考标准整车低压电气系统设计参考标准见表2-27。表2-27 整车低压电气系统设计参考标准
• 2.整车低压控制原理设计(1)DC/DC变换器、蓄电池选型设计DC/DC变换器除了为整车的低压系统提供电能外，还需要给低压蓄电池充电。DC/DC变换器的选型需满足以下要求：①提供当前负载需求的所有电流。②提供蓄电池充电需求的全部电流。③在车辆的各种状态下，提供稳定的电流。④运行可靠、安静，有一定的抗污染能力，维护成本低。对蓄电池进行选型时，须满足以下几个要求：①在各种极端情况下均能起动车辆。②车辆起动后，能够有效地稳定正常电源。③车辆开启电器负载总功率较大时，蓄电池能够提供部分电能。④车辆停放时，在车辆设计的静置时间内确保车辆必需的控制器和防盗系统能正常工作，且能正常起动车辆。⑤应急情况下的短时行驶容量需求。此外，在对纯电动汽车蓄电池进行选型时，还需要以下设计内容：①静态电流：设计初期统计整车各电气部件静态电流，一般不大于20mA。②静置天数：车辆在静置规定天数后可以正常起动，一般要求42天。蓄电池容量计算公式：
• (2)电源与接地分配设计1)整车低压电源分配设计的主要内容包括：电器分析，熔断器和继电器选型匹配设计，电器盒选型及布置，试验验证。①电器分析指在车型开发初期对车型电器配置和电器件电源模式的分析，对车型电器配置及相关电器特性有初步的概括。②熔断器和继电器选型匹配设计的主要工作为：熔断器与电器件的匹配、熔断器与线束的匹配、继电器的选型匹配；对回路电器间的匹配进行初步的选型计算。③电器盒选型的主要工作是确定电器盒的数量、电器盒的类型、熔断器的布置、继电器的布置，在合理利用空间的同时达到电器性能最优化效果。④试验验证指对各电器件选型和电器间的匹配关系进行系统性验证，保障电源分配设计的合理性和安全性，主要试验包括电源分配试验和电器回路短路过流试验。2)整车用电器的供电模式分为常电、ACC电、IG1电、IG2电和READY电。根据电器件的功能用途，从电源模式上对电器件进行区分。①常电：蓄电池直接供电，中间未经过继电器或控制开关；需要有记忆功能的模块或在车辆下电后需要工作的电器，如BCM、无钥匙进入/启动系统(Passive Entry Passive Start, PEPS)等电器的供电端为常电。常电负载同时需要考虑对整车静态电流的影响。②ACC电：通过点火开关ACC供电，与主电源间通过ACC继电器控制通断；行车前需要用到的电器件和音响系统由ACC供电，如多媒体音响系统、点烟器、后视镜调节等。③IG1电：通过点火开关IG1供电，与主电源间通过IG1继电器控制通断；一般车辆动力系统工作时必须工作的电器件的供电为IG1电，如倒车灯、转向灯、组合仪表等。④IG2电：通过点火开关IG2供电，与主电源间通过IG2继电器控制通断；功率比较大的、不是车辆动力系统工作时必须工作的电器件的供电端为IG2电，如鼓风机、后除霜等。⑤READY电：通过点火开关及制动信号，整车上高压电状态，在此电源模式下可以操作行车。说明：整车供电模式根据车辆功能设计需求设定不同电源模式，有以下组合方式：①BATT，ACC，IG1，IG2，READY；②BATT，ACC，IG，READY；③BATT，IG，READY；
• ④BATT，IG1，IG2，READY。3)接地设计要求如下：①整车地：就是整车电路的地，是由蓄电池负极直接接到车身，使车身成为一个大的负极。所有用电器的搭铁都是通过车身搭铁，因此汽车电路中的接地又被称为搭铁。②电源地：指低压电器和负载的电流回路地，这里指负极搭铁，主要是指大功率用电器的搭铁，例如冷却风扇、刮水器电动机、玻璃升降电动机、空调鼓风机、座椅调节电动机、天窗电动机、门锁电动机、电动助力转向电机、电子驻车电机等。这些用电器的电流一般较大，会对其他弱电流或信号线产生干扰。③信号地：指的是模块或系统间通信信号回路的参考地。该参考地一般在模块内和信号供电负极地等电位连接，根据信号类型可分为数字地和模拟地。信号地一般指小电流信号的搭铁，有模拟信号、数字信号等，信号一般比较敏感，容易被干扰。④屏蔽层地：对于360°全景影像系统、娱乐系统天线及高电压工作用电器，因为其工作过程中对周围电磁场影响较大，或受周围电磁场影响较大，所以必须采用屏蔽线，以达到保证接收信号准确，且对周围线束电磁场影响最小的作用。而屏蔽线的屏蔽层，直接通过搭铁点接到整车地。4)搭铁方式设计要求如下：根据车载用电器部件低压端负极回路电流流向，如图2-63～图2-65中的I1～I10所示，负极搭铁方式可分为串联搭铁、并联搭铁和混合搭铁。其中，Z1～Z10代表搭铁线束上的阻抗。后两种搭铁方式又可分为单点搭铁和多点搭铁两种情况：当低压端负极回路电流的最高频率不大于10MHz时，单点搭铁效果较好；当低压端负极回路电流的最高频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量减小地线阻抗，就近多点搭铁效果较好。串联搭铁方式容易导致公共阻抗耦合干扰问题，低压端功率级别相差很大的电器部件之间不宜采用该搭铁方式，若设计中不得不采用该搭铁方式，则应将低压端功率较大电器尽量布置于图2-63中电器件1的位置。并联搭铁方式可减小公共阻抗耦合干扰，在相对较大的搭铁系统中可能需要较多的搭铁线束。纯电动汽车电气系统的负极搭铁方式一般采用多点并联搭铁（图2-64）。根据整车特殊需求，局部可采用串联搭铁（图2-63）或混合搭铁（图2-65）。
• 搭铁分配原则如下：①强弱电流分开搭铁原则。如电动机类产品：冷却风扇、刮水器电动机、玻璃升降电动机、空调鼓风机、座椅调节电动机、天窗电动机、门锁电动机、电动助力转向电机、电子驻车电机等，属于大电流用电器；如控制器，传感器等，属于小电流用电器；大电流用电器搭铁要与信号线或控制回路等小电流用电器搭铁分开。[插图]图2-65 混合搭铁②安全件单独搭铁原则。如安全气囊模块、制动防抱死系统、电动助力转向系统等对整车性能及安全等级要求高，且对外界影响因素有要求的模块，要采用单独搭铁。为确保系统准确及时地工作，还需要有备用搭铁作为备用方案；针对前照灯搭铁，考虑一个搭铁失效后，另一个可以继续使用，因此必须将左、右前照灯分开搭铁。③就近搭铁原则：考虑到经济性、压降小及最小电磁干扰，搭铁尽量靠近用电器端，这样搭铁线短，导线成本低，线束回路压降小，被干扰的可能性也随之降低，特别是针对弱电流信号搭铁，以保证信号的真实传递。除以上三个基本原则外，根据用电器特性还有以下几点情况：①所有搭铁都要避免喷漆污染，避免电泳、钝化等防腐镀层影响导通性，避免搭铁位置低于涉水高度。②蓄电池负极线、DC/DC变换器搭铁线等导线截面较大，一定要控制好线长和走向，减少设计成本，减小电压降。
• (3)配电盒设计开发配电盒是一个继电器和熔丝的载体，由壳体、印制电路板、电器盒、母线、熔丝、插座、外接插头等组成。母线、插座和外接插头设置在电路板上；电路板设置在壳体内，壳体上对应于电路板上的插座、外接插头的位置处设有插孔和安装孔，电器盒、熔丝通过壳体上的插孔与插座插接连接。配电盒应能够满足各种汽车电器的连接和控制，电路简便、集中，便于安装和检修，可以减少运行故障的发生，有利行车安全。配电盒分为集线式配电盒、PCB[插图]配电盒、智能电器盒（集成车身控制器）。考虑到电器件布置及电源线束回路走向原则，整车配电盒一般采用前舱配电盒和室内配电盒组合设计。
• 3.低压线束拓扑及器件选型设计(1)整车线束基本组成线束是汽车的网络神经，实现汽车上的电源和各个电器零部件的电路物理连接，负责整个电器零部件之间信息的传递。纯电动汽车上的低压线束一般分为前舱线束总成、仪表板线束总成、车身线束总成、车门线束总成、车顶线束总成、气囊线束总成和保险杠线束总成等，如图2-67所示。[插图]图2-67 整车低压线束示意图低压线束子系统由插接器、导线、胶带、固定卡子、线束保护套（护板、胶套、波纹管等）等部件组成。线束包含几条主线束和多条分支线束。低压线束子系统的组成如图2-68所示。
• (2)线束布置设计线束布置区域按照干湿区不同可分为干区、湿区，按照温度不同可分为高温区、低温区。整车线束布置区域呈复合特征，可划分为高温湿区、低温干区、低温湿区等区域。线束布置区域的特性如图2-69所示。
• 2.3.2.3 纯电动客车高压电气系统方案1.概述相对于燃油客车，纯电动客车尤为显著的区别就是采用了大容量、高电压的动力蓄电池包及高压电驱动系统，以及高压电动辅助系统等高压电气部件。高压电气系统是整车上由高压电气部件构成的电源回路的统称，通常由可充电储能系统、高压配电系统、电驱动系统、电动辅助系统及充电系统组成。各系统之间通过电路连接及控制交互保证整车可靠安全运行。由于高压电气安全的特殊性，该系统应满足相应的法规或标准，主要内容梳理见表2-32。根据电源控制变换模块及用电负载的组合结构的形式不同，高压电气系统主要分为两种构型：集中式和分布式。①在集中式构型（图2-72）中，高压控制变换模块集成在一起组成集成控制器，动力蓄电池包直接连接集成控制器（含驱动电机控制器、转向电机控制器、空压机电机控制器等），由集成控制器输出连接各用电负载（驱动电机、转向电机、空压机电机等）。该构型控制模块便于集成设计，控制模块环境适应性要求低，用电负载设计简单，但交流电路较多，电磁兼容问题较突出。表2-32 高压电气安全法规或标准
• ①可充电储能系统是整车电能存储系统，是整车驱动的能量源。该系统主要由动力蓄电池包与动力蓄电池管理系统(BMS)组成。BMS主要通过采集、分析动力蓄电池电压、温度、电流等信息，实现高压安全管理、电池状态分析、能量管理、故障诊断管理、电池信息管理等功能，从而实现对动力蓄电池系统的安全有效管理，避免电池过充电、过放电，延长动力蓄电池的寿命。②高压配电系统的功能是实现整车各个高压部件电能管理与分配，并能可靠地接通及断开，实现整车高压电气系统的安全高效运行。该系统主要由接触器、熔断器、功率电阻及导电铜排、高压线束连接组件等组成。③电驱动系统作为整车驱动动力源，通过将车载能源的直流电转换为交流电来控制驱动电机旋转，提供整车驱动力。该系统主要由动力电机及其控制器组成。④电动辅助系统是为保证整车的正常运行及舒适性而提供辅助功能的附件系统。该系统主要由电动助力转向电机及电机控制器、电动空气压缩机及控制器、电动空调/电除霜器、DC/DC变换器等组成。⑤充电系统是车载能源系统的能量补充渠道与接口，实现外部电能的转换与补充，保证整车的持续运行。该系统主要由充电接口、车载充电机（交流充电配置）及相应的连接与控制保护电路组成。
• 2.高压电气系统方案设计要点高压电气系统方案需根据整车动力性、舒适性等指标确定的高压用电负载进行设计，例如车载储能系统的电压、电量、最大充放电功率，电驱动系统及其他用电设备功率等参数。其设计开发流程与乘用车电气系统设计基本一致，主要步骤如下：①需求分析：整车需要实现什么功能、安装要求是什么、工作环境情况（温度、湿度、振动等）、外接电网设备的要求、使用频率等。②功能设计：对满足需求的功能进行分配，形成功能清单，如空调系统制冷、采暖的不同设定要求。③系统方案设计：确定电气系统的指标，制定电气系统的拓扑结构方案，根据用电负载制定电气系统原理图，输出主要零部件的选型，原理图上需体现各部件连接关系及主要规格（线径、接口、熔断器、继电器电流等）。高压电气系统设计原则为：工作部件稳定供电，不工作不带电，支路故障由支路保护，主电路须有熔断器与维修开关，外部接口精简化。根据客车的动力蓄电池包配置特点，兼顾电量、电流与效率，高压电气系统电压等级普遍在500V以上，最大工作电压不超过750V。设计过程主要从以下方面开展：电路的功率匹配设计、特性参数匹配设计、连接线路及接口设计、电磁兼容性设计。(1)功率匹配设计对于电气系统上的载流部件，其功率的匹配按照负载的工作需求来确定，功率电气回路上主要包含电缆导线、熔断器、高压继电器等主要部件。其匹配主要根据以下参数确定：●工作环境温度：电气部件正常工作的最大环境温度范围。●工作电压：电路的最大电压范围，电缆、熔断器及继电器额定电压应不小于该值。●工作电流：电气部件工作的额定持续电流和峰值电流，对于熔断器的匹配还应考虑电缆的熔断电流。●工作寿命：主要是高压继电器的触点寿命应满足整车电气系统设计寿命的要求。
• (4)MSD匹配设计手动维修开关(Manual Service Disconnect, MSD)用于检修电动汽车时，为了确保人车安全，通过手动的方式将高压系统的电源断开，使高压回路出现明显可视的断点。目前，MSD主要有两种产品形式：内嵌熔断器MSD（图2-83a）和无熔断器MSD（图2-83b）。其中，无熔断器MSD体积重量较小，其主要匹配参数包括额定电压、额定电流、工作环境温度和插拔寿命。
• 2.3.2.4 纯电动客车低压电气系统方案1.纯电动低压电气系统概述低压电气系统是纯电动客车的核心控制系统，涵盖供电分配、整车控制、驾驶交互、通信管理等多项功能。作为车辆电气化、信息化、智能化功能体现的重要载体，低压电气系统的设计质量至关重要。低压电气系统包括车载总线、低压电源及供电系统、充电系统、电机冷却系统、组合仪表、整车控制器、监控主机、档位面板等。纯电动客车低压电气系统的结构原理如图2-84所示。
• 低压信号主要包括车载总线、硬线连接信号，其中车载总线指车内网络系统，是保证纯电动客车各关键部件的信息交互的传播载体，如目前通用的CAN总线技术，可为动力蓄电池管理系统、电机控制器、电动空压机、电动空调、助力转向油泵、组合仪表、整车控制器等提供可靠稳定的信息交互路径。整车控制器是纯电动客车的核心控制部件，它通过采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，并做出相应判断后，控制下层的各部件控制器的动作驱动汽车，实现整车驱动控制、能量优化控制、制动回馈控制和部分网络管理等功能。监控主机是用于采集及保存整车及系统部件的关键状态参数并发送到监控平台的装置或系统，具体指标需满足GB/T 32960—2016《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》的要求，见表2-36。纯电动客车与传统燃油汽车低压电气系统的主要区别在于以下几个方面：①纯电动客车的辅助蓄电池由动力蓄电池通过DC/DC变换器来充电，传统燃油汽车的辅助蓄电池由与发动机相连的发电机来充电。②纯电动客车低压电气系统采用直流12V或24V电源，一方面为车辆的常规低压电器（如灯光装置）供电，与传统燃油汽车一致；另一方面还需为整车控制器、高压电气设备的控制电路和辅助部件供电。
• 2.低压电气系统方案设计要点纯电动客车低压电气系统方案设计流程与乘用车基本一致，设计过程主要包括低压电气原理设计、低压负荷匹配设计和整车网络架构设计三大方面。(1)低压电气原理设计低压电气原理设计是整车低压系统及其与高压系统（电机控制器、BMS等）交互控制的基础，其质量好坏关系到整车电气系统的功能正确性、稳定性和安全性。其中，整车控制器是低压电气系统的核心单元。控制器通过对相关输入信息进行综合分析后，对高低压部件进行控制，因此该原理图（图2-85）需重点体现整车控制器的输入/输出信息、相关部件的供电和使能控制电路。其中，钥匙点火信号、驻车制动信号、冰雪模式开关、DBR信号（防抱死制动系统激活状态信号）等通过传统电器部分的线束接入整车控制器；档位面板、加速踏板、制动踏板信号，相对传统燃油汽车均接入发动机电子控制单元，纯电动客车须都接入整车控制器。此外，图2-85涵盖了整车控制器对高压部件控制单元及其相关附件的供电控制和使能控制设计电路，包括高压配电及控制盒的供电控制电路、电机冷却水泵使能控制电路、空压机风扇使能控制电路、动力蓄电池管理系统与充电插座间的交互电路等。(2)低压负荷匹配设计纯电动客车汽车低压电器负荷的统计是DC/DC变换器选型等的重要依据。因纯电动客车的特性及相关法规要求，在充电期间整车下电，需工作设备的用电从外部充电机获取。故在正常状态下其负荷匹配与电器配置、使用工况有关。
• (2)发展趋势随着汽车智能化、网联化进程的加快，面向未来更加高效、安全的交通体系升级，对纯电动客车整车低压电气系统的软硬件升级、通信容错和吞吐能力、诊断技术、网络安全等功能需求日益提高。越来越多的整车企业、高校及科研院所争相研究的重点主要有：①整车功能安全和故障诊断技术。②电子电器自身的节能化以及车辆各系统的电控管理优化。③支持高度自动驾驶的智能域控制器开发等。此外，针对车载终端产品，开发主动智能信息服务技术日益成为研发热点，如利用云端计算资源和智能算法，适应复杂交通环境和不断变化的驾驶状况，根据驾驶需求主动提供精确的信息服务。

 2.4 整车安全性设计

• 2.4 整车安全性设计2.4.1 碰撞安全性能设计2.4.1.1 碰撞安全概述研究表明，车辆的防撞设计是减少道路交通死亡事故的最有效措施，电动汽车碰撞安全设计分类如图2-89所示。传统燃油汽车碰撞安全性能设计包括主动安全设计和被动安全设计，其中被动安全设计又包含结构耐撞性设计、约束系统集成、行人保护设计；对于电动汽车而言，还包含碰撞后的高压电安全。高压电安全包括触电保护、动力蓄电池包安全和断电策略[插图][插图][插图]。
• 2.4.1.2 碰撞安全性能设计流程在车型开发立项之初，就需要明确车型的市场定位和碰撞安全目标。碰撞安全目标确定之后，碰撞安全性能的设计开发也就开始了。在碰撞安全性能开发过程中，需要经过竞品车调研、对标车数据分析、CAE虚拟仿真概念设计、总布置安全分析、结构细化数据设计及虚拟仿真分析、优化设计、约束系统集成、零部件安全性能试验、样车整车碰撞试验、被动安全性能及高压电安全验证评估等环节。整车碰撞安全性能在满足传统燃油汽车所涉及的相应法规的同时，还必须符合GB/T 31498—2015《电动汽车碰撞后安全要求》、GB/T 18384—2015《电动汽车　安全要求》等国家标准中有关条款的规定。开发中，除了技术上的设计，还需对碰撞安全性能开发成本进行预估和核算，并制定合理的开发计划。图2-90所示为电动汽车碰撞安全设计流程V形图。
• 2.4.1.3 碰撞安全法规体系碰撞安全性能的开发离不开法规符合性的审查、安全认证、保险系统评定以及用户评价等多个体系的评价，具体可查阅与碰撞安全相关的国内外法规及主流评价体系和评价方法，见表2-38～表2-42。
• 2.4.1.4 纯电动乘用车碰撞安全设计1.纯电动乘用车结构耐撞性设计车身结构是车辆发生碰撞事故时对乘员的第一道保护屏障，因此车身结构的耐撞性能设计也就显得尤为重要，是整车安全设计的基础。通常把车辆与外界障碍物之间发生的碰撞称为“一次碰撞”，通过车身耐撞性解决其吸能问题；把乘员与乘员舱内部发生的碰撞称为“二次碰撞”，可通过合理的约束系统匹配解决该部分问题，从而在车辆碰撞过程中将乘员的伤害降到最低。车内乘员受到伤害的原因主要有两个：一是由于碰撞过程中车身结构变形侵入生存空间而引起的；二是由碰撞加速度对人体器官造成的伤害。根据表2-38中所列举的电动汽车碰撞安全性相关标准法规，从上述碰撞过程及伤害形式可知，车身结构耐撞性的总体设计原则如下：①车辆前、后端及侧面应有足够的吸能空间和吸能装置，如图2-91所示，以便将碰撞发生时车辆的动能有效地转化为车体结构的变形能，从而使传入乘员舱的动能降低到最小。典型的前舱吸能结构如纵梁溃缩区特殊结构，需保持合理的刚度及溃缩方式。②车辆乘员舱应保持足够的刚度及强度，以便在碰撞事故发生时为乘员提供足够的生存空间，减少因侵入量过大造成的伤害；同时，避免乘员因碰撞加速度过大而被抛出车外，并且保证碰撞后车门可开启以便乘员安全撤离或顺利救援。③根据GB/T 31498—2015《电动汽车碰撞后安全要求》有关条款规定，电动汽车的正面与侧面车辆碰撞试验形式和试验方法应分别按照GB 11551—2014与GB 20071—2006的相关要求进行。在碰撞试验后，车辆包括可充电储能系统在内的高压系统应符合GB/T 31498—2015中的要求。
• 对于侧碰，一般将B柱和车门侵入量作为评价指标，设计目标参考值分别为100～160mm及150～210mm。同样，具体设计目标还需根据车辆市场定位、碰撞安全性能设计指标和所选用材料共同确定，并经过概念设计阶段及标杆车的CAE仿真分析结果预判。总体的设计原则是：乘员舱的侵入量越小，对假人的伤害越小，对乘员的保护越有利。车辆在碰撞过程中产生的加速度，即制动减速度，是造成乘员伤害的最主要原因。从直觉感受讲，加速度值越大，乘员感受到的碰撞冲击越猛烈。整车的加速度曲线也是整车结构及车辆约束系统集成的纽带，是车辆约束系统集成的重要设计参数。适当降低车身结构加速度峰值及设计合理波形是降低乘员伤害的有效措施。加速度控制范围参考如图2-93所示。综上所述，电动汽车整车结构耐撞性设计主要内容包含：开发性能管理流程、开发目标制定、开发设计总原则、布置及吸能空间要求，以及碰撞发生后侵入量和加速度控制。
• 高速碰撞发生后，车辆受损严重，动力蓄电池包需要更换或者全面检查维修，因此不要求模拟碰撞试验后动力蓄电池包的功能正常，只要求不发生电解液或冷却液泄漏、外壳破裂、起火或爆炸等情况。仿真分析也只要求动力蓄电池壳体结构不发生破裂，建议目标值设置为壳体材料等效塑性应变＜0.8A（A为材料断后延伸率）。模拟碰撞仿真采用LS-DYNA等显式有限元软件，将动力蓄电池包模型约束到一个代表台车的刚性体上，然后施加加速度载荷。因为台车正碰和侧碰试验都要求用同一个试验对象，所以仿真时也要在同一次分析里先后施加X和Y向加速度载荷。按照GB 31467.3—2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统》规定，X向载荷加速度最大值为28g，Y向载荷加速度最大值为15g，如图2-97所示。
• 在建模仿真过程中，需要考察动力蓄电池系统在受到碰撞时各个组件的受损程度。要求如下：①在整车级别能有效吸能，使碰撞能量尽可能避开动力蓄电池系统。②电池包自身的防护等级要求是不破裂、不起火、不爆炸，内部可轻微变形，主被动防护装置起作用。③电芯及模组的要求是不破裂、不漏液，可变形但无其他危害现象发生。
• 2.4.1.5 纯电动客车动力蓄电池系统碰撞安全设计纯电动客车的动力蓄电池系统由多箱电池、高压配电及管理系统构成。电池箱通常布置在底盘前后轮中间、后轮后、尾舱、车顶等位置。高压配电部分通常布置在尾舱位置。在汽车碰撞事故中，电池箱或高压附件有可能受到挤压而严重变形，也有可能在无明显变形的情况下发生冲击过载，使动力蓄电池包存在热失控或高压出现短路造成整个动力蓄电池系统起火爆炸等安全事故。实际上，绝大多数的碰撞起火不是因为碰撞加速度的大小导致，而是因为碰撞导致蓄电池包的结构变形，使电池内部电芯或高压部件受到挤压而造成短路，最后引发动力蓄电池和车辆着火。依据道路行驶过程中轿车、客车、载货车等车辆追尾、侧碰等场景开展电池系统防撞结构设计，控制动力蓄电池包的变形量，尽可能避免内部元器件受到挤压，是保证整车电池系统安全的有效措施之一。1.设计原则及流程根据纯电动客车的结构特点，动力蓄电池系统的碰撞防护结构设计应综合考虑电池包所在位置的舱门大小、舱门强度、电池包与防撞梁间隙、防撞梁强度等因素，在碰撞区域内设计逐层防护结构，包括防撞横梁、舱门结构、电池包结构等，实现动力蓄电池系统中电池箱体及高压配电部分不被挤压、侵入或少量侵入时不影响车辆安全。工程实施应依据法规规定、产品开发确定的防碰撞工况、保护范围目标，结合市场实际应用场景进行结构设计、仿真分析、实车验证、结构优化并输出设计方案。碰撞防护结构设计流程图如图2-98所示。[插图]图2-98 碰撞防护结构设计流程首先应通过电池箱挤压试验确定安全挤压范围，基于目标车型确定电池箱在整车状态下的溃缩距离。依据公交车、载货车等大车追尾电动公交车场景进行结构设计，根据载货车前部大梁高度及公交车后部车架高度，确定设置吸能结构覆盖区域为离地500～1000mm；根据车辆工况选取有效碰撞速度（据论文资料数据显示，城市公交车的运行速度差为20～40km/h，因此将30km/h作为有效碰撞速度），通过防撞梁结构和支撑结构设计，提高动力蓄电池舱体结构强度与刚度满足溃缩距离目标要求；按照国家要求的碰撞工况进行仿真分析，满足整车侧面撞击下电池箱变形量在安全范围内，实车或使用等效结构模型进行工况试验验证，根据试验结果优化并固化设计方案。纯电动公交车尾部碰撞防护结构和侧面碰撞防护结构件如图2-99所示。
• 2.4.2.3 电气安全设计要求1.过载/短路检测及保护要求B级电压电路中应设置过载或短路检测及保护部件，如设置霍尔传感器、熔断器和接触器，当发生过载或短路时能及时预警，并安全脱开故障回路。2.接触器触点状态监测保护要求应对B级电压电路中的高压接触器触点状态进行安全有效的实时监控，并对故障、异常状态有预警及保护动作，避免可能引起的车辆不正常起动、工作，以及动力蓄电池过放电、起火等。3.电容耦合要求电容耦合应至少满足以下要求之一：①B级电压电路中，任何B级电压带电部件和电平台之间的总电容在其最大工作电压时存储的能量应不大于0.2J。0.2J为对B级电压电路正极侧Y电容或负极侧Y电容最大存储电能的要求。此外，若有B级电压电路相互隔离，则0.2J为单独对各相互隔离的电路的要求；②B级电压电路至少有绝缘层、遮栏或外壳，或布置在外壳里或遮拦后，且这些外壳或遮栏应能承受不低于10kPa的压强，不发生明显的塑性变形。4.主被动放电要求车辆应具备主被动放电功能，保证车辆在高压下电后，动力蓄电池外部高压回路母线电压迅速卸放降至DC60V安全电压水平以下，且在主动放电失效时，被动放电依旧可以保证车辆在一定时间内将母线电压卸放至安全电压水平以下，防止维修人员发生触电。充电系统应参照GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统　第1部分：通用要求》，主动放电执行机构在1s内将母线电压卸放至DC 60V以下；电机系统应有主动放电或被动放电功能，当B级电压系统断电后，主动放电在3s内或被动放电在5min内，直流母线电压卸放至DC 60V以下。出现问题的B级电压电路可用监测电路内的故障或发现事故作为判断条件，由车辆的控制者选择采用断电的方式作为保护措施，且在故障（比如绝缘、短路等影响安全的故障）未解除的情况下，车辆应禁止再次上B级电压操作。5.绝缘电阻检测要求车辆应有绝缘电阻监测功能，并能通过GB/T 18384—2015《电动汽车安全要求》所要求的绝缘监测功能验证试验。在车辆B级电压电路接通且未与外部电源传导连接时，该装置能够持续或者间歇地检测车辆的绝缘电阻值。当该绝缘电阻值小于制造商规定的阈值时，应通过一个明显的信号（如声或光信号）装置提醒驾驶人，并且制造商规定的阈值不应低于GB/T 18384—2015《电动汽车安全要求》的要求。6.高压互锁要求①B级电压带电回路中的关键电路插接器建议结合整车控制系统实现软件或硬件互锁、联锁功能。②高压互锁通过使用电平或者PWM波等低压信号来检查整个高压部件、导线、插接器及护盖的电气系统连续性。当检测到某处连接断开或某处连接异常时，建议整车控制单元可以切断相关动力电源的输出并发出报警，直到该故障完全排除。7.交流耐压要求车载B级电压部件中，非传导连接到电网的组件，各带电回路之间、各独立带电回路与地（金属外壳）之间，应考虑GB/T 16935《低压系统内设备的绝缘配合》相关要求，设置试验电压和持续时间；传导连接至电网的组件，应按照GB/T 18384.3的要求施加频率为50～60Hz的交流电压1min：——如果采用基本绝缘，则施加(2U+1000)V的交流电压。——如果采用双重绝缘和加强绝缘，则施加(2U+3250)V的交流电压。其中U为组件所连接的电路的最大工作电压，单位为V。8.上下电逻辑要求高压上电逻辑顺序为先低压后高压，由整车层级控制器发出指令，由高压配电系统层先执行至各零部件逐级执行。推荐流程：车辆触发上电指令时（如处于“ON”档），整车控制器和BMS等控制系统首先上电自检，然后进入高压上电程序；由整车控制器向BMS发送上电指令；当BMS自检高低压系统无故障后，闭合主负继电器，再闭合预充继电器，给电机控制器并联电容充电；预充电结束后，闭合主正控制器，并上报整车控制器“上电完成”。高压下电逻辑顺序为先高压后低压，由整车层级控制器发出指令，各零部件先执行，高压配电系统后执行。推荐流程：车辆触发下电指令时（钥匙被打到“OFF”档），整车控制器给电机发送输出转矩为0的指令，达到下电状态判断条件后间断开电机控制器供电；控制DC/DC变换器和附件DC/AC变换器停止工作，延时后断开回路供电；整车控制器收到各回路供电断开的反馈信号后，给BMS发送下电指令；BMS收到下电指令，一般按照主正、主负的顺序断开断路器。
• 2.4.2.4 防水设计要求1.B级电压部件防水设计要求①B级电压部件间插接器的防护等级应达到GB/T 4208规定的IP67（充电口和受电装置除外）。②B级电压部件上使用的A级电压插接器及由此所组成的系统，防护等级应达到IP67。③B级电压部件的防水等级建议不低于IPX8，零部件及系统的防护等级按GB/T 4208—2017的试验条件进行，浸水时间建议不小于24h。——安装在客舱地板以下且距地面500mm以下的B级电压电气设备和与B级电压部件相连的插接器（充电口除外）。——安装在车顶且无防护装置的B级电压电气设备（受电装置除外）。2.整车涉水要求车辆应在300mm水深的水池中，以5～10km/h的速度行驶500m，完成涉水试验，时间3～5min；若水池长度小于500m，则需要进行几次，总时间（包括在水池外的时间）应不少于10min。车辆涉水试验完成后10min内，按照GB/T 18384.3—2015中7.2的绝缘电阻测量方法完成测量，总绝缘电阻值应大于1MΩ。3.整车浸水要求安装在客舱地板以下且距地面500mm以下的B级电压电气设备和与B级电压部件相连的插接器（充电口除外），需进行浸水试验。车辆在退电状态，在水深500mm水池浸泡24h，之后打开总火开关，并将点火开关开至ON档，2h内车辆应不冒烟、不起火、不爆炸。
• 2.4.2.5 防火阻燃设计要求①B级电压部件所用绝缘材料的阻燃性能应符合GB/T 2408规定的水平燃烧HB级，垂直燃烧V-0级。B级电压电缆防护用波纹管及热收缩双壁管的温度等级应不低于125℃，热收缩双壁管的性能应符合QC/T 29106—2004《汽车低压电线束技术条件》中附录B的要求，波纹管的性能应符合QC/T 29106中附录D的要求。②可充电储能系统内应使用阻燃材料，阻燃材料的阻燃等级应达到GB/T 2408规定的水平燃烧HB级，垂直燃烧V-0级。③可充电储能系统（或安装舱体）与客舱之间应使用阻燃隔热材料隔离。阻燃隔热材料的燃烧性能应符合GB 8624中规定的A级要求，并且按GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行试验，在300℃时导热系数应小于等于0.04 W/(m·K)。2.4.2.6 充电安全要求1.充电插座要求整车充电接口不执行充电工作时应不带电。整车具备多个充电接口时，不执行充电工作的充电接口应不带电。车辆充电插座与车辆充电插头在断开时，应至少满足以下一种要求：①在断开后1s内，充电插座B级电压带电部分电压降低到不大于AC 30V且不大于DC 60V或电路存储的总能量小于0.2J。②满足GB/T 4208中规定的IPXXB的防护要求并在1min的时间内，充电插座B级电压带电部分的电压降低到不大于AC 30V且不大于DC 60V，或电路存储的总能量小于0.2J。2.锁止要求充电界面应按照GB 18487.1要求，具备锁止功能或其他措施避免意外带电断开。交流充电电流大于16A时，供电接口和车辆接口应具有锁止功能。锁止功能应符合GB/T 20234.1的相关要求。供电插座和车辆插座应安装电子锁止装置，防止充电过程中的意外断开。当锁止装置未可靠锁止时，车辆应停止充电或不起动充电。3.通信、故障预测及相应要求BMS的通信协议应符合GB/T 27930、GB/T 18487相关要求。过程中检测绝缘电阻、电芯电压、温度、SOC，并在异常状态时具备充电继电器故障检测与报警功能，具备充电插座温度传感器故障检测、高温报警和降流功能，具备DC/DC变换器故障检测与报警功能。
• 2.4.2.8 操作安全和功能防护为保护车辆内外的人员的安全，针对电动汽车所特有的危险规定了操作安全和故障防护的要求。1.驱动系统电源接通和断开程序车辆从驱动系统电源切断状态到“可行驶模式”应至少经过两次有意识的不同动作。例如：踩制动踏板，按起动按键，再挂档；踩制动踏板，插入钥匙，拧钥匙，再挂档。从“可行驶模式”到驱动系统电源切断状态只需要一个动作。应连续地或间歇地向驾驶人指示，车辆已经处于“可行驶模式”。当驾驶人离开车辆时，如果驱动系统仍处于“可行驶模式”，则应该通过一个明显的信号（如声或光信号）装置提醒驾驶人。车辆停止时，驱动系统自动或手动关掉后，只能通过上述程序重新进入“可行驶模式”。2.反向行驶如果是通过改变电机旋转方向来实现前进和倒车两个行驶方向转换的，应满足以下要求，以防止当车辆行驶时意外切换到反向行驶：——前进和倒车两个行驶方向的转换，应通过驾驶人两个不同的操作动作来完成。——如果仅通过驾驶人的一个操作动作来完成，则应使用一个安全措施，使模式转换只能在车辆静止或低速行驶时才能够完成。如果前进和倒车两个行驶方向的转换不是通过改变电机的旋转方向来实现的，则目前用于内燃机车辆的国家相关规定适用于电动汽车。3.功率降低提示如果电驱动系统采取了自动限制和减少车辆驱动功率的措施，而且驱动公路车的限制和降低影响到了车辆的行驶，则应通过一个明显的信号装置向驾驶人提示。4.REESS低电量提示如果REESS的低电量影响到车辆的行驶，则应通过一个明显的信号（如声或光信号）装置向驾驶人提示。5.REESS热事故报警如果REESS发生或将要发生热失控或热扩散的安全事故时，应通过一个明显的信号（如声或光信号）装置向驾驶员人提示。6.驻车切断电源后，车辆不能产生由自身电驱动系统造成的不期望的行驶。7.传导连接锁止当车辆传导连接到位置固定的外部电源或负载时，车辆不能通过其自身的驱动系统移动。
• 2.4.3 功能安全设计安全是未来汽车发展的关键问题之一，不仅在驾驶人辅助和动力驱动领域，而且在车辆动态控制和主被动安全系统领域，新的功能越来越多地触及系统安全工程领域。这些功能的开发和集成将强化对安全的系统开发流程的需求，及提供证据证明全部合理的系统安全目标得到满足的需求。随着技术日益复杂，软件内容和机电一体化应用不断增加，来自系统性失效和随机硬件失效的风险逐渐增加。ISO 26262通过提供适当的要求和流程来避免风险。系统安全是通过一系列安全措施实现的。安全措施通过各种技术（例如，机械、液压、气压、电子、电气、可编程电子等）实现且应用于开发过程中的不同层面。ISO 26262提供了一个基于其他技术的与安全系统相关的框架。ISO 26262基于V模型为产品开发不同阶段提供过程参考，其整体架构如图2-108所示。ISO 26262主要包括：①提供了一个汽车安全生命周期（管理、开发、生产、运行、维护、报废），并支持在这些生命周期阶段内对必要活动的剪裁。
• ②提供了一种汽车特定的基于风险的分析方法，以确定汽车安全完整性等级(ASIL)。③运用汽车安全完整性等级(ASIL)定义ISO 26262中适用的要求，以避免不合理的残余风险。④提供了对于确认和认可措施的要求，以确保达到一个充分、可接受的安全等级。⑤提供了与供应商关系的要求。功能安全受开发过程（如包括需求规范、设计、实现、集成、验证、确认和配置）、生产过程、维护过程和管理过程的影响。安全问题与常规的以功能为导向和以质量为导向的开发活动和工作成果相互关联。ISO 26262可以为涉及与安全相关的开发活动提供安全保证。根据《电动汽车安全要求》《电动客车安全要求》与ISO 26262等标准中对汽车功能安全的规定，总结电动汽车功能安全设计原则如下：①功能安全是避免因电气/电子系统故障而导致的不合理风险，设计人员应当在设计具体细节前充分考虑功能安全的需求，并按照ISO 26262标准的规定建立汽车安全完整性等级，以确定安全功能能够完整执行的可能性，并制定完整的故障处理程序。②电动汽车在驻车、起动和行驶等状态下的动作应满足国家标准《电动汽车安全要求》《电动客车安全要求》中规定的电动汽车功能安全防护要求。在电动汽车充电安全方面，当整车具备多个充电接口时，不执行充电工作的充电接口应不带电，并且充电插座应配备温度监控装置，用于实现车辆充电接口的温度监测和过温保护功能。

 2.5 整车电磁兼容性设计

• 2.5 整车电磁兼容性设计整车电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, EMC)设计是电动汽车关键技术，对整车的电磁兼容性和电气功能安全具有重要的作用。国内外标准化委员会和一些著名车企制定了整车EMC标准，为EMC设计提供了设计规范和依据。通过分析整车上存在的电磁干扰源、电磁干扰传导和辐射两种传播路径，采用屏蔽、滤波和接地等电磁干扰抑制方法和整车分层设计方法进行EMC综合设计，以满足EMC标准的要求[插图]。
• 2.5.3 电磁干扰抑制措施2.5.3.1 通用抑制技术1.滤波在电磁兼容领域，滤波是指从混有噪声或干扰的信号中提取有用信号分量的一种方法或技术。实现滤波功能的滤波器可以对某一频率范围的传输能量衰减很小，使能量容易通过；而对另一频率范围的传输能量有很大的衰减，从而抑制了能量的传输。(1)反射式滤波器反射式滤波器通常由电抗元件（如电感和电容）组合构成（理想情况下，这些元件是无耗的），其在滤波器的通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗，而在滤波器的阻带内提供大的串联阻抗和小的并联阻抗。这种滤波器不是靠消耗能量，而是通过将不需要的频率成分的能量反射回信号源来达到抑制电磁干扰的目的。其种类有四种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。(2)吸收式滤波器吸收式滤波器的原理是将不希望有的干扰频率成分的能量损耗在滤波器内（使之转化为热能），而不是反射回去。因此，这种滤波器又称为有耗滤波器，其中包括有源滤波器。(3)电源线电磁干扰滤波器选择和使用电源线电磁干扰滤波器时，考虑最主要的特性参数有额定电压、额定电流、插入损耗、泄漏电流、阻抗匹配、工作环境条件（温度等），另外还要考虑体积、质量和可靠性等。(4)信号线电磁干扰滤波器信号线电磁干扰滤波器的主要作用是解决空间电磁干扰问题，如设备向空间辐射较强的电磁干扰或者设备对空间的电磁干扰敏感等问题。信号线电缆和电源线电缆之间的耦合导致传导发射高频干扰超标的现象，就是由于信号线上的高频干扰通过空间耦合到了电源线上造成的。出现这种现象是因为信号电缆本身就是一条效率很高的辐射和接收天线。2.电磁屏蔽电磁屏蔽就是对两个空间区域进行金属的隔离，以控制电场、磁场由一个区域对另一个区域的感应和辐射。(1)静电屏蔽原理在屏蔽罩接地后，干扰电流经屏蔽外层流入大地导体空腔内，无其他带电体的情况下，导体内部和导体的内表面上处处皆无电荷，电荷仅仅分布在导体外表面上。(2)电磁场屏蔽近场电屏蔽的一种方法就是在感应源与受感器之间加一个接地良好的金属板，把感应源的寄生电容短接到地，通过抑制寄生电容耦合，达到电场屏蔽的目的。在远场中，电场与磁场方向相互垂直，但相位相同，以电磁波的形式在空间向周围辐射能量，需要设计屏蔽体对电磁波进行屏蔽。(3)磁场屏蔽①静磁场的情况：电磁铁或直流线圈产生的磁场均在空间分布磁力线或磁通。磁力线主要集中在低磁阻（高磁导率）的磁路通过。对磁场的屏蔽主要利用高磁导率的材料，如铁、镍钢等，磁力线将“封闭”在屏蔽体内，起到磁屏蔽作用。②低频交变磁场：磁屏蔽的原理与静磁屏蔽一样，利用高磁导材料作为屏蔽体，将磁场约束在屏蔽体材料内，如铁磁性材料。③高频磁场屏蔽：主要靠屏蔽壳体上感生的涡流所产生的反磁场起排斥原磁场的作用。涡流越大，屏蔽效果越好。应选用良导体材料，如铜、铝或铜镀银等。频率越高，磁屏蔽效果越好。另外，由于趋肤效应，涡流只会在材料的表面流动，因此，只需一层很薄的金属材料就足以屏蔽高频磁场。④交变电磁场屏蔽：一般采用电导率高的材料作为屏蔽体，并将屏蔽体接地。3.接地接地是减小噪声的主要方法之一，正确使用接地技术能够解决多数噪声问题。(1)安全地安全接地的目的是为了使设备与大地有一条低阻抗的电流通路，以保证人身安全和设备的安全。而接地是否有效主要取决于接地电阻，接地电阻的大小与接地装置及环境条件等因素有关，阻值越小越好。(2)信号地简单地说，信号地的接法有单点接地、多点接地、混合接地和隔离。①单点接地。所有电路的地线接到公共地线的同一点称为单点接地，它可以划分成两类：串联单点接地和并联单点接地，如图2-136所示。
• 2.5.4.2 整车电磁辐射抑制1.EMC设计整车EMC性能改善的设计方法如下：1)整车高压线束全部采用屏蔽线束，屏蔽层需要良好接地，建议采用单端搭铁方式。2)电机控制器、二合一和五合一集成控制器及高压控制盒的高压插接件和紧锁器也采用屏蔽部件，并做好良好接地。3)高压线的屏蔽层要搭铁良好，做好单端或双端接地。4)整车CAN线屏蔽层要搭铁良好，做好单端或双端接地。5)电机控制器的旋变线屏蔽层要搭铁良好，做好单端或双端接地。6)电机控制器和五合一集成控制器等高压控制器箱体需要良好接地，缝隙处及预留高压端口需要做电磁屏蔽密封处理。7)整车线束优化布局，减小电磁干扰耦合路径，减少实际工作不必要的线束，在满足电气性能的前提下，尽量缩短线束长度，减小环路面积。8)要求零部件供应商进行高压和低压零部件EMC设计，在控制器内部做好相应的滤波、屏蔽和接地。例如，PCB的优化设计、电路拓扑优化设计、在控制器内部加磁环和滤波电容等。9)低压线束走线尽量远离高压线束，避免线线之间的相互耦合干扰。10)要保证各高压零部件接地阻抗尽量小，搭铁建议尽量用短而宽的线或者编织袋。11)各高压部件（电机逆变器、DC/DC变换器等）的高压回路面积（不管是外部线束还是产品内部走线）尽量小。
• 2.5.5.2 系统仿真与实践充分结合软件仿真对预测EMI和EMC设计具有重要作用，发展潜力很大。首先，各种商业软件的开发越来越成熟，集成了更多常见问题及模型，方便应用；其次，随着技术人员技术和经验的积累，软件仿真的准确度会不断提升，用软件仿真分析研究问题与测试验证比成本更低，更能直观地分析出问题本质。软件仿真将成为汽车电磁兼容设计开发不可或缺的一个工具。当软件仿真在系统级EMC问题上大规模应用时，可以与现有的各种系统级测试手段相互验证，协同使用，从而真正实现建立模型、仿真预测、实验验证再到模型修改的闭环改进流程。

 2.6 整车声品质优化技术

• 2.6 整车声品质优化技术与传统内燃机汽车进行比较，纯电动汽车没有了发动机噪声，相应地也没有了进排气噪声，它的车内噪声主要是由驱动电机、空调风扇、辅助控制器件、车身振动、传动系统等产生的，此外还有风噪声、路面轮胎噪声。尽管纯电动汽车车内噪声声压级相对传统内燃机汽车有较大的降低，但因为存在“独特”的驱动电机噪声，所以如果设计或控制不当，它将会产生比传统内燃机汽车还要差的噪声品质。纯电动汽车的噪声问题主要表现为[插图]：①由于整车内外声学环境的本底噪声趋于减小，导致整车声学特性的变化。原来内燃机汽车对车内外噪声贡献最大的发动机以及进排气系统或者被完全取消，或者使用状况发生很大的变化，而路面激励引起的噪声以及轮胎噪声等保留，车辆行驶和怠速时主要噪声源的噪声降低，这是电动汽车整车噪声水平较低的根本原因所在。但是，噪声水平的降低与特性的改变，将使电动汽车各个噪声源的贡献比重发生重要的改变，从而对电动汽车车内声学品质和车外噪声等级产生重要影响。②噪声源分布更加分散，且容易引发新的异常噪声问题。传统内燃机汽车最主要的运动系统和部件集中在发动机舱内，以内燃机为动力的各种辅助系统也同样集中在内燃机体附近。电动汽车的主要辅助系统基本安装在前舱内，但是动力蓄电池以及其他大功率元件由于体积和重量的限制，或者由于特殊的技术要求，大都分散布置在车身底板下或者行李舱内，其附加的冷却、通风等系统在整车上分散布置，由此形成多声源散布的特点。而且，各种电动化系统和部件不同的工作特性、不同的安装位置和不同的工作时序，将会导致整车振动和声学特性具有更多瞬态特色，加上整车本底噪声的降低，各个部件的工作振动和噪声容易被乘客注意，甚至被认为是异常振动和异响，产生非常不利的影响。③高频噪声现象突出。主驱动电机、各种辅助系统的驱动电机容易发生高频的电磁噪声，加上电动汽车线束系统数量多，分布区域广，需要大量的间隙或者空洞走线，这对于隔离高频噪声造成较大的难度。而且各种功率控制器件也会发生更高频率的噪声，在人类听阈上限附近或者更高的频率范围内会对人体产生影响。对于器件来说，是电磁兼容问题，对于乘客和车外人员来说，就是如何控制高频电磁环境污染和伤害的问题。噪声是汽车NVH研究的一个重点，目前国内外绝大多数有关噪声的标准或准则都是以A计权声压级为基础制定的。电动汽车车内噪声值比传统内燃机汽车的噪声值小很多，传统方法以A计权声压级作为评价标准已逐渐不能满足电动汽车的研究，使用以主观评价为基础的声品质对噪声分析评价为电动汽车噪声研究提供了一个新的途径。
• 2.6.1.2 纯电动汽车声品质主客观评价试验方法尽管纯电动汽车声品质客观心理声学参量评价方法实现了长足的发展，使声品质评价成本大大降低，效率也有很大的提高，但是客观心理声学参量评价不能成为主观评价的完全替代品。与客观心理声学参量评价相比，人耳（主观评价）对声音的主观感知特性能够在主观评价中得到更加准确的反映。另外，声品质客观评价参量并不能完全描述声音品质，主观评价是客观评价的基础。目前，纯电动汽车声品质主观评价主要通过评审团进行听测试验这种方法来实现，也就是说评价过程建立在人对声音质量感受的基础之上。声品质主观评价是一个复杂的心理和生理过程，其结果因人而异，因此它的一致性较差。评价前的培训、评价主体的背景、评价方法和周围环境等因素都直接影响评价结果。主观评价过程设计至关重要，因此在评价指标、评价方法、评价主体、评价环境、评价设备、声音回放顺序和分析方法等方面应该十分谨慎地选择[插图]。声品质主观评价具体的流程如图2-159所示。首先应当以消费者的需求为中心展开市场调研，从而掌握用户对车内部声音环境的期望与反馈。同时，还应当对市场上其他具备竞争力的车辆进行搜索比对，然后针对所研究车辆的类型特点，以及其消费群体等因素并且结合研究目的来选择确定声品质主观评价指标（例如烦躁度、偏好性、愉悦感、豪华感和动力感等）。然后应当对车辆进行试验，这就要求采集并处理车内声音。这一过程应当建立在所需工况基础之上，然后对样本进行编辑保存。在主观评价试验之前，还应该确定以下两个方面：①挑选评价主体人员。②确定主观评价方法，然后组织评价人员进行评价前的培训和试听。最后，在特定试验环境下组织评审人员进行评价试验，并对评价结果统计和进行数据检验，最终获得各样本的主观评价值。
• 2.6.2.2 电动汽车车内电机噪声预测电动汽车车内噪声的组成较传统汽车有很大的区别，电动汽车车内空气传播噪声主要来自驱动电机电磁噪声、轮胎噪声、油泵噪声以及电池组冷却通风系统的风扇噪声等。结构传播噪声则由路面激励、动力总成的振动经悬架、悬置和底盘传至车身，引发车身振动发声而成。电动汽车车内总噪声包含空气传播噪声和结构传播噪声。电动汽车噪声传递路径示意图如图2-166所示。
• 2.6.3.3 行人警示声系统硬件设计在硬件选型之前，首先依据欧盟法规要求确定所需要的器件。图2-183所示为AVAS所需要的主要器件和电路。整车控制器完成所有的数据采集、逻辑计算和放大器的输入控制。SBC CAN相当于CAN接口驱动电路，同时承担电压转换、电源管理的任务。一般，主控单元内置8位或者12位精度的DAC，几乎没有16位的，但是欧盟法规要求DAC精度要满足16位精度，因此需要外置DAC模块。主控单元与DAC间通过SPI通信。为了满足整车厂对音源数据库的要求，外置FLASH存储器，用于存储音源数据，主控单元与FLASH间通过SPI进行通信。供电保护和滤波电路为系统提供稳定可靠、波动较小的电源。LED故障指示灯用于指示系统有无故障，在系统发生故障时，指示灯亮。MCU控制开关电路，用于当主控单元监控到系统电压异常时，切断放大器与电源的连接，保护电路。放大器错误提示和LED故障指示都是提供给主控的、用于诊断的信号。AVAS主要用到的芯片和元器件有主控单元(MCU)、外部存储器件FLASH、电源管理芯片、DAC模块、放大器等。依据芯片元器件应用场景的不同，其级别可分为商业级、工业级、汽车级、军品级。等级的划分主要是根据使用温度范围和抗干扰能力确定的，随着等级的提高，芯片的耐温度特性和抗干扰能力依次增强。需要注意的是，汽车级芯片的温度适用性和抗干扰能力通常比商业级和工业级更好，但是封装和重量通常比商用级和工业级别更大，同时成本也更高。因为事关乘员和行人的安全，所以汽车产品对稳定性要求是很高的。因此在选择相关的芯片时，要尽可能选择汽车级芯片，这是芯片选型应该考虑的一个非常重要的因素。

 第3章 纯电动汽车电动化底盘设计

• 第3章　纯电动汽车电动化底盘设计区别于传统汽车底盘，纯电动汽车电动化底盘是依靠电能作为唯一能源，实现车辆驱动、转向、制动等功能的集成系统，保证纯电动汽车安全、高效地正常行驶。电动化底盘包括电驱动系统、动力蓄电池系统或动力蓄电池-超级电容复合电源系统、车载充电系统以及包含转向系统、制动系统在内的辅助动力系统。本章针对纯电动汽车电动化底盘四大系统中关键零部件的参数确定、设计要点、试验检测方法进行阐述，并给出了一些典型设计方案，供读者参考。

 3.1 电驱动总成设计

• 3.1 电驱动总成设计3.1.1 电驱动系统概述电驱动系统是纯电动汽车的心脏，把电能转化为机械能驱动车辆行驶，与传统动力系统主要区别在于动力源由电机替代发动机，传统驱动系统中的离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成部件在不同类型的电驱动总成中得到了简化。电驱动系统由驱动电机、电机控制器和减变速机构组成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接。其作用是在驾驶人的控制下，高效率地将动力蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上的动能回馈到动力蓄电池中。电驱动系统较传统驱动系统总成具有体积小、功率密度高、布置空间需求小的特点，因此在整车上的布置方式非常灵活，可以很容易地布置在前桥或后桥上以实现前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动这三种模式。当前电驱动系统在整车上的布置构型有三种：前置前驱、后置后驱和前后桥双电驱动系统（四驱），如图3-1所示。图3-1a所示为前置前驱的整车电驱动系统布置构型，将电驱动总成直接布置在前桥上，分别驱动两侧半轴实现整车行驶。图3-1b所示为后置后驱的布置构型，与前置前驱的工作模式相同。图3-1c所示为前后桥双电驱动系统布置四驱的整车布置构型。此种构型不仅可以实现整车四轮驱动，同时可以实现单独前轮驱动模式和单独后轮驱动模式，适应性强，具有根据整车实际工况灵活调整驱动方式的优势。
• 纯电动汽车的驱动方式主要有两大类：集中式驱动和分布式驱动。①集中式驱动对车辆本身改动小，开发周期短，难度小，是目前纯电动汽车的主流驱动系统，其中轿车多采用单电机+减速器/变速器系统，客车多采用电机与车桥连接的系统。集中式驱动系统关键零部件由分体式向集成式发展，需要对电机系统与减速器/变速器和驱动桥深度集成技术进行深入研究，以提升加工制造水平。②分布式驱动传动链简化，整车空间利用率高，动力性能和控制性能优越。随着电机集成及控制技术的不断提高和对车辆布置空间要求的进一步提升，分布式驱动构型将会是纯电动汽车的发展方向。
• 电驱动系统设计原则：①满足整车动力性要求，如爬坡度、加速性能等。②满足整车经济性要求，在大部分工况下保持较高的系统工作效率，以提升纯电动汽车的续驶里程。③功率密度高，调速范围大，稳定性和控制精度好。④体积小，重量轻，成本低。⑤可靠性高，安全性高，寿命长，噪声低。电驱动总成的设计是根据整车工况和目标需求，确定选定系统构型和总成参数，根据总成及部件设计要点进行设计后试验验证。
• 3.1.2 集中式驱动系统集中式驱动系统是目前国内外市场上纯电动汽车的主要动力系统形式。轿车多采用电机、减速器和电机控制器三合一的电驱动系统构型；商用车集中式驱动系统主要有电机直驱、电机+变速器型式；商用载货车多采用电机+车桥集成的电驱动桥构型。目前集中式驱动主要分为电机直驱、电机+减速器/AMT系统、三合一系统和电驱动桥系统四大类。3.1.2.1 电机直驱1.参数选定及校核电机直驱构型中取消了传统燃油汽车的发动机、离合器、变速器等动力传动部件，使动力系统结构简化，维修保养方便。如图3-3所示，在驱动电机端盖的输出轴处通过传动轴连接后桥的主减速器和差速器组成驱动部分，通过后桥主减速器对驱动电机输出动力减速增矩。这种布置形式具有结构简单以及传动部分布置紧凑、可靠性高、无级变速、驱动效率高等优点，且部件基本成熟，整车故障率低。但该系统成本相对较高、重量较重、功率冗余。
• (1)电机定子绕组的冷态直流电阻值测试电机定子绕组冷态直流电阻宜在实际冷状态下测量，并记录测量时的环境温度数值。将电机在温度均匀的空间中放置一段时间，使电机内外部和环境温度一致，记录问题数值。判断温度一致的标准满足下列条件之一即可：①用温度计（或埋置检温计）测量电机绕组、铁心和环境温度，所测温度与环境温度之差应不超过2K。必要时，温度计应有与外界隔热的措施，且放置温度计的时间不少于15min。测量绕组温度时应根据电机的大小，在不同部位测量绕组端部和绕组槽部的温度（如有困难，可测量铁心齿和铁心轭部表面温度），取其平均值作为绕组实际冷却状态下的温度。②电机处于不工作状态且在环境温度稳定的空间中放置时间超过12h，使用微欧计测量绕组直流电阻。测量时，驱动电机转子静止不动，通过绕组的试验电流应不超过其额定电流的10%，通电时间不超过1min。绕组各相各支路的始末端均引出时，应分别测量各相各支路的直流电阻。如果各相绕组在电机内部连接，那么应在每个出线端间测量电阻。对于三相电机，各相电阻值可参考GB/T 18488.2—2015中的5.6节进行计算。(2)控制器壳体机械强度测试应分别在控制器壳体三个方向上，按照GB/T 18488.1—2015中5.2.4节的规定，缓慢施加相应压强的砝码。其中砝码与控制器壳体的接触面积应不小于5cm×5cm，控制器壳体应能够承受不低于10kPa的压强，且不发生明显的塑性变形。(3)电机及控制器绝缘电阻参考GB/T 18488.2—2015中5.7节绝缘电阻测试方法，电机及电机控制器应满足如下绝缘阻值要求。1)电机绕组对机壳的绝缘电阻。将电机在温度稳定的空间静止放置不少于12h，记录此时电机所处空间的温度后进行该项测试。电机定子绕组对机壳的冷态绝缘电阻应不低于20MΩ。2)电机定子绕组对温度传感器的绝缘电阻。若电机的温度传感器固定于定子绕组中，将电机在温度稳定的空间静止放置不少于12h后，记录测试电机所处空间温度后进行该项测试。电机绕组对温度传感器的冷态绝缘电阻值应大于20MΩ。3)控制器绝缘电阻。按照GB/T 18488.2—2015中的5.7.1节、5.7.2节和5.7.5节进行测试，控制器动力端子与外壳、信号端子与外壳、动力端子与信号端子之间的冷态及热态绝缘电阻均应不小于1MΩ。(4)电机及控制器液冷系统冷却回路特性要求1)电机及控制器冷却回路密封性能。按照GB/T 18488.2—2015中的5.5节对液冷电机或控制器进行冷却回路密封性能试验，应能承受不低于200kPa的压力至少15min，无渗漏。2)电机及控制器冷却回路流阻特性。按照冷却系统零部件开发指标，对最终批准批量生产样件进行流量-水阻曲线测试，测试进水流量宜从5L/min开始，取5L/min测试间隔，测试至需求流量值+10L/min流量点，根据测试各稳定流量下冷却回路阻力，绘制流量-水阻曲线，需求流量点稳定水阻值应小于产品开发技术文件要求。(5)安全性1)电机及控制器安全接地检查。参考GB/T 13422—2013中的5.1.3测量电机系统的接地电阻，要求电机及其控制器中能触及的可导电部分与外壳接地点处的电阻不应大于0.1Ω。接地点应有明显的接地标志。若无特定的接地点，则应在有代表性的位置设置接地标志。2)控制器支撑电容放电时间。当对电机控制器有被动放电要求时，参考GB/T 18488.2—2015中的8.3节进行测试，要求电机控制器支撑电容放电时间应不大于5min；当对电机控制器有主动放电要求时，电机控制器支撑电容的放电时间应不超过3s。3)控制器保护功能及容错功能。电机控制器应尽量避免或防止因硬件或软件单点失效所引起的不希望的加速、减速及倒车等故障。控制器的保护及容错功能要求见表3-4。
• 1.三合一电驱动系统介绍电动汽车三合一技术是指将电控单元、电机和减速器集成为一体的技术。随着计算机技术与电气技术的不断发展，集成化设计将成为未来的趋势，尤其适用于轿车和轻型商用车。在这一领域国内厂商有所涉及，国外的吉凯恩(GKN)、采埃孚(ZF)、博世等公司相对走在前列。如图3-29所示，比亚迪公司的三合一电驱动桥将电机、电控单元和减速器置于同一封装空间。

 3.2 纯电动汽车电源系统设计

• 1.系统功能纯电动汽车电源系统的主要功能和要求包括：①为整车驱动提供能量，并支持整车高压附件系统的正常工作。②可利用交流和直流电源进行充电。③在车辆制动阶段可回收整车再生制动能量。④可长期稳定地储存能量，不发生明显的系统自放电现象。⑤满足宽温度和不同海拔条件下的工作环境要求。⑥满足驱动电机、系统控制器等部件对工作电压的需求。⑦具备一定的使用寿命和存储寿命。⑧符合国家标准的力学性能（如刚度、强度等）和安全性能（如抗冲击、抗挤压、防水防尘等）。⑨满足国家标准的阻燃性能、耐腐蚀性能、电磁兼容要求。⑩可制造性和可维护性满足国家和行业要求。⑪满足其他相关国家法律法规、行业标准与相关政策的要求。2.结构组成不同企业、不同车型的电源系统的总体构成基本相同，但结构和设计上有差别。比如电动商用车，尤其是电动客车的布置空间大，搭载的动力蓄电池模块多，通常由多个动力蓄电池模块和独立的高压箱组成；而电动乘用车，受限于布置空间，动力蓄电池模块少，布置的结构也比较紧凑。按照结构组成划分，纯电动汽车电源系统由蓄电池模块、电池箱体结构组件、电子电气组件、热管理系统组件、功能辅助组件等组成，部分纯电动汽车中还包括车载充电机。图3-48所示为某款纯电动汽车动力蓄电池系统的示意图。
• (1)电芯及动力蓄电池模块电芯（也称为单体蓄电池）是组成蓄电池模块和蓄电池系统的基本单元。蓄电池模块由复杂串并联方式排布的电芯、模块结构件（如端板、侧板、底板、盖板、绝缘、导热部件等）、电池参数检测传感器（如温度、电压采样传感器及线束等）、电气连接部件（如电芯串并联汇流排、模块输出极等）等组件构成。(2)电池箱体结构组件由动力蓄电池箱体（上盖、下壳体）、固定/支撑结构部件（支架、压板/压条等）、密封组件（如密封条）、平衡阀（具有防爆功能）、标准件（如螺栓、螺母、垫片等）等组件构成。(3)电子电气组件由蓄电池管理系统、继电器、熔丝、电流传感器、预充电阻、高/低压线束、插接器等组件构成。(4)热管理系统组件热管理系统组件由冷板、软管、管接头、弹性支撑、电阻丝/加热膜等组件构成。(5)功能辅助组件功能辅助组件由卡扣、扎带、密封圈/垫、密封胶、导热胶等组件构成。此外，在动力蓄电池-超级电容器复合电源系统结构中，还包括超级电容模组和DC/DC变换器。
• 3.2.1.3 动力蓄电池的基本性能参数纯电动汽车电源系统的核心部分为蓄电池系统：首先由电芯组成动力蓄电池模块，然后由动力蓄电池模块形成整个动力蓄电池系统。动力蓄电池为电动汽车提供功率，是电动汽车的能量存储装置，其性能直接影响电动汽车的整体性能。动力蓄电池的性能参数主要包括电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、使用寿命等。1.电池电压对于动力蓄电池而言，电压可分为端电压、开路电压、额定电压（平台电压）和充电/放电截止电压。①端电压：正极和负极之间的电位差称为端电压。②开路电压：没有负载情况下的端电压称为开路电压。③额定电压：动力蓄电池工作输出的标准电压称为额定电压，也称为平台电压。④充电/放电截止电压：电池充电/放电时，电压上升/下降到电池不宜再继续充电/放电的最高/低工作电压值，即为电池的充电/放电截止电压。不同类型及不同充电/放电条件的电池，其截止电压不同。2.容量容量单位一般为A·h（安时），在实际应用中又有额定容量和实际可用容量的区别。额定容量是指充满电的动力蓄电池在实验室条件下（较理想的温度、湿度环境），以某一特定的放电倍率放电到截止电压时，所能够提供的总电量。在通常情况下，实际可用容量不等于额定容量，它与温度、湿度、充电/放电倍率等因素有关，某些情况下甚至比额定容量小很多（低温下）；同时，随着充电/放电循环次数的增加，实际可用容量逐渐减小。图3-49所示为不同放电倍率条件下某3.0A·h锂离子动力蓄电池的容量衰减特性。[插图]图3-49 不同放电倍率条件下某3.0A·h锂离子动力蓄电池的容量衰减特性3.荷电状态荷电状态(State of Charge, SOC)是用来表示电池内部剩余电量的参数。此参数与电池的充电/放电历史和充电/放电电流的大小有关。荷电状态一般用百分比的方式来表示，取值为0～100%，对于以额定电流充满电的电池，SOC=100%。电池荷电状态值可表示为[插图]式中C——电池剩余的可用容量(A·h)；Cr——电池的额定容量(A·h)。4.充电/放电倍率电池充电/放电倍率常用C（C-rate的简写）表示，比如1/5C、1C、5C、10C等。假设某动力蓄电池的额定容量C是20A·h，如果将其充/放电倍率设置为0.5C，那么此型号的电池将以10A的电流进行充电/放电。如果其最大放电倍率是3C(10s)，则表示该电池能够以60A的电流持续放电10s。5.能量密度能量密度指单位体积或单位质量的动力蓄电池能够存储或释放的电量。能量密度有质量能量密度和体积能量密度之分，其单位分别为W·h/kg和W·h/L。在电动汽车上，动力蓄电池的质量能量密度指标比体积能量密度指标更为重要，因为动力蓄电池质量能量密度影响电动汽车的整车质量和可行驶里程，而体积能量密度只影响动力蓄电池的布置空间。质量能量密度是评价电动汽车的能量源能否满足预定的续驶里程的重要指标。目前，车用动力蓄电池的能量密度与传统燃油汽车的能量密度相比，差距明显。6.放电深度放电深度(Depth of Discharge, DOD)是指在动力蓄电池充满电的情况下，以一定的放电电流对动力蓄电池进行放电，放出的电量占总容量的百分比。例如30%DOD放电，表示充满电后放出30%的容量。与SOC的定义不同，SOC的计量起点为动力蓄电池电量空态，DOD的计量起点为满态。7.功率密度充电/放电功率是指在一定的充电/放电条件下，单位时间内动力蓄电池输入/输出的能量，单位为W或kW。质量功率密度是指单位质量的动力蓄电池输入/输出的功率，也称为比功率，单位为W/kg；体积功率密度是指单位体积的动力蓄电池输入/输出的功率，单位为W/L。功率密度是评价动力蓄电池系统是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。常见的磷酸铁锂电池或三元锂电池均为电化学电池，其功率密度与电池的放电深度密切相关。
• 8.电池的自放电率动力蓄电池的自放电率是指动力蓄电池在存放或静置期间存储电量的衰减率，即动力蓄电池无负荷时自身放电使容量损失的速度。自放电率用单位时间内容量下降的百分数表示。锂离子动力蓄电池自放电率的原因有两个：物理微短路和化学反应。物理微短路时电池的表现为在常温、高温存储一段时间后，电池电压低于正常截止电压。与化学反应引起的自放电相比，物理微短路引起的自放电不会造成锂离子蓄电池不可逆的容量损失。9.循环使用寿命动力蓄电池随着充电/放电循环次数的增加而逐渐老化、容量降低，循环使用寿命(State of Health , SOH)即为表征动力蓄电池在衰减到最低可用容量的使用次数。动力蓄电池的寿命分为循环寿命和日历寿命。①循环寿命一般以“次”为单位，表征为动力蓄电池可以循环充电/放电的次数。动力蓄电池的循环使用寿命通常是在理想的温度/湿度下，以额定充电/放电电流进行深度的充电/放电（满充、满放或80%容量的充电/放电），计算容量衰减到额定容量的80%时所经历的循环次数。②日历寿命是从生产日期至到期日期的时间，以年为计量单位。该期间包括搁置、老化、高低温、循环、工况模拟等不同测试环节。
• 3.2.2 动力蓄电池系统总体方案设计3.2.2.1 整车应用需求动力蓄电池系统总体方案设计是在允许的尺寸、重量、电量范围内进行系统参数配置、结构工艺设计，使其满足整车系统的安全需求、功率需求、容积需求、开发周期要求和其他方面的需求：①从整车的性能需求考虑动力蓄电池系统的工作电压、可用能量、充电/放电倍率。②满足整车安全的需求，包括电气安全、机械安全、化学安全及功能安全要求。③考虑质量要求和可能的成本，包括购买成本和综合使用成本使用。④保证可制造装配性、可采购性、可测试性、包装运输与售后、可回收性等要求。⑤保证重量、允许的运行条件及环境温度范围等要求。对于以上需求，须按照国家标准、相关法规，对影响整车经济性、可靠性、工艺性、安全性等方面的因素优先予以考虑和满足。在现有的技术条件下，采用整体系统设计的方法，在高能量、高安全性、高可靠性、轻重量、低成本、易维护、易实现梯次利用等方面综合平衡考虑，为整车提供具有最佳综合使用性能的动力蓄电池系统产品。开发纯电动汽车动力蓄电池系统的主要原因是节油和环保。与传统能源相比，动力蓄电池的能量转换效率具有明显的优势。但是其能量密度、功率密度、成本、工作温度等与传统能源相比仍然存在较大的差距。因此，在动力蓄电池系统设计过程中，需要从多个方面同时考虑，尽可能提高系统的性能。不同能量源的特性对比见表3-24。表3-24 不同能量源的特性对比[插图]电动汽车的性能受动力蓄电池系统的性能影响很大：如系统能量密度决定了车辆的续驶里程；系统功率密度决定了整车的动力性；循环寿命的长短和成本的高低直接影响电动汽车整车成本和使用经济性。为了满足电动汽车的动力性、安全性和经济性，车用动力蓄电池系统应当满足以下应用要求：(1)能量密度高车载能量满足行驶里程要求。目前常用的磷酸铁锂和三元锂电池在成组后由于辅助部件的增加，系统的能量密度比电芯的能量密度降低20%左右，相对于传统燃油汽车的能量密度大大降低。电源系统总能量难以满足车辆长续驶里程的要求，这是限制电动汽车广泛应用的主要因素之一。因此，提高动力蓄电池的能量密度能够大大改善目前电动汽车续驶里程较短的弱点，同时也有助于减小整车的质量和体积。(2)功率密度大功率密度直接关系到汽车的起动、爬坡、加速特性和效率特性等，提高动力蓄电池的功率密度能够有效改善电动汽车的整车动力性，使车辆获得良好的加速性能。目前动力蓄电池的功率密度基本能够满足车辆的使用，甚至对于某些性能较好的电动汽车，能够在很短的时间内完成百公里加速。(3)使用寿命长目前常用的磷酸铁锂电池的循环寿命为800～2000次，三元锂电池的循环寿命为500～1500次。相对于传统燃油汽车，锂离子蓄电池的循环寿命短是目前限制电动汽车广泛应用的主要因素之一。延长动力蓄电池的使用寿命能够大大降低动力蓄电池的使用和维护成本，从而降低整车的使用成本。(4)安全性高安全性高的电动汽车能够有效降低因漏液、短路、碰撞等引起的车辆起火爆炸等危险事故的发生概率，保障用户的生命安全，降低财产损失。安全性是所有汽车的最基本要求，电动汽车电源系统应满足GB/T 18384.1—2015《电动汽车　安全要求　第1部分：车载可充电储能系统(REESS)》的要求，同时满足常规车辆的碰撞、侧翻等要求。此外，动力蓄电池的安全性还要满足2006年开始实施的汽车行业相关动力蓄电池标准。(5)可靠性高提升动力蓄电池系统应对车辆复杂工况的适应能力，能够有效防止动力蓄电池因工作环境剧烈变化、人为操作失误而导致的性能突变。(6)高低温性能好电动汽车的应用环境和地域比较广泛，因此需要动力蓄电池系统具有很强的适应能力，以在较宽的温度变化区间内正常工作。锂离子蓄电池受温度影响较大，这就要求电源系统中有性能良好的热管理系统，包括散热系统和加热系统。(7)系统自放电率低动力蓄电池系统自放电包括BMS的自耗电和电池的自放电，其中BMS自放电是由静态功耗、系统可能存在的漏电情况等引起。自放电大小直接影响系统的待机性能、正常使用过程中的系统效率以及动力蓄电池组中电芯的均衡能力。(8)价格低廉目前，相较于传统燃油汽车，电动汽车的成本和销售价格具有明显劣势。电动汽车40%～50%的成本来源于动力蓄电池系统，因此在设计和制造过程中，降低动力蓄电池系统的成本能够有效降低整车成本，提高电动汽车的产品竞争力。
• 3.2.2.2 动力蓄电池系统的开发流程动力蓄电池系统的开发流程参考“V字形”开发模式，从系统需求的描述和分析开始，逐步迭代到子系统、零部件，分层分级进行设计、验证，然后进行系统集成设计与验证，最后进行针对需求的测试验证。1.动力蓄电池系统功能分析动力蓄电池系统的需求定义是基于用户需求，对动力蓄电池系统的逻辑体系结构进行详细的定义说明。系统逻辑体系结构包括功能界面、功能网络界面和整车中各项与动力蓄电池相关的通信协议的详细定义。通常将国标及法律法规要求、整车技术规范(Vehicle Technical Specification,VTS)要求、布置及接口要求、应用环境要求等作为输入，以用户产品开发需求说明(Specification of Requirements, SOR)的形式发布。动力蓄电池系统厂家可根据SOR需求逐一分解，最后形成动力蓄电池系统的参数表。此过程不对具体的技术实现方案做任何决定，但需考虑制定动力蓄电池系统的测试标准和方法。用户需求确认阶段重点关注接口、通信协议、外特性、应用环境、安全性、可靠性、成本等。在动力蓄电池系统功能需求的确认过程中，系统设计需要确定的参数如图3-50所示。厂家需根据要求整理出动力蓄电池系统的参数表作为主要设计目标，此外还要确定成本目标。[插图]图3-50 动力蓄电池系统设计需要确定的参数2.子系统分解及设计动力蓄电池系统由动力蓄电池模块、蓄电池箱体结构组件、电子电气组件、热管理系统组件、功能辅助组件等组成。动力蓄电池模块是动力蓄电池系统的核心部件之一，图3-51所示为动力蓄电池模块构成示意图。(1)动力蓄电池模块设计中需要考虑的内容①动力蓄电池成组要根据动力蓄电池系统设计的整体要求，选定电芯固定和电连接结构方案。②动力蓄电池模块的装配要求松紧度适中，各结构部件具有足够的强度，防止因动力蓄电池内外部力的作用而发生变形或破坏。例如，可在电芯间安装泡棉以抵消部分电池的膨胀变形。③电芯与电池模块要有专门的固定装置，结构紧凑且要根据动力蓄电池箱体的散热情况设置通风散热通道，可选择液冷、直冷、热管传热、相变吸热等冷却方式的结构。④电芯之间的导线连接距离尽量短，连接可靠，各导线连接部位的导电能力要满足用电设备的最大过电流能力，连接工艺可采用激光焊、超声焊、螺栓压接、电阻焊、电磁焊等。⑤充分考虑电池串/并联、高压连接之间的绝缘保护问题。例如，设计合理的绝缘间隙和爬电距离等。[插图]图3-51 动力蓄电池模块构成示意图(2)动力蓄电池系统外壳的设计①要保证其结构牢固，可抵抗车辆振动、冲击、撞击的需求。②要达到防尘防水等级（IP等级）要求，耐蚀性、轻量化、抗石击、抗火烧等。③电池箱体要设置有可靠的等电势点，保证与底盘的可靠电连接。④密封电池箱（IP67及以上）要设有平衡透气阀以保持电池箱体内外气压平衡，防止由于内外压差导致的变形。此外，防水透气阀还应具有箱体防爆功能。(3)动力蓄电池的高压控制盒集成单元(Power Distribution Unit, PDU)设计原则是器件布置紧凑，体积小，易于拆卸和装配。由于PDU空间较小，电流较大，设计时应注重散热布置，避免温度聚焦升高导致潜在的安全隐患。对保证整个高压系统及各个电器设备的安全性、系统绝缘、电磁干扰及耐振动等具有很高的要求。PDU将朝体积小、轻量化、智能化方向发展。3.系统集成设计与验证系统集成设计与验证主要面向BMS设计、机械集成及热管理设计、电气系统集成设计。系统集成设计分类如图3-52所示，各部分设计准则和方法将在对应的小节分别描述。
• BMS的设计包括定义设计、硬件设计、底层及软件设计和控制策略开发设计。BMS由各类传感器、执行器、固化有各种算法的控制器及信号线等组成。作为纯电动汽车动力蓄电池系统中重要的组成部分，BMS的主要任务是确保动力蓄电池系统的安全可靠，提供汽车控制和能量管理所需要的动力蓄电池系统状态信息，并且能够在出现系统异常情况时对动力蓄电池系统采取适当的干预措施。BMS的主要功能包括数据采集、状态检测、安全保护、充电控制、能量控制管理、均衡管理、温度检测与热管理以及信息管理。机械集成及热管理设计包括动力蓄电池模块布置设计、模块冷却与散热设计、机械结构设计、防护及抗震设计。动力蓄电池系统由大量的电芯组成，在实际应用中，电芯的串并联方式、电池组的布置、工作环境温度等因素对整个电源系统的性能有重要影响，良好的集成系统和均匀的环境温度能够大大提高系统性能、延长系统使用寿命。此外，动力蓄电池的安全性和稳定性易受外界环境的影响，因此合理安全的防护和抗震设计是系统安全使用的重要条件之一。电气系统集成设计包括电气系统的空间布置、线束系统空间布置、电器和插接件布置等。电气系统集成设计优化能够减小整个电源系统的占用空间，同时也是系统安全使用和稳定运行的重要条件。
• 4.动力蓄电池系统的布置方案动力蓄电池系统的布置方案应充分考虑整车能耗、续驶里程、车身地板结构（SUV/轿车结构框架特点等）、底盘（前悬架/后悬架的结构形式等）、轴距、内外饰件等的影响，分析相关需求并进行设计。(1)安全需求确定需要满足的法规要求、安全距离要求（如满载离地高度、碰撞对动力蓄电池与前/后副车架的空间距离）等。(2)功率需求结合整车需要满足的各种工况（如NEDC工况、WLTC工况等）、动力系统的电压平台要求，将之转化成对动力蓄电池系统的功率要求及电压平台要求。(3)容积需求根据车辆能耗和续驶里程设计目标确定需求电量范围，考虑初定的动力蓄电池系统空间，估算出需求电芯的体积/能量密度水平。然后，根据电压平台选择电芯节数、电芯容量，结合初定的动力蓄电池系统空间、电芯选型、热管理空间需求、电气安全需求、电池管理的布置空间、工艺装配需求（机械安装接口、电气连接接口及装配操作间隙）等，修正动力蓄电池系统的空间需求，并将之与整车进行对接，直至确定动力蓄电池系统的空间边界、电压、容量等参数。(4)信息交互需求确定整车需要的动力蓄电池系统交互的信息，明确各接口信息的规范要求（如通信速率、软件协议等），根据动力蓄电池系统各零部件的分布，完成相关抗干扰设计（如在动力蓄电池系统各零部件的布置上，尽可能避免恶劣的通信环境等）等工作。通常，动力蓄电池箱体的整体排布要求为：①系统排布规整对称。②预留安全距离。③高低压线路排布规整。④电气件、模组隔离。⑤考虑热管理系统结构。电箱内部的模组排布需尽量规整和对称，使动力蓄电池系统的重心尽量在几何中心或在电箱的对称轴上。图3-53所示为某电动商用车动力蓄电池系统的布置。
• 3.2.2.3 动力蓄电池选型和系统参数匹配1.动力蓄电池选型与铅酸蓄电池、镍氢蓄电池相比，锂离子蓄电池具有工作电压高、能量密度大、功率密度高、质量轻、体积小、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低等优点，是目前公认的比较适用于电动汽车的动力蓄电池类型。由于电动汽车产品需求的不断提升和技术进步，现有的锂离子动力蓄电池产品的技术水平仍存在较大的限制，不仅是在产品性能和安全性方面，还包括产品的成本因素等。因此，提高锂离子动力蓄电池的能量密度、使用寿命和安全性，降低成本，既是动力蓄电池研究的热点，也是选型考虑和设计优化的重点[插图]。在动力蓄电池包产品的设计中，电芯的设计或选型最为关键。在锂离子动力蓄电池选型过程中，需要重点关注动力蓄电池特点的差异性，包括不同正负极材料体系和结构形式的动力蓄电池产品，它对应不同的产品性能、安全性、产品技术和工艺成熟度、产品价格、产能保证能力以及环保因素等方面。锂离子动力蓄电池的分类有多种形式，通过不同形式的分类，可以对比得到适合于系统应用的动力蓄电池类型。根据锂离子动力蓄电池电芯结构形式的不同，可以分为圆柱形、铝塑膜软包、方形硬壳电池。常见电芯的结构形式见表3-25。典型的锂离子动力蓄电池的结构类型及其优缺点见表3-26。圆柱形电池根据结构尺寸的不同又可分为18650、21700、26650等型号。其中，18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。铝塑膜软包、方形硬壳电池两种形式的电芯，通常根据容量大小再进行细分。
• (1)直接串联直接串联的成组方式，具有连接方便、形式简单、易于设计的优点。在实际设计过程中，可以根据空间排布需求，设计不同串数模块，最终再将所有模块串联成电池包，空间利用率较高。在这种成组方式下，模块内的连接片最多只连接两个电芯极柱，在激光焊接极柱的时候，由于极柱高度差导致的焊接不良率大大降低，良品率较高。但是，由于所有电芯均为直接串联成组，某个电芯发生脱焊时，电池包回路会因此断开而彻底失效。同时成组容量受单个电芯制约，无法满足特定容量需求。以大容量方形电芯为例：常见大容量方形电芯规格有100A·h、120A·h、150A·h等，某个动力蓄电池包的需求容量120A·h、额定电压345.6V，因此可以选用120A·h方形三元电芯（额定电压为3.6V）直接串联的方式进行成组。一般先将四个电芯串联成1P4S的模块，然后将24个相同的模块再次进行串联，最终形成1P96S的动力蓄电池包。但是，当需求动力蓄电池包容量达到180A·h以上时，一般不使用该方式进行成组。(2)先并后串先并后串是目前最为常用的成组方式，其结构形式见表3-29。此形式模块组成方式为：首先将多个电芯正、负极分别相连，形成XP1S的模块，然后将若干个该类型模块进行串联，形成动力蓄电池包。并联模块端电压相等，只需监测一个电芯的端电压，不需要增加复杂开关或电压监测电路模块，因此经济性较好。各并联模块相互独立，利于电芯之间的自均衡，对电芯可用容量及内阻的不一致性协调度较高。同时，并联模块是电芯直接并联，端电压低，即使电芯的端电压有偏差，并联时影响也较小，安全性较高。由于模块之间是从头到尾串联而成的，连接方式简单，走线容易，可以衍生出各种串并联方式的方案。另外适用范围广，常见的圆柱形、方形、软包电芯均可以使用这种成组方式。以软包电芯为例：某个动力蓄电池包需求容量120A·h，额定电压345.6V，可以选用30A·h软包三元电芯（额定电压3.6V）先并后串的方式进行成组。先将四个电芯进行并联成4P1S的模块，然后将96个该类型模块进行串联，形成4P96S的动力蓄电池包。此外，还可将该方案进一步优化，由于软包电芯厚度较薄，先将24个电芯组成4P6S的模块，然后将16个该类型模块进行串联，形成4P96S的动力蓄电池包。不过，此结构形式的模块内并数较多，往往一个连接片需要与4～8个电芯进行焊接。焊接质量受极柱高度差影响较大，合格率较低，在模块设计上需要通过工艺优化提高良品率，通过减少模块和结构件的数量来提高成组率。(3)先串后并先串后并的结构形式见表3-29。此结构形式为：首先将多个电芯的正负极依次相连，形成1PXS的模块，然后将若干个该类型模块进行并联，形成动力蓄电池包。此方案一般用于设计大模块场景，如一个动力蓄电池包只用2～4个大模块成组。先串后并的单个模块均是并联在电路中，当某个电芯或某一并联的电芯与电池回路脱开时，其他并联模块依旧可以正常工作，提供电流，并且工作电压不变，只是容量降低，可以继续使用。由于每个串联模块中电芯的数目一般较多，在串联模块并联前需对各模块电压进行有效均衡，否则即使较小的电芯端电压差异，成组后也会产生较大的并联支路间的电压偏差，可能引发安全事故。此外，由于先串后并的成组方式中每一个模块必须由相同数量的电芯组成，所有模块尺寸大小相同，无法设计成不同串数的模块进行排布，所以空间利用率低。先串后并的方式在实际生产应用中使用较少。
• 2.电池不一致性筛选电动汽车用动力蓄电池组由大量的电芯组成，由于制造工艺和使用环境的差别，它们在工作过程中不可避免地会存在电池容量、内阻、开路电压的不一致。不同内阻的电池的发热量和工作电压均有差别，造成功率输出和寿命衰减速率不一致。相关数据表明，对于同一种型号（同一种封装）的标准电池，其容量差异最大可达10%～20%，而串并联大量电芯的动力蓄电池系统存在“木桶效应”，性能较差的电芯会严重影响动力蓄电池包的性能。因此，动力蓄电池的不一致性也会影响电动汽车的性能，给动力蓄电池生产工艺、筛选、BMS性能提出了较高的要求。在动力蓄电池系统设计中，主要考虑电池的一次不一致性，这主要由其生产制造过程中工艺误差等不可控因素造成，因此难以避免。电动汽车复杂的使用环境和电芯存在的不一致性，严重制约了动力蓄电池组的能量/容量利用率，会极大降低动力蓄电池组的可靠性，也会加速动力蓄电池的老化。作为提高动力蓄电池系统在电动汽车上的工作效率和可靠性的主要方法，电池的筛选聚类技术可以有效降低组内电芯间的一次不一致性，减少因一次不一致性引起的动力蓄电池性能退化。常用的筛选方法依据不同的筛选参数或特征曲线信息可以分为单参数分选法、多参数分选法、曲线特征分选法和电化学阻抗谱分选法。四种电池筛选方法的分析对比见表3-30。电芯筛选可以选用作为表征其不一致特性的开路电压、可用容量、内阻等参数。GB 31241—2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组　安全要求》给出了简化的电池筛选的标准。
• 1.电源系统充电方式电源系统充电方式正逐步向快速化、通用性、智能化、集成化和网络化发展。电源系统充电速度的理想状态是能快速充电，甚至达到和传统燃油汽车加油一样的速度。但是，目前还未有任何一种车载电源系统能够达到此要求。根据充电时动力蓄电池组是否与电动汽车分离，动力蓄电池的充电方式可分为整车充电和快换（换电）充电两种方式。(1)整车充电方式整车充电方式是指采用交流充电桩、车载充电机、非车载充电机等充电设备直接对电动汽车车载动力蓄电池进行充电。根据充电装置和汽车受电装置的连接形式不同，可分为传导式充电和感应式充电两种；根据充电时间的长短，可分为交流慢充和直流快充两种。其中，交流慢充是指电源系统设计目标中设定的以较低倍率进行充电的制式，直流快充是指电源系统设计目标中设定的以较高倍率进行快速充电的制式。交流慢充通常是利用交流电动汽车充电桩，即慢充充电桩进行充电。慢充充电桩是与交流电网(AC 220V)连接，为电动汽车车载充电机（即固定安装在电动汽车上的充电机）提供交流电源的供电装置。交流充电桩提供给车载电源系统的是交流电，需要车载电源再转化为直流电才能提供给电池。直流快充通常是利用充电站的直流电动汽车充电桩，即快充充电桩进行充电。快充充电桩与交流电网连接，输入电压采用三相四线AC 380×(1±15%)V，频率50Hz，输出为可调直流电，直接为电动汽车的动力蓄电池充电。对应两种充电方式或充电桩的车用充电插头也有所不同，图3-59所示为车用充电插头。
• 3.2.3 动力蓄电池系统的结构设计3.2.3.1 结构设计概述动力蓄电池系统（以下简称电池系统）的机械结构主要包括动力蓄电池模块（以下简称电池模块）、热管理系统、动力蓄电池管理系统（以下简称电池管理系统）、电气系统、动力蓄电池箱（以下简称电池箱）体等。进行电池系统结构设计时需要先进行电池总体布置方案设计，根据整车电量、功率、性能及空间要求，初步确定电池系统电芯选型、电芯节数和电池系统外形尺寸；然后依次考虑电池模块结构设计、系统热管理设计、电池管理系统和高压配电设计、电池箱体设计。①电池模块结构设计主要考虑将电芯以一定的固定方式（结构胶粘或护板螺栓连接）固定成组，同时考虑空间尺寸、电气安全和机械安全等要求设计出电池模块。②系统热管理设计主要综合考虑动力蓄电池高低温充放电性能、电池冷却加热需求和电池箱体内部空间等方面影响进行设计。③电池管理系统和高压配电结构简单紧凑，可单独设计放入电池箱体内部，也可安装在整车靠近电池箱体附近。电池系统设计过程中还需要考虑机械安全、电气安全、环境安全等内容。④电池箱体设计主要包括电池模块结构尺寸、系统热管理结构尺寸和整车空间包络尺寸设计。在进行结构设计时，不仅要考虑基本功能，还需要考虑成组效率、机械安全、电气安全、热管理、电磁兼容、电磁屏蔽等各个方面。电池系统机械结构设计的通用要求应满足相关标准，如QC/T 989—2014《电动汽车用动力蓄电池箱通用要求》。1.一般性要求①系统维护方便。②在车辆发生碰撞或动力蓄电池发生自燃等意外情况下，具有能够防止烟火、液体、气体等进入车厢的结构或防护措施。③电池箱外露面应留有铭牌与安全标志布置位置，给熔丝、动力线、采集线、各种传感元器件的安装留有足够的空间和固定基础。④所有无级基本绝缘的插接件、端子、电触头应采取加强防护。在插接件、端子、电触头接合后应符合GB/T 4208—2008《外壳防护等级（IP代码）》防护等级为3的要求。⑤结构轻量化，选择强度较高的轻质材料，如铝合金、铝镁合金、塑料、碳纤维等，尽量减少材料的使用，节约成本并保证电池系统的能量密度高，成组率高，实现系统的轻量化。2.外观与尺寸①外表面无明显的划伤、变形等缺陷，表面涂、镀层应均匀。②零部件紧固可靠，无锈蚀、毛刺、裂纹等缺陷和损伤。3.机械强度①耐振动强度和耐冲击强度，在试验后不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象，锁止装置不应受到损坏。②采取锁止装置固定的电池箱，锁止装置应可靠，具有防误操作措施。4.安全要求①在振动试验后，电池箱防护等级不低于设计的等级。②人员触电防护应符合相关要求。
• 3.2.3.2 电池模块结构设计电池模块作为动力蓄电池包（简称电池包）三个层级的中间环节，是承上启下的关键部件，要保障电芯在模块中的稳定性，减少或屏蔽外界的影响，同时为电池包的电连接、机械连接提供相应的机械结构。因此，模块在设计过程中需要充分考虑电芯与电池箱体的因素。模块的边界尺寸、安全设计、散热方式受电芯材料体系、结构特点、尺寸规格、安全性能等的影响较大。在模块设计的过程中，需要针对电芯的特点，扬长避短地进行设计。例如，软包电芯的鼓胀率较大，模块设计时需要预留充分的空间用于电芯鼓胀。模块的电气接口、安装固定点、正负极引出位置受电池箱体的影响较大。电池箱的布置、内部空间的形状、高压回路的排布方式都会影响到模块的设计。在模块设计过程中，需要考虑以下的设计要点。①机械结构：振动、冲击、挤压、穿刺、鼓胀、可维护。在机械结构方面，进行模块设计时应该选用螺栓连接这类可靠的连接方式，并且在紧固件的安装面使用钢或铝合金确保连接强度，模块固定点的数量应根据模块重量合理选用，分布均匀，从而保证在振动、冲击过程中模块不发生损伤。固定电芯之间需要预留空间用于吸收电芯在充电/放电过程中产生的鼓胀效应。模块尽量选用卡扣、螺栓连接等可反复拆卸的方式，保障可维护性。②能量密度：减重孔、空间利用率。在能量密度方面，模块设计应避免采用大面积金属板、大块塑料等形式，根据强度需要在金属板上开孔减重，在塑料结构上通过多开减重孔、减重槽等措施优化造型结构，提高强度。③电气：绝缘、爬电距离、防误触。在电气方面，电芯之间或与模块框架接触的部位必须设计绝缘材料，可以使用PET、PI绝缘膜，也可以使用PC、ABS、PPO等塑料结构进行绝缘防护。电芯连接片与其他金属材料之间的距离应考虑电气间距及爬电距离。如果无法满足要求，则需增加绝缘结构进行防护。电芯之间电连接的连接片应该有绝缘盖或绝缘罩的保护，防止在搬运过程中人员误触碰导致触电。④安全：短路、过充电、过放电、运输。在安全方面，应减少电芯直接裸露在外界环境的情况，通过隔热片、绝缘片进行防护，避免短路、过充电、过放电引起的连锁反应，造成更大的损失。注意考虑模块在运输过程中的码放方式，在易破损、易磕碰的地方加强防护。⑤热管理：散热、加热。在热管理方面，一方面需要考虑电芯散热的问题，通过合理排布、使用铝合金材料加大导热系数、涂抹导热胶等方式提高散热能力；另一方面，需要考虑模块的加热方式及加热区域，尽量做到电芯能够均匀受热，在电芯和加热片之间涂抹导热胶提高加热效率。⑥可靠性：电连接、机械连接、过流能力、防松。在可靠性方面，电连接应尽可能选用焊接或螺栓连接。注意如果选用螺栓连接，则在连接面需要有镀层进行保护，避免表面氧化造成电阻增大，发热量增多。机械连接需要根据不同部位的连接强度与连接需求选用不同的连接方式。例如：上盖与模块连接强度要求低，可使用卡扣形式；电芯之间需要绝缘连接，可使用胶粘的形式；模块框架需要满足强度要求，具有可维护性，采用螺栓的方式最佳。螺栓选用需要将防松胶和法兰面或弹平垫组合，防止螺栓松动。⑦制造性：工艺、效率、成本。在制造性方面，需要设计者对模块各零部件的成型方式有初步了解，避免设计出无法加工制造的零部件。例如：钣金冲压件避免出现锐角；塑料件壁厚均匀，需要设计拔模角度。模块组装工艺尽可能简单，所使用工具的自动化程度要高，从而提高生产效率。成本也是设计中需要考虑的重要因素，应使用较少的材料、简单的工艺降低模块成本。⑧结构选型：尺寸、空间体积利用率、公差等级。在结构选型方面，选择合适尺寸和形状的电芯，合理利用电池箱内部优先的安装布置空间，最大限度地提高电池箱的空间体积利用率。结合电芯数量、电池容量和空间布置确定最优电池尺寸。参考GB/T 34013—2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》中4.1尺寸公差要求“按照GB/T 1804中关于线性尺寸的极限偏差的规定，选取精密m公差等级”及4.2尺寸范围要求（表3-35），确定电芯尺寸范围。
• 1.圆柱形电池模块设计(1)电芯固定方式在圆柱形电池模块中，固定电芯时需要考虑电芯的自转问题，主要使用有圆柱形凹槽的电芯固定架将电芯包裹固定，一般凹槽的尺寸略大于电芯尺寸，并使用结构胶固定。图3-62所示为圆柱形电池模块工艺示例。[插图]图3-62 圆柱形电池模块工艺示例(2)电芯连接方式圆柱形电池模块的电芯连接方式主要有两种：一种是比较常见的电阻焊；另一种是比较新颖的铝丝键合焊。电阻焊设备成本低；工艺成熟，设计技术完善，但成本较高。铝丝键合焊是近年来兴起的加工工艺，通过铝丝超声焊接的方式连接电芯正/负极与连接排。这种工艺加工效率高，自动化程度高，用料少，成本低；但利用铝丝键合焊形成的电路连接强度弱于电阻焊，失效率较高，还有待提高工艺水平。(3)热管理方式圆柱形电池模块的热管理方式主要是使用波纹状冷却管路围绕在电芯中，相比于方形和软包模块的冷却方式，冷管加工的工艺复杂，成本高，空间占用大。(4)电池模块固定方式圆柱形电池模块在电池箱中的固定方式有两种。一类是在电芯固定架上设计螺栓固定点，直接用螺栓将电芯固定架固定在箱体上。这种方式可以有效减少零部件数量，减轻重量，但是对电芯固定架的强度要求较高。另一类是通过框架、夹板或其他固定机构，把电芯固定架固定在箱体上，使紧固力通过外接结构分散开，避免电芯固定架的载荷集中。2.方形电池模块设计(1)电芯固定方式方形电池有外部铝壳作为容器，同时也提供一定机械强度保护内部极片，使得方形电池模块的结构强度较高。电芯固定主要通过外部框架实现，电芯之间通过胶或带黏性的材料相互粘接在一起，并用相同的方式把电芯固定在框架上。由于方形电芯形状规整，模块框架设计相对简单，所以将电芯逐个装入固定即可。考虑电芯鼓胀问题，需要在电芯之间增加间隙来吸收鼓胀形变，从而提高安全性和循环寿命。图3-63所示为方形电池模块工艺示例。[插图]图3-63 方形电池模块工艺示例(2)电芯连接方式方形电池模块的电芯连接方式主要有两种：螺栓连接和焊接。螺栓连接常见于早期的电芯产品，在电芯极柱上自带螺栓或螺纹孔，通过连接片和电芯连接。这种连接方式对设备要求低，操作简单；但是可靠性较差，成本高，生产效率低，接触电阻大，目前逐步被淘汰。(3)热管理方式方形电芯模块的热管理方式主要是使用平板贴于模块预留的电芯外露区域，结构简单，安装方便。可以使用口琴管、预埋管、冷却板、吹胀板等诸多形式实现，成本较低。(4)电池模块固定方式方形电池模块与电池箱的固定方式比较容易设计。由于电池模块的框架强度较大，一般在模块四个角设计固定点，通过螺栓与电池箱连接。如果模块较大或较重，则可以在模块中间适当增加固定点，提高连接强度。3.软包电池模块设计软包电池模块在结构上可以视作简化版的方形电芯：将方形电芯的铝壳替换成铝塑膜，将极柱改为极片，减少防爆阀等非必需结构。结构的简化大大提高了电池模块的能量密度，降低了整体重量与成本，但电池模块本身的强度会相应降低。因此，在系统设计中需要在模块结构中增加防护强度。软包电池模块的设计难度相比于方形电池模块的要高。图3-64所示为软包电池模块工艺示例。[插图]图3-64 软包电池模块工艺示例(1)电芯固定方式在电芯固定上，由于电池表面不规整、自身强度低，需要结合外部保护壳将一个或多个电芯保护起来。保护外壳也可以作为热传递的路径。通常将两个电芯组成一个电芯单元，这样一个单元的两个大面分别就是两个电芯的散热面，可以将这样一个小单元视为一个方形电芯进行模块设计。因此，软包电池模块通常只有偶数并联的方式。(2)电芯连接方式软包电池模块的电芯连接主要通过焊接的形式实现。由于电芯的极耳多为铝片或铜片，通常采用折弯的方式贴合在连接片上，再通过焊接形式固定在一起。极耳厚度较薄，对焊接设备稳定性的要求较高，需要优化焊接工艺，提高良品率。(3)热管理方式软包电池模块的热管理方式主要是通过电芯之间的导热板将热量导出，再通过热交换系统把热量交换出去。该方式设计简单，不易漏水，冷却效果好。(4)电池模块固定方式软包电池模块与电池箱的连接与方形电池模块类似，比较容易设计，可以在每一个小单元的保护壳上设计安装孔进行安装；也可以将多个小单元先固定在一起形成大模块，然后在端板或者外壳上设计固定孔进行固定。
• 3.2.3.3 电池箱体设计1.箱体结构设计电池箱体是电池系统总成的骨架，电池箱体的作用就是为电池系统提供一个环境，保证电池系统能够安全可靠地运行。电池箱体对产品的安全运行和防护起着关键作用，直接影响整车的安全性。电池箱体的结构设计主要包括电池箱上壳体、下壳体等部件壳体材料的选择、制造工艺方案的选择等。电池箱的外观设计主要从材质、颜色、表面防腐蚀处理、产品标志、标识等方面进行设计。电池箱体的设计目标要满足强度、刚度要求和电气设备外壳防护等级IP67的设计要求，并且整车需提供碰撞保护，电池箱内的电池模块在底板固定，线束走向合理、美观且固定可靠。设计电池系统外壳时，首先要保证其结构牢固，可抵抗车辆振动、冲击、撞击的需求；其次，要满足防尘防水等级（IP等级）要求，满足轻量化要求，耐蚀性、抗石击、抗火烧等；电池箱体还要设置有可靠的等电势点，保证与车底盘可靠的电连接。电池系统设计开发过程中，电池包的容量和电量是整车动力性和经济性的重要参数，而电池箱的体积和重量与电池包的电量有着密切的联系。同时，箱体的重量与电池包的能量密度相关联。能量密度是目前衡量电池系统设计水平的一个重要指标。通常，电池箱体空间布置设计分为三个阶段：①第一阶段为概念设计阶段，整车总布置部门需要确定整体系统体积参数给电池系统设计部门。设计数据必须满足整车离地间隙及周边件的间隙要求。初步方案设计需要满足整车动力性和经济性的设计目标，并得到电池研发部门的认可。②第二阶段为数据设计定稿阶段。在这个阶段设计的系统参数需要尽量详细，设计过程中进行数据变更的登记管理，设计由供应商、电池研发部门、总布置共同完成。经过整车的数据装配检查、工艺工装检查、样件装车适配检查，最终完成数据发布。③第三阶段为数据的扩展延伸阶段。由于市场环境的模块化和平台化，电池箱体数据需要微调以满足不同项目的需求。这个阶段电池箱体数据的扩展延伸必须通过设计变更审批流程，最终落实。2.电源系统与整车的连接电源系统与整车的机械装配有两种方式：固定式和快换式。(1)固定式固定式是指电源系统通过螺栓等紧固件固定在整车上的装配方式。对于采用固定式装配方式的车辆，电池系统的高压和低压分别与整车的高压和低压通过插接器建立连接。插接器的插头和插座带有防错设计及限位设计（卡位、限位）。当插头与插座对插到位后，插接器的插头与插座不再发生相互运动。(2)快换式快换式是指电源系统与整车不建立固定装配，双方通过锁止机构建立联系，通过锁止机构的锁止和解锁实现电池更换的装配方式。快换式的锁止机构和快换插接器是设计开发过程中的重要任务。对于采用快换式装配方式的换电车辆，锁止机构的开发需要考虑锁止机构的工作原理、对车身离地间隙的影响、安全可靠性、与人的交互、使用寿命等。电池系统的高压和低压接口集成在一个快换插接器上，并且设计开发对应的用于整车端的快换插接器。国家标准规定，固定不动端为插座，运动端为插头。快换插件的插座与插头具有防错设计，但是没有限位设计。在换电过程中，插座与插头伴随着锁止机构的锁止和解锁，发生相对运动。因此，快换插接器的设计需要考虑安全防护(IP)、高压安全（绝缘、爬电距离等）、使用寿命、温升等。锁止机构和快换插接器的开发是目前换电方式开发的重点和难点。为满足对换电车辆锁止机构的控制，整车控制或者单独通道的控制系统相对于固定式装配方式的控制方式，要更加复杂，更加精细。
• 3.2.3.4 系统热管理设计1.概述一般情况下，电池系统要求在-20～60℃外部环境温度中能正常工作。在低温条件下，电池系统由于受到电池功率特性的限制，很难满足整车正常条件下的峰值放电或峰值回馈充电的功率需求。在高温条件下，电池系统由于受到电芯温升特性、安全及可靠性、应用温度范围等因素的限制，不能按峰值放电或峰值回馈充电功率进行工作。电池系统所处环境及自身温度直接影响其正常运行、循环寿命、输出功率、可用能量、安全性和可靠性。为了使电池系统达到最佳的性能和寿命，需要引入热管理系统对电池包进行低温加热、高温散热以及保温管理。动力蓄电池热管理通过结构和电气设计，对电池系统进行散热和加热控制，使电池包始终处于一个合适的工作温度区间，并且控制电池包温差不超过限值，保证电池包的性能和寿命。详细来讲：(1)性能影响在电池充电/放电过程中，由于阻抗的存在，电芯内部会产生热量；此外，电芯内部的电化学反应也会产生一定的热量。电池系统温度的上升会影响电池包的工作特性参数，如内阻、电压、SOC、可用容量、充电/放电效率。另外，电池包充电也会受到温度影响，低温下充电速度较慢。(2)寿命影响环境温度对电池包的循环寿命具有明显的影响，图3-65所示为温度对电芯循环寿命的影响。从图中可以看出：环境温度越高，电芯最大可用容量衰减越快。为了使电池包性能最优化，需要设计热管理系统确保各电芯工作在一个合理的温度范围内。电池系统在低温下功率也会下降，尤其影响到电能回收制动效果，放电容量变小，充电电流小，充电时间长，充入电量少。(3)安全性影响电芯的温度直接影响了电池包的安全性，温度过高时容易发生热失控。必须严格按照电池包的热管理设计流程、系统及零部件类型、零部件选型及系统的性能评估等多个方面进行电池系统热管理的设计和验证，才能保证电池包的安全性。因此，良好的热管理设计对电池包的性能、寿命甚至整车行驶里程都十分重要。
• 图3-65 温度对电芯循环次数的影响2.热管理开发流程动力蓄电池包热管理系统（简称电池热管理系统）的开发流程应与电池包的开发流程保持一致。热管理系统的设计贯穿于整个电池包的设计过程中，参与整车开发每个阶段的设计、更改、试制以及验证。设计性能良好的电池热管理系统，要采用系统化的设计方法。电池热管理系统设计的过程包括如下步骤。(1)确定电池包最优工作温度范围根据不同销售地区环境温度变化范围、整车高温最严苛工况、低温充电工况，结合所使用电池的高温及低温性能，提取出电池组热管理需求数据，如电池包内电芯温度最高限额、电芯间温差范围以及冷却速率或加热速率等。比如，根据锂离子蓄电池出厂规格标准，确定某电池包最佳工作温度为20～35℃，充电在0℃以上。(2)建模仿真流程确定通过数学模型仿真计算电池包内部的温度场，预测电芯的热行为，对于设计电池热管理系统是不可或缺的环节。目前仿真方式主要分为一维和三维两种，产品开发过程中需要两种仿真方式结合，共同完成性能评估。两种建模仿真流程如图3-66所示。[插图]图3-66 两种建模仿真流程(3)电池包热场计算及温度预测电芯不是热的良导体，电芯表面温度分布不能充分说明电芯内部的热状态，通过数学模型计算电芯内部的温度场，预测电芯的热行为，这对于设计电池热管理系统是不可或缺的环节。电芯温度预测通常使用如下公式进行计算：[插图]式中T——温度；ρ——电芯平均密度；Cp——电芯比热；kx、ky、kz——电芯在x、y、z方向上的热导率；q——电芯单位体积的生热速率。(4)散热结构设计一般情况下，在电池箱内或模块内中间位置电池的散热性能较差，边缘电池的散热较好。在进行电池模块结构布置和散热设计时，要尽量保证电池模块散热的均匀性。以空冷散热为例，通风方式一般有串行和并行两种，如图3-67所示。
• 图3-67 散热通风方式示意图串行通风方式下，冷空气从左侧吹入右侧吹出。空气在流动过程中不断地被加热，系统右侧的冷却效果比左侧差，电池箱内电池的温度从左到右依次升高。并行通风方式使得空气流量在电池模块间分布得更均匀。在并行通风道设计中，楔形的进排气通道使得不同模块间缝隙上下的压力差基本保持一致，吹过不同电池模块的空气流量近似相同，从而保证了电池包温度场分布的一致性。(5)测温点选择设计风冷散热系统时，在保证一定散热效果的情况下，应该尽量减小流动阻力，降低风机噪声和功率消耗，提高整个系统的效率。可以用试验、理论计算和流体力学CFD仿真（例如采用FloEFD软件）的方法，通过估计压降、流量来估计风机的功率消耗。当流动阻力小时，建议选用轴向流动风扇；当流动阻力大时，建议选用离心式风扇。当然也要考虑到风机占用空间的大小和成本的高低。寻找最优的风机控制策略也是热管理系统的功能之一。电池箱内电池模块的温度分布一般是不均匀的，因此需要根据不同条件下电池模块热场分布以确定危险的温度点。利用有限元分析、红外热成像或实时的多点温度监控的方法可以分析和测量电池包、电池模块和电芯的热场分布，决定测温点的个数，找到不同区域合适的测温点。一般的设计应该保证温度传感器不被冷却风吹到，以提高温度测量的准确性和稳定性。同时，温度传感器也不能紧挨加热器件或液冷板，避免测量结果受到干扰。在设计电池模块时，要预留测温传感器空间，比如可以在适当的位置设计合适的孔穴。(6)热管理系统性能评估通过仿真计算与试验测试数据结合，评估目前采用的热管理方式能否满足需求的加热、冷却速率，电池包最高温度、温差是否在要求范围内，以及电池包保温性能能否满足设计要求。根据目前已有的风冷和水冷项目经验，仿真可以完成如下工作：①水冷系统冷却板的压降计算以及冷却水流动一致性的计算。②电池包热性能评估计算。③空气冷却系统优化计算。3.冷却系统设计按照冷却介质的不同，现阶段已经有实际应用的冷却系统，主要有空气冷却、液体冷却和相变材料冷却。这三种冷却系统的散热能力依次增强，但结构复杂度也依次增加。按照冷却方式分类，主要有自然冷却、强制风冷、液冷和直冷。这四种冷却方式的冷却效率依次增强。冷却效率主要是通过对流换热系数来表征，一般情况下根据整车使用环境、整车工况和电芯特性确定系统所需要的对流换热系数，然后综合质量、空间和成本等因素确定冷却方式。不同冷却方式的特点对比见表3-36。
• 4.加热系统设计国内外对动力蓄电池低温加热的研究主要分为两类：内部加热和外部加热。其中，外部加热方法主要有空气加热法、电加热膜加热法（如宽线金属膜加热法）以及其他的外部加热方式；内部加热方法主要有交流电加热法和内部自加热法。低温加热方法分类如图3-73所示。
• (1)空气加热法该方法通过车内空气调节系统对空气进行加热，再利用热空气对电池组进行加热。在低温情况下，外界空气经由车载加热器进行加热，在车内流动后再与电池组之间产生热交换，实现对电池组的加热。(2)电加热膜加热法该方法利用电阻丝产热的原理，将宽线金属膜产生的热量对电池进行加热。比如使用铜线制作的宽线金属膜，由于铜线具有电阻，电流通过铜线时，铜线发热，产生的热量通过另一侧的铜膜平面均匀地传给电池，从而实现对电池的加热。(3)交流电加热法该方法是通过交流电直接对电芯内部进行加热。在低温情况下，交流电源输出交流电，使得电流不断流经电芯内部因内阻而生热，从而实现对电池内部的加热。交流加热法有较长的发展历史，目前采用交流加热的温升速率可以达到3℃/min，是一种重要的电池低温快速加热方法。(4)内部自加热法该方法是通过电流流经电芯内部加设的镍片产生欧姆热来实现对电芯自身加热。采用在电芯内部加装一片镍片的结构，当温度低于设定温度时，开关断开，电流流经镍片产生热量；当温度高于设定值时，开关闭合，停止加热。内部自加热法实现了对电芯低温加热的可控性。
• 3.2.3.5 碰撞安全性能设计电动汽车电池系统由多个电池模块或电芯直接构成。在汽车碰撞事故中，电池系统有可能受到挤压而严重变形，或在无明显变形的情况下发生过载冲击，存在热失控风险。产生热失控的主要原因是电芯受到碰撞、挤压后造成的内部短路，引起电芯内部产生并积累了大量的热能，从而造成电池系统热失控。电池系统是能量储存装置，包括电芯、电压温度采集部件、高压电路、短路保护装置及与其他外部系统（如冷却、高压、辅助低压和通信等）的接口。对于大于DC 60V的电池包，应增加手动断开装置（如维修开关）。所有部件应该被安装在防撞电池箱内。该电池箱的安全设计应当满足机械冲击、跌落、翻转、碰撞和挤压等要求。电池系统的原理如图3-74所示。其结构组成如图3-75所示。试验方法及要求参照GB 31467.3—2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统　第3部分：安全性要求与测试方法》开展相关测试工作。
• 图3-75 电池系统的结构组成1.机械冲击测试方法：测试对象为电池包或系统，对测试对象施加25g、15ms的半正弦冲击波形，z轴方向冲击3次，观察2h。要求：电池包或系统无泄漏、外壳破裂、着火或爆炸等现象。试验后的绝缘电阻不小于100Ω/V。2.跌落测试方法：测试对象为电池包或系统，对测试对象以实际维修或安装过程中最可能跌落的方向，如沿z轴方向，从1m高度处自由跌落到水泥地面上，观察2h。要求：电池包或系统无电解液泄漏、着火或爆炸等现象。3.翻转测试方法：测试对象为电池包或系统，测试对象绕x轴先以6°/s的速度转动360°，然后以90°增量旋转，每隔90°增量保持1h，旋转360°停止，观察2h。测试对象绕y轴先以6°/s的速度转动360°，然后以90°增量旋转，每隔90°增量保持1h，旋转360°停止。观察2h。要求：电池包或系统无泄漏、外壳破裂、着火或爆炸等现象，并保持连接可靠、结构完好，试验后的绝缘电阻不小于100Ω/V。4.模拟碰撞测试方法：测试对象为电池包或系统，测试对象水平安装在带有支架的台车上，根据测试对象的使用环境给台车施加模拟碰撞试验脉冲参数（表3-37）和图3-76中规定的加速度脉冲（汽车行驶方向为x轴，垂直于行驶方向的水平方向为y轴），观察2h。
• 1.数据采集动力蓄电池包（本节简称电池包）在电动汽车中的工作环境及工作状况十分复杂。电动汽车需要适应复杂多变的气候环境，这意味着电池包的运行需要常年面对复杂多变的温湿度环境。此外，随着路况和驾驶员操作的改变，电池包需要时刻适应急剧变化的负载。为了准确获取电池包的工作状况，更好地实施管理对策，BMS需要通过采样电路实时采集电池包以及电芯的端电压、工作电流、温度等信息。2.状态监测电池包是一个复杂的非线性时变系统，具有多个实时变化的状态量。准确而高效地监测电池包的状态量是电源系统及电池成组管理的关键，也是电动汽车能量管理和控制的基础。因此，BMS需要基于实时采集的电池数据，运用既定的算法和策略进行电池组的状态估计，从而获得每一时刻动力蓄电池的状态信息，具体包括动力蓄电池的SOC、SOH、SOP以及能量状态(State of Energy, SOE)等，为动力蓄电池的实时状态分析提供支撑。3.安全保护动力蓄电池安全保护功能主要指电芯及模块的实时故障诊断及安全控制。动力蓄电池的在线故障诊断是指通过采集到的传感器信号，通过诊断算法诊断故障类型。BMS需要诊断的故障通常包括过电压（过充电）、欠电压（过放电）、烟雾、过电流、超高温、短路故障、接头松动、绝缘降低以及电解液泄漏，还涉及传感器、执行器以及控制器等电子元器件的故障。在诊断出故障类型后，BMS需要进行早期预警，并尽可能采取相应的措施进行及时干预，以保证电动汽车的行驶安全。比如，根据GB/T 18384.1—2015《电动汽车安全要求　第1部分：车载可充电储能系统(REESS)》以及GB/T 18384.3—2015《电动汽车安全要求　第3部分：人员触电防护》的要求，需要在BMS中设计一个安全监测模块，对系统中的绝缘电阻进行实时监测。4.充电控制电池包的充电过程将直接影响到电池的寿命和安全。因此，BMS通常需要集成一个充电管理模块，根据动力蓄电池的实时特性、温度高低以及充电机的功率等级，控制充电机给电池包进行安全充电。5.能量控制管理电动汽车的行驶工况十分复杂，急加速、急制动、上下坡等驾驶操作的随机触发将造成复杂多变的动态负载。为了保证车辆安全、经济地运行，BMS需要根据采集到的数据和实时状态信息，合理控制动力蓄电池的能量输出以及再生制动的能量回收。若电动汽车存在复合电源，BMS还需根据复合电源各自的状态信息优化分配各自的能量，以保证复合电源的最佳性能。6.均衡管理由于生产工艺、运输储存以及电子元器件的误差积累，电芯之间难免存在不一致性。为了充分发挥电芯的性能，保证电池包的使用安全，根据电芯的信息，采取一定的措施尽可能缩小电芯间的不一致性。主要采用对部分或全部电芯充电/放电的形式，尽可能缩小电芯之间的端电压或SOC差值。适当的均衡管理能够提高电池组容量、优化电池组整体放电效能，延长电池组整体寿命。7.温度检测与热管理动力蓄电池在正常工作中不仅受环境温度的影响，还受自身充电/放电产热的影响。因此，BMS需要集成电池热管理系统，根据电池组内温度分布信息及充电/放电需求，决定主动加热/散热的强度，使得动力蓄电池尽可能工作在最适合的温度，充分发挥动力蓄电池的性能，延长动力蓄电池的使用寿命。8.信息管理BMS需要集成多个功能模块，并合理协调各模块之间的通信工作。由于运行的数据量庞大，BMS需要对动力蓄电池的运行数据进行处理和筛选，储存关键数据，并保持与整车控制器等网络节点进行通信。随着大数据时代的来临，BMS还需要与云端平台进行实时交互，以便更好地处理动力蓄电池的管理问题，提高管理品质。BMS价格与电芯的类型、电量、电压等有关，通常来讲，每辆车的BMS价格在3000～20000元不等，客车电池包容量大，电压等级高，BMS较贵。乘用车和专用车电压等级较低，价格也相对便宜。目前，我国涉及BMS的企业有近百家，从目前情况来看，在动力蓄电池产业链各个环节均有相关企业参与布局，总体可以分为三类企业。BMS企业类型及特点见表3-38。
• 3.2.4.2 BMS硬件1.拓扑结构BMS的拓扑结构直接影响系统成本、可靠性、安装维护便捷性以及测量准确性。一般情况下，电池监测回路(Battery Monitoring Circuit, BMC)与电池组控制单元(Battery Control Unit, BCU)共同构成BMS硬件电路部分。根据BMC、BCU与电芯三者之间的结构关系，BMS可分为集中式拓扑结构和分布式拓扑结构。BMS集中式拓扑结构中的BMC和BCU集成在单个电路板上，实现采集、计算、安全监控、开关管理、充电/放电控制以及与整车控制器通信等功能，一般应用于电池容量低、总电压低、电池系统体积小的场合。BMS集中式拓扑结构如图3-82所示，所有电芯的测量信号均被集中传输到单个电路板。
• BMS集中式拓扑结构一般具有如下优点：①高速的板内通信有利于保证数据的同步采集。②结构紧凑，抗干扰能力强。③成本较低，仅使用一个封装即可完成BMS的全部工作。同时，BMS集中式拓扑结构也存在以下缺点：①产生大量复杂的线束及插接器。②当系统的不同部分发生短路和过电流时难以保护电池系统。③考虑到高压安全问题，不同通道之间必须保留足够的安全间隙，最终导致电路板的尺寸过大。④所有的组件都集中在单一电路板上，导致可扩展性和可维护性差。与集中式拓扑结构不同，BMS分布式拓扑结构中的BCU与BMC是分开布置的，图3-83所示为BMS分布式拓扑结构。BCU主要负责故障检测、电池状态估计、开关管理、充电/放电控制以及与整车控制器通信。BMC则用于实现电芯电压、电流和温度的采集以及安全性和一致性的管理。BCU和BMC之间通过CAN总线连接，任何BMC都可以与BCU通信。此外，每一块BMC电路板都属于CAN总线的一个节点，且单独与对应的电芯建立连接。因此，BMC与BMC之间同样可以建立通信。BMS分布式拓扑结构一般具有如下优点：①采集与计算功能分离，故障排查容易，计算效率高。②极大地简化了系统的结构，布置位置灵活，适应性好。③可扩展性更强，若想增加或减少管理的电池数量，只需要在相应电池附近布置或移除BMC电路板，再将其与预留的CAN总线接口相连或解开即可。同时，BMS分布式拓扑结构也存在以下缺点：①部件增多，增加了电路板数量和安装、调试与拆解的步骤。②通信网络设计要求高，易形成网络延时，影响采集数据的同步性。目前，BMS分布式拓扑结构在电动汽车领域中的应用广泛。例如，特斯拉Model S、宝马i3、荣威eRX5以及比亚迪秦等电动汽车均采用了这类结构。

 3.3 辅助动力系统设计

• 3.3 辅助动力系统设计3.3.1 辅助动力系统概述辅助动力系统主要包含助力转向系统和制动系统，是汽车底盘的重要组成部分[插图]，其性能好坏直接影响汽车的行驶安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，对确保车辆的制动和转向过程安全、保护驾驶人的人身安全、改善驾驶人的工作条件以及减少交通事故起着重要作用。常规车辆的助力转向泵和空气压缩机（以下简称空压机）均通过传动带或齿轮由发动机驱动，并为转向系统和制动系统提供动力。在电动汽车底盘电动化的过程中，由于不再有发动机提供动力源，因此需要实现包含转向系统和制动系统在内的辅助动力系统电动化。3.3.1.1 电动助力转向系统按照助力源种类来分，纯电动汽车的助力转向系统通常采用电控液压助力转向系统(Electronic Hydrautic Power Steering, EHPS)、电动助力转向系统(Electronic Power Steering, EPS)两种方式[插图]。1.电控液压助力转向系统(EHPS)纯电动商用车的助力转向系统以EHPS为主，是在常规车辆液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering, HPS)的基础上，将转向油泵改由转向电动机驱动，带动液压油为整车转向系统提供稳定、舒适的转向助力。(1)EHPS的组成通常，EHPS的结构包含转向盘、转向管柱、转向传动轴、动力转向器、转向垂臂、转向直拉杆、转向油罐、转向管路等传统液压助力转向系统的零部件，电动部分包括电动助力转向装置、转向控制器等。此类EHPS将液压助力转向与电动助力转向匹配集成在一起，图3-111所示为EHPS转向系统原理图，图3-112所示为EHPS转向器实物，主要包括循环球式液压助力转向装置、电动助力转向装置和转向控制器。
• 1)循环球式液压助力转向装置由传统的整体液压助力式循环球转向器经过改进设计而来，驾驶人对转向盘施加的转矩与电动助力装置产生的转矩经过叠加后，通过扭杆传递给转向螺杆，扭杆的变形量直接控制转阀的工作状态。2)电动助力转向装置主要包括转矩和转角传感器、永磁同步电动机、蜗轮蜗杆减速机构。永磁同步电动机通过蜗轮蜗杆减速机构连接到转向轴上，电动助力的输出轴与液压助力转向器的输入轴连接，蜗轮蜗杆减速机构设计为可逆的传动比，即使电动机不工作，驾驶人仍然能够依靠手力和液压助力转动转向盘。3)转向控制器。在常规助力模式下，根据采集到的转向盘转矩、车速等车辆信息，在助力特性曲线的基础上，加上系统的摩擦、惯性、阻尼和回正补偿得到电动机的助力电流，达到随速助力和主动回正的功能。在转角伺服（自动转向）模式下，则根据总线传递来的转角信号和转速信号，对转向盘的位置进行控制，对于无刷电动机的控制具体需要执行位置环、速度环和电流环的三环控制。(2)EHPS的功能1)电动助力转向功能。①转向更轻便：在液压系统基础上加入电动助力使转向助力明显改善。②助力随速可变：系统根据车速和转向盘转矩信号控制电动机助力，达到低速转向轻便、高速转向稳定的良好转向特性。③主动回正控制：系统能够采集转向盘转角，通过控制电动机可以实现液压系统不能够实现的主动回正控制。④应急转向：车辆在液压失效时，也能够提供足够大的电动助力让驾驶人顺利地到达安全地带或维修地点。2)辅助驾驶功能。①直行保持：车辆具有更好的直线行驶能力的潜力。首先转向盘的转角传感器提供绝对的中位位置，该位置能够通过相应的策略进行标定。如果能够通过总线提供更为详尽的车辆姿态信息，车辆可以解决因车辆本身或路面不平度造成的直行能力差等问题。更有意义的是，可以提供车道保持功能。摄像头获取车道标线的信息，计算车身与车道标线的接近速率，在系统被激活的状况下，在驾驶人注意力不集中或疲劳驾驶出现车辆偏转时，系统可进行主动修正、转向干预。可选用转矩或转角模式进行车道保持功能的实现。②侧风补偿：支持实现侧风补偿功能。首先由于侧风驾驶人持续地修正力矩，控制器被动地提供叠加的力矩来维持车辆的直线行驶能力，如果车辆能够提供更多的信息来判断侧风的存在和量级，可以进一步完善此功能。3)自动转向功能。根据接收到的整车控制器总线发出的转向角指令，执行转向角指令驱动车轮转向，并实时反馈转向盘位置。另一种商用车常用的电动助力转向系统将原发动机转向泵直接更换为电动转向泵，由电动转向泵连接传统转向系统的进、出油管，结合油罐、动力转向器等零部件的辅助以实现转向功能。电动助力转向系统原理如图3-113所示，其他部分与传统转向系统相同。
• 电动助力转向系统的主要部件及其作用如下：①动力蓄电池：为电动助力转向泵提供电能。②逆变器：将直流电转变为交流电。③油壶和滤芯：两者组成储存和过滤低压油的装置。④电动转向油泵：由高压交流电驱动电动机，带动电动助力转向油泵产生高压油，产生转向助力的动力源。
• 电动助力转向系统工作原理是，动力蓄电池将高压直流电传递给逆变器，逆变器将高压直流电转变为交流电驱动电动助力转向油泵工作。此时油液开始流动，助力转向油泵将油壶里的低压油经过叶片压缩成高压油液。通过管路将高压油液送入方向机内，使转向变得轻便。经过方向机，油液从高压状态变为低压状态，流回油壶。该系统电动化助力装置为电动转向油泵，它主要包含液压泵和电动机两部分，如图3-115所示。
• EHPS控制主要包括三种模式：电动助力转向模式、力矩叠加模式、自动转向模式。1)电动助力转向模式：电动机提供助力，与液压系统共同工作，可以实现车辆的随速助力转向，系统根据车速和转向盘转矩信号控制电动机助力，达到低速转向轻便、高速转向稳定的良好转向特性。而且，系统能够采集转向盘转角，通过控制电动机可以实现主动回正控制。2)力矩叠加模式：控制器能够接收叠加的力矩信号，对转向轴施加一个主动的转向力矩，适用于车道保持系统，在车道偏离报警系统上进一步升级，摄像头获取车道标线的影像，检测道路/车道两边喷涂过的路边标线，计算车身与车道标线的接近速率，在系统被激活的状况下（加速至指定车速以上），如果车辆接近或越过一条路边标线，在没有开启相应方向的转向灯的情况下，发出车道偏离警告（有可能是振动或是提示声响）。当驾驶人没有采取任何转向修正动作时，EHPS会下达修正方向的指令，使车辆保持在当前的车道。在驾驶人注意力不集中或疲劳驾驶出现车辆偏转时，系统进行主动修正、转向干预。3)自动转向模式：通过给控制器发送转角指令，结合转向盘转角指令信号对前轮位置伺服，实现无人驾驶功能。也可以指定转向盘的转动速度对转向进行更平稳的控制。此外，在紧急状态下驾驶人手动介入，及时切换到电动助力转向模式。
• (1)EPS结构及特点如图3-116所示，根据电动机布置位置和转向器的不同，EPS可分为如下类型：①C-EPS：为转向轴助力式EPS，电动机固定在转向轴一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向；适用于前轴负荷较小的乘用车和商用车。②P-EPS：为齿轮助力式EPS，电动机和减速机构与齿轮齿条转向器的小齿轮相连，直接驱动小齿轮助力转向；适用于前轴负荷适中的乘用车。③R-EPS：为齿条助力式EPS，电动机和减速机构为直接驱动齿轮齿条转向器中的齿条提供助力；适用于前轴负荷较大的乘用车。④RB-EPS：为循环球助力式EPS，电机和减速机构为直接驱动循环球转向器中的螺杆提供助力；适用于前轴负荷较小的商用车。
• EPS关键部件的特性如下：1)转向盘转矩传感器。转向盘转矩传感器输出的力矩信号是EPS控制用关键信号，有的还集成了角度信号，主要有接触式和非接触式两大类。接触式转矩传感器早期应用较广泛，主要有微电位计式传感器；非接触式传感器主要有霍尔式传感器、电感式传感器、光电式传感器等。2)电动机及减速机构。电动机的性能直接影响EPS的助力性能。EPS电动机具有以下特点：①短时工作制：S2短时工作制。②工况不稳定：没有额定工况，转速和输出力矩不恒定，时刻变化，控制特性类似伺服电动机。③转动惯量小：电动机转动惯量影响电动助力转向系统的动态性能，为此电机的体积应尽可能小，密度大，瞬时功率大。④减速机构传动比适中：传动比过大会导致机械惯量大，过小则会导致助力不足，传动比常为13～20。⑤经常处于堵转：在电动机堵转时也要能够提供输出力矩，并能较长时间工作。因此，EPS电动机要具备快速响应能力强、转动惯量小、调速范围宽、控制特性好、低速运行平稳、力矩波动小等特点。3)控制器。控制器的功能是根据转矩传感器信号和车速传感器信号进行逻辑分析与计算，然后发出指令，控制电动机工作。此外，控制器还要有安全保护和自我诊断功能，控制器通过采集电动机的电流与电压、发动机工况等信号判断系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时电子控制单元将进行故障诊断分析。控制器应有较强的抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境。控制算法应快速正确，以满足实时控制的要求。
• (3)EPS的控制EPS的控制是指电动助力转向控制器根据转向盘转矩、转角、车速等信号控制电动机电流，获得期望助力的控制逻辑，包括两个方面：一是根据整车和转向系统相关参数，对期望的助力进行决策，属于EPS的上层控制策略，是EPS控制的关键；二是对电动机电流进行控制，获得期望的助力。图3-119所示为EPS控制逻辑，EPS控制策略包括基本助力控制、惯性补偿、阻尼补偿、摩擦补偿、主动回正控制、电动机电流控制等。
• (4)EPS主要性能参数及技术要求EPS的主要性能参数包括总成参数、电动机参数和转向传感器参数。总成参数包括电动机减速机构传动比、转向器传动比、最大输出力或力矩等，电动机参数包括电动机最大功率、电动机额定电压、电动机额定电流、电动机额定力矩、电动机额定转速、空载转速等，转向传感器参数包括传感器供电电压、输出信号、测量精度等。满足车辆转向助力要求的EPS应满足如下技术要求：①具有足够的电动机功率，满足转向轻便性要求。②具有助力随车速变化功能，满足转向手力线性感要求。③具有转向补偿控制功能，保证助力转向动态响应能力。④具有转向回正控制功能，保证转向回正能力。⑤具有热保护功能，避免电动机和控制器过热失效。⑥具有故障诊断和保护功能，保证转向安全性。⑦电动助力功能失效后，仍可保持机械转向功能。⑧具有故障报警和故障码显示功能。
• 3.3.1.2 电动制动系统电动制动系统的核心作用是，使行驶中的汽车按照驾驶人的意图进行强制减速甚至停车，使已停驶的汽车在各种道路条件下（包括在坡道上）实现稳定，使下坡行驶的汽车速度得到稳定控制。目前，电动制动系统主要有气压制动系统和液压制动系统。气压制动则是以高压气体为制动介质，再通过管路送到各个制动分泵达到制动效果；液压制动是由制动总泵以制动液为制动介质，通过制动管路输送到每个制动分泵，从而达到制动效果[插图]。1.气压制动系统气压制动系统是基于传统气压制动系统，以电子元件代替部分机械元件，并由电控部件和电动机带动压缩机产生压缩气体，来提供气压制动力的系统。(1)气压制动系统组成纯电动商用车气压制动管路图如图3-120所示。
• 涡旋式空气压缩机涡旋式空气压缩机由函数方程型线的动、静涡旋相互啮合而成。在吸气、压缩、排气工作过程中，静涡旋盘固定在机架上，动盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约，围绕静盘基圆中心，做很小半径的平面转动；气体通过空气过滤器吸入静盘的外围，随着偏心轴旋转；气体在动静盘啮合所组成的若干对月牙形压缩腔内被逐步压缩，然后由静盘部位的轴向孔连续排出。涡旋式空气压缩机的结构示意图如图3-138所示。

 3.4 车载充电系统设计

• 3.4.1 车载充电系统概述车载充电系统是指安装在电动汽车上，将交流或直流输入电源调整为校准的电压/电流，为电动汽车动力蓄电池提供电能，也可额外地为车载电气设备供电的系统。与传统工业级产品不同的是，车载充电系统作为汽车级产品，它的要求更高，制作难度更大。交流车载充电系统由车载充电系统及控制引导装置构成。其中，车载充电系统由交流输入接口、功率单元、控制单元、直流输出接口等部分组成，如图3-144所示。在充电过程中，车载充电系统提供动力蓄电池管理系统(BMS)、充电接触器、仪表盘、冷却系统等低压用电源。控制引导装置的结构将在3.4.2节中介绍。
• 3.4.3 车载充电系统与动力蓄电池管理系统(BMS)之间的通信协议要求1.车载充电系统的充电方式常见的车载充电系统的充电方式有恒压充电、恒流充电、脉冲充电、阶段性充电等。①恒压充电：在整个充电过程中充电电压保持不变，充电电流随着充电时间的增加而逐渐减小，当充电电流小于一定值后停止充电。②恒流充电：开始时以恒定的电流为动力蓄电池组充电，将要充满时，改用恒定的小电流进行浮充充电，用来充足剩余电量和补偿电池自放电，当充电电压达到额定电压时停止充电。③脉冲充电：通常用于快速充电中，有利于电池内部的活性物充分反应，有效地减少和消除极化现象的发生，并可以采用较大的电流充电，能有效提高充电效率、缩短充电时间、延缓电池寿命。④恒流恒压两阶段充电方式：综合了恒压充电方式和恒流充电方式两者的长处。在充电的初始阶段采用恒流限压充电方式，避免了单纯恒压充电时电流过大的缺点；当电压达到一定值时，改为恒压限流充电方式，解决了单纯恒流充电后期电池对输入能量的接受能力不足的问题。目前，恒流恒压两阶段充电是车载充电系统普遍采用的充电方式，其充电过程的电压电流曲线如图3-146所示。
• 3.4.5 车载充电系统的电气安全及保护要求及其设计车载充电系统的工况比较复杂，存在诸多不确定因素，因此，车载充电系统应具备以下电气保护功能及安全要求，以确保其安全正常工作。1.输出过压保护输出大于等于设定电压值时关闭输出。2.过流保护输出电流大于设定电流值时关闭输出。3.短路保护输出短路时，应自动进入输出限流保护或关闭状态；故障排除后，应能自动恢复工作。4.过温保护当温度超过过温保护限值时，充电系统应自动进入过温保护状态，当温度恢复正常后，充电系统应能自动恢复工作状态。5.输入电压保护输入大于等于设定电压值时关闭输出；输入小于等于设定电压值时可关闭输出或降低输出功率。6.车载充电系统接地连接有可能连到电源的所有电动汽车的外露导电部分应当连在一起；当出现故障时，它们能有效地导电，使存在的故障电流流入大地（检验连接性能应当用16A的直流电流源，该电源产生不低于12V的电压；所有外露导电部分和接地回路间的电阻值不应超过0.1Ω）。7.耐电压（输入/输出对地）将电动汽车控制信号电路的所有外部连接点接地，在电动汽车的交流/直流输入端和接地端之间加2U+1000V的试验电压（U是50Hz的交流输入电压，至少1500V），持续时间1min。在试验期间，测试端子间不应出现电晕、电离、飞弧或击穿现象，漏电流小于10mA。试验后，检查连到电源设备上的电路，基本性能应完好。8.绝缘电阻各独立电路与地以及各独立电路之间的绝缘电阻应不小于10MΩ。
• 3.4.6 车载充电系统的发展趋势1.功能集成化电动汽车的功率部件主要包括电机控制器、车载充电系统、DC/DC变换器等部分，这些往往是作为独立的部件应用于整车上的，但这样的方式在成本上、体积上都不具备优势。因此将这些功率部件有效地集成为一个整体，共用其中部分的电路和冷却基板等，是当前比较明显的发展趋势[插图]。当然，在实现集成化的过程中也有一个程度控制的问题。如果集成不充分，则降本成效不显著；如果集成的部件太多，则产品灵活性不足，不容易成为标准化产品。另外，这种集成不能只是物理集成，必须是系统集成才能够将体积、成本优势发挥出来。目前来看，将电机控制器、DC/DC变换器和车载充电系统集成到一起，是较为可行的方案之一。2.大功率高效率化目前多数车载充电系统的功率由3.3kW级别向6.6kW升级，6.6kW已经是单相交流充电的一个极限，再上升的空间非常有限了。因此发展三相交流车载充电系统将成为实现高功率充电的有效途径。三相交流车载充电系统一般可达20～40kW的充电功率。美国、欧洲和中国的充电额定电压、电流和功率见表3-66。从表中可以看出，采用三相供电方式能够提高车载充电系统的功率等级。表3-66 美国、欧洲和中国的充电额定电压、电流和功率[插图]3.高效热管理车载充电系统的工作效率一般为95%，随着其整体功率性能的上升，系统发热量也更加显著。车载充电系统的最大充电功率受到其散热需求的限制。同时，电动汽车上的其他发热部件对散热的需求也越来越大，这就对热管理系统提出了更高的要求。从目前来看，液冷散热方式具备更加高效的散热能力，将代替风冷散热方式成为更主流的热管理手段。4.双向充放电功能对于装载动力蓄电池容量不大的车辆（如插电式混合动力汽车、小型电动汽车等），它们对充电功率的要求不高，为了有效地控制成本，单向低功率车载充电系统仍将大范围应用。但是随着电动汽车搭载动力蓄电池组的容量的不断提升，用户对电动汽车的双向充放电的需求也越来越大。电动汽车的双向充放电技术不仅可将交流电转化为直流电为动力蓄电池充电，同时也可将动力蓄电池的直流电转化为交流电对外进行功率输出。通过双向逆变技术，车辆可实现V2G(Vehicle to Grid)为电网反馈电能和V2V(Vehicle to Vehicle)为其他电动汽车充电。双向充放电功能将会是未来车载充电系统的标配功能之一。5.无线充电系统无线充电系统的基本组成如图3-151所示，它通过电能发送线圈和接收线圈进行能量传递，代替了传导式充电插头，因此可以很好地提升充电方便性和安全性。另外，无线充电技术和未来的无人驾驶技术结合，能够进一步提升充电的便捷性。[插图]图3-151 无线充电系统的基本组成无线充电的充电方式可以分为静态充电（例如停车位上充电）、半动态充电（例如红灯等候区域充电）和动态充电（例如行驶过程中实时充电）。目前无线充电的充电效率可达90%左右，功率也达到了数十千瓦级别。但目前在技术的成熟度验证、相应的标准制定以及成本控制上还有需要进一步完善。

 第4章 整车网络化控制系统设计

• 第4章　整车网络化控制系统设计电控是纯电动汽车“三电”技术体系中承担控制与管理功能/角色的部分。整车网络化控制系统是实现纯电动汽车“电控”技术的载体，它对整车动力性、经济性、安全性及舒适性等都具有直接影响。相比传统汽车，纯电动汽车的电控系统不仅在功能方面要实现动力蓄电池管理、驱动电机控制、充电设备及功率转换设备的监控等，导致电控单元之间信息交换量大、类型多；同时在性能上还要满足高压安全性、电磁兼容性等多种要求，导致网络系统设计困难。整车网络化控制系统设计成为纯电动汽车工程实践中既至关重要又颇具挑战性的任务。本章重点论述纯电动汽车整车网络化控制系统的设计，主要包括概述、整车电子电气架构设计、车载网络通信系统设计、整车控制器设计、整车控制策略、主要网络部件的设计与选型。

 4.1 概述

• 4.1 概述4.1.1 功能、组成及发展汽车电子控制技术的迅速发展给汽车技术带来了全新的概念。电子控制装置在汽车上的应用领域在不断拓展。当前使用电子控制装置的汽车应用领域主要包括动力控制、底盘控制、车身控制、信息与娱乐、安全与诊断以及辅助驾驶等多个方面。汽车电子控制系统发展的总体趋势是获取内外部的信息越来越多，功能越来越强，智能化程度越来越高，正朝着多目标综合化控制及智能化控制的方向发展。为了适应这种综合化、智能化控制的需要，引入车载网络将分散在各处的汽车电子控制装置相互连接，形成一种综合化乃至整车级的汽车分布式控制系统，成为目前设计中普遍采用的手段，由此形成了汽车整车网络化控制系统。汽车整车网络化控制系统是车载网络通信技术与汽车电子控制技术相结合的产物，是实现汽车整车级控制、管理、维护、故障诊断、软件更新以及智能化等功能的重要部件。由于其对整车动力性、经济性、安全性、环境适应性、使用便捷性以及功能扩展性等均具有直接影响，被认为是汽车产品获取市场竞争力的关键核心部件之一，也是极具技术发展前景和潜在经济价值的领域之一。当前，汽车整车网络化控制系统通常由多条总线及其系统互联形成，主要包括：1)动力控制总线及其系统。2)底盘控制总线及其系统。3)车身控制总线及其系统。4)测试诊断标定总线及其系统。5)信息娱乐与网联总线及其系统。6)智能驾驶车载高速总线及其系统。图4-1所示为某汽车的整车网络化控制系统[插图]。
• 为了满足如上分析的诸多需求，纯电动汽车的功能配置越来越高，导致电子电气系统越来越复杂，系统之间传输的信息越来越多，控制器之间的功能复杂度及耦合度日益增加。这些因素使得纯电动汽车整车网络化控制系统相比传统汽车具有较大复杂性。整车网络化控制系统的设计方法通常可分为自下而上的设计和自上而下的设计。1)自下而上的设计，其原理是在分析现有系统基础上，根据扩展需要直接增加新的功能项，并重新评估已扩展系统的性能。该方法简单、易行、效率高、成本低，适合改进型、小规模式产品的研发需求；缺点是系统性、全局性、综合性较差，不利于系统综合优化及未来扩展。2)自上而下的设计，其原理是在需求分析基础上，将设计分为架构设计和具体设计两个阶段，其中架构设计属于顶层规划，不涉及具体的设计细节，而具体设计则基于架构设计的结果开展具体系统的细节设计。该方法具有系统性、全局性、综合性、扩展性好的优点，适合创新型、大规模式产品的研发需要；缺点是复杂、难度高、前期投入高。这里介绍自上而下的纯电动汽车整车网络化控制系统设计方法。考虑到纯电动汽车整车网络化控制系统的复杂性，将其设计分为架构设计和具体设计两个阶段，其中架构设计又称整车电子电气架构设计阶段，具体设计阶段则为系统子部件的专项设计阶段。由此，纯电动汽车整车网络化控制系统设计的主要内容可概括为：1.整车电子电气架构设计首先，全面、系统地分析纯电动汽车的功能和性能需求，开展整车电子电气(E/E)架构规划与设计，并开展方案性能评价与测试。本阶段重在对系统的架构进行规划性设计，不涉及具体系统子部件的细节设计。具体见第4.2节。2.车载网络通信系统设计在架构设计的基础上，具体针对车载网络通信系统开展协议、标准、接口等专项细节设计，包括物理层、数据链路层和应用层协议开发，并对设计的通信协议开展仿真、测试分析，完善通信系统设计。具体见第4.3节。3.整车控制器设计在架构设计的基础上，具体针对整车控制单元(Vehicle Control Unit, VCU)，又称整车控制器开展专项设计，具体包括整车控制器系统方案设计、软件设计、硬件设计以及测试、调试及综合等。具体见第4.4节。4.整车控制策略在架构设计和整车控制器设计的基础上，具体、深入地开展整车控制策略开发，主要包括整车控制的各种常规功能、算法、故障诊断及维护等。具体见第4.5节。5.主要网络部件的设计与选型在架构设计的基础上，具体针对各种网络部件开展专项设计及选型，主要网络部件包括网关、Tbox、仪表板、中控屏以及域控制器等。具体见第4.6节。
• 4.1.4 技术趋势随着人们生产与生活需求的进一步提升，纯电动汽车的配置和性能在快速发展，日益增长的信息量又导致了新的通信需求。同时，先进的信息技术如5G、车联网、智能驾驶等的发展，又为纯电动汽车的发展提供了新的技术手段。纯电动汽车控制技术未来的发展趋势主要包括以下方面：1.车-储-充一体化技术纯电动汽车的动力蓄电池组一方面可以作为大电网系统的储能辅助设备，实现削峰填谷功能，另一方面又可以作为其他移动式用电装置的充电电源，实现用户电子设备如智能手机、智能办公设备等的移动式充电。车-储-充一体化的技术趋势对纯电动汽车控制系统设计提出了新要求。2.车载高速网络技术纯电动汽车大量新增功能节点必然导致信息量增加，不断增长的通信需求需要更高带宽的车载网络出现，车载以太网技术近年来获得了快速发展。车载网络速率的提高对实现纯电动汽车功能扩展具有重要意义。3.（跨）域控制架构技术传统的分布式控制架构已经很难满足纯电动汽车控制系统综合化、智能化及网联化的需求。（跨）域控制架构技术的出现，可为设计模块化、规范化、系统化、综合化的整车网络化控制系统提供有力支撑，是研发高水平、智能化、网联化纯电动汽车不可或缺的关键性、基础性技术。（跨）域控制架构技术对纯电动汽车网络化控制系统的设计及发展具有重大意义。4.V2X无线通信技术V2X无线通信技术的发展，可以实现车内与车外实时系统的通信与互操作，对于纯电动汽车的安全、效率及便捷性提升具有重要意义。基于V2X技术实现纯电动汽车车载网络系统与车外系统如车、人、地面固定设施及监控中心的数据交换，是极具前景、同时也是有待深入研究的新课题。5.5G联网技术主要用于实现与移动通信及云端监控中心的高速、实时、可靠的联网及数据交换，对于纯电动汽车监管具有重要意义。6.智能网联控制实现纯电动汽车的智能化、网联化驾驶，进而实现高度自治的智能交通系统、智慧城市系统，是纯电动汽车发展长期追求的目标。

 4.2 整车电子电气架构设计

• 4.2 整车电子电气架构设计4.2.1 概述整车电子电气架构设计是整车网络化控制系统自上而下设计开发过程中最重要的部分之一，其是指在功能需求、法规、设计要求等特定约束下，通过对功能、性能、成本、装配等各方面进行分析，求取优化的整车电子电气系统模型及解决方案，用于指导系统具体设计开发的顶层设计环节。开展整车电子电气架构设计的意义在于通过对日益复杂的汽车电子控制系统设计开发进行总体规划研究，寻找优化的系统级解决方案，及早发现潜在问题并在规划设计阶段予以解决，以避免在后期开发及生产阶段造成巨大损失。这样可以大大缩短产品试制和开发的周期，降低成本，以适应日新月异的市场需求。整车电子电气(E/E)架构设计是对汽车完整的电子电气系统开发进行总体规划的过程，必须由知识全面的工程师来执行这一部分的工作，因为其对于汽车各个方面的了解必不可少。E/E架构开发的目标为制定一套优化的系统级解决方案，以保证所开发车辆控制功能的正常、可靠、高效运行，并使整车成本最低。它将直接影响到整车控制系统具体功能的定义、分配、数据网络的规划以及用电功率的分配。在当今竞争激烈的市场环境中，汽车产品，尤其是新能源汽车，往往面临着开发周期长、开发成本高、性能与品质要求严格等多重挑战。为了应对此挑战，国外许多汽车厂商通常研发并拥有自己的汽车电子电气架构平台以及设计流程。国内对此项技术的研发还有待进一步提升。我国主机厂尚需重视并加速研发，以建立自主的整车电子电气架构平台及设计流程，提升整车电子电气系统的正向设计开发能力。
• 3.信息安全设计对于有外接通信接口的车辆子系统功能/控制器，信息安全也是需要考虑的，此部分的信息安全设计主要体现在功能/控制器本身与功能/控制器之间的通信校验机制等环节。信息安全设计时，可基于系统建模流程，进行资产分解，分析梳理出需要保护的关键件，主要包括任何应该受到保护的硬件、软件、数据、服务等，具体如下：1)车载电子功能组件，如特定ECU、传感器、执行器自身物理实体、软件或本地数据资源、用户隐私数据、系统核心数据、运行日志文件等。2)车载电子功能组件之间的信息流、通信矩阵及网络拓扑结构等。3)车载远程功能或服务，如远程起动、远程开空调、蓝牙钥匙、远程下载更新(OTA)等。4)车辆与外部连接的物理接口、公/私有协议或服务端口等。信息安全的设计可按照威胁严重等级进行分级设计，可在有效保证整车信息安全的同时保证研发资源的合理利用。威胁的严重等级，可从功能安全、隐私、财产和操作四个评估维度进行分析，将其分为5个等级，从低到高分为S0～S4。表4-5为某汽车企业制定的信息安全分级表。

 4.3 车载网络通信系统设计

• 4.3.2.9 网络拓扑在车载网络中，大多数情况下都是由多个节点构成的网络。网络的拓扑结构有很多种，包括环形拓扑结构、星形拓扑结构、总线型拓扑结构、树形拓扑结构等。对于车载网络来说，环形、树形拓扑结构应用较少，本文中不具体展开介绍。1.星形拓扑结构星形拓扑结构多用于局域网，属于集中控制型网络[插图]。这种拓扑结构有一个中心节点，其他各个节点与中心节点通过点对点的方式连接。此种拓扑结构在具体应用时，中央节点多为集线器或某个ECU单元，网络中的节点数相对较少、通信速度相对较低，以避免过多节点通信造成的中央节点负荷过重。该种拓扑结构的终端电阻一般匹配在每个直线近节点端。任意两个节点之间的通信都要通过中心节点来实现，中心节点作为整个网络控制管理中心，对所有节点实行中央集权的通信控制管理方式。发送信息的节点将要发送的信息传送到中心节点，由中心节点作为转接路由，将信息数据传送到目的节点。中心节点的主要作用是为需要通信的节点之间提供物理连接：1)当某个节点有通信需求发出通信请求时，控制器会检查中央节点处是否处于空闲状态，能否建立通信。2)当两个节点通过中心节点建立连接后，在正常通信时中心节点要维持这一通信回路不被中断。3)当通信过程结束或者通信过程失败需要拆除形成的通信回路时，中心节点则会拆除两节点之间形成的通信回路。4)星形拓扑结构如图4-34所示。LIN总线网段中一般以一个节点为主节点，其他节点为从节点，使用星形拓扑结构较多，部分CAN总线、FlexRay总线所在的网络中也有使用。[插图]图4-34 星形拓扑结构a)示意图 b)星形拓扑应用星形拓扑结构的特点是：1)中心节点比较复杂，负担较重，而其他各个节点只负责自己的通信内容，负担比较小。2)该种拓扑结构只需要满足简单的通信连接要求，每个节点通过各自的线缆连接到中心设备，分支线相对较长，便于节点的布置，且当某条传输线缆出现问题时，除了该节点，其他节点的工作不会受到影响。3)星形网络拓扑结构使用的介质访问协议比较简单，有利于网络监控和管理。但中心节点对网络的整体性能影响很大，一旦中心节点出现故障、无法维持正常通信，整个星形网络系统将处于无法工作状态；节点与中心节点建立物理连接时需要大量线缆，使用和维护过程比较复杂。尽管在星形拓扑下，线缆的实施费用高于总线型拓扑结构，但星形拓扑结构仍有布置灵活方便、公共线缆长度短、保证各节点工作的独立性等优势，有一定的适用场合。为避免中心节点故障而引起整个网络瘫痪[插图]，衍生出了一种扩展星形拓扑结构，通过中心节点的冗余设计来保证通信的可靠性。
• 2.总线型拓扑结构总线型拓扑结构在车载网络系统中应用较为广泛，其将各个节点均通过硬件接口以并行的方式挂接在一个通信信道上。这条用来传输信息的通信信道将作为公共传输媒体来实现各个节点间的信息交互，这一公共传输媒体即称为总线[插图]。该种拓扑结构的终端电阻一般匹配在总线两侧的末端。总线上多个节点并列排列，当总线上任意一个节点向总线发送报文时，发送的信号沿着总线以类似广播的形式从发送节点向两端辐射传输，与总线相连的其他任意节点都可以接收到报文。总线型拓扑结构中所有节点共享一条信息传输线路，任何时刻只允许传输总线上的其中一个节点发送报文，当多个节点同时向总线发送报文时，总线会通过相应的仲裁机制来决定哪个节点将获得总线的使用权，其他发送报文的节点将处于等待状态，其能否获得介质使用权将再次通过仲裁机制来决定，以防止总线的使用冲突。总线型网络拓扑结构如图4-35所示。[插图]图4-35 总线型网络拓扑结构这种拓扑结构的优点是：1)各个节点之间连接结构简单，容易实现，节约了传输线缆的铺设成本，布线难度较小，可靠性较好。2)各个节点连接到网络或者断开与网络的连接都比较方便，增加或减少节点比较方便，网络的可扩展性较好。3)由于各个节点是以并行方式连接到总线上，当某个节点出故障或者损坏时，不会对其他节点的正常工作产生影响。4)但公共的传输线缆出现故障将影响整个网络的工作状态[插图]。总线型拓扑结构应用较为基础，使用广泛，目前乘用车由于整车中需要通信的节点数较多，一般将节点根据功能划分为不同网段，总线型拓扑结构多使用在各个网段中，或者在节点数较少的商用车上也会采用该种拓扑结构。若支线长短为0，这种拓扑为手牵手方式，纯电动客车电池管理多采用这种接线方式。
• 3.并接点型拓扑结构随着车载电子技术的发展，车载网络中的ECU越来越多，对整个车载网络使用一个总线型拓扑结构不利于节点的布置，因此在总线型拓扑结构上出现了扩展拓扑应用，并接点型拓扑结构就是其中一种。并接点型拓扑结构是在总线型拓扑结构的基础上进行改进，具有星形拓扑结构公共线缆少、方便布置（一部分布置在驾驶舱，另一部分布置在发动机舱）的优点。双并接点型拓扑结构如图4-36所示，其形式与星形拓扑结构相似，从两个并接点发出多个节点，除两个并接点之间的线缆外，某个节点或分支线的故障不会影响其他节点的正常工作；从本质上看属于总线型拓扑结构。[插图]图4-36 双并接点型拓扑结构a)示意图 b)双并接点型拓扑应用乘用车上采用并接点型拓扑结构较多，奥迪、大众、丰田生产的车型都有较多的应用，包括不同网段之间或者同一个网段内为便于节点布置，并接点型拓扑结构都有一定程度的使用。例如，在带有独立网关的车载网络中，网关相当于各个并接点的连接桥，各个网段汇集到一处与网关连接，网关的出现从某种程度上助力了并接点型拓扑结构的发展。图4-37所示为低速容错CAN拓扑结构，执行的标准是ISO 115192。
• 2.基于ODX解析技术的诊断工具产品(OBT)ODX标准(ISO 22901)标准化了诊断通信协议相关的数据，使得研发、测试、生产及售后部门和供应商之间的诊断数据交换变得容易且不易出错，可以显著提高效率，降低诊断数据管理成本。使用基于ODX解析技术的新型诊断工具可以大幅度缩短整车故障诊断系统开发的迭代周期，从而为整车开发赢得宝贵的时间并显著节省开发成本。产品具有如下功能：(1)OBT_Config诊断功能配置软件OBT_Config诊断仪配置一套B/S架构的软件，可满足多人同时在线管理不同车型平台的诊断数据以及相应的诊断仪功能，可生成针对某一车型的诊断仪配置。软件支持PDX/ODX数据的导入和诊断序列的搭建以及诊断功能的配置。1)导入/解析PDX文件，可导入/解析符合ODX标准的PDX文件包并保存到ODX数据库。2)配置通用的诊断服务功能，通过此功能可配置故障码读清、冻结帧数据读取等。3)配置自定义的诊断服务序列，通过图形化界面配置诊断服务序列和参数。4)配置程序刷写功能，可配置刷写流程、安全算法和CRC算法。5)诊断功能配置导出管理，从已经配置的诊断服务功能中挑选需要导出的配置项生成诊断配置包。6)用户管理，支持用户的创建、编辑和权限管理。(2)OBT_Tester诊断功能执行软件诊断仪执行软件是一套通用的诊断仪框架软件，通过导入不同车型的诊断仪配置，使自身具备相应车型的诊断仪功能，主要用于开发阶段ECU及整车的诊断功能验证和测试。1)管理/执行OBT_Config配置的诊断功能，包括读写DID、读清故障码、程序刷写等。2)显示诊断服务数据，按照PDX中的定义解析并显示诊断服务响应中的数据和PDU（协议数据单元）。3)导入/变更刷写文件，可灵活导入/变更驱动和应用程序。4)跟踪记录功能，诊断功能序列执行过程带CAN报文跟踪功能，并可以保存到文件。5)支持通过以太网执行诊断服务(DoIP)。(3)DPS诊断协议栈1)应用层(ISO 14229-1，ISO 15765-3，ISO 14230-3)。2)传输层/网络层(ISO 15765-2，ISO 13400-2)。3)K线数据链路层(ISO14230-2)。(4)TESTBASE-VCI1)通信方式支持USB/WIFI。2)4路CAN、1路LIN、1路K。3.CANoeVECTOR提供了一个系统级的开发环境，包括网络开发全过程的仿真、网络在线仿真、网络总线的数据记录和分析以及网络系统的标定和测试。全过程包括：1)VECTOR数据库进行数据分析和定义（节点数、报文数、信号内容和长度等）。2)通过CAPL语言在CANOE环境中进行功能建模和仿真。即利用软件进行系统的虚拟仿真来检验各个节点功能的完善性以及网络的合理性。3)利用VECTOR硬件接口卡工具，将自己开发的节点连入虚拟的网络中进行半实物仿真。4)利用VECTOR的其他测试和分析工具对整个真实的网络进行测试、分析和标定。VECTOR产品支持的总线系统包括CAN、LIN、MOST、FlexRay、TTCAN等。由于它具有开放式架构，能够解决复杂的任务，并适用于特殊的应用。CANoe为整个分布式网络的仿真和分析，提供了基于图像和基于文本的建模和评估窗口。针对监控和控制任务，以及生产装配过程，还能创建直观的用户控制平台。CANoe提供针对产品生产周期中所有阶段的专业功能，包括模型创建、仿真、功能测试、诊断和分析。该系统的软件测试环境提供了友好的用户界面和图形化的显示方式，提供了图形化显示功能模块和评估模块。在测试过程中，显示每条报文中的不同信号的数值，总线上所有活动的列表，包括报文、错误帧和超载帧；总线统计表显示报文速率、错误率、总线负载和CAN控制器状态。另外，针对汽车应用提供了相应的仪表库，模拟真实的驾驶室内仪表显示。CANoe具有可编程能力，意味着用户可以按自己的要求对CANoe的功能进行扩展。在数据流程图的任意节点里都可以插入模块模型，并且可以编写用户自己的程序来实现功能。CAPL就是用来实现可编程能力的编程语言，它是面向应用的类C语言，并且包含了交互式的开发环境。在这个环境下，用户可以很容易地创建、修改、编译CAPL的程序。CANoe可支持多种协议：LIN、MOST、FlexRay、TTCan、CANopen、J1939、NMEA2000、ISO 11783和osCAN库等。

 4.4 整车控制器设计

• 4.4.2.1 产品定位当前绝大多数整车厂在进行硬件设计之前，都需要对当前市场同类型的产品进行市场调研。这项工作一般由产品规划部门进行，主要的调研工作包括以下几个方面：1)当前国家政策环境，即与产品相关的法律法规。2)当前主要技术状态以及未来技术发展趋势。3)主要生产厂家的供货情况及趋势预测。4)当前现有产品的价格特性。5)对应产品的市场需求分析及预测。6)当前产品存在的主要问题及对策。整车生产厂家根据当前市场环境下的调研以及预测结果，结合自身的时间成本、人力成本等原则综合决定是由公司内部开发、外协开发或采用现有产品。本节主要从新产品开发的角度，讲述整车控制器硬件设计的每一个环节和步骤，同时根据市场产品调研的结果，采用相关信息对产品技术指标、产品成本、应用状态进行设计定位。4.4.2.2 系统需求系统需求是整个产品开发的前提，在进行硬件设计之前需要对整个产品的技术指标做出明确的规定。系统需求描述产品开发的目标，包含产品的基本功能、基本配置、主要性能指标、运行环境、约束条件以及开发经费和进度等要求。作为硬件设计工程师，其中十分重要的一项工作就是能够从产品的系统需求中分解出硬件设计需求。硬件设计需求是我们在硬件开发过程中一切工作的指导性文件。一份详细的硬件设计需求能够为后续的产品设计、验证环节提供良好的保障。整车控制器的硬件系统需求主要应包含以下几个方面。1.整车控制器的主要功能模块功能模块是指整车控制器要实现哪些具体的功能。依据当前新能源汽车整车结构中对于整车控制器的定位，整车控制器的主要功能模块有：1)电源模块。2)单片机模块。3)外部传感器供电模块。4)开关量信号采集模块。5)模拟量信号采集模块。6)PWM（脉宽调制）信号采集模块。7)继电器驱动模块。8)电机驱动模块。9)通信模块。10)存储模块。11)其他特殊模块。2.整车控制器的产品性能指标产品性能指标是指整车控制器产品需要满足的技术方面的要求，主要包含：1)正常工作电压范围、静态功耗。2)产品的正常运行环境温度、产品的存储温度。3)产品的尺寸、结构、安装方式、安装位置。4)产品的外部防护等级（防水以及防尘要求）。5)产品的安全可靠性、试验验证需求。6)产品的设计使用寿命。本部分主要规定了整车控制器的使用环境，大部分数据由相应的整车方面给出。上述只列出了大概，其中很多具体的要求未详细列出。7)整车控制器的引脚定义。引脚定义部分需要整车方面提供与整车控制器连接的所有外部零部件的数据手册或参数指标要求，便于整车控制器接插件的选取、引脚的分配、功能模块的设计等。例如：整车控制器中对于温度的采集，需要外部温度传感器的数据手册才能够正确进行内部电路的设计；整车控制器中用于驱动外部继电器的电路需要根据外部继电器工作电压、电流特性设计相应的驱动电路。
• 4.4.2.4 芯片选型与成本分析芯片选型可以说是硬件电子工程师必备的技能，一个好的芯片选型方案能够大大节省产品开发的时间成本、人力成本。在进行芯片选型时需要关注以下几方面：
• 1.功能需求在选择芯片的时候，功能需求往往是我们关注的第一位。因为选择何种芯片首先取决于对功能的需求。需要的是单片机、低边功率驱动还是通信芯片，每一种不同功能对应不同类型的芯片与厂家。功能需求包括芯片的主要功能、工作温度、存储温度、功耗、使用寿命、是否属于汽车级芯片、是否符合RoHS认证等。2.成本芯片的成本在一定程度上决定了产品的最终成本，因此芯片选型时必须要考虑成本问题。硬件工程师往往需要在芯片的功能与成本之间进行取舍。成本比较高的往往功能比较全面，故障保护做得比较好，检测功能比较全面。在保证满足功能需求、总体成本限制的基础上选择性价比最高的产品，并能够做出相应的功能或者设计参数预留。3.典型应用是否方便典型应用就是指芯片的典型应用电路是否简洁，如果芯片只需要很少元件即能正常工作，那么选型时应该考虑使用这样的芯片，这时只需要在芯片原有基础上稍加上保护电路即可应用于产品设计中。如果芯片典型电路的外围电路很多，那么不仅布局布线会很麻烦，而且也不利于产品的小型化设计和低成本设计理念。4.芯片的封装由于现在的产品都偏向于小型化设计，而芯片的封装在一定程度上决定了产品的最终尺寸，所以选择芯片时应考虑封装问题。大的封装便于PCB布线、焊接及维修，但会加大板子尺寸从而增加产品成本，小的封装可以减小板子尺寸、降低产品成本，但会加大PCB布线、焊接以及维修的难度。选型时应分别对待，如果没有特殊要求，建议选择中等封装（SOT23、TSSOP、LQFP、SOIC等）。5.货源是否充分货源是否充分是指不要选很冷门的芯片。如果选择的芯片各方面都很不错，但是货源很少或者很难买到，那么这样的选型方案也是不可取的。首先会因为没有货源或者供货周期太长而影响整个项目的进度，其次会因为产品的售后维修不便而带来很大的隐患。具体芯片选型时可以让电子元器件的分销商进行推荐，然后再根据上述讨论确定最终的芯片选型。下面以常用的器件为例说明芯片选型时需要注意的参数。(1)电阻（选择现阶段汽车电子控制器最常用的贴片电阻）1)电阻阻值、精度误差、耐压、元器件封装、功耗、温漂。2)常用生产厂家：YAGEO、ROHM、VISHAY等。(2)电容（选择现阶段汽车电子控制器最常用的陶瓷贴片电容）1)电容容值、器件封装、耐压值、精度误差、温度系数。2)常用生产厂家：MURATA、TDK、VISHAY等。(3)电感1)电感值、精度误差、器件封装、电流值、谐振频率。2)常用生产厂家：MURATA、TDK、VISHAY等。(4)二极管在进行二极管的选型之前，首先要清楚使用的二极管类型，如稳压二极管、整流二极管、肖特基二极管、开关二极管等。现以整流二极管为例，说明在选取时需要注意的参数。1)最大反向峰值电压、正向平均电流、非重复性正向峰值电流、存储温度、运行温度、功耗、正向导通电压降。2)常用生产厂家：FAIRCHILD、INFINEON等。(5)单片机单片机的选型相对来说是比较复杂的一项，除了要考虑硬件资源是否足够外，还需要考虑其软件结构、运行速度内存等与软件运行相关的方面，主要参数包括：1)单片机架构、位数、主频、单核或者多核、FLASH存储容量、RAM存储容量、EEPROM存储容量等。2)通用GPIO口、ADC模块、PWM模块、串口通信、CAN通信、LIN通信、PIT、SPI、eTimer等硬件资源是否足够。3)与单片机配套的软件开发工具是否使用方便。4)电压平台、功耗、封装等。5)常用生产厂家：NXP、INFINEON、FREESCALE等。(6)电源芯片电源芯片在整车控制器中的重要性仅仅次于单片机。电源的选择需要从整车控制器电源网络进行考虑，将整车控制器上面所有的电源网络的电压平台、电源网络的功耗全部考虑在内，同时还需要评估电源芯片通信、唤醒等附加功能的需求。下面以某款电源芯片MC33FS6500为例，阐述一款电源芯片都需具备哪些功能。1)具备电压传感器以及多路电源输出。2)适配与单片机内核电源要求的电压输出1～5V，以及SMPS(0.8 A、1.5 A、2.2 A)或LDO(0.5 A)。3)36V最大输入电压范围。4)线性电压调节器可应用于外部传感器供电输出，适用于5V或3.3V电压平台。5)提供给单片机ADC模块以及GPIO模块供电的线性电压输出。6)低电压模式下激活线性电压调节器，为EEPROM存储器供电的3.3V电源。7)在低电量模式下多个唤醒源：CAN、LIN、IOs、LDT。8)5路可配置的GPIO口。
• 4.4.2.7 PCB布局与布线在完成整车控制器的原理图设计后，就可以开始进行PCB布线设计。PCB的设计软件与原理图的设计软件相同。PCB设计的软件使用步骤如下：1)创建一个PCB文档：File→NEW→PCB→SAVE ALL。2)PCB参数设置（包含PCB的尺寸、导线宽度、布线层数）：右击PCB的空白处，选择options→Board options，选取设置相应的参数并设置电路板大小、形状等。3)将元件选中并拖入到PCB板框内，检查元器件封装是否合适后，手工布局。布局时要用到元器件的选择、旋转、排列和封装的更换与查找。4)手工布线：将PCB显示的所有网络通过手工布线连接起来。5)设计规则检查：为所设计的电路板设置相应的规则，并通过规则检查工具对间距、网络连接、元器件距离等进行检查。6)保存并输出生产文件与坐标文件。最终交付给电路板生产厂家的就是PCB的生产文件，结合需要用到的元器件以及坐标文件，工厂即可交付给我们最终所设计的产品。关于电路板布局布线一般规则，内容知识体系庞大复杂，本章只介绍一些基本规则供参考：1)总的连线尽可能短。2)交叉线最少，过孔最少。3)地线层和电源层没有连线。4)高电压、大电流信号与小电流、低电压的弱信号完全分开。5)模拟信号与数字信号分开。6)高频信号与低频信号分开。7)高频数字信号的间隔要大。8)在可能情况下，减小电源地层与信号层层距布线。9)增加线间距，减少平行走线长度。10)增加线宽度，降低其特性阻抗。11)重要信号间，可采用平行地线的方法隔离。12)尽可能少折线，不走90°。13)少走过孔。14)重要的线不要从插座脚间穿过，频率高的线也应尽量避免。
• 4.4.2.8 整车控制器的测试验证在整车控制器的硬件开发工作完成之后，需要对产品进行测试验证。按照产品开发的阶段，我们把产品的测试验证分为功能参数测试、环境适应性试验验证、可靠性验证以及产品的下线功能检测及老化试验。1.功能参数测试功能参数测试主要在产品设计完成后所生产的第一批次的样品中进行，对整个产品的每一部分功能进行测试，查看其是否满足设计需求。验证每一部分电路模块是否达到设计的功能。在功能参数测试之前，需要编制功能参数测试大纲，规定出需要测试某一电路模块的参数指标以及是否符合的判断标准。下面以某整车控制器部分电路设计为例说明如何编写功能参数测试大纲，以及如何进行功能参数测试。数字量输入采集电路原理图如图4-70所示。

 4.5 整车控制策略

• 4.5.1 概述VCU开发主要采用“V”流程，所有的控制策略与仿真模型都是利用框图化的基本模块建立起来的，主要包括根据用户需求进行系统框架的设计、基于系统框架进行模型开发和自动代码生成、底层开发与代码集成、模型在环测试、硬件在环测试、实车标定试验验证，如图4-72所示。汽车电控系统的开发过程分级层次较强，具有软件开发从宏观到微观逐级开发，硬件测试从微观到宏观逐级验证，软件开发与硬件测试交叉进行、互相支持的特点。在汽车电控系统开发流程体系的发展过程中，V流程逐渐成为被认可的开发模型。
• 4.5.1.1 软件需求开发软件开发的第一步即定义功能需求，完整准确的需求定义和输入是后续软件开发的指导。软件开发需求一般包括与其他ECU的接口（包括电气接口与通信接口）、应用程序的功能需求、诊断标定需求等。软件开发需求最终以文档形式体现，如通信协议、诊断协议、引脚定义等。常见的需求开发工具有ReqMan、Stimulus、Rhapsody、Rotation DOORS等，可以完成需求定义、需求分析，并在整个开发过程中对需求的变更进行跟踪管理。4.5.1.2 系统框架设计针对汽车行业ECU软件架构的研究，应用最为广泛、认可度最高的当属AUTOSAR架构。AUTOSAR架构的核心思想在于将微控制器及ECU进行抽象，使得应用层软件可以独立于具体的微控制器及ECU，同时配置了标准的服务程序。由于AUTOSAR是一个非常完整的体系，在开发过程中，需要针对VCU的硬件资源及用户功能需求，分析所需的基础软件模块，设计出符合实际需求的软件架构。完成软件总框架设计以后，还需要设计应用层程序的框架。应用层框架设计应满足逻辑清晰、功能划分清楚、耦合度低等要求。良好的应用层架构可以有利于实现各子模块的独立开发和测试，方便软件升级更新，在调试和维护过程中，可以更加快速地定位和解决软件问题。支持AUTOSAR架构的系统级开发工具有dSPACE开发的Systemdesk、博世开发的ISOLAR-A、Vector开发的PREEvisoni以及恒润科技的EAS.SwcDeveloper等。4.5.1.3 模型开发模型开发阶段需要首先完成接口定义与流程图文档，按照接口定义文档做好输入输出的接口，按照流程图进行编程，实现功能需求。采用C代码编写的汽车电子软件要求遵守MISRA-C规则，规范C语言用于汽车电子软件的限定使用集合，提高软件可靠性，降低软件安全风险。同样，采用模型开发汽车电子软件也需要遵守一定的模型规则，避免在嵌入式软件中随意使用Simulink而导致代码质量下降、不安全风险增大等不良影响。模型编程规则一般采用MATLAB的MAAB(Mathworks Automotive Advisory Board)规则，或者参考MAAB规则制定的符合自身使用的模型编程规则。MAAB规则适用范围为采用MATLAB、Simulink、Stateflow等工具搭建的控制逻辑。MAAB详细制定了数百条规则，规定了允许使用的模块、语法使用等，其规则又分为强制使用、强烈推荐和推荐三个等级。强制使用的规则是编程中必须遵守的，强烈推荐的规则需要尽力去满足，推荐的规则可以提升软件产品质量，但是不遵守不会导致软件产品产生严重问题。在进行模型开发之前，详细阅读并熟悉MAAB规则是必备的。4.5.1.4 代码集成应用层采用模型开发，在开发及测试完成后，需要生成C代码，并集成到工程中，与底层的C代码联合编译，最终生成刷写程序文件s19。因此，在联合编译之前，需要完成底层代码编写，完成底层与应用层接口代码，并在工程中调用生成的函数，实现全部C代码的整合与编译。由Simulink模型生成C代码，可以采用MATLAB自带的Embeded Coder工具，也可以采用第三方工具，如dSPACE TargetLink。编译通过后，程序可刷入VCU中，进行后续HIL台架测试及实车测试等。除了功能实现，还应关注代码生成后所占用的Flash与RAM资源，程序执行占用的MCU负载率等性能指标，防止代码超出MCU承载范围，从而引起VCU功能执行的不确定性。4.5.1.5 模型在环模型开发完成后，可以进行模型在环(Model In Loop, MIL)测试，MIL测试分为单元测试和集成测试。图4-73所示为MIL测试示意图，通过对被测模型施加激励信号，观测被测模型的输出是否与期望值一致，来判定模型是否正确。简单的MIL测试可以采用Simulink Signal Builder等工具来产生输入信号，用Scope来观察输出信号。除此之外，也有一些商业软件可以实现MIL测试，如MES、Mxsuite、TPT等。
• 4.5.1.6 硬件在环硬件在环试验(Hardware In Loop, HIL)指由硬件控制器与模拟器间形成一个进行数据、信号交流的闭环测试系统。在HIL测试阶段，ECU为已经刷入程序的成品状态，而外部接口依靠实时仿真系统来进行模拟。HIL测试系统一般由以下几部分组成：1)实时仿真主机，可以下载车辆模型，调用各个板卡资源等。2)I/O板卡，输出或采集数字信号、模拟信号。3)CAN通信板卡，模拟车辆其他ECU的通信，与被测ECU通信。4)程控可调电源，为目标ECU及HIL台架提供低压直流电源。5)故障注入通道，实现自动故障注入或手动故障注入。6)模拟负载，可以实现上拉或者下拉负载，为ECU输出提供所需负载。7)上位机，与实时仿真主机通信，控制测试操作，观测测试结果。在HIL测试阶段，除了测试ECU的正常功能外，还需要测试微控制器的负载率、报文发送周期漂移等关键性能，以及基础软件提供的CCP标定和UDS诊断功能等，通过模拟注入各种故障，调整输入信号来测试UDS的数据流和DTC设置等功能。在HIL测试领域，最著名的当属德国dSPACE提供的设备，除此之外，美国NI的设备也有一定的市场占有率。HIL测试的关键在于模型的准确性、测试用例的完整性以及自动化程度。
• 4.5.2 基本功能设计在电动汽车中，VCU是核心控制部件，是整个车辆的中枢系统。它根据加速踏板、制动踏板开度、当前档位等驾驶人操作信息，以及当前电池的SOC等信息，计算出主驱动电机的输出转矩等参数信息，从而保证车辆的正常行驶。VCU的功能设计直接影响着电动汽车的动力性、经济性、可靠性和整车的辅助系统功能。本节将介绍VCU的基本功能设计，包括VCU软件总体设计原则、接口设计、上下电功能设计、驱动踏板转矩解析、充电功能设计。4.5.2.1 VCU软件总体设计原则在设计VCU软件时，需要保证以下设计原则。(1)合适性VCU软件体系结构要适合VCU软件的功能性需求和非功能性需求。(2)结构稳定性用户界面设计、数据库设计、模块化设计、数据结构与算法设计等，均是在体系结构确定之后进行的。因此需要保证体系结构在一定时间内保持稳定，注重软件体系结构的设计，当正常控制需求发生变化时，要保证只能对软件做部分程序代码的修改而不改变软件的体系结构。(3)可拓展性可扩展性是指在软件中添加新功能的能力。(4)可复用性为了保证在不同类型的纯电动汽车及多能源系统车辆上的兼容性，VCU体系结构需要具有良好的复用性，因此需要设计出一种通用的体系结构模式，例如AUTOSAR体系架构、OSEK体系架构。
• 高压系统上电控制主要包括以下几部分：(1)基于整车模式判断高压上电需求VCU基于整车模式判断是否有高压上电需求，当处于行驶模式、快充模式、慢充模式、远程控制等模式时，判断整车需要进行高压上电。(2)高压系统部件唤醒控制VCU唤醒高压系统部件（包括BMS、MCU等高压部件），各部件进行初始化，初始化完成后上报各自状态。VCU命令BMS进行高压上电控制。(3)闭合主负继电器BMS检测继电器状态并进行上报；BMS控制主负继电器闭合；BMS反馈主负继电器处于闭合状态。(4)高压系统预充电控制BMS闭合预充继电器，对高压负载电容进行预充控制；检测动力蓄电池侧电压和高压负载侧电压并进行实时比较，当高压负载电压达到一定阈值时（一般为动力蓄电池电压的90%以上），认为预充电完成。(5)闭合主正继电器BMS控制闭合主正继电器。(6)高压系统上电完成BMS断开预充继电器，并反馈高压系统上电完成状态给VCU；VCU控制高压部件进行使能，高压部件可以进入工作状态。2.高压系统下电过程高压系统下电过程示意图如图4-76所示。高压系统下电控制主要包括以下几部分：(1)基于整车模式判断高压下电需求VCU基于整车模式判断是否有高压下电需求，当整车无高压上电功能需求时，判断整车需要进行高压下电；VCU控制进行高压下电引导，命令高压部件停止使能，各高压部件停止工作。(2)断开主正继电器BMS控制断开主正继电器，使高压负载与动力蓄电池断开。(3)高压系统主动放电控制MCU控制逆变器进行主动放电控制，当高压负载侧电压低于安全电压阈值(60V)时，认为主动放电完成。(4)断开主负继电器BMS控制主负继电器断开，并反馈状态给VCU。(5)高压系统下电完成VCU判定高压系统下电完成。(6)高压系统部件休眠控制VCU断开各高压系统部件唤醒信号，高压系统部件进入休眠状态。
• 4.5.2.4 驱动踏板转矩解析踏板转矩解析是整车动力学控制的第一步。如图4-77所示，驾驶人根据路况和车辆行驶状态，对加速踏板、制动踏板进行操作，整车控制器的AD模块对输入踏板信号进行数据采集，采集到的模拟信号通过相应的数据处理进行解析，可以得到车辆处于加速、减速还是匀速的运行状态，以及车辆的速度和加速度，进而计算得到应该输出的转矩，驱动车辆行驶。
• 4.5.2.5 充电功能设计1.简介(1)术语与缩略语充电(Charging)指的是将交流或直流电网（电源）调整为校准的电压/电流，为电动汽车动力蓄电池提供电能，也可额外为车载电器设备供电。按电动汽车供电设备输入特性不同分类，充电可分为直流充电和交流充电，其中交流充电为电动汽车供电设备连接交流电网（电源）；直流充电为电动汽车供电设备连接直流电网（电源）。(2)充电模式GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统　第1部分：通用要求》中规定了四种充电模式。1)充电模式1：电动汽车连接到交流电网（电源）时，在电源侧使用了符合GB 2099.1—2008和GB 1002—2008[插图]要求的插头插座。在电源侧使用了相线、中性线和接地保护的导体，不应使用模式1对电动汽车进行充电。2)充电模式2：电动汽车连接到交流电网（电源）时，在电源侧使用了符合GB 2099.1—2008和GB 1002—2008要求的插头插座，在电源侧使用了相线、中性线和接地保护的导体，并且在充电连接时使用了缆上控制与保护装置(IC-CPD)。3)充电模式3：电动汽车连接到交流电网（电源）时，使用了专用供电设备，并且在专用供电设备上安装了控制导引装置。4)充电模式4：电动汽车连接到交流电网或直流电网时，使用了带控制导引功能的直流供电设备。模式4用于电动汽车连接到直流供电设备的情况，以及永久连接在电网（电源）的设备和通过电缆与电网（电源）连接为其供电的设备。模式4可直接连接至交流电网或直流电网，仅连接方式C适用于模式4。(3)连接方式在GB/T 18487.1—2015[插图]中还规定了车辆充电的三种连接方式。连接方式A：电动汽车和交流电网连接时，使用和电动汽车永久连接在一起的充电电缆和供电插头，如图4-78所示。
• (4)直流充电连接过程与控制时序1)控制时序图。直流充电连接过程和控制时序如图4-90所示。2)直流充电确认阶段控制。①车辆插头与车辆插座插合，使车辆处于不可行驶状态。②当VCU/BMS检测到检测点1的电压值为4V时，判断车辆接口完全连接。③VCU/BMS与充电桩控制装置在握手阶段和参数配置阶段按照GB/T 27930—2015的要求进行CAN通信。3)直流充电系统的启动控制。在充电阶段，VCU/BMS向充电桩实时发送动力蓄电池充电需求参数，调整充电电流下降时应按照GB/T 18487.1—2015的规定进行处理。在充电过程中，VCU/BMS需要持续监测PE针是否断线。4)直流充电结束阶段控制。①充电正常结束。当动力蓄电池充满或收到充电桩发送的“CST”时，VCU/BMS发送“BST”引导整车下电，确认电流变为小于5A后断开K5/K6。②充电异常结束。●当车辆与充电桩发生通信丢失时，充电停止；●当车辆监测到PE断针时，充电停止；●当车辆发生高压下电故障时，VCU/BMS发送“BST”引导整车下电，确认电流小于5A后断开K5/K6；●其他在GB/T 27930—2015中规定的异常下电情况。
• 4.5.3 动力学控制在电动汽车中，VCU是核心控制部件，是整个车辆的中枢系统，其中的动力学控制是确保汽车正常行驶的关键。VCU根据加速踏板，制动踏板开度，当前档位和转向盘转角等驾驶人操作信息，以及当前动力蓄电池的SOC等信息，计算出主驱动电机的输出转矩等参数信息，从而驱动车辆行驶，使得汽车拥有优越的动力性，经济性和行驶稳定性。因此，VCU的动力学控制设计直接影响着电动汽车的动力性、经济性、可靠性和整车的辅助系统功能。本节针对整车控制器的动力学部分，从动力性、经济性和稳定性三个方面进行分析。4.5.3.1 动力性整车控制器的动力性特征通过不同的控制策略得以实现，主要包括整车驱动系统控制、档位控制和驱动转矩控制。1.整车驱动系统控制策略纯电动汽车的整车驱动系统由电机和电机控制系统组成，并通过CAN总线方式与整车网络通信。1)VCU通过采集到的踏板开度信号和档位等信号，经过计算，得出最后的转矩信息。转矩信息通过CAN总线由VCU发送到MCU，MCU收到相应的控制信号后，执行对应的动作。2)根据汽车的运行状况，电机运转模式分为电动模式和发电模式。电动模式下整车运行在驱动状态，汽车属于行驶状态；发电模式下整车运行在滑行或制动状态，实现制动能量的回馈。3)电机控制系统在运行状态下，MCU实时向VCU上报状态信息和故障信息，并在系统出现故障时做出及时处理。VCU接收到MCU的各项信息后，会根据信息的内容对整车系统做出合理的控制。2.整车档位控制在传统汽车上，通过换档可以改变发动机的动力输出方向或者改变车辆传动比，以实现车辆前进和倒向行驶的切换，同时在不同传动比的档位之间切换时，改变车辆的转矩输出特性，通过适时的档位切换，还可以提高车辆的动力性和经济型。对于电动汽车，一般在传动系统上不配备变速器，而是配备了一个单级减速器，故多采用电子换档器进行整车档位的控制。(1)档位设置电动汽车采用的电子换档器一般设置P位（驻车档）、R位（倒车档）、N位（空档）、D位（前进档）这4个最基本的档位。部分车型可能在D位的基础上增加了E位（经济档）、S位（运动档）。档位设置如图4-91所示。
• 2.工况介绍能量回收由两部分组成，分别为滑行能量回收、制动能量回收。(1)滑行能量回收车辆在行驶过程中、驾驶人松开加速踏板且未踩制动踏板；当车速大于一定值时，车辆进行滑行能量回收，将机械能经驱动电机转化为电能，存储到动力蓄电池内，或提供给整车用电设备使用。(2)制动能量回收车辆在行驶过程中，当车速大于一定值时，驾驶人踩制动踏板，车辆进行制动能量回收。制动能量回收也可以将机械能经驱动电机转化为电能，存储到动力蓄电池内。制动能量回收同时也增加了制动力，使车辆更快停止。3.功能介绍(1)能量回收强度调节能量回收的强度可依据驾驶人驾驶习惯进行调节，一般按能量回收强度分为3级（强、中、弱）。能量回收强度可通过中控设置并记忆，也可通过档位器的B+、B-进行设置。(2)能量回收点亮制动灯车辆进行能量回收时，当减速度或转矩达到一定值时，需点亮制动灯，对后车进行提示。(3)能量回收转矩限值车辆进行能量回收时，需考虑电池允许最大回馈转矩、电机允许最大回馈转矩、电机控制器当前允许最大制动转矩限值等，能量回收的需求转矩不能超过限值转矩。(4)禁止能量回收当车辆ABS介入、动力蓄电池允许回馈功率低、动力蓄电池单体电压高以及车辆发生一些影响能量回收的故障时，车辆应禁止能量回收。(5)能量回收仪表显示车辆能量回收等级、禁止能量回收时，能量回收功率应通过仪表进行显示。
• 4.5.4 常用控制方法4.5.4.1 PID控制PID控制是基于输出反馈的控制设计方法，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。其中比例控制可以减小稳态误差，但会降低系统的相对稳定性；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快惯性系统响应速度以及减弱超调趋势[插图]。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件。但随着工程系统的日益复杂化和对控制要求的精确化，传统PID控制器对于非线性、时变及多变量系统的鲁棒性还不够强，因此又引入了智能PID控制，既保持了PID控制器的结构简单、适用性强和整定方便等优点，又通过智能技术在线调整PID控制器的参数，以适应被控对象特性的变化。目前，PID控制器仍是工业控制中应用最为广泛的控制器。PID控制方法通常用于纯电动汽车的位置及速度控制的场合，如车速巡航控制、电机调速、无离合电子同步控制等。4.5.4.2 模糊控制模糊控制是在所采用的控制方法上应用了模糊数学理论，使其进行确定性的工作，对一些无法构造数学模型的被控过程进行有效控制[插图]。模糊控制方法包括模糊化、逻辑推理和反模糊化。1)模糊化是把输入变量映射到一个合适的响应论域的量程，将精确的输入数据变换成适当的语言值或模糊集合的标识符。2)逻辑推理一般采用if A then B形式的条件语句来描述，调整和校准模糊规则是模糊控制中的关键问题。3)反模糊化是模糊系统的重要环节，是将模糊推理中产生的模糊量转化为精确量[插图]。模糊控制可解决多变量、非线性系统的控制，其最大优势是可以将经验引入规则库，实现基于规则库的逻辑推理，但规则库的设计合理性较难界定。模糊控制方法通常用于纯电动汽车的复杂动力底盘系统控制领域，如基于多变量的自动换档控制、基于多目标优化的四轮分布式驱动控制等。4.5.4.3 滤波方法滤波方法是指对信息混淆、干扰进行相应处理，通常包括低通滤波、高通滤波及卡尔曼滤波方法等。滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路[插图]。一阶滤波器通常由一个电阻和电容组成，其特性可用一阶线性微分方程表示；二阶滤波器则是在一阶基础上增加一个电感，其特性可用二阶线性微分方程表示，随着阶数的提高，可得到更好的滤波效果。低通滤波可容许低于截止频率的信号通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱，高通滤波与之相反。卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法[插图]。因为观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以也可看作是滤波过程。滤波法通常用于纯电动汽车的实时控制信号采样场合，如无干扰的踏板信号采样、电池SOC状态的估计等。4.5.5 故障诊断功能设计当纯电动汽车出现异常状态时，如何保证用户及车辆的安全成了一大问题，这就要求在汽车行驶过程中或充电过程中，车辆各控制器对各零部件的工作状态进行实时检测、实时诊断、实时判别及实时处理，这个过程统称为故障管理。纯电动汽车的控制器主要包括整车控制器、动力蓄电池控制器、电机控制器、充电机控制器等。零部件控制器实时监测自己的工作状态并进行故障诊断和一定的处理，也可以将诊断出的故障状态上报给整车控制器进行统一故障管理。整车控制器则实时监测整车各个部件的状态并进行故障诊断和故障处理。动力蓄电池系统的状态监控包括单体电压采集、总电压/电流采集、温度采集、绝缘检测、高压互锁检测、碰撞检测、高压上下电过程检测、充电过程检测等。动力蓄电池控制器对上述这些状态进行实时检测，当诊断出上述状态出现异常时，比如电压、电流、温度等过高或过低等，动力蓄电池控制器应能进行相应的故障检测、故障处理，并将相应的故障等级上报。电机系统的状态监控包括直流/交流电压检测、直流/交流端电流检测、电机本体/电机控制器/IGBT的温度检测、电机转速检测、电机转矩检测等。电机控制器对上述这些状态进行实时检测，当诊断出上述状态出现异常时，比如电机温度过高、电机转速过高等，电机控制器应能进行相应的故障检测、故障处理，并将相应的故障等级上报。整车控制器需要从整车的角度监控车辆的运行状态，包括加速踏板状态检测、制动踏板状态检测、档位状态检测、蓄电池电压状态检测、通信状态检测等。当诊断出上述状态出现异常时，比如加速踏板超限、档位信号同时无效、通信丢失等异常状态时，整车控制器应能进行相应的故障检测、故障处理。4.5.5.1 故障等级划分纯电动汽车的整车电控系统结构比较复杂，电气零部件比较多，包括各种传感器、执行器、控制器、CAN线、高低压线等，从整车控制的角度来看，故障来源多，类型复杂，因此需要对纯电动汽车的故障进行分类。可以根据对车辆行驶或性能影响的程度进行等级的划分。GB/T 32960.3—2016《电动汽车远程服务与管理系统技术规范　第3部分：通信协议及数据格式》[插图]中对最高报警等级进行了如下规定。最高报警等级为当前发生的故障中的最高等级值，有效值范围为0～3，具体值的含义如下：1)“0”表示无故障。2)“1”表示1级故障，指代不影响车辆正常行驶的故障。3)“2”表示2级故障，指代影响车辆性能，需驾驶人限制行驶的故障。4)“3”表示3级故障，为最高级别故障，指代驾驶人应立即停车处理或请求救援的故障。具体等级对应的故障内容由主机厂自行定义，主机厂也可以对上述故障等级进行细分，举例如下。1)1级故障代表不影响车辆正常行驶的故障，可以细分为影响车辆功能但不影响车辆行驶的故障（比如禁止能量回收故障），不影响车辆功能也不影响车辆行驶的故障（比如车速信号CAN丢失故障、电池电压不准确故障）。2)2级故障代表限制车辆性能的故障，比如限转矩故障（如电机过温故障、加速踏板超限故障）、限车速故障（如真空压力传感器故障）、限充电功率故障（如充电机过温故障）。3)3级故障代表明显影响驾驶人安全，行车过程中需要停车的故障，可以细分为立即断高压故障（如碰撞故障）、断高压故障（如高压互锁断开故障）、零转矩故障（如加速踏板完全失效故障、档位信号同时无效故障）。主机厂根据上述故障等级的原则，对纯电动汽车的各个故障进行故障等级分类并处理。4.5.5.2 故障灯显示电池控制器、电机控制器、整车控制器等通过检测相关信号并进行故障处理后，可发出控制指令给仪表或其他显示装置，仪表或其他显示装置会执行相关指示灯控制信号。通过控制指示灯的熄灭、点亮、闪烁等来提醒驾驶人目前整车的状态，以便使驾驶人能更好地判别和操作整车。GB/T 4094.2—2017《电动汽车操纵件、指示器及信号装置的标志》中对电动汽车指示灯的显示装置及显示颜色等进行了规定，其中包括故障灯的显示要求，具体见表4-27。表4-27 国标规定的故障灯的显示要求[插图]
• CF利用第一字节的低四位作为顺序号(Sequence Number, SN)，SN从1开始，每发送一帧SN加1，直至最大值15。在SN达到15以后，SN从0开始重新计数，直至全部CF发送完毕。SN的作用在于连续发送多包数据时，接收方必须按照SN递增1进行校验，避免连续的数据帧出现丢失或者顺序错误。FC的第一字节第四位为流状态控制(Flow Status, FS)。1)当FS为0时，允许发送方开始发送CF。2)当FS为1时，发送方将处于等待中，接收方将继续发送FC报文以维持等待或变更为其他状态。3)当FS为2时，表示接收方已经无法接收数据，数据传输将被取消。FC的第二字节为BS(Block Size)，用以告知发送方持续发送CF的帧数，若数据未传输完毕，发送方单次发送的CF帧数必须等于BS。FC的第三字节为STmin，代表发送方的两帧CF最大允许间隔时间，其取值范围为0～127ms。4.5.6 整车控制器参数标定功能设计标定参数主要包括踏板参数、转矩参数及电机参数。踏板参数包括制动踏板信号来源、上下限、电制动开度比例，加速踏板上下限及冗余上下限。转矩参数包括参考转矩、制动能量回收激活转矩、蠕行激活转矩、滑行能量回收激活转矩、车速及转速限制激活转矩。电机参数包括车速计算比例因子、最大充放电功率、二级故障时VCU设置的充放电功率。标定方法依据欧洲ASAP组织发布的CCP(CAN Calibration Protocol)。ASAP（德文：Arbeitskreis zur Standardisierung von Applikationssystemen）即标定系统标准化组织，最早是由德国部分整车厂发起成立的，包括奥迪、宝马、戴姆勒奔驰、保时捷和大众。欧洲的汽车开发测试系统制造商以及VCU制造商也加入了该组织。ASAP致力于软硬件系统在各层的数据交换实现标准化，从而使测量与标定工具可以实现通用，降低工具开发成本，促进行业进步。CCP属于AUTOSAR架构中的服务层，是以CAN通信为基础的应用层协议，为VCU提供标定与数据采集服务。ASAP接口定义如图4-102所示，分为ASAP1、ASAP2和ASAP3接口。VCU通过ASAP1接口与测量标定系统连接，测量标定系统所需的数据库通过ASAP2接口获得，而ASAP3接口用于测量标定系统与自动化系统的连接。ASAP1接口又分为ASAP1a和ASAP1b，其中ASAP1a定义的是VCU与测量标定系统的物理与逻辑接口，而ASAP1b定义的是测量标定系统的软件驱动接口。在VCU端实现CCP功能需要关注的是ASAP1a与ASAP2接口。VCU需要植入符合ASAP1a规范的软件驱动来配合标定工具实现CCP通信，而标定工具所需的数据库文件为A2L格式（符合ASAP2），需要在应用层开发过程及软件编译过程对需要测量的数据和标定的参数进行特殊处理，生成A2L格式的文件并赋予正确的VCU地址，才能实现数据测量与参数标定的功能。

 4.6 主要网络部件的设计与选型

• 域控制架构是下一阶段车载网络系统发展的重要方向，各大汽车企业正在竞相研发。目前仅有部分有实力的汽车公司推出了部分域控制器及域控制架构车载网络系统，但尚未大规模应用。集中式控制架构则是域控制架构的升级版本，其技术开发难度更高，但相应也更具有前景。目前仅有极少数国外汽车企业在参与研制开发。值得注意的是，正如在架构设计中所提到的，各汽车企业通常会根据具体车型需要、成本及个性化需求考虑，将部分网络部件进行功能整合，如将网关与仪表整合，将Tbox与中控屏整合，将网关、Tbox与中控屏整合等。由此，产生了各种各样的变型产品。为了便于介绍，本章仍以功能为主线来阐述主要网络部件的设计，并非基于具体实体产品，其中所举部分产品案例可能为整合后的一体化变型产品。
• 网关又称网间连接器、协议转换器，是实现纯电动汽车车内网络互联通信的关键装置。如图4-113所示，基于成本、控制特性考虑，纯电动汽车电子控制系统通常采用多种车载网络互联组成。两种不同通信标准或协议的车载网络之间，需要采用网关实现网间机械/电气连接和协议转换。
• 4.6.2.2 网关设计要求汽车网关的设计主要需要考虑功能需求、功能安全、信息安全、唤醒时间需求几个部分。1.功能需求功能需求的任务主要是确定网关接口资源时，通常根据整车各控制域需要搭载的功能交互信号量及控制器通信总线协议，确定网关需要支持的通信接口，并满足相关标准和法规要求。如某项目平台网关支持7路以上CAN/CAN FD，满足最高2Mbit/s CANFD通信，项目还要求网关支持7路以太网(ETH)端口通信，其中6路通信速率为100Mbit/s，使用100BaseT1通信；1路应用于本地诊断和刷写，使用100BaseTx通信。2.功能安全网关作为信号转发路径上的重要环节，一般还需要满足以下的功能安全要求。1)使用车规级芯片。2)支持利用MCU的内存分区保护功能对代码段/数据段进行保护。3)支持硬件看门狗复位。4)支持实时监控硬件、复位。5)支持软件异常监控、复位。6)电源管理模块按照ASIL-B要求设计，满足ADAS-L3等级的状态信号、转矩命令信号转发功能安全要求。3.信息安全为抵御外部信号干扰、攻击，网关需要满足以下信息安全要求。1)以太网网关不应存在未经声明的外围介质。2)以太网网关需定义通过外围接口接入的存储介质上的文件类型和权限。3)主板禁止调试接口暴露，无法避免暴露的则应考虑将调试接口改为测试PIN方式并分散布置。4)主板禁止电路板存在用以标注关键芯片、端口和引脚功能的可读丝印；芯片间敏感数据通信线路应隐蔽。5)芯片考虑安全加密，采用如HSM硬件加密模块或SE元件进行总线通信认证。6)支持安全启动、安全存储、加解密、安全刷写功能。7)网关供电需要满足特定要求，见表4-34。
• 4.6.2.3 网关设计实例通过车载网关，可以安全可靠地在车辆内的多个不同网络内互联和传输数据。它通过物理隔离和协议转换，在共享数据的功能域（动力总成、底盘和安全性、车身控制、信息娱乐、远程信息处理、ADAS）之间进行信息交互。现代纯电动汽车采用的车载网络协议包括CAN、LIN、K线协议、FlexRay和以太网等多种协议。网关的设计通常需要考虑上述多种协议的转换和网络接口。网关系统架构和网络接口定义是网关设计的主要内容。以某汽车企业为例，其根据纯电动汽车车内网络互联需求，设计了包括高低速CAN、LIN、K线协议、FlexRay和以太网协议接口的网关。1.网关功能架构网关功能架构主要包括通信接口、信号保护、通信收发器、控制单元（内含通信控制器）等，如图4-115所示。
• 2.网络接口定义网络接口主要包括CAN接口高/低引脚、LIN接口高/低引脚、K接口引脚、以太网(ETH)接口高/低引脚等。某汽车企业的网关接口具体定义见表4-37。
• Tbox的主要功能可以概括如下：1.车内数据釆集Tbox采集电动汽车动力蓄电池工作状态和运行状态相关的数据信息，如BMS通过CAN总线提供电池的总电压、电流，电池箱内的温度，SOC等数据；整车控制单元通过CAN总线提供驱动转矩、能量管理、故障信息、车辆运行状态等数据信息。这就要求Tbox要完成与车用总线之间的通信。2.远程无线数据接收Tbox系统接收来自远程控制中心的信息，通过对报文的解析处理，执行相应的操作，实现对车辆的合理调度和便捷管理；同时Tbox还要采集来自GPS的信息，计算处理产生车辆运行的地理位置、时间等数据信息。3.数据发送Tbox系统将采集的监控数据发往远程控制中心，实现对电动汽车行车状态的监控。要求车载终端实现无线数据传输，并且能够实时在线，完成间断的、突发性的或频繁的数据传输。4.数据存储Tbox系统将采集的监控数据以规定的格式记录在存储介质上，时刻记录车辆行驶状态，实现电动汽车黑匣子技术。这一功能的实现要求车载终端能够进行海量存储，并且数据方便复制，以便科研人员的分析研究。5.数据管理Tbox系统可对应用过程中的信息进行管理，包括车辆信息管理、报警信息管理、预警信息管理、故障处理管理、故障预测与分析管理和报表管理等。
• 4.6.3.2 设计要求Tbox系统设计的核心目标是实现纯电动汽车与远程监控中心之间的信息数据交换，便于对行车状态的监控。因此Tbox的设计需要满足以下要求：1)保证信息采集的完整性和准确性。2)确保系统能够长时间稳定可靠工作。3)确保信息安全。4)确保数据存储能力。5)良好的电子兼容性。此外，要综合系统管理、结构安排、技术方案、模块性能、模块选型、技术支持及维修能力等多方面考虑，Tbox系统的总体设计方案应满足系统的总体需求。Tbox设计需要满足相应的标准和法规见表4-38。
• 4.6.3.3 Tbox的设计与选型Tbox系统的设计主要包括系统架构设计、系统硬件设计和系统软件设计3个主要部分。1.系统架构设计通常现代纯电动汽车的Tbox系统的总体结构框图如图4-117所示，主要包括终端控制器、车内通信模块、远程通信模块、导航采集模块、数据存储模块、数据处理模块及控制器。
• 某汽车企业在具体设计中根据系统架构图，综合考虑成本及技术因素，确定了以下方案。(1)车内通信数据采用CAN总线接收车内行驶状况信息，如电池电压、电池电流、加速踏板开度等。(2)远程通信模块采用GPRS模块将处理器提取成功的数据发送到远程服务器，用户可以通过登录互联网接收数据。(3)导航采集模块采用GPS模块负责接收地理位置、时间等信息。(4)数据存储模块采用SD卡把处理器处理好的数据存储在车载终端本机上。(5)数据处理模块及控制器采用ARM7内核芯片、LPC2468微控制器。该Tbox系统的工作机制框图如图4-118所示。2.硬件电路设计在硬件组成部分，采用车载24V供电，通过电源管理模块转换出系统所需要的5V和3.3V电源，CAN总线接收车内行驶状况信息，GPS模块负责接收地理位置信息，这两部分组成整个系统的信号输入部分；核心处理器采用工业级的ARM7内核芯片LPC2468，主要负责接收信号输入，提取接收的信息组成系统所需的数据格式；GPRS模块将微控制器内处理好的数据通过GPRS网络发送到远程服务器，同时SD卡把这部分数据存储在车载终端上。为了实现监控系统终端设备的各个功能，对硬件平台设计有以下要求：1)具备大容量SD卡的加载功能，用于存储电子地图。2)具备用户信息数据库和数字地图数据库的存储和管理功能。3)具备状态指示灯：CAN信号（2个），GPS（1个）、GPRS信号（1个）、SD卡信号（1个）、工作（1个）。
• 3.软件系统设计Tbox是一个典型的嵌入式设备，按照系统的功能划分，软件总体设计包括CAN设备数据接收和处理、GPS定位数据接收和处理、GPRS数据传输、SD卡行车数据存储等部分。软件总体架构图如图4-120所示。系统上电后，嵌入式系统从Bootloader开始运行，完成硬件设备外部驱动的初始化，然后调用内存映像到空间，启动系统。系统启动后进入主循环，启动多线程，开始主要功能的实现，包括CAN节点软件收发、GPS数据采集、GPRS设备启用、数据处理及SD卡数据存储等。
• 图4-120 软件总体架构图(1)CAN节点软件设计CAN控制器通过SPI总线与ARM微处理器连接实现CAN节点的设计，驱动程序设计可以分为三个层次：1)最底层是主控系统的SPI接口的配置，使其具有SPI驱动能力，完成SPI读写函数的实现。2)中间层完成对CAN控制器工作模式和各寄存器配置。3)最上层在相应配置的基础上，实现CAN正常的报文收发处理，并为应用层提供接口函数。在CAN总线的通信中，所有数据的接收和发送都以报文帧为基本单位。定义与驱动相同类型的CAN报文帧结构：ID为CAN报文帧标识符，data数组为CAN报文帧的数据段，length为数据长度。CAN消息收发都是以CAN报文作为收发的基本单元。(2)GPRS无线传输软件设计无线数据传输是电动汽车与远程监控中心之间的桥梁。一方面，智能车载终端系统通过数据采集模块发送过来的数据信息进行协议打包处理，并及时发送给远程控制中心；另一方面，终端系统接收来自远程控制中心的命令，对其进行分析处理并完成相应操作。无线传输的运作过程主要包括以下四个过程：1)微控制器利用AT指令通过GPRS模块拨号，正确反馈及应答后，即建立起GPRS Modem和GPRS网络之间GPRS信道。2)PPP脚本拨号程序建立点对点链路上的通信连接，PPP协议把最初不能保障正确的GPRS物理层连接重塑为无偏差的数据链路，实现系统对互联网的远程访问，继而获得GPRS网关分配的IP地址。3)借助IP路由选择，实现系统与连在互联网上的任一终端进行数据交互。4)正常接入网络后，通过网络编程实现数据交互，选择TCP作为传输层协议，以保证数据传输的可靠性。(3)GPS定位软件GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。GPS模块接收到GPS卫星信号，经微处理器解析，得到电动汽车地理位置消息。GPS接收程序主要包括：1)经纬度、时间基础数据接收处理软件。2)位置、距离、速度等融合数据处理软件。(4)SD卡储存软件设计车载智能终端存储软件自下而上可以分为SD卡驱动层、文件系统层和最上层应用层：1)驱动层作为最底层，主要是面向微处理器和SD存储卡，完成SD卡控制器中有关寄存器的初始值设定并通过命令将其初始化。2)文件系统层以底层数据块为基础，进行更高层次的操作，如完成文件的建立、清理和访问等，向最上层提供必要的应用接口函数。3)最上层应用层则为用户读取数据函数接口层。
• 4.6.4 仪表板4.6.4.1 概述车载仪表是为驾驶人提供所需汽车运行参数、故障、里程等信息的关键显示装置。车载仪表显示的直观与美观使得驾驶不仅是代步之必需，也成为舒适生活的一部分，而参数传递的准确与可靠性则直接关系到汽车行驶的安全。车载仪表主要用于显示能量消耗、行车里程和动力、传动系统及行驶系统各机件的运行情况等综合信息，同时可以显示故障诊断的警告信息，使驾驶人及时了解汽车的运行状态，妥善处理各种情况。4.6.4.2 设计要求仪表设计的一般要求如下。1.安全性能要求仪表在运行中应达到GB/T 4208—2017规定的IP4X防护等级，在对仪表正常维护过程中（包括更换灯泡和仪表）也应达到IP4X防护等级。2.电磁兼容性能仪表在运行中应满足GB/T 17619—1998和GB/T 18655—2018的要求。3.耐振性能仪表的耐振性能应满足QC/T 413—2002中3.12的规定。4.绝缘介电强度如果连接到动力蓄电池的仪表由辅助供电系统供电显示，则仪表各互不连接的导电零部件之间及导电零部件对机壳之间应能承受表4-39规定的历时1min的试验电压。
• 4.6.4.3 仪表界面的设计与选型车载仪表的主要功能为信息显示，因此界面设计是其核心内容，本节主要讨论仪表界面的设计与选型。1.指针显示类纯电动汽车车载仪表显示内容包括但不限于电机转速、车速、电流、电压和剩余电量等。(1)荷电状态表显示动力蓄电池剩余电量与总容量的百分比，用符号“SOC”表示。其与动力蓄电池的放电率、工作环境温度和电池的老化程度有关，当SOC低于某一规定值，应当报警。(2)电压表用来测量（显示）动力蓄电池的电压。在组合仪表的标度盘上应标示出恰当的工作电压范围，通常电压在300 V以上。(3)电流表电流表测量（显示）动力蓄电池的电流。在组合仪表的标度盘上应规定准确的0位置，对于具有再生制动功能的车辆，在标度盘0位置的两个方向上都应标示出正常工作电流的范围，负电流表示能量回收。(4)转速表用于显示电机的即时转速，一般在10000r/min以内。(5)车速表用于显示即时车速，一般在180km/h以内。2.指示灯显示类报警及信号指示装置用来告知驾驶人有关电驱动系统和动力蓄电池正确操作条件的信息，习惯上称作某某报警指示灯。报警及信号指示首选光学和（或）声学信号。电动汽车组合仪表中常用的报警指示灯有过热、超速、剩余容量、绝缘电阻、整车控制器打开、辅助蓄电池充电检测、停车指示、动力蓄电池充电指示、互锁监测，以及驱动控制器就绪、能量回馈故障、系统故障、动力蓄电池故障、运行准备就绪等。下面对纯电动汽车组合仪表中必须显示的报警信号做简要的说明。(1)过热指示灯点亮，表示某设备温度过高（限值），此时如果继续行车将对车辆安全性或性能造成严重影响。(2)超速当电机超速时，最好用声信号连同光信号向驾驶人发出警告。(3)剩余容量当动力蓄电池剩余容量低于某个百分数，比如25%时，应通过信号装置提醒驾驶人。(4)绝缘电阻当绝缘电阻低于规定值时应通过信号装置提醒驾驶人。绝缘电阻包括动力蓄电池绝缘电阻、动力系统与车辆底盘之间的绝缘电阻、动力系统和辅助电阻之间绝缘电阻等。(5)整车控制器打开指示灯点亮，表示整车控制器已经准备就绪，踩下加速踏板即可向驱动系统供电。(6)辅助蓄电池充电监测车辆正常行驶过程中向辅助蓄电池充电时，如充电元件发生故障应通过信号装置提醒驾驶人。(7)停车指示当驾驶人离开车辆，如果驱动系统仍处于可行驶状态，应通过信号装置提醒驾驶人。(8)动力蓄电池充电状态当充电器向动力蓄电池充电时，指示灯点亮，表示当前处于充电状态，不可行车。(9)系统故障指电机系统故障。如果电机系统有故障，其控制器向整车控制器发送故障码，此时指示灯点亮。(10)互锁监测车辆互锁机构中任何一个互锁装置起作用将阻止车辆运行，应向驾驶人发出警告。图4-122所示为纯电动汽车采用的仪表板。
• 4.6.5 中控屏4.6.5.1 概述中控屏是实现车辆信息显示与综合操控的触摸式电子设备，是现代纯电动汽车重要的人机接口装置。随着汽车电动化、智能化、网联化、共享化程度越来越高，电动汽车内部设计安装一块具有人机交互功能的中控屏越来越有必要。中控屏的功能不仅包括车辆的信息显示、安全和娱乐服务，同时也可以实现对车辆系统的控制，实现人机对话，让驾驶车辆越来越便捷。中控屏及中控系统是未来智能网联汽车的大脑，是电动汽车的实时移动计算单元，是人与车、人与互联网、人与外界信息交换的枢纽节点。中控屏可以实现远程升级，优化车辆的电控系统和车辆的电池管理系统，可以像手机一样进行不断的系统换代等，另外也可以在车上进行一些与自己相关的个性化设置。中控屏一般包括三种操作方式：手势控制、语音交互、触控。整体屏幕通常分为功能选择区、信息显示区和车辆与空调控制区等。功能选择区主要包括车门解锁、电量管理、驾驶位记忆、车辆信息、蓝牙和WiFi、主动安全开启、充电桩位置寻址、驾驶模式选择等功能。图4-123所示为某纯电动汽车中控屏。[插图]图4-123 某纯电动汽车中控屏信息显示区包括整车信息、音乐媒体播放、地图导航、日期显示、能量信息、网页、倒车影像以及连接手机通话等功能。车辆与空调控制区主要包括车辆控制、驾驶人座椅与前排乘客座椅靠背调节、温度调节、前排座椅的空调调节和控制以及多媒体音量调节等功能。当前，中控屏逐渐与ADAS和自动驾驶融合，作为人机接口可以控制及显示如碰撞预警、变道、自动泊车、车道偏离报警、智能互联、远程操控、人脸识别、自动驾驶等功能，以及对车速的限制设定等。根据大型电动客车、家庭乘用车和商务车等车型结构及应用需求，电动汽车中控屏系统的产品类型有T型、立体型、主机与屏分开的分体型等。4.6.5.2 设计要求中控屏除了要满足用户定制需求外，还要满足基本的车辆属性需求及必要的法律、规范及标准要求，见表4-41。1)实时性。在驾驶过程中，用户的主要精力聚焦在驾驶行为上，只能用很少的精力与时间来操控车载中控屏。因此决定了中控屏的功能逻辑、信息布局和启动时间等都必须在极短的时间内以最好的方式呈现，毫秒级响应。2)稳定性。车辆高速行驶时中控屏整机、信息显示和操作等要非常稳定，一般厂家要求在百位以下数量级为10-6。3)操作的便捷性。电动汽车未来是交通中的主流车辆，简单易用的操作方式可保证各层次人群方便实用。4)中控屏兼容性要好。硬件接口标准化能让更多的外界如传感信息易于接入，嵌入式操作系统兼容性要好，能让用户进行个性化的软件定制。5)另外，中控屏大小、重量、显示画面、防水、防振、防尘、耐高温、耗电、电磁兼容等物理指标都要考虑在内，要符合汽车标准和要求。
• 1.系统功能配置中控屏的主要功能配置及要求，如图4-124所示。根据需要，中控屏功能及设计要求一般包括：1)终端设备要求：通过GB/T 28046.2—2011及ISO 11452-4：2011认证，通过EMC测试，工作温度范围为-40～85℃。2)主处理器要求：车规级、多核异构。3)屏幕要求：防眩光、高亮度、支持高清分辨率。4)无线模块，主要包括：兼容北斗和GPS，定位2.5m以内；4G模块：4G全网通，向前兼容；WiFi模块：支持802.11bgn协议；蓝牙模块：支持蓝牙5.0及以上；支持智能网联与车路协同V2X。5)CAN模块，满足ISO 11898规范，高速、高可靠性通信网络。6)存储模块，满足数据读写。7)电源模块，浪涌范围为9～36V。8)监控模块，主要包括视频类监控、安全信息类监控。9)娱乐模块，主要包括音频、视频编解码芯片的规格，支持多种音视频格式。具体设计时，各设计开发单位可以根据具体需求，突出各自特色。如安凯客车是国内第一个将12in防眩光液晶大屏应用到第五代电动汽车上的企业，主要功能包括整车信息显示、车身控制、视频监控、远程监控、安全监控、能耗分析、驾驶评价、驾驶模式、专家诊断、智慧专家一路护航、多屏展示便民信息、免费WiFi共享，实现了对新能源客车故障进行智能诊断和车辆智能管理。操控性方面，采用人性化设计，首次将传统机械开关和操控模式融合至12in液晶触摸屏中，行车中几乎所有操作都可通过触摸屏完成，真正做到“屏随心动，车由e控”，极大提升了新能源客车驾驶乐趣和便捷性，让驾驶新能源客车成为一种极致的科技体验。为了进一步简化操作，安凯“e控”系统自带了“节能”“动力”“正常”“雪地”四种智能驾驶模式和相应的驾驶评价系统，可以实时评价驾驶状态的经济性能；还能根据不同驾驶习惯和路况，对客车的能量消耗做出智能化控制，在提升乘坐舒适度的同时，大幅提升了新能源汽车的运营经济效益。中控屏运行与设置界面如图4-125所示。
• 2.硬件选型中控屏的主要功能及设计要求确定之后，在硬件设计时，设计研发者应综合考虑功能、性能、成本及自家配套资源等多种因素，开展硬件选型和规格参数定型。表4-42为安凯客车根据中控屏开发需要，推荐的中控屏硬件具体选型及规格参数。表4-42 技术特点及规格参数
• 3.软件设计中控屏的主要功能及设计要求确定之后，另一个重要任务是开展软件设计。软件设计任务主要包括软件结构规划、功能模块设计、功能集成设计等。如图4-126所示，安凯e控的软件设计结构划分为应用层、协议层、网络层。其中应用层包含了显示、娱乐、导航、ADAS、云服务、控制及诊断等各种应用功能模块以及集成连接关系。协议层包含了协议解析、数据帧封装、拆分功能。网络层主要解决网络通信功能。
• 4.6.6 域控制器4.6.6.1 概述域控制器是实现区域内多功能集中式管理的电子控制设备，是实现纯电动汽车控制架构升级改造的关键装置。随着汽车电子技术的快速发展，传统的分布式汽车控制系统中的ECU数量快速增长，如中级汽车ECU多达60～100个，系统控制成本和通信开销非常大，且各系统之间完全分离，很难做到有效的共享资源和互操作，硬件成本和软件成本都很高。受这些问题驱动，新的域控制架构及域控制器开始研发，以作为下一代汽车电子架构及控制装置。汽车域控制器是把汽车电子各部分功能划分成几个域，然后采用强大的核心处理器去控制域内原来归属于各ECU大部分功能的集中式控制单元，简称为DCU。汽车域控制器通常可划分为动力总成域控制器、底盘控制域控制器、车身电子域控制器、智能/辅助驾驶域控制器、娱乐系统域控制器。域控制器的功能是将更多分散的ECU功能进行集中，通过采用处理功能更强的多核芯片和高速成熟化、开放性的操作系统，实现汽车软件功能设计的平台化、标准化，并实现控制入口的有效缩减，提高信息安全性，以降低整车控制系统的复杂性及成本。但域控制器本身对芯片计算能力、资源分配和外设丰富要求较高，需要开发新型的多核型、安全、外围接口丰富的新型处理器。如智能/辅助驾驶域控制器，要具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制、无线通信、高速通信等处理能力，并通常需要外接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达以及IMU等设备，完成图像识别、数据处理等数据采集和控制功能。4.6.6.2 设计要求将整车控制系统规划为能源域、动力域、底盘域、车身域、信息域等。功能关联性强的系统分配到同一个域。域控制器不仅可实现域内各功能的集中式管理、同时又可通过高速网络实现域间功能的协同式工作。芯片的计算能力要求较高，建议采用多核芯片，并将众多功能合理分配到各芯片。功能分割实现时，要严格保证功能隔离安全原则。域控制器设计的内容及原则可以总结为：1)域控制架构的合理规划。2)域控制器功能的配置。3)高性能多核芯片的选型及控制器硬件设计。4)功能软件模块开发及与平台化软件的集成设计。5)多种传感器、执行器外设接口的设计。6)多种通信网络接口的设计。7)安全的无线更新(OTA)。8)域控制器测试及验证。域控制器需要满足的法规、标准要求见表4-43。
• 4.6.6.3 设计与选型域控制器的设计与选型与其功能和定位有很大关联。比如车身域控制器主要实现智能座舱功能，相应的座舱域控制器供应商有伟世通的SmartCore、博世的AI car、布谷鸟的Auto Canbin、东软睿驰的C4-Alfus以及华为的HiCAR等。自动驾驶域控制器的供应商主要包括伟世通的DriveCore、大陆的ADCU、TTTech公司的zFAS/iECU等。由于域控制器属于前装汽车产品，从设计到量产需要较长的时间跨度。现有供应商的域控制器产品大多数还在研发阶段。与一级供应商不同，相对而言，半导体供应商如TI、Freescale提供了相应的高性能域控制器开发芯片和部分开放代码，可以供使用者学习开发，受到业界欢迎。这里仅介绍一个域控制器开发及选型的例子。某车辆采用了图4-127所示的域控制架构系统，主要包括动力域控制器、底盘域控制器、车身域控制器。各个域控制器不仅通过以太网接口连接实现跨域数据高速交换，而且通过各自总线实现域内系统的通信管理，如动力域控制器向上通过以太网实现与底盘域控制器、车身域控制器的数据交换，向下则通过CAN总线实现电池管理系统(BMS)、电机控制单元(MCU)等的数据交换，底盘域控制器则还需要通过FlexRay总线实现Brake-by-wire(BBW)、Steer-by-wire(SBW)等的线控系统数据通信，车身域控制器则通过LIN总线实现车门、车窗的数据多路传输。
• 该芯片资源包含了以太网、CAN、FlexRay、LIN等通信接口。基于该芯片的DCU可以通过以太网实现跨域数据交换，并可以通过CAN总线适配于动力总成域控制器、通过FlexRay适配于底盘控制域控制器、通过LIN适配于车身电子域控制器。基于该芯片的DCU可通用于一般纯电动汽车动力总成域控制器、底盘控制域控制器和车身电子域控制器的研发，如图4-127所示。

 第5章 整车电力电子控制系统集成设计

• 第5章　整车电力电子控制系统集成设计电力电子技术指使用电力电子器件（如IGBT、MOSFET等）对电能进行变换和控制的技术，在当今各工业领域中都有广泛的应用。对于纯电动汽车而言，电力电子技术的主要应用场合包括DC/DC变换器、DC/AC变换器、电机控制器等电力变换器，同时也涉及诸如绝缘监测等相关的功能性附件。整车电力电子系统包含了电动汽车中大多数高电压、高功率器件，是影响电动汽车综合性能的关键系统之一。随着近年来电动汽车产业的飞速发展，整车电力电子系统逐步展现出集成化的趋势，出现了“多合一”电力电子集成控制器产品。本章将从电动汽车电力电子控制系统的基础器件出发，介绍各类电力电子控制器的关键技术及评价方法，同时重点介绍电力电子控制系统的集成化设计技术，帮助相关从业人员熟悉并掌握整车电力电子系统的匹配及应用技术。

 5.1 概述

• 5.1 概述5.1.1 车用微电子控制器随着20世纪70年代微机的出现，过去的几十年里微电子技术发展极其迅速。现在对于微电子技术的研究及应用主要源于中央处理器(Central Processing Unit, CPU)，并主要集中于微处理器、微控制器及数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)等器件。微处理器技术被认为是微电子技术发展的里程碑。微处理器是高度集成的通用结构中央处理器，能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，微处理器通常作为微控制器的CPU使用。微控制器不仅包括微处理器，还包括所有的资源如ROM或EPROM、RAM、DMA、计时器、中断源、A/D和D/A转换器及输入/输出接口等。随着汽车技术的发展，微控制器获得了迅速的发展，已经由传统的4位、8位、16位微控制器发展到基于ARM、Power Architecture、MIPC的32位微控制器，并通常包含多核架构，具备了更高的能效和更实时的处理功能，可以满足汽车电动化、智能化过程中对微控制器性能、功耗、安全性及可靠性不断增长的需求。DSP是一种特殊的微处理器，是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，集成了多种便于数字运算和信号处理的硬件，其数字信号处理速度比普通的微处理器快得多，具有快速计算浮点数据的能力，在高性能驱动电机的复杂控制算法应用中具有很大优势[插图]；但与通用微处理器相比，其他通用功能相对较弱。通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上（就像大脑和肌肉的集成），便形成了功率集成电路(Power Integrated Circuit, PIC)，俗称“智能功率模块”，其目的是进一步减小体积、降低成本并改善其可靠性。PIC包含功率模块、控制模块、硬件保护模块、信息传输模块和散热模块等。PIC集成存在的主要问题是高电压和低电压器件的绝缘以及散热问题。5.1.2 功率半导体器件汽车功率半导体器件广泛应用于汽车电力电子系统中，并常常对这些系统的效率、成本和体积起着决定性作用。有源功率半导体开关如金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)常用于驱动电机、辅助电机、电磁阀、继电器、点火线圈等汽车负载的驱动。二极管常用于整流、为DC/AC变换器和DC/DC变换器中的IGBT和MOSFET提供续流路径以及抑制电压瞬变等。5.1.2.1 功用与特点功率半导体器件在汽车中应用的三种基本结构为低边开关、高边开关和半桥式开关，如图5-1所示。
• 限制值的约束，这些限制值包括额定电压、最大峰值电流和连续电流、最大功率损耗和器件最高结温等。(1)电压限制功率器件的额定电压应高于电力电子系统中规定的最大工作电压，因为汽车功率半导体器件的额定电压主要由汽车环境下这些器件承受瞬态过电压的能力决定，而非最大工作电压。(2)电流限制功率器件的额定电流主要与器件的功耗和结温有关。最大连续工作电流通常被定义为不超过最高结温时器件能够持续导通的电流。最大脉冲电流通常定义为器件在10μs脉冲条件下能够安全承受的峰值电流，这个值明显比连续工作电流高。随着半导体工艺及器件技术的进步，功率器件的连续电流和脉冲电流有时不再受结温限制，而是受到器件封装工艺的限制（比如键合线的电流承载能力限制）。(3)最大功耗功率器件在环境温度为25℃时，保持结温在最大允许值时的功率损耗。(4)最高结温功率器件正常工作时允许的最高结温，这是基于长期的可靠性数据得出的，超过该结温，将缩短器件的使用寿命。目前大多数功率半导体器件的最高结温为150℃，也有少数达到175℃甚至200℃的汽车用功率器件。(5)开关频率开关频率即功率器件导通状态与截止状态的切换频率，该参数的选取应在低损耗与高频率之间寻求平衡。以IGBT在电动汽车电机控制器的逆变应用为例，较高的开关频率有利于减少支撑电容两端的纹波电压，这就为支撑电容在电机控制器中的成本与体积的减少提供了条件，与此同时，当IGBT的开关频率上升至20kHz及以上时，人耳能听到的噪声会降低，这有助于改善用户对整车产品的体验。然而，IGBT的开关损耗却与其开关频率成正比，较高的开关频率也为IGBT带来了更多的开关损耗，较多的损耗会降低应用设备的效率并提高温升。如果设计人员无法在达到低损耗指标的前提下满足高开关频率的设计需要，则应该选择开关损耗较低的功率器件，如MOSFET。
• 5.1.2.2 类型功率半导体器件可分为以下几种基本类型（图5-2）：二极管、晶闸管、双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)、MOSFET、IGBT和门极关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)[插图]。此外，还有一些功率集成电路(Integrated Circuit, IC)和智能功率器件（集成了逻辑/模拟控制、诊断和保护功能电路的功率开关）。在现有的功率器件中，功率二极管作为自由开关使用，而其他功率器件都是外部可控的。在汽车电力电子系统中最常用的是功率二极管、低压功率MOSFET和高压IGBT。
• 1.功率二极管二极管是最简单的半导体器件，由一个PN结或肖特基结以及两个外接端子构成，主要用于电流单向流动的电路中。在汽车领域，功率二极管主要有以下应用：1)将发电机输出的交流电整流成直流电。2)与用在逆变器或变换器的IGBT或MOSFET反向并联，为负载电流续流。3)反向偏置时抑制电压瞬变（稳压二极管）。2.功率MOSFET在额定电压低于200V的电力电子应用中，功率MOSFET是首选器件，因为它具有导通电阻低、开关速度快、易于控制、安全工作区(Safe Operating Area, SOA)宽和坚固耐用等优点。功率MOSFET在汽车领域中应用广泛，除了在传统燃油汽车的各种电磁阀驱动、电子节气门控制、起动发电机控制、各种辅助电机驱动等广泛应用之外，在电动汽车部件中也有应用，例如在动力电池电压低于144V的小型纯电动汽车中，用于驱动电机的三相桥式逆变器[插图]。3.IGBTIGBT是高电压(400～1200V)和中高电流(10～1000A)的汽车功率开关器件的首选，因为它比功率MOSFET有着更优越的电流传导能力。400～600V的分立IGBT广泛应用于传统燃油汽车点火线圈的驱动器，而在电动汽车领域中则有更广泛的应用，包括DC/DC变换器、驱动电机以及非驱动电机的逆变器等。4.宽禁带半导体器件由于硅基功率器件的性能已逼近其材料的本征极限，研究人员早在20世纪80年代就把目光转向宽禁带半导体器件，如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。其中SiC器件的发展更快，在汽车领域的应用也相对更快。与传统硅基功率半导体器件相比，SiC器件具有以下主要优点：1)高耐压：SiC的高击穿电场强度使得它的漂移区窄，因而它的比导通电阻小，这意味着SiC器件尺寸更小。2)低损耗：SiC材料的电子饱和速度高，使得SiC器件导通电阻低，因而导通损耗低；SiC关断过程中不存在电流拖尾现象，因而开关损耗低。更低的开关损耗将允许更高的开关频率，随之带来的好处还有滤波电感器和电容器这样的无源元件可以更小、更便宜。3)高工作温度：SiC器件较宽的带隙会导致较高的内在载流子浓度和较高的工作结温。原则上，SiC器件可以在高达300℃的结温工作。工作温度的提高将减少热管理系统的重量、体积、成本和复杂性。另一方面，仍有一些技术和非技术障碍使得SiC材料和器件还未大规模商业化。技术障碍包括SiC晶圆的缺陷密度高、成本高等。目前SiC器件的成本是同等电压和电流的硅基器件的数倍。尽管如此，凭借着其高性能以及能降低系统其他部件成本的优点，SiC器件在汽车领域的应用越来越广，从车载充电机到DC/DC变换器都有应用，目前特斯拉公司已将SiC器件批量应用到了Model 3车型的大功率驱动电机控制器中。随着技术和工艺的进步，SiC器件的成本会逐渐下降，其应用也会越来越广泛。
• 5.1.3 整车电力电子系统架构及发展趋势由电力电子器件组成的整车高压电气部件形成了纯电动汽车的高压“电控”总成。整车电力电子系统基本架构如图5-3所示。[插图]图5-3 纯电动汽车电力电子系统基本架构对于乘用车，电力电子系统主要包括驱动电机控制器(Motor Controller Unit，MCU)、DC/DC变换器、车载充电器(On Board Charger, OBC)；对于商用车，电力电子系统主要包括电机控制器、DC/DC变换器、电子液压转向助力(Electro Hydraulic Power Steering, EHPS)油泵控制器、气泵控制器(Air-pump Controller Module, ACM)，少量车辆配置车载充电器。实际应用时一般为集成应用，电力电子系统的主要集成方式有：1)乘用车多合一控制器：主驱动电机控制器+DC/DC变换器+OBC+电源分配单元(Power Distribution Unit, PDU)；主驱动电机控制器+DC/DC变换器+OBC。2)商用车辅件三合一控制器：EHPS控制器+ACM+DC/DC变换器。3)商用车辅件四合一控制器：EHPS控制器+ACM+DC/DC变换器+PDU。4)商用车五合一控制器：EHPS控制器+ACM+DC/DC变换器+PDU+主驱动电机MCU。5)物流车三合一控制器：主驱动电机MCU+DC/DC变换器+PDU。6)物流车五合一控制器：主驱动电机MCU+EHPS控制器+ACM+DC/DC变换器+PDU。因不同整车厂车辆功能配置、技术路线不同，电力电子系统的集成方式也各有不同，以满足车辆功能定义、易于布置、安全可靠等为最终目的。
• 目前，国外纯电动汽车高压电气系统集成方面技术水平相对较高。日本各汽车公司连续多年不断推出了集成度与功率密度不断提升的产品，表现为器件与电路的封装集成，实现高压系统的小型化和高密度化。如丰田凯美瑞的集成控制器包括一套双向DC/DC变换器、两套电机控制器及高压控制电路，功率密度从最早的11.7kW/L发展到现在的19kW/L。三菱i-MiEV采用了DC/DC变换器+车载充电机+PDU的集成组合方案，如图5-4所示，实现了高功率密度和小型化，易于车辆布置。[插图]图5-4 三菱i-MiEV高压系统集成组合方案我国经过多年的发展和积累，在电力电子集成控制器产品方面取得了较大的技术进步，目前集成控制器产品的功率密度达到了10kW/L、最高效率达到98%，基本达到国际同类产品的先进水平，并批量应用于我国新能源汽车。图5-5所示为乘用车实车搭载的某电力电子集成控制器。
• 随着汽车节能高效、轻量化和高可靠性技术的发展，高压电控技术也朝着高功率密度、深度多元化集成、功能安全方向发展。在电力电子功率器件方面，未来将持续加强高性能IGBT功率芯片和高可靠性功率模块的研究，它是实现车用控制器功率密度倍增的决定因素之一。在高性能IGBT芯片方面，以英飞凌、三菱、富士与飞兆为代表的半导体厂商推出了第五代硅基IGBT芯片，这类芯片具有沟槽栅、场终止层和载流子存储层，具有大电流、低压降、高开关速度、高可靠的特点，同时部分芯片集成了电流与温度测量的功能。以英飞凌为例，该公司推出了12英寸(in)晶圆铜表面金属化IGBT芯片，采用表面铜金属化工艺使得芯片正面铜线键合或银浆烧结成为可能，有利于增加芯片热容、降低芯片热阻、提高单芯片过流能力，已成为IGBT芯片设计的重要发展方向。在IGBT模块封装技术及产品方面，国际主流半导体厂商如英飞凌、富士、西门康、博世、电装等，相继推出适合于电动汽车应用的定制化车用IGBT模块。这类模块多采用超声波焊接、低温烧结等新型封装形式，极大地提高了模块的寿命。其中Pin-f in与压接结构的模块是当前电机控制器的主要应用类型，芯片双面焊接单面冷却与双面冷却的塑封结构在电机控制器总成功率密度方面更具有优势，是IGBT模块封装技术的主要发展方向。另一个发展方向是以SiC为代表的第三代宽禁带功率器件开始应用于车用电驱动系统，其良好的高温（结温250℃以上）和高频特性（开关频率可达100kHz）有望为车用变换器带来革命性的变化。在电力电子集成控制器方面，从基础的物理模块集成向电路原理级深度集成方向发展，进一步提升功率密度、提高系统效率。开发MCU与驱动系统集成的技术方案，即将电机控制器、电机、变速器组成三合一集成产品，可以缩减20%的体积，减轻20%的重量，降低30%的成本，具有较高的性价比，并得到了各大汽车厂商和零部件厂商的青睐。图5-7所示为著名的电力电子集成系统厂商及产品。
• 在功能安全方面，早在2011年，欧洲便推出了ISO 26262《道路车辆　功能安全》，并率先在欧洲汽车整车及零部件开发中推行。虽然该标准未强制执行，但整车企业如大众、宝马、戴姆勒及主流零部件厂商如博世、法里奥-西门子、舍弗勒普遍采用该标准进行产品开发；美国部分整车企业及零部件企业要求强制执行该标准，美国机动车工程师学会(Society of Automotive Engineers, SAE)目前正在将ISO 26262转化为在北美推行的SAE标准；日本也在进行该标准的转化工作。我国部分企业也开始关注功能安全方面的实现，但研究技术处于跟随起步阶段。总体而言，我国在电力电子集成控制领域的核心技术取得了较大进展，产品为国内市场新能源汽车广泛配套。然而由于工业基础薄弱、电力电子器件技术起步较晚，所示我国电力电子集成控制产品技术水平和竞争力仍然与国际先进水平存在差距，亟待加快电力电子控制器核心技术的突破，提高平台产品技术及产业化水平，提升新能源汽车核心零部件的自主创新能力与国际市场竞争力。

 5.2 车载高低压电源变换器（DC/DC变换器）

• 按照冷却方式分类(1)自然冷却方式DC/DC变换器热量传导到散热外壳，靠热辐射和热对流方式把热量耗散到车体以外，没有其他冷却措施。这种散热方式由于散热效果差，只能用于低功率场合。图5-8所示为自然冷却车载DC/DC变换器的外观；具体结构组成如图5-9所示，包括透气阀、散热壳体、固定支架、插接器、盖板、车载DC/DC变换器电路单元等部件。[插图]图5-8 自然冷却车载DC/DC变换器的外观[插图]图5-9 自然冷却车载DC/DC变换器的结构组成(2)液冷方式DC/DC变换器的热量传导到外壳，外壳有液体循环冷却系统，通过液体循环，热量被带到散热器，并且耗散到车体以外。这种散热方式已经成为最主流的散热方式。图5-10所示为液冷车载DC/DC变换器的外观，具体结构组成如图5-11所示，包括透气阀、散热冷却液道、冷却液嘴、固定支架、插接器、盖板和车载DC/DC变换器电路单元等部件。(3)风冷方式DC/DC变换器热量传导到散热外壳，由风扇散热系统通过风冷方式将热量耗散到车体以外。这种散热方式散热效果介于前两种之间，用于中小功率场合。图5-12所示为风冷车载DC/DC变换器的外观，其具体结构组成如图5-13所示，包括散热壳体、风扇组件、插接器、盖板、固定支架和车载DC/DC变换器电路单元等部件。[插图]图5-10 液冷车载DC/DC变换器的外观
• 5.2.2 DC/DC变换器的关键技术DC/DC变换器的核心功能主要由各种相关的功率拓扑电路来实现。功率拓扑电路种类繁多，主要由几种基本拓扑和相关的衍生拓扑组成。基本功率拓扑有三种：BUCK（降压型）、BOOST（升压型）和BUCK-BOOST（反相升降压）。三种基本拓扑的电路结构、输入输出电压和占空比(Duty Cycle)的关系和主要工作波形如图5-17所示。以上三种基本拓扑均为非隔离型拓扑，在基本拓扑电路中引入高频变压器后，形成各种相应的隔离型拓扑。由于车载DC/DC变换器的基本功能为将高压动力电池的高压转换为低压系统（12V、24V、48V等）所需要的低压，高低压之间由于安全规定的考虑需要实现电气隔离，故车载DC/DC变换器电源系统需要采用隔离型拓扑来实现系统所需要的电气隔离。
• 隔离型拓扑根据功率开关的控制方式进行类型区分，有以下三类基本隔离拓扑。1.脉宽调制型此类型拓扑，通过控制调节功率开关的导通时间，即占空比或者脉宽，来实现对变换器输出特性的控制。此类型的常见拓扑为正激变换器、反激变换器、全桥变换器、半桥变换器、不对称半桥、推挽变换器等。此外，结合一些软开关或无损吸收技术，拓展出相关的衍生拓扑，如有源钳位正激等，此处不再展开讨论。2.移相型拓扑移相型拓扑(Phase Shift Modulation, PSM)通过控制调节功率开关之间的相对相位（固定占空比），来实现对变换器输出特性的控制。此类型的常见拓扑为移相全桥变换器(PSFB)、移相半桥变换器(PSHB)等。3.谐振型拓扑谐振型拓扑(Pulse Frequency Modulation, PFM)通过控制调节功率开关的开关频率（固定占空比），来实现对变换器输出特性的控制。此类型的常见拓扑为串联谐振变换器(Series Resonant Converter, SRC)、并联谐振变换器(Parallel Resonant Converter, PRC)、串并联谐振变换器（Series Parallel Resonant Converter, SPRC，或LCC Converter）和LLC谐振变换器等[插图]。常用于车载DC/DC变换器电源的几种典型的PWM和移相控制型隔离拓扑的电路结构包括半桥(Half Bridge)变换器、全桥(Full-Bridge)变换器和移相全桥(Phase Shifted Full-Bridge)变换器，其原理和主要工作波形如图5-18所示。
• 5.2.3.2 性能指标1.效率DC/DC变换器的效率是其输出功率与其输入功率的比值。[插图]式中η——DC/DC变换器的效率(%)；Uo——DC/DC变换器的输出电压(V)；Io——DC/DC变换器的输出电流(A)；Ui——DC/DC变换器的输入电压(V)；Ii——DC/DC变换器的输入电流(A)。DC/DC变换器的输入功率用其输入端的电压和电流的测量值的乘积来计算，输入端电压应在其输入接线端子处（或接线电缆头部）量取。DC/DC变换器的输出功率用其输出端的电压和电流的测量值的乘积来计算，输出端电压应在其输出接线端子处（或接线电缆头部）量取。如有附属设备（风扇、控制器等），则附属设备消耗的功率另行计算。2.额定输出电压在规定的环境条件、负载状态和温升限度下，DC/DC变换器规定的输出工作电压值。3.标称输入电压在规定的环境条件、负载状态和温升限度下，DC/DC变换器输入电压的标称值。4.额定功率在规定的环境条件、额定电压和连续工作情况下，DC/DC变换器达到稳定温度后可输出的最大功率。5.峰值功率在规定的环境条件下和规定的时间内，DC/DC变换器可连续工作的最大功率。6.质量比功率DC/DC变换器额定功率与其总质量（包括附属系统）的比值，单位为kW/kg。7.体积比功率DC/DC变换器额定功率与其总体积（包括附属系统）的比值，单位为kW/L。8.动态响应时间系统受到一个激励后，由一种稳定的工作状态变换到另一种稳定状态所经历的时间。9.负载调整率当输入电压不变，负载从零变化到额定值时，输出电压发生变化，通常用百分比表示。10.输入启动延时在输入电压、控制信号满足的情况下，输出电压从零变化到稳定状态所经历的时间。11.静态电流在DC/DC变换器不工作的情况下，DC/DC变换器所消耗的电流（包括输入端、输出端）。12.输出电压调整范围在DC/DC变换器正常工作的情况下，输出电压随控制信号所变化的范围。13.功能1)接收控制信号，实现高压直流系统与低压直流系统之间的转换。2)开通和关断输出功能。3)调节输出电压到设定值。4)具有故障检测功能，并可以把故障信息与整车共享。5)可以在设定的工作环境下稳定工作。6)具有保护功能：具有输入过电压、欠电压保护功能，输出过电压、过电流、短路保护功能，过温保护功能，具有高、低压绝缘隔离功能。
• 5.2.3.3 相关技术要求1.环境适应性1)温度：DC/DC变换器的工作环境温度和存储温度试验按GB/T 18488.2—2015的相关试验方法进行试验。试验过程中，DC/DC变换器在正常工作状态。2)湿度：DC/DC变换器的湿度试验按GB/T 18488.2—2015中9.3.1的要求进行。试验结束后，按照6.1.3节的方法复测绝缘电阻，期间试验环境应保持不变。恢复常态后，将输出电压设定为额定输出电压，DC/DC变换器工作在额定功率条件下，检查是否能够正常工作。3)盐雾：DC/DC变换器的抗盐雾能力应能满足GB/T 2423.17—2008的有关规定。试验周期不低于48h。试验后，DC/DC变换器恢复1～2h后，应能正常工作。2.抗振性能1)机械振动：DC/DC变换器的振动试验按GB/T 18488.2—2015中9.4的规定进行。2)机械冲击：DC/DC变换器应能够通过IEC 60068-2-27中规定的试验。3)跌落测试：DC/DC变换器应能够通过IEC 60068-2-32中规定的试验。3.防护等级DC/DC变换器的产品防护等级应符合IEC 60529-2001中IP55要求。4.噪声DC/DC变换器工作噪声试验按GB/T 6882—2016中附录E的规定或GB/T 3767—2016附录B进行。5.高压安全1)绝缘性能：在DC/DC变换器未工作的情况下，用1000V绝缘电阻表（或其他具有相同功能和精度等级的仪器）对DC/DC变换器中带电电路与地（外壳）之间的绝缘电阻进行测量。2)耐电压性能：根据GB/T 18488.1—2015的试验电压要求设置试验电压，将试验电压加载于接线端子和地（外壳）之间。在加载过程中，施加的电压应从不超过试验电压全值的一半开始，然后以不超过全值5%的速度均匀地或分段地增加至全值。电压自半值增加至全值的过程时间不少于10s，全值试验电压应持续1min。3)接地：用精度为1/1000Ω的万用表（或其他具有相同功能和精度等级的仪器）测量DC/DC变换器中能触及的金属部件与外壳接地点处的电阻。4)电气间隙和爬电距离：电气间隙和爬电距离应满足GB/T 18384.1—2015中电气间隙和爬电距离的相关要求。6.壳体机械强度DC/DC变换器按照GB/T 18488.1—2015要求试验后，应不发生明显的塑性变形。7.额定功率在规定的环境条件、额定电压和连续工作情况下，DC/DC变换器达到稳定温升后可输出的最大功率应大于或等于铭牌中标出的额定功率值。8.峰值输出功率及持续时间DC/DC变换器的过载输出功率不小于其额定功率的1.2倍。9.电磁兼容1)电磁干扰：按GB/T 18655—2018中第3章的测量方法进行测试。2)电磁抗扰性：按GB/T 17619—1998的测量方法和规定的抗扰性电平要求测试。10.动态响应时间DC/DC变换器的动态响应时间应符合生产商和用户签订的供货文件。11.可靠性可靠性试验循环工况曲线示例如图5-21所示，其中iP表示输出功率(P)与额定功率(Pe)的比值；试验循环数据见表5-2，每个循环试验时间为5.5h。
• 12.耐久性DC/DC变换器的耐久性要求应符合生产商和用户签订的供货文件。13.控制精度1)电流控制精度：对于恒流输出特性的DC/DC变换器，在恒流输出电流下的相对误差不大于2%。2)电压控制精度：对于恒压输出特性的DC/DC变换器，在额定输出电压下的相对误差不大于1%。14.外观质量1)变换器外表面应平整，无明显的划伤、变形等缺陷，表面涂镀层应均匀。2)铭牌、标志安装端正牢靠，字迹清晰。3)零部件紧固可靠，无锈蚀、毛刺、裂纹等缺陷和损伤。15.电气压力按ISO 7637.2—2002所规定的测试方法对DC/DC变换器进行传导免疫、传导辐射、反电压供电等电气压力测试，按照规定的测试方法测试后，变换器应能工作正常。16.抗温度冲击DC/DC变换器在不上电的情况下，应该能够经受250次及以上的温度循环的热冲击测试；测试结束后变换器能够正常工作。17.抗二氧化硫DC/DC变换器在不上电的情况下，并且线束端要装配好，置于SO2浓度（体积分数）为(500±10%)μg/m3与空气的混合气体中，相对湿度为70%RH，气体交换率为5次/h（即若试验箱体积为200L，则空气流速为1000L/min）。一个测试周期包括：温度按照每分钟下降2℃斜率，下降到最低工作温度点，在最低工作温度保持30min；温度按照每分钟上升2℃的斜率，上升到最高工作温度点，在此温度下保持30min；持续时间250h，变换器应能通过此项测试，且其密封状态及接线端子状态良好。18.抗化学药品DC/DC变换器在装配良好的条件下，应该能在不同的温度下接受不同化学药品浸泡测试：20℃时汽油浸泡；60℃时电解液或风窗玻璃清洗剂浸泡；85℃时制动油、发动机润滑油、动力转向油、冷却液和发动机清洁剂等化学药品浸泡，试验结束后，变换器不应该有泄漏和机械损伤等。
• 本实例主功率电路采用移相全桥拓扑，以满足较宽的输入电压范围，典型的输入范围为200～250V和400～750V。同时输出级采用同步整流电路，以满足大电流的高功率应用，提升效率和改善热设计。总体电路主要由输入滤波电路、主功率电路（功率管、电感和变压器组成）、控制电路、输出滤波电路和其他辅助电路组成。在热管理方面，主功率器件全部贴底板散热，底板再贴到外壳散热器背面进行传导散热。
• 5.2.6 DC/DC变换器的发展趋势车载DC/DC变换器主要技术发展趋势集中在高可靠性、宽温度工作范围、防水防振等级、散热技术、高转换效率、高功率密度、减小体积和智能诊断等内容上，具体包括以下几个方面。1.集成化设计早期的风冷、自然冷或者水冷的车载DC/DC变换器均带有独立的机箱外壳。这种方式在成本上、体积上都不具备优势。车载DC/DC变换器今后将不再作为一个单一的部件，而是和驱动器或者配电单元、车载充电机一起集成，如二合一、三合一甚至多合一的需求越来越多。因此，车载DC/DC变换器的集成化、模块化设计将是今后的主流发展方向。2.电气性能提升整车对于车载DC/DC变换器的功率密度要求不断提高，要求更高功率、更小体积。DC/DC变换器功率和性能的提升有赖于以下技术。(1)高频化基于宽禁带半导体材料如碳化硅、氮化镓的新型高频功率半导体器件开发，如SiC MOSFET、SiC IGBT和GaN MOSFET等，使实现开关电源高频化有了可能。新型器件所带来的开关速度的提升和开关损耗的减小，能显著提升开关频率和整体效率。以车载DC/DC变换器为例，典型开关频率约100kHz，采用新型器件后，典型开关频率可超过1MHz，储能器件的体积可大大减小，从而使变换器的体积更小，功率密度更高。(2)软开关技术传统PWM开关电源按硬开关模式工作，开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积、重量，但开关损耗却更大。新的软开关技术不断涌现，选择合适的电路拓扑可实现更高性能。(3)磁性元件平面化设计新型磁性元件设计，如集成磁设计、平面化变压器，均可减小车载DC/DC变换器的尺寸、重量。(4)数字化控制目前数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点，如便于处理控制，避免模拟信号的畸变失真，减少杂散信号的干扰（提高抗干扰能力），便于软件调试和遥感、遥测、遥调，也便于故障自诊断、容错技术的植入。3.电磁兼容性能提升车载DC/DC变换器的主功率开关管在高压下，以高频开关方式工作，开关电压及开关电流均为方波，从频谱分析可知，方波信号含有丰富的高次谐波，其产生的高频干扰最容易通过直流输出线传出。这些都是产生电磁干扰的来源。目前在整车系统中，车载DC/DC变换器是一个主要的干扰源，必须不断提升EMC性能。在DC/DC变换器设计中，通过软开关技术和滤波器设计来优化EMC性能。4.通信需求车载DC/DC变换器的信号通信从早期的模拟控制到CAN通信，支持在线升级、统一诊断服务(Unified Diagnostic Services, UDS)、特定帧CAN唤醒等，和整车控制器(Vehicular Controller Unit, VCU)的结合越来越紧密。5.结构优化整车对于车载DC/DC变换器的振动和防护等级不断提升，特别是对于多合一的整机密封性设计要求提高。同时DC/DC变换器内部散热方案需要优化，从全灌胶改善为无胶化处理，从而实现轻量化设计。

 5.3 用于辅助电机的车载逆变器（DC/AC变换器）

• 5.3.6 DC/AC变换器的发展趋势DC/DC变换器对应内容中关于集成化、电磁兼容、通信和结构优化的发展趋势同样适用于车载DC/AC变换器，此外，车载DC/AC变换器近年来还有以下发展趋势。1.高安全性功能安全体系在主驱控制器上已经广泛应用，其理念也渗入到DC/AC变换器的使用中。在硬件拓扑方面，基于多核微控制器和逻辑芯片实现独立的故障响应关断路径，对各功能安全传感器信号进行冗余采样设计，对微控制器和高压侧电路进行冗余供电设计；在软件算法方面，基于三层软件监控构架，对功能安全相关信号和算法进行监控，对传感器和CAN通信信号进行实时监控，对微控制器底层程序运行进行实时诊断和监控，从而确保控制单元的高安全性要求。2.模块化集成除了DC/DC变换器中提到的多合一思想之外，目前将DC/AC变换器与相应的被控对象进行集成也成为可能的发展方向。这种集成方式可以有效减少线缆的使用，提升系统可靠性，尤其是在车载空调领域已经得到了广泛的应用。3.参数自学习DC/AC变换器需要针对不同的电机匹配特定的软件程序，因此带来了大量的人力成本。且在电机的实际使用过程中，其特性参数会逐渐发生变化，影响DC/AC变换器的控制效果。在线参数自学习技术能够自动匹配对应电机的特性参数，并在使用过程中对电机特性参数的变化进行响应。4.变频调速控制随着市场对整车能耗数据的要求不断提升，电动汽车制造商正在从各个方面降低整车能耗。对用于辅助电机的DC/AC变换器，可以在负载要求相对较低的情况下适当降低辅助电机的工作频率，以降低能耗，即需要在辅助电机工作过程中采用变频调速的控制手段。

 5.4 主驱动电机控制器

• 5.4.1.1 主驱动电机控制器的功能主驱动电机控制器是控制驱动电机运行状态的装置，其与驱动电机组成的电机驱动系统是电动汽车的心脏。它从整车控制器获得整车的动力需求，从动力蓄电池获得直流电能输入，经过自身控制电路的计算和变换器的转换，输出驱动电机需要的交流电流和电压，使得电机的转矩和转速满足整车的要求。此外，整车的动能也能反过来经过电机系统进行能量回收，从而给动力蓄电池充电。主驱动电机控制器的功能框图如图5-31所示。
• 主驱动电机控制器在汽车应用领域应具有以下基本功能：(1)状态检测功能通过传感器实时检测电机的转子位置、温度、相电流等状态参数，实时检测控制器的母线电压、母线电流、温度等状态参数。(2)通信功能与整车控制器进行通信，接收其下发的运行指令，并向其上报电机系统的状态。(3)电机控制功能根据整车指令并结合电机系统状态，计算出功率半导体器件的驱动信号，并驱动电机运行于整车期望的工作状态。(4)诊断与保护功能根据实时监测的电机系统状态诊断电机系统是否发生故障，并实施相应的故障保护措施。上述功能只是控制驱动电机所需要的功能，而主驱动电机控制器在汽车应用领域还具有以下基本功能：(1)具有多种控制模式在汽车应用领域，驱动电机系统主要工作在转矩控制模式；但也具备转速控制模式，用于换档调速、防溜坡等工况；还具备快速放电模式，用于整车下高压电过程。(2)具有四象限运行能力电机控制器可以控制驱动电机在全部四个象限中（正转电动、正转发电、反转电动、反转发电四种工作状态）工作并可以快速切换，从而可以满足车辆行驶过程中前进、倒退、驱动、制动等各种不同的运行需求。尤其是出于提升续驶里程的需要，目前几乎所有的电动汽车都要求电机控制器具有能量回收功能（运行于发电状态）。(3)有完善的软件功能为满足汽车对控制器的通用要求，主驱动电机控制器一般都具备CAN通信、诊断(UDS)、引导加载(Bootloader)、标定等软件相关功能。除了上述电动汽车应用领域的基本功能之外，针对不同的整车设计要求，主驱动电机控制器可能还会有更多的功能，比如高压互锁功能、CAN唤醒功能、防溜坡功能、主动阻尼功能、主动短路功能等。主驱动电机控制器主要由功率电路及散热系统（IGBT或MOSFET等功率半导体器件+支撑电容+铜排+散热系统等）、驱动与保护电路（驱动芯片+栅极驱动+保护电路等）、控制电路及控制软件（微控制器+外围电路+控制软件等），以及结构件（箱体+支座+接插件等）等部件构成。图5-32给出了主驱动电机控制器的基本组成示例。
• 电机控制器早期都是作为一个独立单元，通过外部线束与电机、动力蓄电池和整车控制器连接的。随着系统功率密度、成本和电磁兼容性能等各方面要求的提高，电机控制器越来越多地与其他相关零部件进行集成，如图5-33所示。其中电机控制器与电机和减速器的三合一集成，电机控制器与DC/DC变换器、DC/AC逆变器等其他电控集成的方案比较常见，也有少数只将电机控制器和电机二合一集成，比如48V电机系统。
• 5.4.2.1 功率器件驱动技术驱动电路用于驱动、控制和保护功率半导体器件，是实现弱电控制强电的核心部件，对电机控制器的运行效率、可靠性和电磁兼容性等都有重要的意义。如图5-47所示，IGBT开通和关断过程中电压和电流变化波形的斜率、尖峰等会受到驱动电路的影响，从而影响模块的损耗、安全和电磁干扰等性能。驱动电路应满足以下要求：1)驱动电源必须稳定可靠，车用大功率驱动中一般采用隔离电源。2)驱动电路应提供控制电路与功率电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离、磁隔离或电容隔离。3)驱动电路应使功率半导体器件工作在较理想的开关状态，在保证安全的条件下缩短开关时间，减小开关损耗。4)驱动电路应具备功率半导体器件保护及故障输出功能。5)驱动电路应有良好的电磁兼容性能和温度稳定性能。
• 5.4.2.2 热管理技术电动汽车驱动电机系统的功率从几十千瓦到几百千瓦不等，其主要的发热部件是功率半导体器件，需要对其进行高效率的冷却。除此之外，电容器、功率母排等部件的设计也需要考虑热管理方面的问题，因此需要从整个控制器的层面来进行热管理设计。一般可以从三个方面来设计。1.防止发生热损害针对发热量最大的功率半导体器件设计高效的冷却系统，避免模块过热损害。冷却方式有风冷和水冷，目前主要采用水冷方式。图5-49所示为单面间接冷却IGBT模块的剖面示意图。功率半导体元器件的冷却是借助模块内部绝缘衬板以及散热基板，通过散热器冷却。因此，降低热阻与提高散热器能力至关重要。采用图5-50a所示的直接冷却IGBT可以有效降低热阻，而图5-50b所示的双面冷却IGBT则可以将热阻降低一半左右。不同冷却方案配套的散热器结构差异较大，对电机控制器的内部结构布局也有一定影响，需要在设计时综合考虑。
• 2.避免过度设计IGBT模块有既定的可容许最大结温（Tjmax在开关状态下一般为150℃，非开关状态为175℃），散热设计需要将模块结温控制在这个温度以下，但也不能留有过大的余量。因此需要计算出模块产生的损耗值，并通过建立较为准确的仿真模型计算得到较为精确的温升结果，如图5-51所示。
• 3.进一步优化热管理系统除了统一规划电机控制器内部的温度区域划分和结构布置之外，还可以结合电机控制策略（比如适当地通过降开关频率或降功率来减小发热量），实现电机控制器的高效热管理。
• 5.4.4 主驱动电机控制器的匹配与选型5.4.4.1 主驱动电机控制器的匹配主驱动电机控制器与驱动电机乃至整车的匹配主要包括动力性能、冷却系统、机械与电气接口、控制性能与软件功能匹配等多个方面。1.动力性能匹配纯电动汽车的驱动电机要求在各个速度下均能产生转矩。图5-54表示的是车用驱动电机的转速-转矩曲线。驱动电机在中速以下时要求恒转矩特性，中速到高速时要求恒功率特性。如图5-54所示，转矩与转速的组合决定了电机的运转情况，坡路起步、高速巡航等不同状态，汽车行驶状态会发生很大变化。
• 2.冷却系统匹配主驱动电机控制器的冷却系统匹配需要考虑驱动电机的冷却方式及整车的冷却系统。1)为简化整车冷却系统，主驱动电机控制器的冷却方式与匹配驱动电机的冷却方式一般相同。例如当电机为自然冷却时，电机控制器采用自然冷却或者强制风冷；当电机为水冷时，电机控制器也采用水冷；当电机采用油冷时，控制器一般还是采用水冷，因为冷却效率更高一些。2)因为冷却液路一般将驱动电机与电机控制器串联起来，所以控制器与电机的进出水口的直径必须相同。3)因为控制器的耐温性能低于驱动电机，所以冷却液先经过控制器再经过驱动电机。4)除了控制器冷却液道相关尺寸之外，还需要提供冷却液道的压力流量特性（图5-56），以供整车冷却系统设计使用。5)对于更细致的整车冷却系统设计来说，还需要提供驱动电机及电机控制器在各个工况点的损耗数据，这可以从效率MAP图中计算得出。
• 3.机械与电气接口匹配主驱动电机控制器机械安装与电气连接，需要考虑与之连接的整车及其他零部件的特点和要求。1)主驱动电机控制器一般要求安装在作为弹性体的车架上，对耐振动的要求相对较低，一般是3g振动加速度。如果要求将主驱动电机控制器安装在电机或者减速器之上，则对主驱动电机控制器的耐振动要求显著提升，一般是10g振动加速度。2)主驱动电机控制器一般要求水平安装，如果需要倾斜角度甚至翻转安装，则需要从整体及内部零部件安装强度、可靠性、维护便捷性等多个方面进行校核，甚至修改设计。3)为应对不同的车型安装需要，主驱动电机控制器的安装支架一般要求与控制器壳体非整体设计，以便于更换。4)主驱动电机控制器的进出水口、直流母线、三相动力线、低压插接器的位置要满足整车布置和维护的要求。5)主驱动控制器的旋转变压器处理电路的参数需要与对应驱动电机的旋转变压器变比匹配，否则可能降低位置角解码精度甚至引发故障。6)主驱动电机控制器的电机温度采样电路参数需要与对应驱动电机的温度传感器型号匹配，常见的温度传感器类型为PT100、PT1000、NTC等。7)主驱动电机控制器的弱电控制电源电压需要与整车低压供电电压一致，常见的有12V和24V。8)主驱动电机控制器的CAN电路终端电阻需要与整车匹配，一般为120Ω或者无终端电阻。9)主驱动电机控制器与整车控制器或者其他零部件连接的I/O（输入/输出）口接线（比如硬线使能、高压互锁等接线）有效电平需要匹配。4.控制性能匹配一般来说，主驱动电机控制器的基本控制性能要求见表5-7。但针对某些特殊的车型或应用场合要求，可能需要更高或者更多的控制性能要求。1)高转速的电机可能要求主驱动电机控制器的交流输出频率达到1000Hz以上。2)分布式驱动的车型可能要求具有更高的转矩控制精度和更快的转矩响应。3)具有电控机械自动变速器(Automated Manual Transmission，AMT)等换档装置的总成，可能要求更高的转速控制精度和更快的转速响应。4)主驱动电机控制器的开关频率一般在4～12kHz范围内固定即可，但更高的NVH要求或者EMC要求可能希望开关频率能够根据需要进行调节。
• 除了上述控制性能方面，电动汽车对主驱动电机控制器提出了更多的性能要求。1)安全性高。因为要保障乘员的生命安全，所以整车及零部件在安全性方面要求很高，包括高压安全、防水、阻燃等多个方面。高压安全参照国标GB/T 18384—2015进行设计，防水防尘等级一般要求达到IP67，阻燃一般要求达到V0等级。2)可靠性高。汽车的用途和性能决定了其故障率必须低而且寿命一般在10～15年，质量要求达到百级×10-6(PPM)。3)环境适应性强。汽车的运行要求适应低温、高温、高湿、盐雾、振动、涉水、电磁干扰等各种环境。主驱动电机控制器作为电动汽车的动力控制单元必须具有很强的环境适应性，具体要求参见国标GB/T 18488—2015。4)舒适性好。汽车尤其是乘用车在舒适性方面要求很高，要求驱动电机系统必须具有振动小、噪声小等特点。除了驱动电机的NVH优化设计之外，主驱动电机控制器也需要从控制层面不断优化驱动系统NVH性能。5)成本低。汽车作为复杂而又超大规模的民用产品，在保证性能和可靠性的同时还要求成本低。而电动汽车的价格还没有达到与传统燃油汽车全面竞争的阶段，主驱动电机控制器作为成本占比较大的零部件，还有待通过技术手段以及平台化、规模化来进一步降低成本。
• 5.4.4.2 主驱动电机控制器零部件选型的应用由于主驱动电机控制器的关键性作用，在进行选用时不仅要关注其整体性能是否符合要求，还要对一些关键的零部件进行匹配选型。这里对功率半导体器件、支撑电容、微控制器等核心零部件的选择进行介绍。1.功率半导体器件选型电动汽车的主驱动电机控制器基于功率半导体器件的全桥逆变拓扑，采用SVPWM调制的硬开关将直流电转换为幅值可变、频率可变的交流电来驱动交流电机（包括永磁同步电机和异步电机）。功率半导体器件有晶闸管、BJT、IGBT、MOSFET等多种类型，其中IGBT以其输入阻抗高、通态电压低、阻断电压高、可承受电流大等特点，已成为主驱动电机控制器中功率半导体器件的主流。低压大电流功率MOSFET也有较为广泛的应用，随着技术的发展，高耐压的碳化硅MOSFET也逐渐在车用电机控制器领域得到应用。如何选择合适的功率器件以适应不同的驱动电机及其控制器非常重要，主要考虑以下几个方面。(1)尽量选用汽车级功率器件电动汽车领域对功率器件的宽温度特性、复杂运行工况和高可靠性等要求，比工业领域要高很多。表5-8对比了工业用功率器件与汽车用功率器件的对比。表5-8 工业用功率器件与汽车用功率器件的对比[插图]注：引自《新能源汽车电机技术与应用》中的数据。(2)选取合适类型的功率器件主驱动电机控制器中的功率半导体器件根据不同的性能和成本需求，可能采用IGBT模块或IGBT分立器件（单管）、硅基MOSFET或碳化硅MOSFET等不同类型的器件，如图5-57所示。功率器件类型的选取会影响相应的驱动电路、散热结构等其他部件的选择方案，以及整个控制器的功率密度和成本。
• 5.4.5 主驱动电机控制器的发展趋势经过十几年的发展，主驱动电机控制器逐渐发展成熟，我国也已经涌现了一批较高水平的电机控制器企业。然而，目前电机控制器技术性能和成本等与规模产业化要求还有一定的差距。随着电动汽车产业的进一步发展以及材料、工艺等基础技术的不断突破，主驱动电机控制器还会不断地进行技术升级，其发展趋势主要包括以下四方面。(1)功率密度进一步提升功率半导体模块的散热是限制电机控制器功率密度的主要因素，IGBT模块从早期的单面间接冷却方案到当前量产的单面直接水冷方案，并逐步发展到双面直接水冷方案，能显著提高冷却效率，功率密度会进一步提升至20kW/L以上。(2)集成化设计水平进一步提升随着系统功率密度、成本和电磁兼容性能等各方面要求的提高，电机控制器越来越多地与其他相关零部件进行集成化设计。其中电机控制器与电机和减速器的三合一集成、电机控制器与DC/DC变换器及DC/AC变换器等其他电控集成的方案比较常见。但目前的集成化设计大多属于物理集成，未来随着不同领域零部件企业之间不断深入合作，集成化设计水平会进一步提高。(3)功能安全设计随着汽车电子电气系统的复杂性和集成度不断提高，系统故障导致汽车安全事故的风险也随之增大。因此汽车行业制定了ISO 26262《道路车辆功能安全》标准和认证来保证汽车具有足够的安全性。对于主驱动电机控制器来说，功能安全不仅体现在软件逻辑和硬件电路上，还体现在整个开发流程和管理的规范性上，需要进行全面细致的研究和贯彻实施。(4)SiC器件的广泛应用会带来电机控制器性能的全面提升相比于现有广泛应用的Si基IGBT和MOSFET，SiC器件具有显著的优势，其高温特性可以让其具有更高的工作温度从而提高功率密度，高频特性可以提高控制带宽从而提升控制性能同时可减小支撑电容容量，高效特性可以提高控制器效率从而降低整车能耗。然而，SiC器件相关技术目前还在快速发展中，单管电流并不大，但随着模块封装技术的进步和并联技术的应用，SiC器件的应用会更为广泛。特斯拉公司采用每相四个单面冷却的SiC模块并联，在其量产的Model 3车型上实现了SiC电机控制器165kW的功率输出，功率密度达到30kW/L以上，如图5-61所示。此外，该电机控制器还实现了与电机和减速器的三合一集成设计，如图5-62所示。

 5.5 绝缘监控模块

• 5.5 绝缘监控模块5.5.1 绝缘监控模块的原理及功能纯电动汽车是集成了高压系统和低压系统的产品，高压系统中的动力电池、电机、充电机、能量回收装置和辅助电池充电装置等都会涉及高压电器绝缘问题。这些高压部件的工作条件比较恶劣，振动、酸碱气体的腐蚀、温度及湿度的变化都有可能造成动力电缆及其他绝缘材料老化甚至破损，使高压系统对车身的绝缘强度降低。绝缘强度降低可能会造成如下问题：高压系统对车身的漏电流增加，可能会产生热积累发生火灾；影响整车上其他高压部件或低压部件的正常工作；对人身造成高压触电风险等。绝缘监控模块就是纯电动汽车上实时在线评估高压系统对车身的绝缘性能设备，该设备的主要功能包括实时上报设备自身运行状态，防止设备出现故障；实时监控高压系统母线对车身的绝缘阻值，并实时上报绝缘阻值；当系统发生绝缘故障时，应分级上报绝缘故障等级。电动汽车绝缘监控模块用于监控高压电池正负极对车身接地的绝缘阻值，并按照绝缘报警等级要求进行报警，提醒驾驶人整车绝缘状态。绝缘监控模块典型应用拓扑如图5-63所示。

 5.6 电力电子系统集成设计技术

• 5.6.2 电力电子系统集成设计当前纯电动汽车中大功率电力电子部件众多，但因为它们的系统集成度低、可靠性差而不能相互协调稳定工作。将驱动电机控制器、车载充电器、DC/DC变换器和电动空调等以电力电子变换电路为核心的电气设备集中布置，形成集成功率控制单元(Power Control Unit, PCU)，统一设计系统的电路结构、驱动单元、控制单元、散热系统等，不仅可以节省材料，而且可以减小占用空间，并且集成功率控制单元具有新型的电路拓扑结构，集成度高，可靠性高，成本低。5.6.2.1 总体设计方案纯电动汽车集成控制器的高压原理如图5-71所示。集成控制器主要包括主驱动电机控制单元、DC/DC变换器变换单元、辅助电机控制单元、高压配电单元以及绝缘检测单元等。
• 1.主驱动电机控制单元根据整车控制器控制指令，进行前进、后退、空档下的电动、发电等模式控制，配合电动汽车的整车控制系统实现主回路的开关、驱动/制动（巡航和换档）、驻车、故障报警和处理等功能。主驱动电机控制单元包括DC/AC变换器主电路、控制电路和IGBT驱动电路等。2.DC/DC变换器变换单元将动力电池提供的高压直流电转换成低压直流电，为车载辅助蓄电池充电及车载低压用电器供电，满足车辆对低压用电的需求。DC/DC变换器的直流输入端能承受较宽的电压范围，以确保可以与不同的动力蓄电池系统相匹配。DC/DC变换器变换单元包括DC/DC变换器主电路、控制电路及开关管的驱动电路等。3.辅助电机控制单元根据整车控制器控制指令，驱动整车高压辅助系统（包括制动系统和转向系统）正常工作，为这些高压部件提供符合需求的高压电，以实现车辆助力转向或制动等功能。辅助电机控制单元包括DC/AC变换器主电路、控制电路及IGBT驱动电路等。4.高压配电单元主要作用是实现动力蓄电池高压电在各个高压子系统中的合理有序分配，车辆在行驶过程中，使各系统能够按照整车要求和驾驶人指令进行动作，确保整车的高压用电安全。针对电机、暖风、空调、DC/AC变换器及DC/DC变换器等高压回路设置直流熔断器进行短路保护，具有智能化控制功能以及CAN通信与故障检测功能。高压配电单元主要包括各高压回路熔断器、接触器及其控制系统。5.绝缘检测单元主要作用是检测电动汽车的高压电气系统对底盘之间的绝缘情况，实时反馈绝缘电阻阻值给整车控制器，整车控制器根据绝缘阻值进行分级处理（报警、限功率或断电），有效保护车辆和人员的安全。集成控制器作为整车核心的功率控制单元，负责为整车的电气设备提供电源，具有十分重要的作用。集成控制器与其他外围设备的电气连接如图5-72所示。
• 5.6.2.2 设计原则和评价指标1.人机关系集成控制器中的元器件布置关系到设备的操作、监视与维修。若布置合适，将会方便使用与维护。因此，在设计时应考虑后期维护操作的便利性。2.环境因素设备运行的环境将影响设备的可靠运行，对于设备工作温度、储存温度、湿度等环境因素应有明确要求。3.设备安全设计集成控制器时应考虑如下内容：1)直接接触的防护。2)设备必要的危险标志。3)集成控制器内部应设置保护接地螺钉或保护接地母线。4)装置的所有金属连接件应保证可靠的电连续性，各金属连接件与保护导体间的电阻值不得超过0.1Ω。5)电气间隙和爬电距离见表5-10。表5-10 电气间隙和爬电距离（单位：mm）[插图]4.设备散热集成控制器内部布设了大量的发热元器件，设备工作时内部温度将升高。保证设备内部元器件经过长期工作后，其内部温度不超过元器件中温度要求最低者的温度，是保证设备可靠使用的关键因素之一。设备的散热方式主要有自然散热、风冷散热、液冷散热及蒸发冷却等。对于防护式结构，可采用自然散热或强制风冷散热；对于密封式结构，可采用强制风冷散热或蒸发冷却。5.电磁兼容集成控制器是一个完整的强、弱电的混合体，包括变换器及其控制器等设备，既包含了较高电压和电流的电路，同时还包含控制系统（此部分为典型的弱电电路）。强、弱电电路混合在一起，这对集成控制器的电磁兼容设计提出了很高的要求。在集成控制器中，主电路中的高频开关电路以及滤波电路是系统内主要的电磁干扰源；控制用的接触器、继电器和印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)也是典型的电磁干扰源。在集成控制器中，电磁干扰的耦合途径包含辐射耦合以及传导耦合两种形式。辐射耦合主要以近场耦合为主，既存在以电容耦合形式出现的电场耦合，也存在以电感耦合形式出现的磁场耦合，也可能电场、磁场耦合同时存在。传导耦合主要以共地阻抗耦合以及共电源阻抗耦合方式出现。由于集成控制器的内部空间十分有限，工艺人员从制造、产品美观等方面考虑，常将强、弱电电缆用扎带绑在一起，或放在同一线槽内，这极易产生电缆与电缆间的窜扰。当工作模式为高压小电流时，易发生电容耦合形式的电场耦合干扰；当工作模式为低压大电流或在电感线圈附近时，易产生互感耦合形式的磁场耦合干扰。实际上，通常电场耦合与磁场耦合同时存在。传导耦合干扰的途径主要有两种。一种是因为集成控制器需要向多路负载供电，电源阻抗耦合使多路负载间产生相互干扰，如图5-73所示，电路1及电路2到电路n，都从电源处获得能量，在公共电源阻抗Rs上会产生电压降。另外，电路1与电路2之间，可能会产生相互影响，干扰某些电路的正常工作。另一种是由于强电部分与弱电部分一般都以车身地为参考平面，所以极易形成地环路干扰。
• 3.线束设计及安装集成控制器采用的高压线束应满足QC/T 1037—2016《道路车辆用高压电缆》的标准要求。在设计及安装时应注意以下事项：1)最大限度地减少线束的节点。如需要分线，则要在外部通过连接器和电器控制总成来实现。2)要充分考虑其维修性。仪表线束与底盘线束的对接、顶盖线束与仪表线束的对接、前围线束与仪表线束的对接、电控线束的诊断插口等一定要设计在容易检修到的地方。3)对于大功率发电机，主电源一定不要使用易熔线。易熔线是保护一定截面积的导线，由于大功率发电机的输出电流较大，易熔线无法保护10mm2以上的导线。因此，要防止因易熔线过热引起发电机的损坏。4)线束穿过方钢的孔时，需加橡胶圈保护。线束要避开车架的尖角和锋利的切口处，不可将线束紧贴着较易将线束磨破的地方固定，须留有间隙且用金属固定线夹避开固定。5)线束经过金属件棱角处应避免干涉。当有干涉时，要求线束与金属件不能直接接触，并在折角两边用金属固定线夹固定线束。6)与电机部分相连接的分支线束，需将线束留有一定的运动长度，以防电机在振动时，将线束拉断。7)插接器对插后，需在对插卡扣处、线束尾部涂中性的玻璃胶，严禁用酸性玻璃胶密封而造成早期插接器的腐蚀。插接器对插后要检查是否有端子被顶出或接触不良等现象。8)插接器两端的线不可扎得过紧，须留有一定余量，以避免车辆振动时插接器受力导致端子接触不良。另外，还有利于维修时插拔插接器。9)线束的接地点最好在底盘和仪表线束上分别引出。蓄电池的接地点、发电机的接地点、空调发电机的接地点、外搭铁的起动机的接地点等一定要设计在车架的同一侧，以减少因左右车架的连接电阻引起电压的损耗。
• 5.6.2.4 关键技术1.电气设计集成控制器主要包括主驱逆变器、辅驱逆变器及DC/DC变换器的主电路和控制电路。在进行电路的电气设计时，首先应明确设计要求，从而确定主电路结构，根据电路的电气参数进行元器件的选型设计。主要设计内容包括：(1)输入电压范围要求主电路能够在一定输入电压区间内保持正常工作状态，通常这个电压波动区间由纯电动汽车的动力电池电压平台波动区间决定。(2)输出特性逆变器的输出负载是电机负载，DC/DC变换器的输出负载是一些低压用电设备。主电路的输出特性要满足负载的使用要求，即根据负载特性设计主电路的输出特性。(3)保护功能主电路应具备内部保护功能（快速保护功能），以保障在其内部出现故障时能够迅速隔离故障，不影响其他系统的正常运行。应具备以下保护功能：控制电源掉电保护、输入过压保护、输入欠压保护、输出过流保护、输出缺相保护、短路保护和过温保护等。2.印制电路板设计印制电路板(PCB)是电子产品的基石，经过良好设计的PCB电路板能够保证产品质量的可靠、稳定。器件布局是设计PCB的第一步，合理的PCB布局不仅可以增加视觉美感，还可以提高产品的电磁兼容水平。首先要考虑印制电路板的尺寸大小，如果尺寸选择过大，会造成器件分布较散，器件直接的传输线有可能很长，造成阻抗增加，回路面积增大，抗噪声能力下降，同时成本也会增加；如果PCB尺寸选得过小，则器件会过于集中，器件散热变差，并且易发生线与线之间的窜扰耦合。一般来说，进行整体布局时要遵守以下原则。1)按照电路信号的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持方向一致。2)以每个功能电路的核心元器件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列，尽量减少和缩短各元件之间的引线和连接。一般电路应尽可能使元器件在同一方向排列。这样不但美观，而且便于批量生产。3)在高频下工作的电路，要考虑元件之间的分布参数。尽可能缩短高频元器件之间的连接线，设法减小它们的分布参数和相互间的电磁干扰；易受干扰的元器件不能相互靠得太近，输入和输出元件应尽量远离。4)对于信号线，特别是高频接口信号线，一定要防止信号线之间的耦合问题，在PCB设计初期，就要考虑它们之间的走线关系。5)某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引起意外短路，带高压电的元器件应尽量布置在调试时不易触及的地方。6)质量超过14g的元器件，应使用支架来加以固定，热敏元件应远离发热元件。7)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元器件的布局，应考虑整机的结构要求。若是机内调试，则应放在印制电路板上便于调节操作的地方；若是机外调试，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。8)PCB上的输入/输出插接器，最好尽量在PCB板的同一侧布置。当高频电路与插接器之间有直接信号连接时，PCB布局应如图5-79a所示。当高频电路与插接器之间无直接信号连接时，PCB布局应如图5-79b所示。若电路中有模拟电路和逻辑电路，应将模拟电路和逻辑电路分开，如图5-79c所示。[插图]图5-79 移相全桥LLC谐振变换器电路结构设计良好的PCB板也需要一个良好的安装方式才能真正发挥作用。安装PCB板时，必须注意以下事项。1)PCB上的安装孔，其周围的印制线与紧固件之间的距离必须大于或等于3mm，否则很难通过静电放电试验。2)PCB上裸露的金属元器件或管脚，必须与机箱外壳之间留有一定的间隙，此间隙应大于3mm。3)将PCB四周边框整平时，应注意不要将多层板的铜箔显露出来，以免给静电放电试验留下隐患。4)PCB插件面板应与机箱保持良好的接触，确保其导电时的连续性。不可在面板内侧面刷漆等。5)当PCB周围存在强干扰源时，必须对PCB采用屏蔽措施，以保护PCB免受干扰；也可将强干扰源屏蔽起来，以减少其对外的干扰。3.散热设计由于集成控制器功率等级的上升和集成度的提高，IGBT等功率元件的体积发热热通量增大的趋势非常迅猛。尽管现在功率半导体能量转换效率已经很高了，但是高效的冷却系统设计仍然十分必要。IGBT等功率元器件对于热负荷敏感度非常高，热量在功率元件处的累积将导致元器件和系统的温度迅速升高，严重影响IGBT的工作状态和系统的稳定。温度一旦超出了IGBT所允许的温度上限，则会导致IGBT烧坏，整个系统将会崩溃，这将给电动汽车带来十分恶劣的后果。为了获得和传统汽车一样甚至更强的动力输出，现代集成PCU功率等级越来越高，这样也就附带产生了更多的热量，然而采用传统空气冷却方法为大功率动力装置冷却是十分困难的。为了确保集成PCU工作稳定可靠，必须使用更高效的冷却系统，将其产生的热量散出，消除热量在功率元件中的积累，有效防止过高的温度损毁元器件。目前，热控制方法主要包括散热器散热、液冷板散热、热界面材料冷却、空调降温、热管换热、珀耳帖效应制冷和涡旋管冷却器等。随着传热学的发展，如今使用比较频繁的散热冷却技术集中在被动的自然风冷技术和主动的强迫风冷技术、液体冷却技术以及一些新型冷却技术。自然冷却散热主要是通过热传导、对流和辐射等方式将电子器件产生的热量发散到四周媒介中去，从而达到冷却降温的目的。这种方法可靠性高、成本低，但是一般只能使用在热损耗值小于0.08W/cm2的电子产品中。强迫风冷技术使用风扇来产生强制空气对流来散发热量，其散热能力一般可达到1.0W/cm2。强迫风冷设计因简单、使用方便、成本低廉而得到了广泛的使用。一些集成度很高的设备，例如超大型电子计算机和军事航天航空领域等电子产品中使用的大热流密度芯片越来越多，此时，仅仅依靠传统冷却方式，如风冷技术，已经无法满足散热降温的要求了，这时液体冷却技术等到了更多的应用。液体冷却技术的散热热流密度一般可以达到45kW/m2。液体比热容大、散热效率高，但是结构相对复杂，一般对密封性要求较高。4.电磁兼容设计纯电动汽车大功率变换器的主电路和控制电路都是EMI噪声源。就电磁噪声的本质而言，主电路产生的EMI与控制电路中的EMI没有本质区别。然而就其发生的机理和分布特征而言，主电路和控制电路产生的电磁噪声有各自的特点。主电路具有高功率密度、高电压、高电流变化率，因此产生的电磁噪声强度大；主电路中功率器件的开关频率不是很高，通常是十几千赫兹到几百千赫兹；主电路的噪声源主要是功率半导体开关器件，并且以传导干扰和近场辐射干扰为主。控制电路是低电平系统，但是却能产生很高的瞬时电压，如果处理不当，则会产生很大的干扰；控制电路的噪声频率通常很高。(1)DC/AC变换器电路DC/AC变换器输出的具有陡峭边沿的电压脉冲中包含有大量高频谐波，变换器与电机之间的连接电缆存在杂散电容和电感，这些分布参数受到谐波的激励会产生减幅振荡，在电机的输入端造成电压过冲现象。同时，电机内部绕组也存在杂散电容，输入端的过冲电压在绕组中产生尖峰电流，使其在绕组绝缘层不均匀处引起过热，甚至烧坏绝缘层，影响电机的可靠性，大大缩短了电机的寿命。为解决上述问题，在逆变器的输出端增设EMI滤波器，通常为低通LC滤波器，如图5-80所示。其中阻尼电阻Rd是为了防止可能由变换器谐波引起的滤波器谐振。高du/dt的影响可以通过低通滤波器旁路到地。
• (3)密封设计电气设备外壳防护等级根据IP标准进行分类。IP标准由欧洲电子技术标准化委员会提出，电气设备外壳防护等级被分成很多类，根据不同的号码，能够迅速方便地确定产品的防护等级。集成控制器的使用环境较为恶劣，外壳防护等级相应地要求较高，一般要求IP67等级，即能够防护灰尘吸入（整体防止接触、防护灰尘渗透），防护短暂浸泡（防浸）。集成控制器的外壳存在多个接口，不是一个完整密闭的系统，为了保证设备的防护等级，必须进行密封设计，包括密封圈和密封槽等。密封圈设计时要考虑压缩量，选择合适的材料等。密封圈的压缩量与拉伸量是由密封沟槽的尺寸来保证的，沟槽设计与选择对密封装置的密封性和使用寿命的影响很大。密封沟槽设计包括确定沟槽的形状、尺寸、精度和表面粗糙等。沟槽设计原则是：加工容易，尺寸合理，精度容易保证。图5-83所示为典型的M形密封圈及对应的密封槽设计图。
• 5.6.2.5 测试方案为验证设备的功能和性能，需要对成品设备进行相关测试。测试内容主要包括电气负荷试验、机械负荷试验、气候负荷试验、化学负荷试验、EMC试验、三综合带载试验等。1.电气负荷试验(1)直流供电电压测试对待测设备输入端供电，检验待测设备在最低和最高供电电压范围内的功能是否满足设计要求。(2)过电压测试将待测设备放置在加热箱中加热，向待测设备施加过电压持续一段时间，检验待测设备的功能是否满足设计要求。(3)叠加交流电压测试通过在直流电源上叠加交流分量的方法，模拟直流电源的纹波电压对待测设备的承受能力和工作状态的影响，检验待测设备功能是否满足设计要求。(4)供电电压缓降和缓升测试向待测设备输入端施加缓慢上升和缓慢下降的直流电压，模拟蓄电池充放电过程对待测设备的承受能力和工作状态的影响，要求试验结束后待测设备的功能可以自动恢复到正常运行。(5)供电电压瞬态变化测试将瞬态脉冲试验信号加到待测设备的输入端，模拟电路中的瞬态冲击影响，要求试验结束后待测设备的功能可以自动恢复到正常运行，且存储器设备在试验中和试验后均可正常工作。(6)反向电压测试向待测设备施加反向电压并持续一段时间，以检验待测设备对供电电压反接的抵御能力，要求试验结束后待测设备的功能可以自动恢复到正常运行。(7)参考接地和供电偏移测试为检验待测设备所有电路组件在供电偏移时的可靠运行情况，对待测设备的电源线及地线进行偏移测试，向每条接地/供电线路及各个接地/供电线路之间分别施加正向和反向的供电偏移量。要求待测设备在测试中及结束后均能正常工作。(8)开路测试在待测设备正常运行过程中，断开待测设备的任一接口线路，再恢复连接，要求试验结束后待测设备的功能可以自动恢复到正常运行。依次对所有接口线路进行重复测试。同时，为确保待测设备遭受多条线路突然断路情况下功能状态能达到规定要求，还应对多线断路的情况进行测试，同样要求待测设备在试验结束后可以自动恢复到正常运行。(9)短路保护测试将待测设备接通电源，负载电路处于工作状态。要求待测设备的输出端能够承受短路电流，且在切断短路电流后恢复到正常工作状态。(10)耐电压测试过电压通过电场引起的DUT部件间的漏电流，可能对绝缘性能带来负面影响。本测试着重于绝缘系统并检验绝缘材料承受因断开感性负载产生高电压的能力，仅对含有电感元件（如继电器、电机、线圈）或连接到电感负载电路的系统/组件有要求。按要求进行湿热循环试验后，将系统/组件在室温中静置一段时间，按要求对待测设备持续施加正弦电压。要求试验结束后待测设备的功能可以自动恢复到正常运行，试验时不得出现击穿和闪络现象。(11)绝缘电阻测试按要求进行湿热循环试验后，将系统/组件在室温中静置一段时间，按要求对待测设备持续施加正弦电压。测量带有电绝缘的端子间的电阻值；测量在带有电绝缘的端子间和带有电传导的壳体间电阻值；在塑料外壳的情况下，测量在端子和包裹外的电极间的电阻值，要求绝缘电阻大于10MΩ。
• 2.机械负荷试验(1)机械强度测试分别在控制器壳体的三个方向上缓慢施加相应压强（不低于10kPa）的砝码，其中砝码与壳体的接触面积最少不应低于5cm×5cm，检查壳体是否有明显的塑形变形。测试完成后，目测壳体不发生明显的塑形变形，且待测设备的功能可以自动恢复到正常运行。(2)振动测试将被测试样品固定在振动试验台上并处于正常安装位置，在不工作状态下进行试验，同时应将与产品连接的软管、插接器或其他附件安装并固定好。振动测试分为扫频振动测试和随机振动测试，依据标准GB/T 18488.1—2015的规定进行试验。测试结束后，检验待测设备是否因振动导致失效和损坏；检验箱体、支脚强度，振动后是否有裂纹、断裂的机械损伤；检验整机上安装插件、元器件、连接铜排、线束、紧固件等振动后安装点是否有松动、脱落等现象；要求待测设备的功能可以自动恢复到正常运行。(3)机械冲击测试测试内容依据标准GB/T 2423.6—1995《电工电子产品环境试验　第2部分：试验方法　试验Eb和导则：碰撞》。试验结束后，检验待测设备是否因受车身或车架冲击导致的失效和损坏，要求待测设备的功能可以自动恢复到正常运行。
• 3.气候负荷试验(1)恒温测试包括低温贮存测试、高温贮存测试、低温工作测试及高温工作测试。高低温贮存测试：将非工作状态的待测设备放置于环境试验箱内，分别置于高温85℃条件和低温-40℃条件，持续一段时间后，要求待测设备的功能可以自动恢复到正常运行。高低温工作测试：将待测设备低压上电，放置于温度试验箱中，持续一段时间，要求待测设备在试验中及结束后均能正常运行。(2)温度梯度测试将待测设备放置在试验箱中，以5℃温度梯度从20℃降到-40℃，然后以5℃温度梯度从-40℃升到85℃，如图5-84所示。每步都要等到新的温度稳定后才能启动电源使待测设备工作，在调温过程中待测设备处于关闭状态。在Tmin和Tmax间的每个温度点，待测设备应保持正常功能，在试验中及试验后待测设备均能正常运行。[插图]图5-84 温度梯度试验示例(3)温度循环测试包括规定变化率的温度循环测试和规定转换时间的温度循环测试。规定变化率的温度循环测试通过模拟待测设备工作室周围温度的变化，检验待测设备的承受能力和工作状态的变化，如控制器暴露在热浸透温度时，会有一个短暂的温度峰值叠加在温度曲线的高温阶段上，在此期间应维持控制器功能状态。规定转换时间的温度循环测试通过模拟车辆中大量的慢温度循环，对应实际车辆温度循环，用较快的温度变化率及更宽的温度变化范围，验证因老化和不同的温度膨胀系数导致的材料裂化和密封性能。本试验将导致机械缺陷，要求不带电工作。(4)冰水冲击测试模拟控制器在车辆运行中，由冰水引起的热冲击，例如冬季车辆在有水路面驾驶时，冰水溅落到控制器表面，引起控制器箱体材料破裂或者密封圈失效。要求在试验中及结束后待测设备能够正常运行。(5)耐盐雾测试为验证控制器箱体材质及表面涂层在冬季道路上抵御盐雾和盐水侵蚀的能力，按GB/T 2423.17—2008《电工电子产品环境试验　第2部分：试验方法　试验Ka：盐雾》，将待测设备放置在盐雾箱内持续一段时间，要求测试结束后待测设备能够自行恢复正常状态，待测设备外壳、插接器表面、金属支架、紧固件、铭牌等要求没有明显锈蚀。试验结束后，在自来水下冲洗5min，再用蒸馏水或去离子水冲洗，然后晃动或者用气流干燥去掉水滴。清洗用水的温度不得超过35℃，清洗后放置1h。(6)湿热循环测试为验证待测设备在高湿条件下是否会引起电气故障，以及待测设备内温度下降时，外部高湿气体是否会被吸入，按照GB/T 2423.4—2008《电工电子产品环境试验　第2部分：试验方法　试验Db交变湿热（12R+12h循环）》进行温热循环测试。试验结束后要求待测设备可以自动恢复到正常运行。(7)稳态湿热测试验证待测设备在高湿条件下，是否会引起电气故障。将待测设备放置在试验箱中，并连接好高低压线束。调节试验箱温度，将温度由常温上升至(40±2)℃，温度变化速率应不大于1K/min，达到温度稳定的平均时间应少于5min，且在这一过程中控制器不可出现凝露。调节试验箱内相对湿度到RH(85±3)%，时间要求在2h之内；稳定后开始计算试验持续时间，向待测设备供给低压电源，持续带电21天；最后1h带电运行。要求在试验中及结束后待测设备能够正常运行。(8)防尘、防水测试验证控制器外壳的防护性能是否能够达到GB/T 4208—2017《外壳防护等级（IP代码）》(IEC 60529：2013)中IP67/8指标要求。IPX6的防尘测试将待测设备放置于防尘试验箱中，被试外壳在试验箱体内，壳体压力用真空泵保持低于大气压，抽气孔应连接到专为试验设置的孔上。压差不得超过2kPa持续8h。IPX7的防水测试为短时浸水试验，将待测设备安装支脚朝下全部浸入水中，外壳的最低点应低于水面1m，水面在外壳顶至少0.15m，持续时间30min。IPX8的防水测试为持续潜水试验，由供需双方协商，试验条件比IPX7规定的更为严酷。试验后，控制器壳体内部要求无明显的灰尘沉积，并且无进水情况。
• 4.化学负荷试验集成控制器应对规定的化学负荷试验具有耐受能力，即在规定的温度条件下进行规定时间的试验后材料没有发生特性变化。化学试剂的型号和供应商可由供需双方协商，试验方法可以参考GB/T 28046.5—2013《道路车辆　电气及电子设备的环境条件和试验　第5部分：化学负荷》。要求试验后待测设备所有功能能够恢复到正常运行，标志和标签保持清晰可见。5.EMC试验集成控制器的EMC试验包括辐射发射测试、电源线传导发射测试、控制与信号线传导发射测试、辐射抗扰度测试、大电流注入测试、电源线瞬态传导抗扰度测试、信号线瞬态传导抗扰度测试及静电放电测试等。测试方法和要求主要参考以下标准：ISO 7637-2：2011《道路车辆　传导和耦合产生的电气干扰　第2部分：仅沿电源线的电气瞬时传导》（中文译名）ISO 7637-3：2016《道路车辆　由传导和耦合引起的电骚扰　第3部分：除电源线外的导线通过容性和感性耦合的电瞬态发射》（中文译名）ISO 10605：2008《道路车辆　静电放电产生的电气干扰的试验方法》（中文译名）ISO 11452-2：2019《道路车辆　部件测试方法检测来自窄带辐射电磁能量的干扰　第2部分：电波暗室》（中文译名）ISO 11452-4：2011《道路车辆　部件测试方法检测来自窄带辐射电磁能量的干扰　第4部分：线束激励方法》（中文译名）GB/T 18655—2018《车辆、船和内燃机　无线电骚扰特性　用于保护车载接收机的限值和测量方法》GB/T 18387—2017《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法》GB/T 21437.2—2008《道路车辆　由传导和耦合引起的电骚扰　第2部分：沿电源线的电瞬态传导》GB/T 21437.3—2012《道路车辆　由传导和耦合引起的电骚扰　第3部分：除电源线外的导线通过容性和感性耦合的电瞬态发射》GB/T 19951—2005《道路车辆-静电放电产生的电骚扰试验方法》GB/T 29259—2012《道路车辆　电磁兼容术语》GB/T 6113.1—1995《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范》（系列标准）
• 5.6.3 电力电子系统集成设计案例本节将以宝马i3的电力电子控制系统为例，介绍其集成设计方案。宝马i3的电机控制器采用两片英飞凌TC1797的32位双系统作为系统平台，以确保系统的高性能和可靠性，其电机控制器硬件电路实物如图5-85所示。
• 其中，电机电子伺服控制系统是一个安装在铝壳内的功率电子装置。在该铝壳内具有电机电子伺服控制系统控制单元、DC/DC变换器、DC/AC变换器、充电电子装置等组件。整个电力电子控制器被称为电机电子伺服控制系统。电机电子伺服控制系统在电动汽车内安装于电机上，带有其集成组件的整个铝壳也被称为驱动单元。维修时可以单独更换电机电子伺服控制系统和电机。为此，必须事先拆卸带电机和电机电子伺服控制系统组成单元的后桥，随后脱开电机和电机电子伺服控制系统。电机电子伺服控制系统的铝壳在保养时禁止打开。针对混合动力汽车(PHEV)，电机电子伺服控制系统与电机分开供货，因此在供货时根据电机进行校准。电机电子伺服控制系统通过液体冷却，并集成在一个独立的低温冷却循环中。根据当前的冷却需求控制电动冷却液泵。冷却液此时吸收最大约85℃的温度（回流）。在总线端接通时，电机电子伺服控制系统的功率电子电路生效。以这种方式，通过DC/DC变换器给高压车载网络（电动空调压缩机和电控辅助加热器）以及12V车载网络供电。如果由于此时形成的热量而识别出冷却需求，则打开冷却液泵。在高压蓄电池充电期间，充电电子装置内的功率电子装置生效。由于在充电电子装置内转换的电功率大，此时也会形成热量，该热量必须排出，因此充电期间电机电子伺服控制系统内出现相应高温时也会打开电动冷却液泵。电机电子伺服控制系统控制单元通过多个插接器与车辆连接在一起，方案如图5-87所示。

 第6章 整车热管理系统设计

• 第6章　整车热管理系统设计整车热管理系统根据车室与部件的工作环境需求，进行温度控制调节，提供舒适的乘坐环境和合理的部件工作环境。与传统燃油汽车相比，动力系统的改变对电动汽车的整车热管理系统提出了一系列新要求：①没有发动机余热可供利用，热管理系统需要具有制热功能[插图]。②动力电池的运行温度对其性能影响突出，为保证动力电池的高效安全运行，动力电池的温度控制是热管理系统的重要内容[插图]。③为保证电机及控制器高效可靠运行，需对其进行有效冷却[插图]。因此，电动汽车整车热管理系统主要包括车室空调（制冷、制热、除雾等）、动力电池温控、电机及控制器散热等功能。本章首先综述电动汽车整车热管理系统的组成、设计要求以及发展方向，然后介绍热管理系统负荷计算方法以及系统设计流程，最后介绍整车热管理系统的控制技术。

 6.1 概述

• 6.1.1.1 车室空调空调系统主要由蒸汽压缩式制冷剂循环系统和空调风系统组成。制冷剂循环系统包括压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器、调节阀、管路和制冷剂等。空调风系统包括风道、风机、空气过滤器、调节风阀、进风口、回风口和送风口等，如图6-1所示，其功能是对车室内的空气进行降温、升温，以及对风窗玻璃的除霜、防雾。
• 6.1.1.4 一体式热管理系统为最大限度提高电动汽车的电能利用效率，一体化热管理系统将电动汽车整车的冷热需求对象（动力蓄电池模块、电机、控制模块和车室环境控制系统）综合考虑，同时具备车室制冷、制热、动力蓄电池温控、电机及控制器散热等全部或部分功能。根据车室空调与动力蓄电池/电机温控的不同组合形式，可构成不同的一体式热管理系统，如车室空调+动力蓄电池温控并联式热管理系统（图6-13）和车室空调+电机冷却串联式热管理系统（图6-14）。
• 图6-13a所示为电辅热一体式热管理系统，其工作原理为：夏季，当动力蓄电池和车室都需要冷却时，采用双蒸发器系统；冬季则采用电加热方式对动力蓄电池和车室进行加热。采用一个三通阀控制动力蓄电池温度：①三通阀在位置A时，为动力蓄电池包提供最大加热量，保证其在低温环境时的正常启动和高效率工作。②三通阀位置在B时，利用并联的蒸发器为动力蓄电池提供必要的冷量。③三通阀位置在C时，利用车身前部的动力蓄电池散热器进行自然散热。图6-13b所示为蓄热材料一体式热管理系统。采用液体工质对动力蓄电池冷却或加热，采用相变材料为储能材料。车室环境控制通过具有制冷/制热功能的热泵系统实现：①夏季，动力蓄电池的散热采用与车室蒸发器并联的动力蓄电池蒸发器来实现。②冬季利用相变材料回收动力蓄电池废热，在动力蓄电池需要预热时再释放出来。图6-14所示为车室空调+电机冷却串联式热管理系统。通过布置在压缩机吸气端的电机散热器对电机进行冷却。夏季工况时，车内换热器蒸发后的低温制冷剂流经电机散热器，对电机进行降温；冬季工况时，从车外换热器流出的制冷剂在电机散热器中进一步吸热，达到回收电机预热的目的。
• 1.控制系统的组成热管理控制系统由操作面板、系统综合控制器、压缩机变频器、风机变频器、DC/DC变换器、传感器、高压接触器和线束等组成。驾乘人员或系统调试人员通过操作面板给出系统工作模式等操作指令，同时通过操作面板可显示系统的数据信息、设定信息和故障信息等。图6-15所示为常见的商用车空调系统操作面板，显示的内容主要有：
• ①空调系统的内外温度、设定温度、设定的风量、制冷制热通风等工作模式、内外循环和故障信息等；动力蓄电池系统加热指示。②电机系统冷却指示。③查询系统工作电压、工作电流、除霜温度、工作时间和系统瞬时功率等。操作面板通过内部CAN发送操作指令给热管理综合控制器（有些系统合二为一），通过外部CAN发送信息给整车仪表等控制器，通过收集整车动力蓄电池电量状态和整车控制器或远程控制系统的操作指令。有些车辆将操作面板功能集中到中控屏或仪表板，不同车辆在设计上有所差异。图6-16所示为热管理综合控制器示意图。综合控制器采集温度传感器等模拟量信号，以及欠电压、过电压和过温等开关量信号。控制器通过内部CAN总线或RS485总线收集系统功能需求命令和关注的数据信息，进行逻辑开关控制和频率控制，并进行故障诊断。根据所要满足的功能，有PWM输出控制、继电器输出控制和AVI输出控制等。控制器根据控制逻辑发送控制信号控制接触器、DC/DC变换器、压缩机、风机、动力蓄电池温控和电机散热执行部件。电动汽车热管理系统相关的变频器有空调压缩机变频器、冷凝风机变频器、蒸发风机变频器和动力蓄电池水泵变频器等。上述变频器均采用速度控制模式。图6-17所示为某型号压缩机变频器的原理。①对于乘用车，压缩机变频器与压缩机一体化设计。②对于商用车，压缩机变频器一般是一个独立部件。对于冷凝风机和蒸发风机变频器，有些商用车空调用独立部件来控制，而有些系统没有这个部件，采用低压风机，因此仅需要一个驱动模块来控制。
• 6.1.2 热管理系统设计要求6.1.2.1 车内热湿环境设计要求汽车车室是驾乘人员在旅途过程中的生活空间。车室环境主要包括车室内热湿环境、空气环境、照明环境、色彩环境、噪声与振动环境。进行热管理系统设计时，主要考虑车室的热湿环境。乘用车与商用车车内热湿环境设计技术标准分别见表6-4和表6-5。
• 空调的其他性能指标如下：1)空调的能效和经济性：包括能效比、季节能效比、制冷量、制热量、循环风量、除湿量、输入功率和使用寿命等。2)车内噪声：降低噪声是改善舒适性的重要措施，车内的最大噪声应控制在50dB以下。3)车内温度场分布：温度在垂直方向的不均匀度最好控制在2℃左右，这是由人体各部位对同一温度的感觉不同决定的。而在水平方向的空气温度不均匀度最好控制在1.5℃以内，这是根据汽车空调实验结构综合考虑后决定的。4)风口布置位置及风口风速差值：不舒适感与空气的流动方向和吹风的部位有关，后面吹来的气流比前面吹来的气流更让人感到不适。风口的布置位置应尽量避免直吹令人感到不舒服的位置。各出风口的风速差不宜超过2m/s，否则会引起车内温度场、速度场分布不均匀，出现气流涡旋。5)车内新鲜空气换气量：为防止人体缺氧，产生疲劳、头疼和恶心等症状，车内每位乘客所需新鲜空气量为20～30m3/h，二氧化碳体积分数([插图])应保持在0.1%以下。
• 6.1.3 整车热管理系统发展趋势对于电动汽车，整车热管理系统在实现车室环境控制的同时，还要满足换热器除霜、车窗玻璃除雾和动力蓄电池温控等需求。汽车面临的环境气候条件复杂多变，全气候条件下的节能、环保与智能化，是电动汽车整车环境控制及热管理技术的主要发展趋势。6.1.3.1 全气候条件下的高效节能运行为满足电动汽车更好的环境适应性，对整车热管理系统提出了更高的要求。因此，发展先进的热管理技术，引入热管等高效散热元件，发展全气候高效动力蓄电池，综合考虑整车热管理需求、车外环境参数与热管理系统各热源和热汇，保证热管理系统始终处于最佳运行状态，提高系统综合能源利用率，实现全气候、宽温区条件下的高效运行，是整车环境控制及热管理技术的一个重要发展方向。

 6.3 热管理系统设计

• 6.3.3.1 电机及控制器散热系统形式确定电机及控制器散热通常采用风冷加水冷的联合冷却方式，如图6-32所示。其散热策略为：电机或电驱动控制器均小于45℃时，水泵和散热器风扇都不工作，电驱动系统依靠风冷冷却。电机或电驱动控制器有一个温度在45～70℃时，水泵工作，散热器风扇不工作。电机或电驱动控制器有一个大于70℃时，水泵、散热器风扇同时工作。

 6.4 热管理控制系统设计

• 6.4.1 空调控制方法电动空调的控制过程如图6-33所示，现在大多数汽车空调的控制系统根据设定温度和车室温度的温差只输出一定的压缩机转速。而在一些中央空调系统中，调节的控制量只有出口风量值。压缩机转速和内外风机的风量在热泵空调中都起到了重要作用，压缩机的转速决定了制冷量，同时内外风机的风量应与实时变化的制冷量匹配，既保证制冷效率，又避免能量浪费。根据电动空调的特点优化控制算法，根据压缩机转速实时匹配相应的室内风机风量和室外风机风量，综合优化空调系统的舒适性和节能效果。
• 6.4.1.3 PID控制设计PID控制是一种最常用的线性控制器，根据输入的误差，通过比例、积分、微分三个环节的调节，完成对被控对象的控制过程，表达式如式(6-40)，PID控制原理如图6-39所示。
• 6.4.1.4 风机转速控制现在的汽车空调风量基本分为3～6个档位，驾驶人根据车室内的舒适度人工调节，控制量包括车室内风机的风量控制。风机的风量应与当前的制热量匹配，才能达到更高的效率和舒适度。如果风量过高，则会造成能量浪费，同时车室内的乘客会有吹风感，舒适性差。如果风量太小，则会影响车室内换热器散出的热量与车室内进行热量交换，导致室内换热器温度升高。压缩机的排气压力升高。在其影响下吸气压力也会升高，对压缩机非常不利，容易造成高压保护。有研究表明，当风量为额定风量的40%时，排气温度为102℃。风量为额定风量的30%时，排气温度已达115℃，对压缩机工作极为不利。因此本书采用变风量的方式连续调节风机的风量，采用变频器根据制热量连续调节风机的转速，从而调节车室内风机风量。通过前面的模糊-PID控制压缩机的转速，然后计算出当前的制热量，再根据经验公式(6-105)，计算当前需求的风量。
• 6.4.2 蒸发器除霜控制在使用热泵空调制热时，室外换热器不断从环境中吸收热量，导致室外换热器温度下降。在不同环境压力和湿度下，空气的露点不同。随着制热的进行，当室外换热器的温度降到当前露点温度时，空气中就会有水分析出，并吸附在室外换热器表面。当室外换热器温度进一步降低，直至低于0℃时，就满足了结霜的条件，换热器表面会形成霜层，且结霜时会呈现不规则和不确定性的特点。结霜对热泵系统形成好坏两方面的影响。好的一面是结成的霜会增加换热器表面的粗糙度，能在一定程度上提高换热系数；坏的一面是结霜后如果不及时除霜，就会使霜层越来越厚，当换热器的缝隙被结成的冰堵住后，室外风机就无法使空气流通，导致室外换热器温度降低，从而造成制热能力下降。随着时间的推移，当室外换热器温度低到一定的程度时，就会对压缩机的安全造成影响，轻者压缩机停转，重者压缩机直接损坏[插图]。6.4.2.1 复合除霜系统原理相对于传统的逆循环除霜法和热气旁通除霜法，复合除霜法结合了它们的优势，将两种除霜方法整合在一套除霜系统中。如图6-41所示，在系统开启制热后，除霜控制部分就会实时检测系统状态，决定是否进行除霜。在不需要除霜时，系统按正常逻辑制热。当满足除霜要求后，立刻进入复合除霜模式。进入除霜模式后，首先进入旁通除霜模式，模式切换控制部分动态检测旁通除霜的除霜效果，判断旁通除霜是否已经进入“疲惫”状态，然后选择最佳时机切换至逆循环除霜模式，以弥补除霜后期的能量需求，这样也会减小直接进入逆循环除霜模式造成的冲击过大问题。在霜层不严重的情况下，若旁通除霜可满足除霜需求，则不需要切换。在复合除霜时，除霜控制模块不断检测除霜效果是否达到结束除霜的要求。当满足要求后，结束除霜，并恢复到制热模式，然后系统再次进入循环检测，这就是热泵系统制热的整个流程。下面对复合除霜进行具体分析。

 第7章 车身结构及轻量化

• 第7章　车身结构及轻量化纯电动汽车动力系统约占整车整备质量20%～30%，比同类型传统燃油乘用车整备质量约重150～300kg，比同类型传统燃油大客车约重2000～3000kg[插图]，这对纯电动汽车的能耗和续驶里程产生重要影响。为提高纯电动汽车的续驶里程，开展车身结构的轻量化设计十分重要。相关研究表明，纯电动汽车每减少100kg，续驶里程可提升10%～11%，同时还可以减少20%的动力蓄电池成本。车身结构轻量化是集成应用结构、材料、工艺技术和综合考虑成本、性能等因素的结果。在保证基本性能的基础上，通过减轻车身质量，可以实现降低能耗、提高续驶里程、改善制动性能、保持行驶安全、降低成本的目的。实现车身轻量化的主要技术途径包括应用轻质材料及其成形工艺、使用结构优化技术。本章结合轻量化共性技术、行业发展现状及主要进展，力争较为系统地归纳总结纯电动汽车车身结构特点与趋势，介绍结构优化设计方法与流程、用材体系、板料成形与连接工艺等技术。

 7.1 纯电动汽车车身结构及发展趋势

• 7.1.1.3 疲劳耐久性设计①纯电动乘用车动力蓄电池包安装点周围区域是车身结构疲劳耐久风险位置，易出现疲劳破坏。②纯电动乘用车动力蓄电池包质量较大，造成整车质心位置下移、后移，后悬架载荷增大，车身与后悬架连接点位置疲劳耐久问题较传统燃油车显著。③纯电动乘用车车身地板太高，中通道位置降低或完全取消，有地板局部模态频率过低和座椅安装点刚度不足的风险。④纯电动乘用车的车身后部将成为刚度薄弱区域，门框角落位置易出现应力集中。
• 7.1.2 纯电动乘用车车身结构特点现阶段主流的纯电动乘用车车身与传统燃油车车身相比，其上车体结构基本一致，主要差异在于纯电动乘用车具有区别于传统燃油乘用车的下车体，是动力蓄电池系统主要的安装与承载部件。图7-3所示为典型的纯电动乘用车下车体框架与传统燃油车下车体框架的对比。下面分别说明纯电动乘用车车身地板纵梁、侧面碰撞结构、前纵梁、地板和车身后部的结构设计特点。
• 7.1.2.1 地板纵梁正面碰撞结构设计特点下面通过对基于传统燃油乘用车开发车型和正向开发纯电动乘用车车型来介绍地板纵梁正面碰撞结构设计特点。纯电动乘用车的地板纵梁的变化如图7-4所示。1.基于传统燃油乘用车开发车型[插图]图7-4 纯电动乘用车的地板纵梁的变化a)传统燃油乘用车地板纵梁 b)纯电动乘用车地板纵梁依据某车型开发经验，地板纵梁向外偏移角度应控制在25°以内，从而保证正面撞击载荷传递路径，避免产生应力集中点。此外，前纵梁和门槛梁需随形搭接，从而减少应力集中。2.正向开发纯电动乘用车车型全新正向开发的纯电动乘用车结构，特别是全铝车身结构，一般倾向于完全取消地板纵梁的设计，从而保证动力蓄电池系统充分利用左右门槛的空间。动力蓄电池系统的宽度可达车身结构宽度的70%以上，以增大动力蓄电池系统的能量，提升续驶里程。图7-5所示为特斯拉Model X的前纵梁。该结构通过平直化设计和增大截面面积，使正面碰撞吸能性能明显提升。同时，纵梁截面力合力点下移，降低了弯折风险。此外，通常在前壁板和地板搭接处布置加强结构，以利于偏置碰撞载荷从纵梁向门槛梁传递，提升结构整体安全防护性能。
• 7.1.2.2 侧面碰撞结构设计特点纯电动乘用车车身结构侧面碰撞安全设计以对动力蓄电池系统的安全防护为主，而且要满足较为苛刻的要求，主要是由于动力蓄电池系统的体积决定了车身两侧的碰撞变形区空间有限。设计原则是，确保汽车在50km/h的侧面碰撞（GB 20071—2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》）和32km/h的侧面柱碰（GB/T 37337—2019《汽车侧面柱碰撞的乘员保护》）工况下，车身结构碰撞吸能区域在动力蓄电池模组之外，从而为动力蓄电池模组提供有效的刚性区。依据某车型开发经验，对于保留地板纵梁的车型，通常门槛梁宽度＞140mm, 地板纵梁宽度＞80mm，同时动力蓄电池框边梁与模组间距、门槛梁距离之和＞50mm，可有效保证侧面碰撞和侧面柱碰安全防护要求。对于没有地板纵梁的车型，侧面碰撞载荷主要靠门槛梁承担，门槛梁宽度＞160mm，截面为异形截面，动力蓄电池框与内部模组之间以及与门槛梁之间设置一定的间隙作为碰撞缓冲区。动力蓄电池边框两侧缓冲区如图7-6所示。
• 7.1.2.3 前纵梁根部结构设计特点对于纯电动乘用车，前纵梁根部是车身结构的薄弱点，前纵梁后段一般采用抗拉强度较高的热成形钢或者铸造铝合金。另外，需在前纵梁根部增加支撑结构件，一方面提升车身扭转刚度，另一方面避免在碰撞时发生弯折。前纵梁与门槛梁的过渡结构须平滑设计，否则易发生疲劳开裂。7.1.2.4 地板结构设计特点纯电动乘用车的动力蓄电池系统布置导致地板抬高和中通道高度降低，地板纵梁外移或者取消，对地板中间抵抗变形能力与座椅安装点强度均有一定的影响。为提升地板局部模态频率和座椅安装点刚度，前地板设计横向贯通通道；座椅安装结构应增加板厚，以提高断面刚度；座椅横梁需增大截面，并优化布置位置，必要时应在地板上增加局部加强件。7.1.2.5 车身后部结构设计特点同样，纯电动乘用车车身结构后部也应对动力蓄电池形成足够的保护，以保证在后面碰撞50km/h和追尾碰撞80km/h的情况下对动力蓄电池系统的安全防护。后碰加强结构应保持完整传力路径，后纵梁前端应与门槛梁后端形成搭接。必要时门槛梁后端内部设计加强件以避免溃缩变形。考虑到动力蓄电池空间的最大化设计诉求，在满足布置空间要求的前提下，动力蓄电池后侧要尽量向后加长。雪佛兰Bolt车身后部结构如图7-7所示。
• 7.1.3 典型的纯电动乘用车车身结构纯电动乘用车的车身结构形式基本一致，区别主要在车身用材方面。从用材方面分类，纯电动乘用车的车身结构可以分为钢制车身、钢铝混合车身、全铝车身和铝塑混合车身四大类。这四大类车身目前都得到了应用，各具优势。7.1.3.1 以钢为主的纯电动乘用车车身结构目前纯电动乘用车多采用钢制车身，该种方案制造成本低，具有较长的续驶里程和较高的碰撞安全性。通常情况下，车身结构主体应用大量的先进高强度钢、热成形钢等轻量化材料，车门等开闭件采用铝合金以实现轻量化。此类代表性的车型包括日产Leaf、雪佛兰Bolt以及江淮iEV系列等大部分国内自主品牌车型。图7-8所示为雪佛兰Bolt车型的车身用材示意图。该车身应用高强度钢比例达到68%，其中，普通高强度钢比例为10%，先进高强度钢比例为23%，超高强度钢比例为9%，热成形钢比例为12%，铝合金比例达到14%。通过结合先进的结构设计、材料匹配等，雪佛兰Bolt车身结构具有优异的性能，白车身的模态、刚度和轻量化系数见表7-2和表7-3。整车碰撞安全性见表7-4，56km/h正面刚性壁障碰撞试验成绩为四星，62km/h侧面可移动壁障碰撞试验成绩为五星，32km/h侧面柱碰试验成绩为五星，翻滚测试成绩为五星。
• 7.1.3.2 钢铝混合车身为实现更好的轻量化效果，部分电动汽车企业采用钢铝混合车身结构，代表车型有爱驰EV U5、特斯拉Model 3等。爱驰EV U5的车身用材示意图如图7-9所示。爱驰EVU5上车身使用钢制材料，在A柱、B柱、侧围上框等部位使用热成形钢，下车身以铝合金为主。铝板材应用于前围板、地板等覆盖件；铝型材应用于前防撞梁、前后纵梁、散热器横梁、门槛梁、车架横梁等主要载荷路径上；铝合金真空压铸应用于接头部位，如减振塔、前纵梁后段、后纵梁前部等。
• 钢铝混合纯电动车身结构形式与传统燃油乘用车基本一致，主要在前地板处的结构存在一定的差异，下车身动力蓄电池安装结构与钢制车身结构也基本类似。图7-11所示为特斯拉Model 3下车身结构示意图。动力蓄电池系统侧安装点集成在门槛梁上。对于侧面柱碰工况下动力蓄电池的安全性设计，在钢铝混合车身前地板上面设计有左右贯通式前地板横梁。特斯拉Model 3侧面柱碰结构示意图如图7-12所示。
• 7.1.3.3 全铝车身为了满足进一步轻量化的需求，部分电动汽车在其纯电动乘用车上采用全铝车身结构，代表车型有特斯拉Model S、蔚来ES8、捷豹I-Pace、奇瑞小蚂蚁等车型。根据铝合金应用的情况，可将纯电动乘用车全铝车身分为两类：第一类以特斯拉Model S、蔚来ES8、捷豹I-Pace为代表，在车身上应用冲压铝合金、挤压铝合金以及铸造铝合金三种形式的铝合金材料，称为复合式全铝车身（图7-13a）；另外一类以奇瑞小蚂蚁为代表，在车身上应用挤压铝合金、冲压铝合金两种形式的铝合金材料，称为挤压框架式全铝车身（图7-13b）。
• 由于挤压框架式全铝车身在铰接接头处一般采用两个或三个挤压铝合金件对接，由T形熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）或非熔化极惰性气体保护电弧焊（TIG焊）的方式连接而成，所以接头的铰接点刚度低，且焊接处强度衰退，通常为母材的75%左右。这种“木桶效应”直接导致整个车身性能不高。随着纯电动汽车车身技术的发展，下车身框架结构形式基本趋于一致，通常由挤压铝合金件和铸造铝合金通过焊接或铆接方式拼接而成。挤压铝合金件通常采用平直梁，梁截面形状可根据碰撞压溃或抗弯刚度需求灵活设计，以实现载荷的合理控制。铸造铝合金件具有较高的刚度，适合作为车身框架的铰接接头。典型的铝合金下车身框架结构如图7-14所示。可以看出，动力蓄电池安装框架的四个铰接点采用铸造铝合金件设计，其余部位采用挤压铝合金件设计。
• 7.1.4 纯电动乘用车车身结构的发展趋势纯电动乘用车经过多年的发展，车身结构技术从基于传统燃油乘用车平台适应性改装到全新正向开发阶段，为此积累了较为丰富的结构技术。未来纯电动乘用车结构发展将会呈现以下趋势：(1)整车结构模块化设计模块化设计是将车身分为前端、乘员舱、后端、闭合件等相对独立的模块。各模块发挥不同的作用，实现不同的性能。以宝马i3为例，其乘员舱模块采用碳纤维材料，具有高刚度和高强度特性，耐撞性优异，实现了极致轻量化；车身前后端模块应用了铝合金材料，其中前纵梁采用了多边形断面设计，碰撞吸能特性优异；闭合件模块则应用热塑性塑料，成本低廉，外观质量好，且能实现较高轻量化。(2)关键部件集成化设计通过部件集成化设计，可将一个复杂结构或多种功能的部件替代多个普通部件，能够简化工艺、提升性能，达到轻量化和降低成本的目的。例如，传统燃油乘用车的门槛由门槛内板、门槛外板、内加强板和多个局部加强件组成，而特斯拉Model 3的门槛则仅采用了一根挤压铝型材，便具有更高的强度和更好的耐撞性。再如，传统车的C柱上接头需采用十个左右的钣金件进行点焊连接，而特斯拉Model X仅采用了一个薄壁铸铝件，刚度更高，且避免了点焊造成的局部强度下降。(3)多材料综合应用目前，纯电动乘用车车身轻量化材料体系的主流构成仍然是高强度钢和铝合金。随着轻质材料技术的不断进步，特别是铝合金、碳纤维等成本的不断降低，混合材料车身将是未来纯电动乘用车车身的发展方向。纯电动乘用车车身材料发展趋势如图7-16所示。根据车身用材来优化车身结构和连接工艺，将合适的材料、正确的结构、合理的工艺、可行的连接方式用在车身适当的位置，可实现高性能和轻量化的车身。
• 7.1.5 纯电动客车与传统燃油客车的车身结构差异传统燃油客车通过发动机驱动整车，动力驱动系统通常布置在车身后部，油箱及气瓶布置在中部，车身后部载荷较多一些，且发动机系统占用车身较多空间。由于发动机舱对密封性的要求不高，所以对车身结构布置的要求也相对低一点。传统燃油客车与纯电动客车的车身骨架如图7-17所示，其差异如下：
• (2)结构性差异传统燃油客车的动力系统集中分布在车辆后部，但纯电动客车的动力蓄电池包、高压控制部件等需要单独分割出独立的舱体进行布置，并针对不同部件特性的需要进行密封、通风、防水处理，在结构上需要满足的功能要求更多，因此结构上更复杂。高低压部件的分开布置，在结构上差异性大。此外，纯电动客车为降低能耗，提高能耗利用率，在车身的密封性能、隔热性能上要求更高，在车身结构上需要做特殊的设计。从结构特点来看，纯电动客车基本是全承载车身，由前围骨架总成、后围骨架总成、左右侧围骨架总成、顶盖骨架总成五大片组成，并与底架总成构成整体，共同承载受力。车身骨架要保证力流传递的连续性，即采用“封闭环”设计，尽可能做成“大环”，最差也要形成“小环”，如窗立柱与顶盖弯梁对齐、侧舱立柱与截面梁对齐，并能满足GB 7258—2017、GB 13094、GB 17578等标准要求。此外，针对纯电动客车动力蓄电池防碰撞的要求，车身侧围动力蓄电池箱必须设计有防撞结构，大部分客车选用防撞横梁的结构，即将一根足够强度的横梁安装在电池箱内侧，可自由拆卸，不影响电池拆装；当车辆受外力冲击时，可以有效地保护电池，防止电池受冲击变形后发生起火燃烧。从用材体系来看，纯电动客车的车身骨架一般采用屈服极限大于345MPa的锰钢，部分非承重梁采用屈服极限大于235MPa的锰钢。车身骨架选用方形管焊接，根据车身造型、各部位承载要求、各位置应力范围等合理选用管型。车身造型一般影响前后围骨架、顶盖骨架，故根据造型需要可部分选用异形管。例如：前围A柱、顶盖骨架边纵梁、车身主体部位特别是应力集中的部位采用无缝钢管，其他部位可采用焊管，其管型大小可根据应力情况合理选用，一般诸如侧围窗立柱、侧围门立柱、底架截面梁、悬架固定梁、电机尾纵梁等可选用较大管型，以确保强度。还可结合CAE分析及试验验证，确保车身强度，从而合理调整管型及车身的结构，同时进一步实现轻量化设计。

 7.2 纯电动汽车车身结构优化设计

• 7.2 纯电动汽车车身结构优化设计结构优化技术是轻量化技术中最为直接且成本最低的手段之一，在车身结构开发的不同阶段，均可引入结构优化技术，从而达到提升性能和减轻重量的目的。不同汽车企业在产品开发中应用结构优化技术的顺序不尽一致。当前，国内外知名汽车企业技术研发中心大多建有整车集成与优化中心，推动结构优化技术在整车和部件中的应用。在汽车车身结构优化中，可以考虑车身结构刚度、强度、碰撞安全、NVH和疲劳耐久等性能，同时也可以考虑质量、体积或者成本等。通过建立相应的结构优化设计模型，而联合数值仿真和数值最优化方法进行求解，从而获得最优设计。
• 7.2.1 结构优化设计主要方法结构优化[插图][插图][插图]按照变量类型可分为拓扑优化、形状优化和尺寸优化三种。其中，拓扑优化多用于概念设计阶段，形状优化和尺寸优化设计主要应用于详细设计阶段。7.2.1.1 拓扑优化拓扑优化是一种较为高级的结构优化技术，是指在一定的设计空间内，通过优化材料的分布使结构性能达到规定要求的一种结构优化设计方法，是有限元分析和结构优化高度融合的一种设计方法。拓扑优化具有较大的设计自由度，往往能提供创新设计构型，因此常应用于概念设计阶段。在结构拓扑优化领域，较为常用的是连续体拓扑优化方法，主要包括变密度法、渐进结构优化法和水平集法等。1.变密度法变密度法[插图]是较为常用的一类拓扑优化设计方法，引入单元相对密度作为设计变量，通过相应的材料插值模型，建立材料参数和单元相对密度之间的函数关系，进而控制单元刚度矩阵和整体刚度矩阵的变化，直至在需要材料用量下使得结构性能达到最优，最终获取材料的最优分布。从工程应用角度而言，变密度法与有限元模型具有天然的联系，可以处理具有极为复杂几何构型的材料分布问题，已经作为主流的拓扑优化设计方法嵌入主要的结构优化设计平台中。值得一提的是，由于变密度法存在应力奇异现象，且拓扑优化主要用于概念设计阶段，所以在设计初期阶段主要面向刚度及模态等性能的拓扑优化设计，可在后续详细设计阶段开展面向强度性能的优化设计。图7-18所示为近几年典型车身结构拓扑优化设计。[插图]图7-18 近几年典型车身结构拓扑优化设计近年来，基于变密度法的等效静态载荷方法(Equivalent Static Loads, ESLs)及其改进方法逐步应用于面向碰撞安全的结构拓扑优化设计[插图]。该方法通过将非线性碰撞分析与拓扑优化设计分离，可直接借助于标准的拓扑优化设计，大大降低了材料非线性、几何非线性和接触非线性对拓扑优化设计的挑战。2.渐进结构优化法渐进结构优化法[插图]是根据一定的优化准则，逐步去除无效结构或者低效结构的材料，从而使得结构性能趋于最优的一种方法。渐进结构优化的一般过程是重复进行多次有限元分析，依据结构响应并结合给定的材料演化策略，在低应力区删除一定比例的材料，或在高应力区添加一定比例的材料，直至获得最优的材料分布。相比于密度法，渐进结构优化方法无需较多的数学理论支撑，直接利用物理概念和有限元分析进行拓扑优化设计。由于其概念简明、易于编程等特点，目前已被应用于考虑不同性能的结构拓扑优化设计。然而，该方法缺乏设计平台支撑，因此目前在汽车企业应用较少。3.水平集法水平集法[插图]起初是作为研究界面在速度场中演化的一种方法，结构拓扑优化水平集法通过零水平集描述材料边界，结合目标函数（应变能、模态频率等）并融合结构界面信息构造速度函数，利用材料界面的演化、移动和融合实现结构拓扑变化，直至结构性能达到最优。相比变密度法和渐进结构优化法，结构拓扑优化水平集方法具有跟踪拓扑结构变化、计算稳定、优化边界清晰光滑等特点。尽管当前水平集方法已经嵌入某些商业软件平台，然而由于计算复杂及难以处理复杂几何构型，在汽车结构拓扑优化中应用较少。7.2.1.2 尺寸优化尺寸优化是在保持结构的形状和拓扑结构不变的情况下，通过优化部件截面尺寸或者最佳材料性能组合关系，从而实现结构性能最优。设计变量可以是杆的截面积、板材的厚度、复合材料分层厚度或者材料方向角度。由于该类型设计变量易于表达，在结构优化过程中，有限元分析基本不需要重新划分网格，直接借助于灵敏度分析和相应的数值最优化方法即可完成尺寸优化。在尺寸优化建模中，质量和体积是最常见的目标函数，即实现结构的轻量化目标，其约束条件可以是单元应力约束、整体应变能约束、节点位移约束、整体加速度约束及模态约束等。图7-19所示为某碳纤维车轮铺层方向尺寸优化设计。
• 7.2.1.3 形状优化形状优化是在保持结构的拓扑关系不变的情况下，通过优化结构设计域形状和内边界尺寸，直至获得性能最优的理想的结构几何形状。形状设计对边界形状的改变没有约束，与尺寸优化相比，其初始条件得到了一定的放宽，应用的范围也得到了进一步扩展。在形状优化中，其设计变量为边界点的坐标，考虑网格的变化，有基向量法和摄动向量法两种方法可以使用。在汽车车身结构优化中，主要用于接头形状优化设计。7.2.2 典型结构优化设计平台目前，已经形成若干商业化结构优化设计平台，可为汽车结构优化设计提供主要支撑。现有的结构优化设计平台可分为专用型结构优化设计平台和通用型优化设计平台两类。其中，专用型结构优化设计平台在内核中直接嵌入典型结构性能与特定结构参量的灵敏度信息，并提供特定的几种梯度型数值优化方法，从而实现设计变量的更新直至设计问题收敛。通用型优化设计平台往往既包含梯度优化算法也包含智能优化算法，需要借助于第三方结构分析求解器或者代理模型，从而完成相应的设计过程。通用型优化设计平台能够用来处理汽车结构尺寸优化问题，然而对于拓扑和形状优化问题处理起来较为烦琐，需要工程技术人员开发一定的程序接口。表7-6给出了目前汽车结构优化中较为常用的几种优化设计平台及其功能特点。
• 7.2.3 车身结构优化的一般流程在车身结构开发的各个阶段，均可以采用结构优化技术，达到提升性能或者减轻重量的目的。如图7-20所示，在设计阶段的早期，主要集中在车身结构全局性能和概念设计优化，而在设计阶段的后期，则主要偏向于局部性能优化和质量优化。一般而言，不同的汽车企业往往有不同的开发规范，结构优化技术应用的途径也不尽一致。沃尔沃车身结构开发过程中优化技术的应用情况如图7-21所示。以第二代沃尔沃XC60的开发过程为例，在设计早期主要关注基础车型上提升碰撞安全性能及NVH、刚度等性能，而后期则主要以轻量化为主。
• 在车身设计概念阶段，可采用拓扑优化方法寻找最佳碰撞传力路径。在车身设计的后期，可采用形状优化来合理布置板件上的加强筋，也可采用拓扑优化进行部件局部减重，还可以结合应用拓扑优化和尺寸优化改善焊点的分布情况。
• 7.2.4 车身结构优化典型实例7.2.4.1 工程案例1图7-23所示为开展尺寸优化设计的某款纯电动大客车的车身骨架。首先，依据工程经验遴选初始设计变量，如图7-24所示；其次，开展刚度与模态频率等性能的灵敏度分析，确定最终设计变量，如图7-25所示。在此基础上，构建式(7-1)所示的尺寸优化设计模型。
• 在刚度和模态分析的基础上，优化以一阶弯曲频率、一阶扭转频率、弯曲刚度和扭转刚度为约束，质量最小为目标，借助于相应的梯度优化设计算法，可获得相应的最优化设计。值得说明的是，对于设计人员来说，最重要的是需要依据工程经验建立相应的优化设计模型。
• 车身骨架的优化工作从车身断面与接头草图数据输入开始，基于SFE-Concept软件平台搭建参数化建模，借助灵敏度分析和经验库定义设计变量，包括骨架空间位置、截面边界尺寸和料厚等；然后针对车身刚度模态及结构碰撞的相关性能指标，利用高性能计算机开展高达上百个样本点的仿真计算，通过分析骨架位置变量、截面及料厚对性能的贡献率，建立设计变量与性能的近似模型，基于Isight软件开展多目标优化，获取最优解集；最后制定的详细工程数据需要通过强度耐久性能、NVH性能和碰撞安全性能的虚拟验证。优化后的车身结构示意图如图7-27所示。

 7.3 纯电动汽车车身材料

• 7.3 纯电动汽车车身材料7.3.1 常见材料及属性7.3.1.1 高强度钢汽车车身用高强度钢材料有冷成形钢和热压成形钢两大类[插图][插图]。对承受较大荷载的车身结构，选用更高强度级别的钢材，以达到轻量化、降低成本和节约资源的目的。表7-7和表7-8给出了纯电动乘用车车身常用的高强度钢的材料性能、特点及典型应用。7.3.1.2 铝合金铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，其中的铸造铝合金和变形铝合金也大量应用于纯电动乘用车的车身结构中，以满足轻量化要求[插图][插图]。表7-9给出了纯电动乘用车常用的铝合金的材料性能、特点及典型应用。7.3.1.3 镁合金镁合金是以镁为基础，加入铝、锌、锰、稀土元素或其他元素而组成的合金[插图][插图]。相比其他轻质合金，镁合金由于独特的材料特点，目前也逐步应用于车身内饰件中。表7-10给出了纯电动乘用车常用的镁合金材料性能、特点及典型应用。7.3.1.4 非金属材料非金属材料[插图]分为有机材料和无机材料两大类，其中有机材料包含塑料、弹性体、复合材料等。在汽车产品的发展历程中，非金属材料以其低密度、高比强度的优势在轻量化材料中占有非常重要的地位。与车身轻量化相关的非金属材料主要包括塑料和复合材料。常用的塑料（通用塑料和工程塑料）材料及性能见表7-11，常用纤维及性能见表7-12，常用纤维复合材料及性能见表7-13。
• 7.3.2 不同材料在纯电动乘用车车身部件中的典型应用车身结构部件按照功能不同可分为覆盖件、碰撞安全结构件和一般结构件；按照轻质材料的使用类型不同，可分为高强度钢结构件、铝合金结构件、镁合金结构件和复合材料结构件。因高强度钢部件较为常见，本文主要介绍铝合金部件，镁合金部件和复合材料部件。7.3.2.1 铸铝合金结构件铝合金铸件的特点是设计自由度高，通过集成设计可以替代多个钢板冲焊件，且具有较高的强度和刚度，多用在车身骨架连接处。典型零件有铝合金减振塔、铝合金三角梁、前纵梁后段、后纵梁连接板等，白车身中采用铝合金铸件的典型部位如图7-28所示，奥迪A6减振塔和奥迪Q5前舱三角梁分别如图7-29和图7-30所示。为保证零件性能，多采用真空压铸的生产方式，典型的铸造铝合金牌号有AlSi10MnMg、AlSi10Mg、AlMg5Si2Mn、AlSi9MnMgZn等。
• 7.3.3 纯电动乘用车车身选材原则在对车身零件进行选材时，需要综合考虑零件性能、轻量化需求和成本等多方面的因素。在性能要求方面，由于车身覆盖件和车身结构件的要求不同，在选材时的侧重点也不同。7.3.3.1 车身覆盖件的性能要求和选材原则1.抗凹性抗凹性是反映车身覆盖件使用性能的重要指标之一。覆盖件的抗凹性取决于材料的屈服强度、零件厚度以及材料弹性模量、零应变等因素。此外，应变硬化指数也间接影响零件的抗凹性。应变硬化值越大，板材成型性越好，塑性变形均匀，应变强化的效果明显。目前，在钢制车身中，为得到较高的屈服强度，外罩板、车门外板等覆盖件多采用烘烤硬化钢制造，以提高外板抗凹性；对于铝质车身覆盖件，在涂装烘烤后，由于时效作用，材料的屈服强度得到提升，同时也有较好的抗凹性。2.表面质量车身覆盖件直接决定整车的外观质量，因此车身覆盖件外板的质量要求都很高。对于钢板件，表面质量要求达到FD[插图]水平，表面粗糙度(Ra)一般可达0.6～1.3μm，有时对表面粗糙度的要求甚至更高；对于铝板，也有类似的高表面质量要求。此外，当采用烘烤硬化钢板和铝板作为外观件时，还需注意材料的时效性，以保证在限定的周期内完成零件冲压，避免在材料过时效后，冲压时产生拉伸应变痕，影响外观质量。当采用非金属材料生产车身覆盖件时，应严格控制模具状态，以保证塑料件的外观质量。当采用非在线喷涂材料生产翼子板、后背门、外罩等零件时，还应特别注意涂装后与白车身的色差。
• 3.制造工艺性冲压成形的车身覆盖件的结构特点和材料性能需求见表7-15。
• 非金属覆盖件在制造时一般采用注塑和模压两种方式，由于非金属材料不同于金属材料的高的收缩率和大的线膨胀系数，零件的尺寸精度控制一直是非金属外覆盖件生产的难点，所以需结合成形模拟软件进行仿真分析，选择合适性能的非金属材料。4.耐蚀性和耐老化性能车身覆盖件都是用户在使用过程中可见的零件，在长期使用过程中难免存在恶劣的使用环境，有可能破坏汽车的外观质量，并有可能影响零件使用寿命。因此，对于金属制件应重点考虑零件的腐蚀问题，而对于非金属制件则应考虑零件的老化变形问题。为避免和减缓金属零件腐蚀，除了对车身零件结构进行优化设计采用可靠的涂装方式外，对于车身覆盖件选择高耐蚀性能的钢板也是有效手段之一，特别是在结构设计和涂装过程受到限制的部位，具体方案有热浸纯锌钢板(GI)、热浸合金化镀锌钢板(GA)、热浸锌铝镁钢板(ZM)等。针对非金属制件，应选择热膨胀系数低、光老化、环境老化性能好的原材料用于生产车身覆盖件。
• 7.3.3.2 车身结构件的性能要求和选材原则1.强度和碰撞安全要求在纯电动乘用车车身持续轻量化以不断提高续驶里程的形势下，市场对车身结构件（特别是车身下车体）的强度和碰撞安全性也提出了更高的要求，因此车身高强度钢的使用比例也相应有所提高。为满足碰撞法规中正碰、偏置碰、侧碰、后碰和翻滚等安全性要求，在车身结构设计过程中，应从以下几方面综合考虑强度和安全性设计要求：①在车身纵梁的前部采用抗拉强度低于590MPa的钢板，设置溃缩结构，以尽可能多地吸收碰撞能量，从而减小乘员受力，保证人员生命安全。②设置铝合金前防撞梁，增强碰撞吸能效果。③控制或限制传力路径上零件的变形过程和形式，以避免变形零件过多地侵入乘员舱，对乘员造成伤害。像车身的前纵梁、A柱、B柱等部件，一般采用抗拉强度下限超过780MPa的超高强度钢甚至热成形钢，以提高结构强度。④在多材料混合车身结构中，可充分利用碳纤维材料强度高的优势。选择碳纤维+高强度钢的复合零件结构形式，既可满足轻量化要求，也能尽可能地满足强度和安全性要求。⑤为保证纯电动汽车底板下动力蓄电池包的碰撞安全，在动力蓄电池包与车身侧围、车身后部的有限空间内，需要对车身底部门槛区域和车身后部采用更高强度的材料进行加强，或增加专门的零件用于有效吸能。特斯拉Model 3的门槛吸能铝型材结构如图7-33所示。
• 2.轻量化和刚度要求车身模态和刚度是评价车身性能的重要指标，包括一阶扭转模态、一阶弯曲模态、弯曲刚度和扭转刚度等。这些指标除与车身结构设计形式相关外，还主要与材料的弹性模量和板厚直接相关。为提高车身的模态和刚度，可通过增加车身加强件或增加料厚，以及优化结构断面和接头的设计来实现。但是，增加料厚不利于车身的轻量化，因此目前很多企业采用板厚灵敏度分析的方法，在初始设计的基础上进行轻量化。一般先进行白车身料厚灵敏度分析，依照对模态和刚度影响从大到小的顺序将零件进行排序，对于影响较小的零件，应适当减薄厚度，并提高零件材料的强度等级，以保证碰撞安全性和刚强度水平。此外，铝铸件和整体注塑的复合材料零件可以通过集成化设计替代原有冲焊钣金结构，从而实现更好的局部刚度。3.耐蚀性要求车身结构件虽然不如覆盖件的表面质量要求高，但对于下车体零件而言，因为它们处于贴近路面恶劣的腐蚀环境，所以为了提高耐腐蚀能力，通常对前后纵梁、门槛外板等下装零件采用表面镀锌处理。
• 7.3.3.3 不同车身材料的减重效果和成本分析针对纯电动乘用车车身的选材，在满足轻量化和性能指标的同时，还应合理地控制成本。国外统计的不同车身材料方案的轻量化效果和成本比较见表7-16。从表中可以看出，成本是影响轻质材料使用的主要因素。在电动汽车的轻量化要求越来越迫切的形势下，建议在车身选材过程中参考产品定位差异，选择合适的材料。如对于高端车型，利润空间较大，成本压力相对较小，可采用铝合金为主+部分复合材料的车身结构，以最大限度地减重；在中端车型中采用超高强度钢为主，结合辊压成形、热成形等多种制造工艺，仅在部分开启件零件上采用铝合金或复合材料，工艺相对成熟，成本可控；在低端车型中，为追求性价比，严格控制成本，可提高高强度钢的使用比例，采用成熟的、成本相对较低的轻量化方案，如前端模块、蓄电池托盘等零部件可采用塑料材质。
• 7.3.4 纯电动乘用车车身用材发展趋势车身用材的不断进步是支持未来纯电动汽车高性能车身的必要条件，先进的车身材料也一直是汽车和原材料行业研究的热点。7.3.4.1 车身用钢板的发展趋势在传统覆盖件用钢板方面，研究和应用的重点主要集中于成形性更好的薄钢板和更高的耐蚀性镀层钢板的开发上，如DC07[插图]和DX57D+Z[插图]两种更高成形性的钢板；在车身结构件用材方面，先进高强度钢仍然是主要研究的重点。冷成形先进高强度钢主要是第三代超高强度钢的开发；在热成形钢板方面，主要是采用多种技术手段，不断提升材料的抗拉强度。国内首次量产的2000MPa热成形钢零件如图7-34所示，2000MPa热成形钢板已经在量产车上得到应用。
• 此外，针对主机厂降低成本的需求，钢厂也在开发更多低成本的产品。如采用短流程的紧凑式带钢生产技术(Compact Strip Production, CSP)或连续式带钢生产技术(Endless Strip Production, ESP)工艺生产热轧高强度钢薄钢板，以替代同强度级别的冷轧产品，部分产品的厚度已经可达到1mm。针对热成形工艺，可通过调整钢板的成分组成，适当降低热成形温度，以降低能耗和节约成本。7.3.4.2 车身用铝合金的发展趋势在纯电动车型中，汽车用铝板的用量呈增加趋势。对于车身用铝板，开发和研究的方向主要有以下几个方面：①提高铝板的烘烤性能和包边性能。②更好的成形性能。③提高铝板的强度和碰撞吸能性能。④适应多材料混合车身涂装、连接方式的铝板。⑤铝合金板的热（温）冲压成形技术及相应的板材。在车身用铝型材方面，型材产品已相对成熟，近期研究的热点在于通过成分体系的设计和组织的优化，使其具备更好的吸能能力，同时改善表面质量，以满足多材料防腐以及连接工艺的要求，如提高型材面与结构胶的兼容性。此外，在车身用铝合金压铸件方面，材料研究的方向主要集中在新材料开发和新工艺应用两个方面。7.3.4.3 车身用镁合金材料的发展趋势车身用镁合金发展的重点方向主要是提高镁合金的强韧性，以满足汽车大多数零部件的性能要求。近年来，通过采用添加稀土元素的方法可以获得性能良好的镁合金，合金体系也从二元、三元向多元化发展。当前，变形镁合金已在车身做应用尝试，韩国浦项钢铁公司(POSCO)和雷诺三星汽车公司(Renault Samsung Motors)合作开发的后座椅支撑如图7-35所示。然而，高成本及复杂的制造工艺严重制约了变形镁合金的大量应用。
• 7.3.4.4 车身用复合材料的发展趋势复合材料在乘用车车身上的应用已相对成熟，但是受价格成本及材料本身性能的制约，通常也只用于制造特定的零部件。同时，随着行业回收利用法规日益严格，热固性的SMC材料在车身上的使用呈下降趋势，新车型更多地采用热塑性的PP、PA等材料，并且逐步从短纤维增强复合材料向长纤维增强复合材料、连续纤维增强材料方向发展。当前，主要通过调整复合材料的组分和配方，以提高模量和冲击韧性，并适当降低材料密度，实现轻量化的效果。在改性材料方面，通过天然纤维的添加，如亚麻纤维增强塑料、剑麻纤维增强塑料等，也是近年来研究的热点，可用于制造塑料覆盖件。碳纤维增强复合材料(CFRP)仍然会是未来一段时间内的热点，更先进和低成本的制造技术的开发，如三维编织碳纤维复合材料的研发，使车身中碳纤维零件的使用比例增加成为可能。此外，玄武岩纤维增强复合材料有优于玻纤增强材料的力学性能，低于碳纤维的成本，其应用关注点已经逐步从航空航天转向汽车零件，如在车身上替代碳纤维零件和原有的玻纤增强零件。
• 7.3.5 典型纯电动客车车身部件7.3.5.1 车身侧围结构在传统燃油客车的基础上，通过将3mm和2mm壁厚的普通型钢(Q345C)替换为2mm和1.5mm壁厚的高强度钢(QSTE700TM)，从而发展出面向纯电动客车的侧围结构。在设计中充分考虑结构性，梁结构中分为主梁和辅梁，其中主梁包括窗立柱、门立柱、裙立柱、顶边梁、中部横梁、底边梁，辅梁即为主梁以外的梁。纯电动客车典型的右侧围骨架如图7-36所示。
• 7.3.5.2 动力蓄电池防撞机构纯电动客车较多采用在整车中部或者尾部底置动力蓄电池包，这种布局容易因动力蓄电池受到碰撞造成安全事故，为此需要设计防撞机构对动力蓄电池进行安全防护。考虑强度要求和安装方便性，防撞机构可采用焊接与螺栓连接形式，主要由固定座、固定座加强板、防撞梁及连接螺栓等组成。典型侧围防撞梁结构如图7-38所示。其中，固定座采用5mm厚的钢板冷弯成形，背面预埋焊接螺母，固定座与侧围骨架裙立柱满焊连接；固定座加强板为5mm厚的三角形平板，与固定座及侧围骨架裙立柱满焊连接；防撞梁采用规格为40mm×40mm×3mm的型钢结构，通过螺栓与固定座相连接。
• 7.3.5.7 车身选材原则一般情况下，客车车身选材的原则包括以下五方面。①保证整车的刚度与强度：优先选用比刚度高的材料。②轻量化：优先选用厚度薄、质量轻的材料。③性价比：优先选用性价比高的材料，如3mm以上的钢板尽量选用热板。④通用性：选材应尽量通用，保持较高的结构模块化程度。⑤工艺性：选材应考虑工艺生产的需要，选用工艺性较好的材料。表7-17给出了某品牌纯电动客车目前在用的车身骨架材料。在纯电动客车轻量化需求牵引下，QStE700TM[插图]的用量在不断增加。鉴于高强度钢优良的成形稳定性、折弯性能和表面质量等优势，StE700TM[插图]高强度钢未来将会占据纯电动客车用轻量化材料的主导地位。
• 7.3.5.8 纯电动客车车身用材发展趋势与纯电动乘用车一致，纯电动客车的发展仍以多材料车身为主要方向，客车车身材料的发展趋势如图7-47所示。表7-19列举了目前客车在用材料的部分材质参数信息。目前纯电动客车车身仍采用了以高强度钢、铝、镁合金为主，工程塑料和碳纤维为辅的混合材料应用形式，同时各种材料的使用比例也随着技术发展和时代的要求发生了变化，以期做到物尽其用，实现性价比与轻量化的统一。可以肯定的是，客车的轻量化研究仍会不断地向前推进，新材料与新工艺将会在客车车身上应用更加广泛。

 7.4 纯电动汽车车身工艺

• 7.4 纯电动汽车车身工艺纯电动汽车车身工艺主要包括轻质材料成形工艺及结构连接工艺。轻质材料成形工艺主要包括高强度钢、铝合金、镁合金和复合材料的成形工艺，结构连接工艺主要包括机械连接、热连接、胶粘连接及复合连接等。7.4.1 材料成形工艺高强度钢成形工艺、铝合金成形工艺、镁合金成形工艺和纤维增强复合材料成形工艺分别如图7-48～图7-51所示。
• 7.4.2 连接工艺7.4.2.1 机械连接工艺机械连接工艺是指利用紧固件将零件连接起来的过程和方法。针对不同连接工况，须制定不同的连接方案，一般可以根据连接工况不同划分为厚实体结构工况、框架型材工况和板壳结构工况。机械连接工艺在连接强度、刚度、耐久可靠性、耐腐蚀性、工艺性、经济性等方面有较高的要求。机械连接类型及应用见表7-20。7.4.2.2 热连接工艺热连接工艺是指将两块金属的连接接口处的金属熔化后以再凝固的方法连在一起的工艺，例如工业中常见的焊接。热连接工艺是指通过加热/加压（或者两者并用），加或不加填充材料，使两分离的金属表面实现原子间的结合，形成永久性连接的一种工艺方法。常见的焊接方法有弧焊、搅拌摩擦焊和激光焊接等，几种焊接方法的特点及应用领域见表7-21。表7-20 不同机械连接的类型及性能
• 7.4.2.3 胶接工艺胶接是利用胶粘剂在连接面上产生机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件连接起来的工艺方法，主要有非结构型和结构型两种形式。①非结构型胶接主要是指表面粘涂、密封和功能性粘接，典型的非结构胶包括表面粘接用胶粘剂、密封和导电胶粘剂等。②结构型胶接是将结构单元用胶粘剂牢固地固定在一起的粘接现象，其中所用的结构胶粘剂及其粘接点必须能传递结构应力，在设计范围内不影响其结构的完整性及对环境的适应性。胶接连接常见的应用形式有搭接、套接和嵌接。胶接接头的几种形式如图7-54所示。按照胶接的工艺，胶接前会对材料进行表面处理，其主要工序包括：清洗除油和除锈；喷砂或机械加工，使胶接面具有一定的粗糙度，然后使用设备将需要胶接的部位进行涂胶，最后使用设备对胶接部位进行压装。为获得较好的胶接效果，增大胶接面积，提高接头抗冲击和抗剥离能力是设计胶接接头的一般原则。
• 图7-54 胶接接头的几种形式a)板材搭接形式 b)管材套接与斜对接形式 c)型材对接形式胶粘设计要考虑胶接件材料的种类和性质（金属或非金属、刚性或柔性等）、接头使用环境（受力状况、温度、湿度、介质等）、许可的胶接工艺条件（固化温度、压力等），以及胶粘剂的价格等。胶接具有如下优点：①接载荷分布均匀，不易产生应力集中现象，其疲劳强度比铆接高几十倍。②胶接变形小，避免了铆接时受冲击力和焊接时受高温的作用，使得工件不易产生变形，故常用于金属薄板、轻型元器件和复杂零件的连接。③胶接物理性能好，具有良好的密封、绝缘、耐腐蚀等特性，还能得到具有特殊性能（如导电等）的连接，例如有助于材料的阻尼振动，提高减振性能。当然，胶接也具有一些缺点，例如剥离强度低，在湿热、温度变化或冲击工况下失效快，有机胶粘剂易燃且有毒等。7.4.2.4 胶铆复合连接工艺胶铆复合连接是指胶接与铆接的复合连接技术。采用胶铆连接的目的一般是出于破损和安全的考虑，以便得到比只有机械连接或只有胶接时更好的连接安全性和完整性。胶铆复合连接可以兼有机械连接和胶接之长，存在互补的可能性，也可能兼有两者之短。在胶接连接中采用紧固件加强，一方面可以阻止或延缓胶层损伤的发展，提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能；另一方面也有孔应力集中带来的不利影响，且增加了重量和成本。此外，胶接和机械连接的应力集中不在同一部位，胶接连接的应力集中发生在被胶接件端部的胶层和附近的复合材料，机械连接的应力集中发生在孔附近。采用混合连接，一方面使被胶接件端部局部应力集中得到缓和，同时又产生新的应力集中源。采用混合连接是比较复杂的问题，主要与胶接件和被胶接件的强度有关，与紧固件的数量、大小和位置等也有关系。胶接在汽车工业中的应用较为广泛，尽管胶粘有诸多优点，但也有其固有的缺点。比如在相对恶劣的环境下，粘胶剂的连接效果容易受温度和湿度的影响，以及胶接破环形式是突然性开裂，失效时承受的载荷将瞬间为零（脆性断裂）等。这使得胶接在车身结构中应用时存在着安全隐患，故一般将胶铆复合连接应用于车身结构。例如捷豹Jaguar XJ全铝车身、宝马5系、宝马7系车身中普遍使用了胶铆复合连接。新宝马5系铝质防火墙和钢质地板间过渡区域的胶铆复合连接实例如图7-55所示。
• 从目前国内外胶铆的技术发展及应用现状来看，胶铆复合连接的接头强度、刚度、疲劳特性、吸能特性等方面的性能和机理仍有待进一步发展。随着近年来汽车轻量化的需求以及复合材料的应用推广，胶铆复合连接技术因其较适合于非金属与金属以及非金属与非金属间的连接，可能会在未来展现出广阔的应用前景

 7.5 动力蓄电池系统的轻量化技术

• 7.5 动力蓄电池系统的轻量化技术动力蓄电池系统是纯电动汽车的关键核心部件，在质量一定的情况下，其能量密度在一定程度上决定了纯电动汽车的续驶里程，对其进行轻量化设计，有利于降低整车重量，进而为增加电池模组或降低整车能耗提供空间。动力蓄电池系统由电芯、模组、箱体以及其他结构件组成，本节仅从动力蓄电池箱体结构设计方面介绍轻量化技术。7.5.1 动力蓄电池箱体轻量化动力蓄电池系统的主要配件是动力蓄电池箱体（简称电池箱），它作为动力蓄电池的载体，对保护动力蓄电池的安全起到关键作用，而动力蓄电池箱体还必须具备一定的密封性能、防腐性能、抗震性能和耐冲击性能。7.5.1.1 成形工艺铝合金电池箱体的制造工艺主要有压铸、挤压、拼焊和冲压。其中，压铸和拼焊的强度较高，一般用于动力蓄电池下箱体。采用压铸工艺的铝合金箱体可以比传统的箱体减重10%～30%。冲压、拼焊铝一般用于动力蓄电池包的上盖。7.5.1.2 接合方式据统计，纯电动乘用车动力蓄电池包的质量约为150～400kg，有机硅导热灌封胶的使用量大约为20～50kg。现阶段，各厂家生产的有机硅灌封胶均采用氧化铝、硅微粉等导热填料来生产，满足电动汽车动力蓄电池板要求的胶的密度通常为1.8～2.2g/cm3。如果将胶的密度降至1.6g/cm3以下，则同等体积填充下，胶的质量可减少10%～30%。以50kg灌封胶用量计算，则可降低5～15kg。7.5.1.3 结构优化通过对动力蓄电池系统配件进行合理的结构设计，减少材料的使用量，并结合CAE仿真分析，可在配件安全性能不变的情况下达到轻量化目的，比如配件采取中空化、复合化、薄壁化等措施。另外，通过电芯尺寸设计和动力蓄电池包的重新排布可使动力蓄电池箱体体积不变而放置更多数量的电芯，从而提高动力蓄电池系统的能量密度。以某款动力蓄电池箱体为例，其动力蓄电池包CAE优化步骤如图7-56所示。通过CAE技术进行仿真分析与轻量化设计后，动力蓄电池箱总质量为56.33kg，相较于原结构的61.72kg，总质量减轻8.7%。在此基础上，各个工况下的最大应力、最大形变和柔度均降低了25%～30%，其CAE仿真结果原始结构和优化后结构如图7-57所示。

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