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深度解读:电动汽车平台发展历程、研究现状与发展趋势

发布日期:浏览量:857

导读:各大传统车企为了争夺纯电动汽车市场的战略制高点,纷纷针对纯电动汽车开发专属平台,不断提升产品竞争力,加快产品迭代速度。近一年来,国内外主机厂密集发布全新高端智能化电动平台和车型,大众的MEB、奔驰EVA、通用的Ultium电动车平台、现代E-GMP、日产雷诺CMF-EV、丰田E-TNGA,吉利的SEA浩瀚架构、上汽智己iO平台、长安C385平台、比亚迪e3.0等。

广汽GEP纯电专属平台

一、前言

“平台化”的整车开发策略已经广泛应用在汽车产品设计制造过程中,通过平台化实现更高集成度和零部件共用率,降低开发成本、缩短开发周期、减少零部件数量,共用工艺装备和流程。
各大传统车企为了争夺纯电动汽车市场的战略制高点,纷纷针对纯电动汽车开发专属平台,不断提升产品竞争力,加快产品迭代速度。
近一年来,国内外主机厂密集发布全新高端智能化电动平台和车型,大众的MEB、奔驰EVA、通用的Ultium电动车平台、现代E-GMP、日产雷诺CMF-EV、丰田E-TNGA,吉利的SEA浩瀚架构、上汽智己iO平台、长安C385平台、比亚迪e3.0等。

二、电动汽车平台发展历程、研究现状与发展趋势

2.1 电动汽车平台发展历程

电动汽车平台的发展经历了三个主要的发展阶段[1]。

(1)第一阶段:传统油改电时代,也叫Adapted Electric Platform(AEP)。

纯电动汽车发展初期,产品性能无法满足消费者需求,销量几乎以探索性为主,为降低整车开发成本和周期,快速获得车型产品,主机厂采用从传统燃油车平台改造的方式进行纯电动车开发。
AEP平台的主要缺点显而易见:地板不规整,动力电池可布置空间小,续驶里程短;侵占乘员舱空间,人机工程差;整车碰撞安全传力路径对动力电池和乘员舱保护不足,结构优化空间有限;整车热管理维度单一,续驶里程保持率很低。

(2)第二阶段:旧平台,新设计Adapted Electric Vehicle Design (AEVD)。

基于旧平台设计,在原有传统车平台上设计电动车,需要迁就旧平台。典型代表日产Leaf、通用Bolt,早期的Tesla Roaster,重新设计车辆底盘,更有利于电池系统的布局。
日产聆风
通用Bolt

(3)第三阶段:全新平台,新设计New Electric Platform(NEP)。

2012年Tesla Model S发布,作为造车新势力,发布全球第一个针对纯电动汽车设计的全新车型平台。全新一代纯电动平台围绕最大化电池布置,围绕模块化、电动化、智能化、安全、空间、全新电气架构进行开发和定义。
Model S/X平台

2.2 电动汽车平台研究现状

市场已发布纯电动专用平台参数信息,对其特点总结如下。
现有纯电动专属平台特点总结
电动汽车专用平台发展趋势总结:
(1)高集成度、模块化动力总成,动力资源可以灵活配置;为实现大功率快充,高端车型开始搭载800V高电压动力平台;
(2)最大化动力电池系统搭载空间,电池车身集成设计保证地板平整化,实现不同动力系统和不同续驶里程配置;
(3)满足五星级碰撞安全要求的车身底盘结构设计,针对平整后底盘、下车体结构传力路径和短前后悬吸能空间的特征,进行整车传力路径重新分配优化;
(4)线控底盘系统搭载应用,支持高级别智能驾驶需求;
(5)采用乘员舱、动力电池、驱动系统一体化集成热管理系统,通过智能热管理技术应用不断提升电动汽车环境适应性;
(6)多种轻量化技术手段应用,钢铝耦合车身,全铝车身,铝制底盘结构件,美铝合金轮毂等等;
(7)整车软硬件朝着逐步解耦的方向发展,机械实现模块化,软件实现数字化平台。

2.3 下一代纯电动专用平台发展趋势

分布式驱动电动汽车是新能源汽车的重要发展方向,通过将轮毂/轮边电机安装在轮辋内部或附近,具有车身布置灵活、结构紧凑,易于实现底盘模块化设计等优点;同时各轮驱动/制动转矩独立可控,具备高机动性和高可靠性,更易实现车辆主动控制。因此,分布式驱动电动汽车是未来智能网联汽车的理想载体[2]。目前以REE和PIX 为典型代表的全新分布式电动平台揭开下一代专用电动汽车平台的设计思路。

(1)以色列Ree Automotive

Ree是一家新兴的电动汽车电动平台开发公司,开发了基于转向、制动、悬架、动力系统和控制全部整合在轮边的 “主动轮转角”REEcorners,以及基于此电动轮的全线控下一代纯电动平台。平台轮边电机系统峰值功率范围为 35 ~ 200 kW,电机是全簧载质量,可以实现前轮和全轮转向;创新悬架系统结构,有效载荷能力高达 5000kg+。目前平台应用场景主要集中在城市客运、区域或者中长途物流配送等商用车。
REE 转角模块结构图(图片来源:REE官网)

(2)PIX Moving 通用平台

PIXLOOP是基于轮毂电机的线控电动专用平台,是全球第一款软硬件开源的线控底盘,是专为自动驾驶开发者打造的线控底盘。
PIX分布式驱动通用底盘(图片来源:PIX官网)
PIX分布式驱动底盘核心技术主要包含轮毂驱动系统、冗余线控系统、平台构型设计。PIX Moving以算法为核心,创新性地开发了RTM(实时成型系统)和柔性化数字制造体系,通过先进传感器、视觉识别技术、AI算法等打造柔性生产线,消除传统四大工艺(冲压、焊接、涂装、总装)和模具的限制[2]。PIX柔性化制造体系使得开发环境与量产环境保持一致,开发与迭代完成后可无缝衔接量产,不同车型模具制作费用只有机械臂投入。

三、专用化电动底盘核心技术

汽车平台全面电动化带来了设计理念和技术变迁:高压动力电池集成在乘员舱下部这一主要焦点需要全新的设计架构和方法满足动力平台的变化;驱动系统的进步也颠覆传统动力系统对底盘结构部件的需求。
专用电动平台核心技术分解
极致化的专用电动平台,除了电池技术,高级程度模块化的分布式驱动系统,线控底盘技术的急需性呼之欲出。

3.1线控底盘技术概述

典型的线控底盘技术主要有线控驱动、线控制动、线控转向及其他子系统,目前最为关键且待技术产业成熟的是线控转向和线控制动。

3.2 线控制动技术

3.2.1 线控制动技术发展过程

线控制动取消制动踏板和制动器之间的机械连接,以电子结构上的关联实现信号的传送、制动能量的传导;主要分为电子液压制动(Electro-Hydraulic Brake, EHB)系统、电子机械制动(Electro-Mechanical Brake, EMB)系统。其中 EHB 以传统的液压制动系统为基础,电子器件替代了部分机械部件的功能,使用制动液作为动力传递介质,同时具备液压备份制动系统,是目前的主流技术方案。
目前根据集成度的高低,EHB 可以分为 Two-Box 和 One-Box 两种技术方案,二者的主要区别在于 ABS/ESC 系统是否和电子助力器集成在一起。EMB系统采用电子机械装置替代液压管路,执行机构直接安装在各个轮边,也被称为为分布式、干式制动系统,是未来线控制动的解决方案。

3.2.2 线控制动关键技术问题

踏板模拟、主动制动控制和制动能量回收技术为线控制动关键技术问题[3]。踏板模拟好坏决定线控制动系统品质优劣。目前一般采用通过试验数据分析归纳,得到踏板行程和车辆状态之间关系,对踏板力进行模拟。
主动制动主要应用在自动驾驶系统,旨在提高车辆的稳定性和安全性。关于主动制动的研究除了环境感知算法识别外,结合驾驶员驾驶习惯的上层期望减速度算法、底层执行机构期望制动压力、期望制动力矩算法等也是重点研究技术问题。制动能量回收控制伴随着制动踏板解耦方案的发展经历了并联式和串联式的发展过程。复合制动控制策略的研究中,制动力分配策略是其核心问题[4]。

3.3 线控转向技术

3.3.1 线控转向技术发展

转向系统的发展经历了纯机械转向系统、液压助力转向系统、电子液压助力转向系统、电动助力转向系统到摆脱机械连接的线控转向和具备主动转向功能的转向系统。
2021年舍弗勒开发的一款力反馈方向盘(HWA),取代传统方向盘和机械转向柱,可以在(半)自动驾驶模式下,将方向盘缩放到中控台内,系统可以过滤掉多余的反馈,比如来自颠簸路面的振动,并支持可变转向速比,实现全新的驾驶模式。
舍弗勒力反馈方向盘(图片来源:舍弗勒官网)

3.3.2 线控转向关键技术

线控转向关键技术包括:路感控制、稳定性控制和容错技术[5]。路感控制通常包含两个部分,路感规划和路感跟踪。路感规划为通过理论建模分析设计出能够反应当前实时路感的转向盘反馈力,路感跟踪为通过控制算法实现反馈力矩跟踪控制。获取路感反馈力矩的方法有参数拟合法、和基于动力学模型的方法,后者也叫重构法。其中第二种是目前研究的主流。线控转向系统的冗余技术主要从电源备份、执行器备份、传感器备份、控制器备份和通讯进行备份。
冗余是一种较为简单直观的容错控制手段,多项研究都采用了备份执行器的方式提高转向系统的可靠性。在没有备份的执行系统,可以通过容错控制对部分保有工作能力的执行器进行容错控制,应对故障状况。特别像线控系统与分布式驱动系统结合使得整车成为一个典型的过驱动系统,通过过驱动系统执行器之间的互相补偿,能够大幅提高系统的容错能力。

3.4 分布式驱动技术

轮毂电机作为分布式驱动电动平台的核心部件,性能至关重要。由于轮毂电机安装在狭小的轮毂空间内,使电机系统受温升、磁场饱和、路面振动冲击、转矩波动、负载突变、泥沙涉水使用环境等因素影响显著,目前仍然存在一些技术问题难以解决或者使用场景受限[6]。
随着轮毂电机、新式主动悬架技术的兴起,更多功能被集成到轮边驱动系统中,形成一体化主动轮或者转角,这种集成模块在车轮内置主动悬架代替传统机械悬架,车轮系统中集成了驱动力矩分配、制动力矩分配、转向控制、车身姿态控制、横摆力矩控制也有可能包含悬架阻尼等多种控制能。
基于上述分布式驱动系统,结合自动驾驶需求,目前研究的主要问题就是整车状态感知和整车动力学稳定性控制、其他先进控制[7]。智能驾驶、电动化推动了整车电子电气架构的革命性发展,为底盘由分散式控制架构向集中式控制架构进化提供了高性能硬件基础、宽带宽通讯网络和大数据信息平台。
专用电动平台动力底盘协同控制架构

四、面向智能汽车的纯电动平台的总结与展望

汽车行业已经发生深刻的技术变革,智能化、电动化对未来的汽车平台提出了全新的要求,“软件定义汽车”已成行业共识,不断吸引全新的产业参与者。传统的机械电气强耦合平台已经不能满足产品快速迭代的需求。未来的整车平台会逐步实现机械部分即插即用的模块化,新一代集中式电子电气架构实现机械和软件解耦,提高硬件平台和软件功能复用与多需求组合。
面对未来的智能新汽车,更环保、更安全、更体现驾驶乐趣的移动空间是对下一代新四化下汽车的诉求:机械平台的结构设计需要围绕可变形、可再生环保的移动空间展开;平台和关键系统具有更高标准化,通用化最大程度实现硬件模块化即插即用;线控底盘和分布式驱动系统是未来智能底盘平台实现的核心零部件,影响智能汽车产业链的安全,需要进一步建设自主化产业创新生态。
参考文献(References)
[1] 全球电动汽车平台对比分析
https://mp.weixin.qq.com/s/4Lp6WqQv0l9eQ__h2eHmHA
[2] 汽车俱乐部 https://mp.weixin.qq.com/s/6qEE58N2x9EcmmWvgaYjzQ
[3]李亮,王翔宇,程硕,陈翔,黄超,平先尧,魏凌涛. 汽车底盘线控与动力学域控制技术[J] .汽车安全与节能学报,2020,11(2),143-160
[4]余卓平,史彪飞, 熊璐,韩伟.某分布式驱动电动汽车复合制动策略设计.
汽车技术, 2020,第2期 12-17
[5]张万忠,张寒,邹松春,徐坤豪,刘畅.线控转向系统控制技术综述.汽车安全与节能学报.2021年1期12卷18-34
[6]杨建川.轮毂电机产业化难点简析.新能源汽车技术. 2020 47(05) 90-93

[7]徐坤. 分布式电驱动车辆状态感知与控制研究综述. 机械工程学报 .2019. 55(22)60-79

来源:中国汽车工程学会

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