嵌入式电子系统如何使 E 级电动方程式赛车成为可能

第 2 部分(共 3 部分)
简介

系列的第一篇文章讨论了电动汽车(EV)设计者们所面临的一些基本限制和挑战。本文讨论了电动汽车(BEV)和 E 级方程式赛车的几个关键部件,以及它们之间的区别。本文还概述了瑞萨电子工程师为马恒达车队 (Mahindra Racing) 的冠军电动赛车所做出的宝贵技术贡献。

EV 是如何制造的

EV 的基本功能是某种形式的电能储存以及用于电机部件、电机、功率控制器、传感器和再生制动技术的电能充电和转换的方式。EV 的性能极限取决于所有这些方面,且经过 E 级方程式车手的不断测试 [1]。

虽然与内燃机车辆相比,电动汽车可能看起来很简单,但要使电动汽车获得最佳性能需要极其复杂的工程和设计。

虽然与内燃机车辆相比,电动汽车可能看起来很简单,但要使电动汽车获得最佳性能需要极其复杂的工程和设计。

电机、再生制动和变速箱(动力系统)

电动汽车的动力系统将储存的电能转换成可用的机械能以驱动车轮。

电动汽车的动力系统将储存的电能转换成可用的机械能以驱动车轮。

电机将电能转化为机械旋转能。电机由一个静止的定子和大型绕组构成,这些绕组产生的磁通与旋转转子部件中的分布式磁体相呼应。当定子线圈通电时,这些线圈产生的磁通迫使转子的磁铁转动。电机也能反向工作,也就是说,当未加电能的运转电机抵抗旋转时,可以产生电能,这种方法被称为 EV 的再生制动。

EV 有诸多类型的电机,但最常用的是三相交流电机。为实现最佳性能,不同的电机类型在供电方式和控制方式上存在一定差异。

无论何种电机类型,变速箱都用于连接旋转电机轴,并有效地将旋转机械能传递给传动系统。大多数电动汽车只使用一个档位,或者变速箱中只有几个档位,因为 EV 中的电机即使达到数万 RPM 的转速也能高效运转。这与 ICE 有很大的不同,后者的功率曲线被限制在1500 到 6000 RPM 转速之间,需要几个复杂的传动齿轮才能有效地工作。由于电机的效率可达到 90% 以上(与再生制动结合使用),而 ICE 车辆的效率在实际应用中通常被限制在 25% 到 50% 之间,因此效率的划分也很复杂。

马恒达车队 M5Electro E 级方程式赛车采用横向安装的三相交流电机,以实现最佳的功率和效率。

马恒达车队 M5Electro E 级方程式赛车采用横向安装的三相交流电机,以实现最佳的功率和效率。

大多数商用 EV,甚至是 E 级方程式赛车的变速箱都只有一个档位,比 ICE 汽车所需的多齿轮变速箱要简单得多,效率也高得多。

大多数商用 EV,甚至是 E 级方程式赛车的变速箱都只有一个档位,比 ICE 汽车所需的多齿轮变速箱要简单得多,效率也高得多。

电能储存和充电器

电能储存技术(通常被视为 EV 性能的最大有利因素同时也是最大限制因素)是为电动汽车电机提供和传输电力的技术。电能储存技术种类繁多,如超级电容、化学电池、固态电池等。每种电能储存设备类型在容量、重量、效率、功率密度、成本和商业可行性方面的表现各不相同。在这些储能类型中,锂离子(Li)化学电池目前在性能和商业可行性方面提供了最实用的平衡[2]。

目前用于电动汽车的的五种锂电池化学成分组成是锂镍钴铝(NCA)、锂镍锰钴(NMC)、锂锰尖晶石(LMO)、钛酸锂(LTO)和磷酸锂(LFP)。每种锂化学物质组成都各有利弊,例如安全性、比功率、功率密度、成本和寿命。

大多数电动汽车使用锂离子电池的一些化学变型来储存电能。这包括使用标准化 54 kWh 锂离子电池组件的 E 级方程式赛车。

大多数电动汽车使用锂离子电池的一些化学变型来储存电能。这包括使用标准化 54 kWh 锂离子电池组件的 E 级方程式赛车。

EV 锂离子电池组件由数千个通过电连接、控制和热管理的小电芯组成。

EV 锂离子电池组件由数千个通过电连接、控制和热管理的小电芯组成。

EV 电池通常由数千个电芯组成,这些电芯又组合成更大的组件。其原因在于,锂电池的尺寸、工作电流和工作电压在实际应用中限制,且制作电池组件是以最小的空间和重量制造具有更大能量密度和工作电压的电池的最有效方法之一。电池最好能在高电压下充电和放电,因为随着电压的增加,达到所需功率需要的电流量减少。电流的大小决定了导体内的电阻损耗,因此也决定了传导过程中产生的热量。因此,大多数 EV 电池都采用数百伏的电压。

正如 EV 电池通过放电来为 EV 提供动力一样,它也必须经历一个充电周期,以便为 EV 之后的运行提供电能。EV 电池的充电技术取决于 EV 充电电子装置的类型和 EV 电池的电池管理系统 (BMS)。BMS 是一种用于确保电池始终保持安全和平衡的技术。尤其是对于锂电池,BMS 对于充电安全至关重要,因为不平衡或快速充电可能导致不受控制的充电、电荷分布不平衡、化学损伤和可能导致灾难性电池故障的热失控。通常,EV 要么包括带有使用墙壁插座充电的车载 AC/DC 转换器,要么设计为使用高压直流充电器在 EV 外部进行交流到直流的转换。就 E 级方程式赛车而言,因为它们不是普通家用电动车,每盎司的多余重量都会产生影响,所以并不包括车载充电设备,而只使用外部转换器和充电电路。然而,E 级方程式赛车的锂电池仍然受到 BMS 的保护。

转换器

用于电动汽车的 DC/AC 逆变器和 AC/DC 转换器是一种高功率电子组件,能够承受电动汽车电池的极高功率放电,或(潜在的)更极端的 EV 充电功率。电动汽车的充电功率范围从 1.5 kW 的标准美国家用插座到 400 kW 的极快充电器。基于 230-240 VAC 30A 两极插座,大多数房屋的充电功率被限制在大约7kW。家用插座充电(类型 2)要求 EV 有一个车载 AC/DC 转换器,以将家用交流电转换为 EV 电池所需的适当直流电压。

典型的直流快速充电器功率为 50 kW 到 200 kW,或电压为 400 VDC 到 600 VDC、最高电流为 300 A不等。这些类型的充电器需要非常复杂的电动汽车 BMS 和充电器内部的电力电子装置。由于 EV 车主可能希望在充电方式上具有灵活性,因此诞生了汽车工程学会(SAE)的联合充电系统(CCS)标准,可同时支持交流和直流充电模式(SAE J1772 CCS)。

M5Electro 电动赛车使用安装在车尾碳纤维外壳内的碳化硅(SiC)开关逆变器。

M5Electro 电动赛车使用安装在车尾碳纤维外壳内的碳化硅(SiC)开关逆变器。

逆变器

对于三相交流感应电机(常用于高性能 EV),需要一台大功率的逆变器将直流电池电源转换为三相交流电来为电机供电。E 级方程式正是如此,它是 E 级方程式团队通过集成更高性能电子设备以获得优势的关键领域之一。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装置来优化开关逆变器的运转状态,以防止高电流和/或尖峰电压,同时保持高效率。

辅助电池

此外,通常还有一个额外的 DC/DC 转换器其将来自 EV 主电池的高压 DC 转换为辅助电池的低压。当主电池未激活时,此辅助电池可运行 EV 的基本功能。当主电池处于工作状态时,辅助电池是关键功能的一部分,可确保车辆安全系统即使在主电池发生故障时也能正常工作。

这是马恒达车队从与瑞萨电子的合作中获益的一个关键领域。作为合作的一部分,瑞萨电子设计并制造了一款低压 EV 电池 BMS 和监控模块,提高了马恒达车队 E 级方程式赛车的安全性和效率,并且可能是 E 级方程式赛车的首个此类系统。

定制设计的(瑞萨电子)低压电池管理模块。

定制设计的(瑞萨电子)低压电池管理模块。

传感器与嵌入式电子系统

具有诸多必要和有益的传感器系统,有助于确保安全并提高 EV 的运行效率。其中一些包括热量、电流、电压、冲击/振动、磁通位置/强度、速度、加速度传感器等。这些传感器的质量及其可靠性是 EV 性能的关键因素。虽然 EV 可以通过直接使用踏板进行操作,但是使用更复杂和智能的系统会使操作更加高效和安全。此种精密度支持高级驾驶功能,例如更高的行驶效率、自动驾驶功能和可预防事故和伤亡的开创性安全功能。因此,这些用于控制和智能功能的传感器和嵌入式电子系统必须达到极端的汽车标准,这一点至关重要。

总结

这一部分(共三个部分)深入探讨了电动汽车的内部工作原理,并对商用电动汽车和 E 级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汽车中的基本嵌入式电子系统如何使这些令人惊叹的新型汽车成为可能。

 

第 1 部分:E 级电动方程式赛车的研制

第 3 部分:嵌入式电子系统为 E 级电动方程式赛车助力