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嵌入式电子技术如何助力电动方程式赛车

2019-12-04
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简介

本系列的首篇文章论述了电动车(EV)设计者面临的一些基本局限与挑战。本文将讨论电池电动车(BEV)和电动方程式赛车的几个关键部件,以及它们之间的区别;此外还概述了瑞萨电子工程师为马恒达优胜车队的电动赛车所做出的宝贵技术贡献。


如何打造电动车


电动车的基本功能是通过某种形式的电能储存、充电和转换,以供电动机相关部件、电动机、功率控制器、传感器和再生制动技术使用。电动车的这些参数共同确定了电动车的性能极限,并不断在电动方程式赛车上进行测试。


说明:
虽然与内燃机(ICE)车辆相比,电动车看起来很简单,但要获得最佳性能,需要极其复杂的工程和设计。


电动机、再生制动与变速箱(动力传动系统)


电动机把电能转换成转动机械能。电动机由一个静止的定子和大的绕组组成,这些绕组产生的磁通量与旋转转子部件中分布的磁通量相斥。当电能作用于定子线圈时,这些线圈产生的磁通量迫使转子的磁铁转动。电动机也同时反向工作,也就是说,当电动机抵抗旋转时,没有电能的汽车电动机将产生电能,这种方法被称为电动车的再生制动。


说明:
电动车的动力系统,是将所储存的电能转换成可用机械能,从而驱动车轮的系统。


电动车有多种类型的电动机,但最常用的是三相交流电动机。根据电动机的类型,这些电动机的动力和控制方式存在一定的差异,以实现最佳性能。


说明:
马恒达车队M5Electro电动方程式赛车使用横向安装的三相交流电机,以获得最佳的功率和效率。


无论电机类型如何,变速器都用于连接旋转的电机轴,并有效地将旋转机械能传递给传动系。大多数电动车变速箱只使用一个或几个档位,因为电动车中使用的电动机通常能有效地运行到数万转/分钟,这与内燃机车辆的功率曲线非常不同——内燃机功率曲线的转速限制在1500到6000转/分之间,需要几个复杂的变速档位才能有效工作。这种效率的划分也很复杂,因为电动机的效率可以达到90%以上(与再生制动结合使用),而实际存在的障碍通常将内燃机发动机的效率限制在25%到50%之间。


说明:
大多数商用电动车,甚至是电动方程式赛车的变速器都只有单个档位,这比内燃机车辆所需的多档位变速器要复杂得多,但效率也高得多。


电能储存及充电器


电能存储技术(通常被认为是电动车性能的最大推动因素,同时也是最大的限制因素)是为电动车的电机提供电能的关键。电能存储技术种类繁多,如超级电容器、化学电池、固态电池等。每种电能存储类型在容量、重量、效率、功率密度、成本和商业可行性方面表现出不同的特点。在这些类型中,锂离子(Li)化学电池目前在性能和商业可行性方面达到了最实用的平衡。


目前用于电动车的五大锂电池化学成分是锂镍钴铝(NCA)、锂镍锰钴(NMC)、锂锰尖晶石(LMO)、钛酸锂(LTO)和磷酸铁锂(LFP)。每种锂化学物质的特性各有权衡,例如安全性、比功率、功率密度、成本和寿命。


说明:
大多数电动车使用锂离子电池的一些化学变体来储存电能。这包括使用标准化54千瓦时锂离子电池组的电动方程式赛车。


电动车用电池通常是由数千个微型电芯组成一部大型电池组。其原因是锂电池的尺寸、工作电流和工作电压都存在实际的限制,而电池组是在最小的空间和重量内实现更大功率密度及工作电压最有效的方法之一。我们还希望电池能在高电压下充电和放电,因为如果电压增加,提供一定功率所需的电流量随之减少,电流的大小决定了导体内的电阻损耗,也由此决定了传导过程中产生的热量。因此,大多数电动车电池的设计工作电压为数百伏。


说明:
锂离子电动车电池组由数千个小电芯组成,这些电池通过电气方式连接、控制和实现热管理。


正如电动车电池通过放电来为其提供动力一样,它也必须经历一个充电的过程,以便在车辆运行中得以使用。电动车电池的充电技术取决于电动车充电电子设备的类型和电池管理系统(BMS)。BMS是一种旨在确保电池始终保持安全和平衡的技术。尤其对于锂电池,电池管理系统对充电安全至关重要,因为不平衡或快速的充电过程可能导致充电不可控、电池组充电不平衡、化学损伤和可能引起灾难性电池故障的热失控。一般来说,电动车要么包括用于壁式充电的车载AC/DC转换器,要么设计为使用高压直流充电器进行外部的AC-DC转换。电动方程式赛车并非为普通家庭设计,其每盎司的重量都可能会影响到到整体性能,因此没有车载充电设备而依赖外部转换器和充电电路。不过,电动赛车的锂电池仍然受到BMS的保护。


转换器


电动车的DC/AC逆变器和AC/DC转换器作为大功率电子组件,设计用于承受电动车电池放电的极端功率,或充电过程中的(潜在)更极端功率。电动车的充电功率范围从正常美国家庭插座的1.5千瓦到极速充电器的400千瓦不等。基于230-240伏30A交流电两极插座,大多数房屋的充电功率限制在7千瓦左右。家庭充电(类型2)要求电动车内部配有AC/DC转换器,将家用交流电转换为电动车电池所需的直流电压。


说明:
M5Electro电动赛车使用碳化硅(SiC)开关逆变器,安装在碳制后盖内。


典型的直流快速充电器从50千瓦到200千瓦功率,或从400伏到600伏电压不等,电流可达300安。这些类型的充电器需要非常复杂的BMS和充电器本身的电力电子设备。由于电动车车主可能希望在充电方式上具有一定灵活性,因此根据汽车工程学会(SAE)的联合充电系统(CCS)标准,可同时启用交流和直流充电模式(SAE J1772 CCS)。


逆变器


对于高性能电动车常用的三相交流感应电动机,需要一部大功率逆变器来将直流电池电源转换为三相交流电源。这就是电动方程式赛车所采用的方式,它是电动方程式车队通过整合性能更佳的电子产品而获得优势的关键之一。然而,这是一项具有挑战性的壮举,因为需要复杂的电子控制设备来优化开关逆变器的性能,以防止高电流和(或)电压尖峰,同时保持高效率。


辅助电池


除此之外,车辆通常还配有一部附加的DC/DC转换器,用于将主电池的高压直流电转换至低压辅助电池。当主电池不工作时,辅助电池可执行操作电动车的基本功能;当主电池激活时,辅助电池也是车辆关键功能的一部分——即在主电池发生故障的情况下,仍能确保车辆安全系统正常工作。


说明:
定制设计(瑞萨电子)的低压电池管理模块


借助与瑞萨电子的合作,马恒达车队在这一关键领域受益匪浅。作为合作的一部分,瑞萨电子设计并制造了低压电动车电池BMS和监控模块,提高了马恒达车队电动方程式赛车的安全性与效率,这很可能是电动方程式赛车有史以来首次采用此类系统。


传感器和嵌入式电子设备


许多必要和有益的传感器系统都有助于确保安全并提高电动车的运行效率;其中包括温度、电流、电压、冲击/振动、磁通量位置/强度、速度、加速度等传感器。这些传感器的质量和可靠性是影响电动车性能的关键因素。虽然电动车可以通过踏板来直接操作,但采用更复杂和智能的系统会让车辆更加高效与安全。此种级别的复杂度会助力先进的驾驶功能,如更高的行驶效率、自动驾驶车辆功能,和前沿的安全功能,从而防止事故和伤亡。因此,至关重要的是,这些传感器和用于控制智能功能的嵌入式电子设备必须达到极端严格的汽车标准。


结论

本文作为三篇系列技术文章的一部分,深入研究了电动车的内部工作原理,并对商用电动车和电动方程式赛车进行了比较。本系列的最后一篇文章将详细介绍电动车中的嵌入式电子设备如何使这些令人惊叹的新型汽车创造成为可能。


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