纯电动汽车安全与节能技术研究现状

陈家城

摘 要：发展纯电动汽车已成为解决能源、环境问题的重要措施之一，然而纯电动汽车发展还存在安全与节能技术等主要问题和瓶颈，该文针对我国纯电动汽车在安全与节能技术方面的研究现状进行分析，在此基础上得出纯电动汽车的核心技术及主要问题，以期为我国纯电动汽车的发展提供参考和借鉴。

关键词：纯电动汽车 安全 节能技术 研究现状

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（a）-0025-03

全球汽车保有量逐年上升的同时，温室效应等环境问题也日益突出，加之考虑化石能源的日益枯竭，以纯电动汽车为代表的新能源汽车的发展成为最好的选择。纯电动汽车有着无污染、低噪音、高效率以及广泛、几乎无穷尽的能量来源，是未来汽车发展的重要方向之一[1]。19世纪90年代第一辆纯电动汽车诞生以来，在20世纪初第一次达到生产高峰，占领了汽车市场大约40%的份额。随后由于电池技术、纯电动汽车动力不足、电力传动系统制造成本高、汽车电力电子装置技术缺乏等诸多原因导致纯电动汽车技术停滞不前。

汽车电力电子技术的发展，包括高能量密度锂离子蓄电池、锂离子电容器等的发明，以及乘用车电动轮技术的开发和实用化等，促使了第二代纯电动汽车的出现。与第一代纯电动汽车相比，它在充电时间、续航里程、动力性、快速充放电能力等方面取得了很大进步[2]。但纯电动汽车离真正商业化应用仍然存在高压触电隐患、成本高、续航里程短等安全与节能技术的瓶颈和问题。

纯电动汽车在研究过程中，安全系统是十分重要的方面，纯电动汽车在使用过程中面临的安全隐患也较多。如电动汽车在充电或行驶过程中出现碰撞、翻车等事故，可能使得汽车的线路短路、漏电乃至燃烧等安全问题。

该文针对我国纯电动汽车在安全与节能技术方面的研究现状进行分析，在此基础上得出纯电动汽车的核心技术及主要问题，以期为我国纯电动汽车的发展提供参考和借鉴。

1 纯电动汽车安全技术发展现状

纯电动汽车在使用过程中存在的安全隐患较多，具体主要表现在以下几个方面[3]：第一，动力系统高压短路。高压线路短路会造成电池和高压线束的燃烧甚至爆炸，也可能造成高压电漏电，对人们生命造成威胁。第二，发生碰撞或翻车。纯电动汽车在发生碰撞或翻车时，很可能导致高压短路，存在触电、燃烧和爆炸的危险。第三，涉水或遭遇暴雨。纯电动汽车在充电或行驶过程中遭遇涉水时，可能使得高压线路绝缘电阻变小或短路，从而导致电池燃烧、漏液或爆炸。第四，充电时车辆无意识移动。充电时车辆若出现无意思移动，会造成充电电缆断裂，存在触电的危险。第五，车辆扭矩安全。纯电动汽车的动力驱动是电机旋转提供的，电机在驱动和制动过程的旋转方向相反，其工作过程的选择方向受电机控制器控制，存在电机在工作过程中突然改变旋转方向的情况，从而造成安全事故。

纯电动汽车安全防护措施大致有以下几个方面。

1.1 设置高压互锁装置及主继电器

纯电动汽车的安全主要是高压安全，为防止动力系统高压短路，设置高压互锁装置是纯电动汽车采取的最有效措施之一。当高压互锁被断开时，车上人员和维修人员很可能高压触电，所以电池管理系统在检测到各个高压互锁开关断开后，必需立即断开相应的高压触电器，切断高压输出。同时为防止高压触电纯电动汽车中的高压电器部件的接插件都采用IP67的高压防护等级，可以防止高压触电，防水、防尘。

1.2 设置维修开关

维修安全是纯电动汽车安全系统设计的一个重要内容，主要是通过在动力电池上设置安全维修开关来确保在维修作业之前将高压系统断开。当维修开关处于断开时，汽车电力输出就处于中断状态，可以有效地防止出现高压危险。

1.3 绝缘监测

绝缘监测系统的设计是为了避免人员车身人员免遭高压触电的风险。绝缘监测是通过时时监测绝缘电阻的参数来评定高压系统的绝缘性能，一旦监测到绝缘参数指标不符要求时，系统就会将高压系统切断，能有效保证人员安全。

1.4 安装碰撞传感器

汽车在行驶过程中很容易发生如追尾等碰撞交通事故，纯电动汽车发生碰撞时，除了存在传统燃油车的机械伤害外，还存在高压动力电池发生漏电爆炸的危险。纯电动汽车为预防碰撞时产生高压漏电危险，通常是将碰撞传感器惯性开关串联到高压触发器的高压回路中，一旦发生碰撞事故，可以使惯性开关立即断开，或通过碰撞传感器将碰撞信号转变成电信号传送给控制单元由控制器切断高压回路，使得动力电池高压输出自动断开，防止高压触电，保证人员安全。

1.5 设置预充电回路

预充电回路可以有效防止动力电池在充放电初期因为瞬间电压过大而造成高压回路的烧毁，在动力电池在充放电初期预先对电池外部的高压系统进行预充电，降低内外测的电势差。

设置高压互锁及主继电器、绝缘监测、碰撞传感器及预充电回路等安全防护措施功能的实现都是以性能优越的电源管理系统为基础。因此性能优越的电源管理技术对电动汽车安全性上有着至关重要的作用。

2 纯电动汽车节能技术研究现状

纯电动汽车技能技术主要包括制动能量回收技术、电机控制策略等。

2.1 制动能源回收技术

制动能量回收技术提高了能量的利用率，是新能源汽车实现节能减排的重要手段之一。根据制动能量回收硬件系统方案，制动能量回收控制策略可以分为并联控制策略和串联控制策略。串联式再生制动优先使用电机制动力，当制动力不足时再使用液压制动力进行补偿，再生制动能量回收率相比较于并联式较高。

纯电动汽车制动能源回收控制策略必須考虑车辆的安全性、经济性和舒适性。为了兼顾能量回收和纯电动汽车的安全性和经济性等，近年国内外学者也做了大量的研究。如初亮[4]等，提出了一种基于全解耦式制动系统构型的串联式再生制动控制策略，通过模拟仿真，得到车辆在小强度制动时，可以充分利用制动力进行能力回收。而在中高速大强度制动时，则可以对电机制动力矩进行限制，提高车辆制动稳定安全性的结论。陈赞[5]提出了采用制动力矩再生制动策略来回收制动能量。王若飞[6]等，通过建立再生制动系统的升压和降压数学模型和仿真模型，分析了再生制动系统的约束条件，提出了以驾驶员驾驶感觉和制动稳定性为首要目的的恒定再生制动力矩控制策略。赵青青[7]等，提出了四轮电机轮毂驱动控制策略，在ADVISOR中建立制动能量回收仿真模型，得到制动中能量回收效率达到48.2%。陈燕[8]等，则以制动强度为依据划分制动模式，提出了以电子制动力分配技术（EBD）来分配前、后轴制动力的电动机制动与机械制动的协调控制策略方法，通过模型仿真分析，得到该控制策略方法不仅可以提高制动能量回收效率，还可以有效防止车轮在低附着路面上抱死，保证车辆的稳定性和安全性。方亚洲[9]等，采用模糊控制策略分配驱动轮再生制动力，使用遗传算法对模糊控制器隶属度函数进行优化后，进行仿真实验，结果表明经过遗传算法优化的模糊控制器能明显提高再生制动能源的回收效率。

2.2 电机控制策略研究

电机控制器是一种将直流逆变为交流的驱动装置，调制技术的重要指标是对直流电压的利用率。合适的电机控制策略可以提高电机的工作效率和能源的利用率，减少能量的消耗，是纯电动汽车节能技术的关键技术之一。传统的比例积分控制策略因结构简单和对线性问题控制的有效性而得到较为广泛的应用，但存在对变化参数和非线性问题的有效控制不足的缺陷。因此寻求有效的智能控制算法成为电机控制策略研究的热点。

王悝[10]采用了模糊控制策略对无刷直流电机进行控制，虽能有效地处理非线性问题，但实时跟随效果不佳。李琳[11]提出了基于径向基核函数神经网络的电机控制策略，能有效提高控制精度和响应速度，但存在处理数据时会出现数据病态问题的不足。陈燎[12]等设计了一种基于向后传播算法模糊神经网络的PI控制器，能较好实现对目标车速的精确跟随，降低能量损耗。周衛明[13]等，设计了一款以TMS320F2812为核心的控制系统，能够实时调控电机转动，通过占空比实现高精度转速调节，具有响应速度快，转速稳定，稳态误差小的优点。陈庆[14]等，则以TMS320F28035为控制核心，采用48 V的低压电机作为驱动电机，设计了纯电动汽车的电机控制器及转子磁场定向矢量控制系统，提高了电动汽车安全性，实现电动汽车运行过程中能提供尽可能大的转矩和较高的能量利用率。

3 纯电动汽车的核心技术和主要问题

纯电动汽车的核心技术包括电池系统集成、能量管理技术、高速减速器技术、动力驱动系统总成匹配技术、充变电技术等[15]。电机驱动系统对保证电机在复杂恶劣环境下安全有效的正常工作有着至关重要的地位。驱动电机的关键技术有驱动电机及其控制技术、高性能材料和电力电子元件等。

驱动电机技术及控制技术主要采用国内外合作开发的方式，目前驱动电机技术基本能满足需求。电机控制策略国内外学者都有大量研究，很多的控制策略方法通过仿真模拟都能达到较佳的水平，但实际应用过程中由于受到电力电子器件、总线通讯模式等控制技术的影响，还存在控制的可靠性还有待提高的问题。

因此，纯电动汽车的“三电”核心技术中，电控技术的控制精度的提高是关键。其存在的主要问题有以下几种。

（1）核心部件、原材料的研发不够。如高性能高精度传感器技术、功率驱动模块、高速轴承等产品主要依托进口。

（2）电池、电机产业在制造工艺、自动化生产、可靠性及成本控制上都有待提高。

（3）能够满足复杂路况需求的电机控制系统、电机控制策略有待进一步研究，提高控制精度，真正使纯电动汽车实现安全、节能。

4 结论

纯电动汽车是汽车产业发展的一大趋势，本文从纯电动汽车发展的安全与节能技术方面切入，通过对纯电动汽车安全与技能技术的现状及最新研究分析，得出以下结论：

（1）性能优越的电源管理系统是现阶段电池性能不足的补充，在电动汽车安全性上更有着至关重要的功用。

（2）驱动电机的相关技术相对成熟，但适应与复杂路面工况的电机控制系统、控制策略实现高精度的、安全节能的控制仍然有较大的提升空间。

（3）新技术、新材料的研发应用对电动汽车的发展有着重要的作用，可能从根本上解决相关难题。

参考文献

[1] 李飞泉，田玉冬，邬建海.纯电动汽车核心技术发展状况[J].汽车电器，2016（8）：6-9，13.

[2] 李修权，李天魁，岳鑫，等.纯电动汽车在中国的发展[J].地球，2016（2）：375.

[3] 刘科铭.纯电动汽车安全系统设计[J].科技创新与应用，2016（11）：139.

[4] 初亮，何强，富子丞，等.纯电动汽车再生制动控制策略研究[J].汽车工程学报，2016，6（4）：244-251.

[5] 陈赞.纯电动汽车制动能量回收控制[D].广西科技大学，2015.

[6] 王若飞，高立新，赵明，等.纯电动汽车制动能量回收控制策略研究[J].北京汽车，2015（5）：32-36.

[7] 赵青青，孟旭.基于ADVISOR的电动汽车制动能量回收系统研究[J].黑龙江科技信息，2016（4）：16.

[8] 陈燕，贝绍轶，汪伟，等.基于EMB与EBD的电动汽车制动能量回收系统研究[J].现代制造工程，2016（12）：62-66.

[9] 方亚洲，邢皎玉.纯电动汽车再生制动遗传算法优化的模糊控制策略的实现与仿真[J].北京汽车，2016（3）：11-14.

[10] 王悝.基于模糊控制的纯电动汽车无刷直流电机驱动系统的研究[D].武汉理工大学，2011.

[11] 李琳.基于RBF神经网络无刷直流电机控制系统的基础研究[D].淮南：安徽理工大学，2015.

[12] 陈燎，丁猛，盘朝奉.BP模糊神经网络纯电动汽车电机控制[J].河南科技大学学报：自然科学版，2016，37（4）：32-35，40.

[13] 周卫明，张向文.纯电动车用无刷直流电机控制系统的设计[J].桂林电子科技大学学报，2016，36（5）：391-395.

[14] 陈庆，魏丽君，熊异.基于DSP和弱磁控制算法的纯电动汽车电机控制系统[J].微特电机，2016，44（5）：48-51.

[15] 王大江.纯电动汽车电机驱动系统及控制技术研究[D].北京：北京信息科技大学，2015.