增程式电动汽车电气架构分析

摘 要：为了提升电动汽车电气零部件的通用性，对比了当前热门的三种电动汽车类型，选择车辆结构较为复杂的增程式电动汽车为对象，分别对增程式电动汽车的通信电气架构和动力电气架构进行了分析，根据当前实际情况与未来发展要求，提出了一种关于电动汽车电气系统的发展设想，目的在于统一增程式电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车的电气结构，促进电动汽车更快一步的发展。

1 前言

电动汽车是未来汽车的发展方向，然而目前大多数混合动力汽车和电动汽车都是在内燃机汽车的基础上改装而成，并未从底层进行电气化设计。而电动汽车与内燃机汽车从根本结构以及电气需求上是不同的，这样的改装不利于电动汽车的发展。因此搭建电动汽车电子电气架构，建立电动汽车电气化标准，能够为实现电动汽车零部件规模化生产、降低成本起到良好的促进作用。

电动汽车电子电气架构主要包含两部分，一是通信电气架构，即信号传输系统。目前汽车上广泛使用的CAN总线诞生于20世纪80年代，用于解决当时汽车上出现越来越多的电子系统所造成的总线庞大问题。然而未来汽车传感器与控制单元间的数据传输量会大幅提升，CAN总线将难以应对未来汽在各方面的需求[1]。因此需要一种新的车用现场总线以适应汽车的发展要求。

二是动力电气架构，也称为高压电气架构。相比于传统汽车12V与24V电气架构，电动汽车动力电气架构在安全性、密封性等方面提出了更高的要求。同时电动汽车动力电气架构还需要具有较强的扩展能力，能够兼容各种类型的电动汽车，如纯电动汽车、增程式电动汽车、太阳能电动汽车、燃料电池汽车等。

在2018年发改委下发的《汽车产业投资管理规定（征求意见稿）》中，明确将增程式电动汽车与纯电动汽车、燃料电池汽车一起列为纯电动汽车投资项目，提高了增程式电动汽车的关注度。由于增程式电动汽车的结构比纯电动汽车和燃料电池汽车都复杂，因此本文着重以增程式电动汽车进行研究。

2 通信电气架构

电动汽车的发展并不仅仅是电池、电机与电控等系统的发展，电动汽车同样带动了自动驾驶汽车和智能网联汽车的发展，这样的发展又对汽车的通信电气系统提出了新的要求。

汽车通信电气系统现阶段主要指车用现场总线，是各种传感器、控制单元以及执行器互联的通信网络。目前常用的车用总线有CAN总线、LIN总线、FlexRay总线、MOST总线和车载以太网（Ethernet）等 [2-5]，这些几种总线的性能特点如表1所示：

表1 钢管断裂处实物图

LIN总线采用单线通信，成本较低，主要用于玻璃升降、灯光、雨刮等系统。CAN总线采用双绞线通信，又分为低速CAN和高速CAN，低速CAN传输速率为125kb/s，主要用于仪表、防盗等；高速CAN传输速率为500kb/s，主要用于发动机控制、制动ABS等系统；CANFD总线是CAN总线的基础上发展的高带宽模式，通信速率最大可达5Mb/s。FlexRay总线采用双通道通信，每条通道的速率为10Mb/s，双通道可以传输相同数据以提升准确性和安全性，也可以传输不同数据以提升速率，主要用于地盘控制。MOST总线采用塑料光纤通信，成本较高，用于多媒体系统、GPS导航等。车载以太网采用双绞线进行通信，目前在汽车领域缺乏统一规范，还处于发展阶段。

随着高级驾驶辅助系统和智能网联汽车的逐步发展，车辆上各种传感器及控制器数量越来越多，CAN总线已显现出无法应对的趋势。目前以太网通信逐步进入汽车领域，然而现阶段车载以太网通信协议尚未完善，其成本依然偏高。因此当前可行的方案是以当前较为成熟的CAN总线为基础，逐步向以太网过渡，一方面挖掘目前应用广泛的通信协议CAN总线的技术潜力，另一方面完善适应未来汽车要求的以太网技术规则，形成CAN-以太网混合通信架构[6]-[7]，如图1所示：

图1 CAN-以太网混合通信架构

在该通信电器架构中，保持现有高速CAN总线不变，将LIN总线替换为低速CAN总线，FlexRay总线替换为CANFD总线，MOST总线替换为以太网，在高级驾驶辅助系统和车辆网方面应用以太网，以此形成一种CAN-以太网混合通信电气架构。

然而这种混合型架构仅仅是一种在满足功能需求与降低成本之间综合考量的产物，是一种过渡时期的通信电气架构。随着以太网总线在汽车上逐步扩大应用，其成本必然下降，可逐步将混合架构中的CAN总线替换为以太网总线，增强动力系统以及底盘动作的响应速度，以提升车辆的操控性和安全性，同时满足未来汽车对于现场总线高传输效率、高安全性的要求。同时与外接通信的对接更容易形成“人、车、路”协同通信网络，为智能交通奠定基础。

3 动力电气架构

目前世界各国都在鼓励新能源汽车的发展，然而对于新能源汽车的发展之路并未达成共识。对未来汽车发展方向的预测主要分成两派，一派是以美国特斯拉为代表的纯电动汽车；另一派是以日本丰田为代表的氢燃料电池汽车。纯电动汽车结构简单，但行驶里程受需电池能量密度的限制，行驶里程短且重量较大，同时充电时间长；氢燃料电池汽车没有行驶里程的缺陷，单次加氢时间与燃油车相当。但燃料电池和储氢罐的成本高，加氢站的建设成本也比充电站要高[8]。这两种未来的新能源汽车实际上与增程式电动汽车一样，都是以电动机为唯一动力源的汽车。在目前汽车发展道路并不明朗的情况下，可以优先发展电动汽车的电机、电控等部分，并尽早统一电动汽车标准，带动其他部分的发展。

借鉴燃油汽车的电气架构，汽油车采用12V电气系统，车上其他电子部件严格遵照电气架构进行设计制造，有利于统一规格和大批量生产。车上启动电机、喷油器、电磁阀等大部分机构均以12V电压为工作电压；而火花塞工作电压能达到上万伏，是用12V电压经过点火线圈所形成的；大部分传感器如温度、压力传感器等工作电压为5V，也是用12V电压通过发动机控制单元转换而成。由此可见，有了统一的电气架构，汽车的设计以及功能扩展变得更加容易，促进了汽车电气化的发展。

目前欧洲正在推行48V电气系统，美国也在研究90V电气系统，然而这些电气架构仅用于混合动力车型，能够使用启动发电一体机、电动涡轮增压器等装置，并不适合电动汽车[9]。博世、德尔福等汽车零部件供应商也在着力发展新能源汽车电气架构，如表2所示。但到目前为止，电动汽车仍没有统一的电气架构标准，各大汽车制造商和零部件供应商仍处于摸索阶段，都在研发适合自己本公司体系的电动汽车架构，然而这样做容易造成社会资源浪费，并且不利于电动汽车的迅速发展，因此有必要为电动汽车建立标准。

表2 德尔福新能源汽车动力电气参数

图2为纯电动汽车、氢燃料电池汽车和增程式电动汽车架构示意图。图中直流母线与其他功率型器件通过功率变换器相连，直流母线电压不依赖于储能装置的电压及容量，也可以与驱动电机的额定工作电压相分离，因此在电动汽车动力电气架构中母线电压的设置上具有较大的灵活性 [10]。一旦各方对直流母线电压达成一致，功率型器件的生产厂家可以将器件与功率变换器集成为一体，减少整车生产商的工作量，同时形成标准的零部件供应体系，则电动汽车动力电气架构可基本达成，进一步降低零部件成本，促进电动汽车行业的发展。

图2 三种电动汽车架构

从图2可以看出，三种电动汽车架构只有左侧部分有差异，其他电气设备相同。纯电动汽车结构简单，蓄电池容量最大，由外接电源供电；燃料电池汽车由燃料电池发电，蓄电池容量较小，用来平衡燃料电池输出功率与需求功率的差值，同时可以回收制动能量；增程式电动汽车结构最复杂，包含增程器、超级电容器、蓄电池，由外接电源供电，但增程器、超级电容器、蓄电池功率及容量均较小，成本较低。也就是说这三种电动汽车中大部分零部件都是通用的，无论今后汽车朝哪个方向发展，总体构造并不会有太大的差异，因此构建电动汽车电气架构具有前瞻性意义。

建立直流母线电压标准，其他电气设备可参照标准进行设计，整合功率变流器及其他附属器件，有利于电气设备的规模化、集成化生产，降低电动汽车成本，促进行业发展。

目前各大汽车厂家对于电动汽车并没有统一的母线电压标准，甚至相同厂家的不同车型电压也不一样，通常将电池组电压作为车辆的母线电压，也有将主电机额定电压作为母线电压，通用性较差。如丰田普锐斯混合动力汽车蓄电池电压为直流201.6V；日产Leaf电池电压为350V，三菱i-MiEV电池电压为300V，特斯拉Model S电池电压为400V，比亚迪秦电池电压为460.8V（混动版）和633.6V（电动版）等。从以上数据可以看出，各个车型电压并不统一。由德尔福统计的电动汽车电气要求发展趋势（图3）也可以看出，随着电动汽车电气化程度的提升，电压呈上升趋势。电压升高有两个好处，一是能量/功耗损失小，二是电机驱动效率更高。但提高母线电压会导致保险丝等保护器件以及IGBT等功率器件成本提升，因此选择合适的母线电压需要以当前技术条件为基础。

图3 电动汽车电气要求发展趋势

在国标 [11]中要求直流母线电压取以下等级：36V、48V……600V、650V、700V、750V等。由于标准电压过多，没有形成较强的约束力，对目前电动汽车设计的指导意义有限。接口功率变换器中IGBT元件的工作电压等级大体分为600V、1200V、1700V、2500V、3300V等，考虑到IGBT关断时的冲击电压，一般IGBT的额定电压要高于直流母线电压约两倍 [12]。因此，电动汽车的母线电压可选为约350V、600V、750V、1300V、1500V等，考虑到目前电动汽车电池电压的发展现状，可以将母线电压标准定为600V，形成一整套基于该电压的零部件供应体系。当前广泛使用的12V零部件系统可通过接入600V/12V变压模块实现通用，以充分降低电动汽车的成本。

鉴于各种车辆所需不同的动力电池容量以及驱动电机功率，考虑到电动汽车与传统汽车动力结构的不同，其动力电池与驱动电机同样可以制定标准，形成一套严格的系统。针对不同大小的车辆，在同一辆车上布置多个动力电池包以及多个驱动电机，以满足车辆对电池容量与驱动功率的提升，更进一步发展电动汽车模块化设计，降低生产成本。

4 结论

电动汽车的快速发展给汽车行业注入了新的活力，但就目前情况而言，电动汽车仍然是在传统内燃机汽车的基础上进行修补，无法充分发挥电动汽车的优势。因此需要从底层架构层面入手，设计适合目前技术条件与需求的电动汽车。

本文从通信电气架构和动力电气架构两方面，分别描述了当前电动汽车的现状及需求，并以此为基础引申出技术革新路线。在通信电气架构方面，建立以太网为主、兼容CAN总线协议的CAN-以太网构架，在高级驾驶辅助、智能网联、多媒体等新型领域使用以太网通信，通过复合网关兼容传统汽车动力、车身及地盘系统的CAN总线控制。

在动力电气架构方面，建立母线电压600V的标准电气系统，其他能量元件与功率元件通过功率变换器与直流母线相连，同时兼容传统汽车12V电气系统。

参考文献：

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