1.2 电动汽车技术发展趋势

汽车的动力系统是影响整车基础架构非常核心的部分。传统发动机和变速器的结构特征决定了需要一个比较大的前舱及整个中通道的基本结构才能满足其布置要求，而电动汽车的电机和电池在这样的车身结构上就显得格格不入。针对电动汽车，需要研究新的满足电动化特征的架构，无论是整车结构架构还是整车电控架构，基本都需要完全重构，这样才能设计出最优化的电动汽车产品。那么，这些新的架构都有哪些主要特征呢？

就纯电动轿车而言，近些年的快速发展让行业很快达成了第一个共识：电池包要以平板式的结构放在整车下车体，也就是放在整个乘员舱的下面是最合适的，而不适合放在前舱、行李舱或中通道等其他位置。2015年左右陆续上市的纯电动轿车车型，大多数就已经体现了这个共识。但是，最初上市的一些车型还是基于燃油车的车身基础改制而成，而燃油车的下车身并没有足够大的空间安装电池包，这就导致了市面上有些车型的离地间隙比较小，使用中容易出现托底现象。另外，有些车厂用SUV（运动型多功能汽车）的基础车型改制电动化，“硬生生”地把SUV变成了轿车，还有一些车厂为了不减小离地间隙，就只有往上发展，结果使整个车的造型比例非常不协调。要解决这个问题，一方面，电池厂也在开发高度尺寸更小的电芯产品，当前市面上比较流行的VDA（德国汽车工业协会）标准尺寸的电池模组，其高度是108mm，这个高度已经能够较好地解决以上问题。同时，高度更小的，如模组高度甚至到80mm的电池产品也在开发中。另一方面，对于整车来说，电池箱体结构与车辆下车体的集成一体化设计是非常关键，只有电池和下车体结构实现高度集成化，不仅仅是车辆高度，更重要的是整车的车身结构刚度、强度等才能达到最优状态。图1-3和图1-4所示分别为大众汽车全新开发的MEB（模块化电动工具）纯电动平台下的电池箱体，以及特斯拉汽车的电池箱体与下车体的结构关系。这两个公司的产品也是当今市面上为数不多的完全按照纯电动汽车的电池、电驱动的特征而全新开发的结构。特别是特斯拉的产品技术，引领了纯电动技术未来的发展趋势，成为行业内众多整车企业学习的榜样。电池箱体的结构都是非常平整、规则地安装在整车中央底部乘员舱下面的位置。电池结构与下车体的结构统一成一个整体来保证整车的结构强度。也就是说，从电池结构上来说，电池与下车体的结构集成是一个必然的技术发展趋势。除了电池结构，电驱动系统也有非常明显的技术趋势特征。如图1-5所示的特斯拉汽车的电驱动系统的布置形态，可以看到，两套电驱动系统分别独立地布置在前、后传动系统上。因为电驱动系统相对发动机、变速器系统而言，体积、质量都要小很多，所以布置就显得相对灵活，但灵活不代表可以随意摆放。从技术趋势上来说，也正如特斯拉汽车所体现的方式，三合一集成（电机、电机控制器、减速器集成）的电驱动系统与副车架高度集成在一起形成一个所谓的电驱动桥模块。图1-6所示为德国采埃孚公司开发的电驱动桥，这个电驱动桥的集成度非常高，占用整车的空间也非常小，把尽量多的空间留给了驾乘使用。电驱动桥可以让整车驱动形式实现模块化的配置选择：需要后驱就布置到后面，需要前驱就布置到前面，需要四驱就布置到前后。不同驱动方式的变化完全不会影响整车基本结构，这给汽车设计带来了非常高的灵活性。而这样的灵活性是传统燃油汽车很难具备的。除此之外，分别独立控制的前、后两套电驱动系统还可以让整车实现更多动态性能的变化，车辆驾驶形态也更加灵活多变。三合一的电驱动系统是实现整个电驱动桥模块的关键，图1-7所示的两套三合一电驱动总成系统就是非常典型的示例。要成功开发三合一总成系统，其中电机与减速器的集成及其冷却系统的设计等多个关键问题需要特别注意。

图1-3 大众汽车MEB平台电池箱体

图1-4 特斯拉汽车电池箱体与下车体的结构关系

图1-5 特斯拉汽车电驱动系统结构特征及在整车上的布置

图1-6 德国采埃孚公司开发的电驱动桥

总之，三合一的电驱动系统及电驱动桥模块这两个核心技术将是纯电动动力系统的重要发展趋势。当前市面上的整车产品，除了特斯拉，其他部分车辆产品也已经具备这样的特征，但还处于技术发展初期阶段。而更多的整车企业及零部件企业还不具备其设计能力，自然还没有推出相应的产品上市。

电源系统也是纯电动汽车上非常重要的组成部分，它主要包括配电系统（PDU）、车载充电器（OBC）及DC/DC变换器。简单来说，配电系统相当于家中的插线板，从电池端提供的电要通过配电系统分配到各个用电器上去。而用于电池充电的车载充电器的作用是把电网提供的220V交流电转换为动力蓄电池能够接受的直流电给电池供电。DC/DC变换器的作用就是把动力蓄电池的高压直流电变换成车载12V低压直流电，给蓄电池充电，也给车载所有低压用电设备供电。这样的三个主要功能模块加上一些开关、熔断器、继电器等形成一个完整的电源系统。从技术发展趋势上来讲，这几个模块最好也是能够集成到一起，形成一个整体。但是，在实际整车设计过程中，电源系统很难像前述电池、电驱动系统那样清晰。因为根据整车布置方案的差异，可能会出现多种电源系统的集成方式。这里举例介绍一下特斯拉的解决方案。特斯拉把电源系统布置在第二排座位下方的空间区域，与电池箱体结构固定在一起。电源系统内部的构造及组成部分如图1-8所示。这样的设计显得非常紧凑合理，是一个很好的解决方案。当然，还有些公司把电源模块放到前舱，因为考虑到很多用电设备都布置在前面，所以就会表现出另外一种结构形态，也是合理的方案。但是无论结构形态如何不同，整个电源系统的集成也是技术发展的趋势，把PDU、OBC、DC/DC变换器等部件分体布置的方式不仅成本高，而且体积更大、质量更大，性能上也没有特别突出的优点。

图1-7 三合一（电机、电机控制器、减速器集成）电驱动系统集成模块示例

最后介绍一下电空调系统，传统的空调系统依靠发动机的协同实现空调制热、制冷功能。但电动汽车就不能使用传统发动机的方式了，而是需要一个基本独立的电空调系统。热源基本上是单独的热阻，冷源是压缩机等系统。这些方式都是直接从动力蓄电池获取电能来调节温度，对电的消耗是非常大的，所以电动汽车的空调系统如何低耗节能就成了评价电动空调系统的重要指标。其次，因为电动汽车没有发动机的背景噪声，空调压缩机的振动噪声要求也远远高于传统汽车，这也给压缩机的开发带来更大的挑战。为了降低能耗，行业内普遍达成共识的解决方案就是使用热泵空调系统，而且热泵空调系统调节下的乘员舱环境的舒适性也更好，更能够被用户接受。但是，该技术现在在行业内还处于起步阶段，离产业普及还有非常远的距离。

图1-8 特斯拉电源系统内部构造图

1—充电口连接器 2—快充电流接触器总成 3—通往功率变换器（PCS）的冷却管4—功率转换器（DC/DC变换器、OBC等）5—高压控制器 6—低压连接器 7—PCS的12V输出口8—正极高压电开关 9—通往PCS的冷却管 10—通往乘员舱取暖器、空调压缩机的高压电连接器11—乘员舱取暖器、空调压缩机和PCS直流输出熔体 12—后轴电机高压连接器 13—高压电热熔断器14—前轴电机高压电连接器 15—负极高压电开关 16—三相交流电插接器

除了以上提及的几个电动化关键系统外，还有两个非常重要的方面也需要特别关注，一个是整车电控系统架构的发展变化，另外一个是随着智能网联的发展而兴起的远程信息处理服务平台（Telematics Services Platform，TSP）及整车控制器（Over the Air,OTA）远程软件升级功能。图1-9所示为整车电控系统架构的变化趋势，当前市面上的车型基本还在分布式电子电气架构层面。随着车辆电控系统的增加、功能需求的增加，对高计算性能、高通信带宽、高功能安全性、高信息安全性、软件持续更新等的要求也在快速提升。然而，当前采用的分布式架构存在计算能力不足、通信带宽不足、不便于软件升级等瓶颈，不能满足未来需求。基于软件集中化和域控制器的集中式电子电气架构将成为未来汽车电子电气架构的发展方向。第2章会在这方面展开介绍。TSP及OTA的重要性就是软件定义汽车的具体表现。过去的车辆一旦生产下线，它的状态就固化下来了。而现在的车辆从进入市场开始才开始它的成长生命，通过软件后台的支撑及车辆端的软件升级可以让车辆随时随地实现功能的更新变化，车辆状态再也不是一个固定不变的形态，而是一种持续提升的状态，这样的技术发展趋势已经不可逆。在这样的架构基础上，可以想象到未来在汽车这个智能终端上可以衍生出非常多的新兴的商业形态。

图1-9 整车电控系统架构的变化趋势