Tiefgehende Analyse von Elektrofahrzeugen: Vollständige Funktionsprinzipien von Kernkomponenten bis zu intelligenten Systemen
Als Kernrichtung der Transformation und Aufrüstung der Automobilindustrie gestalten Elektrofahrzeuge die Verkehrswelt mit ihren Vorteilen in Umweltfreundlichkeit, Effizienz und Intelligenz neu. Von einer winzigen Schraubendichtung bis zu einem komplexen intelligenten Fahrsystem bildet die Zusammenarbeit aller Komponenten das reibungslose Betriebserlebnis eines Elektrofahrzeugs. Ausgehend von den zugrundeliegenden Prinzipien zerlegt dieser Artikel systematisch die Kernkomponenten, Arbeitsmechanismen und intelligenten Technologien von Elektrofahrzeugen und führt Sie zu einem umfassenden Verständnis der "inneren Logik" von Elektrofahrzeugen.
I. Leistungskern: Arbeitsprinzip von Elektromotoren für Fahrzeuge
Der Motor ist das "Herz" eines Elektrofahrzeugs, und seine Effizienz bei der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie bestimmt direkt die dynamische Leistung des Fahrzeugs. Vom grundlegendsten Phänomen der elektromagnetischen Induktion bis hin zu industriellen Drehstrom-Asynchronmotoren stand die Entwicklung von Elektromotoren für Fahrzeuge stets im Zeichen der drei Kernziele "hohe Effizienz, hohes Drehmoment und hohe Stabilität".
(I) Elektromagnetische Induktion: Die zugrundeliegende physikalische Basis von Motoren
Das Arbeitsprinzip eines Motors beruht auf der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Induktion und elektromagnetischer Kraft. Wir können seine Kernlogik durch eine Reihe einfacher Experimente verstehen.
Grundlegende elektromagnetische Wechselwirkung: Wenn eine drehbare Metallstange einem Magneten genähert wird, dreht sich die Metallstange zum Magneten hin. Wird die Metallstange durch eine Eisenscheibe ersetzt und zusammen mit einem U-förmigen Magneten bewegt, dreht sich die Scheibe mit dem Magneten und erzeugt sogar Selbstrotation. Auf den ersten Blick wird dieses Phänomen durch die Anziehungskraft des Magneten verursacht, aber wenn wir die Eisenscheibe durch eine Aluminiumscheibe (ein nicht-ferromagnetisches Material) ersetzen, kann die Bewegung des Magneten die Scheibe immer noch zum Drehen bringen, was die zentrale Rolle der elektromagnetischen Induktion offenbart.
Synergie zwischen elektromagnetischer Induktion und elektromagnetischer Kraft: Das Magnetfeld eines U-förmigen Magneten fließt vom N-Pol zum S-Pol. Wenn sich der Magnet bewegt, schneidet sein Magnetfeld die Scheibe (Leiter). Nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion wird auf der Scheibe ein induzierter Strom erzeugt. Die Richtung des induzierten Stroms kann mit der Rechten-Hand-Regel bestimmt werden, wobei auf das Zentrum der Scheibe gezeigt wird. Die Linke-Hand-Regel kann die Richtung der Kraft auf die Scheibe bestimmen – der Zeigefinger zeigt in Richtung des Magnetfelds, der Mittelfinger in Richtung des Stroms und der Daumen zeigt auf die elektromagnetische Kraft, die die Scheibe zum Drehen antreibt. Der entscheidende Punkt ist, dass es einen Unterschied in der Drehgeschwindigkeit zwischen dem Magneten und der Scheibe geben muss. Wenn die Drehgeschwindigkeiten gleich sind, kann keine elektromagnetische Induktion auftreten und die Scheibe verliert ihre Selbstrotationskraft.
(II) Iteration der Motorstruktur: Von einfachen Geräten bis zum industriellen Design
Um eine kontinuierliche und stabile Leistungsabgabe zu erreichen, hat die Motorstruktur mehrere Optimierungs- und Upgrade-Runden durchlaufen.
Verbesserung der Grundstruktur: Ersetzen der Aluminiumscheibe durch einen Eisen-Zylinder und des U-förmigen Magneten durch zwei Stabmagnete. Wenn der Magnet rotiert, rotiert der Zylinder entsprechend. Aus der Kraftanalyse fließt das Magnetfeld vom N-Pol zum S-Pol. Wenn sich der Magnet relativ zum Zylinder nach unten bewegt, entspricht dies einer Aufwärtsbewegung des Zylinders. Ein induzierter Strom wird gemäß der Rechten-Hand-Regel erzeugt, und dann werden die Kraftwirkungen auf beiden Seiten des Zylinders (eine nach unten und eine nach oben) durch die Linke-Hand-Regel bestimmt, was letztlich den Zylinder zur Rotation antreibt.
Anwendung von Elektromagneten: Eine Spule erzeugt ein Magnetfeld, wenn sie mit Strom versorgt wird. Dieser Typ Elektromagnet, der "magnetisch bei Stromzufuhr und nicht magnetisch bei Stromausfall" ist, hat eine stärkere Steuerbarkeit als herkömmliche Permanentmagnete – durch Erhöhung der Spannung kann die Magnetfeldstärke verstärkt und durch Änderung der Stromrichtung die Magnetpole umgekehrt werden. Basierend auf dieser Eigenschaft sind mehrere Spulen um den Zylinder angeordnet. Durch kontinuierliches Ändern der Stromrichtung kann ein rotierendes Magnetfeld gebildet werden, und der Zylinder kann kontinuierlich angetrieben werden, ohne den Magnet mechanisch zu drehen, was die Kern-Designlogik des Motors ist.
(III) Drehstrom: Die Umsetzungsmethode des rotierenden Magnetfelds
Elektrofahrzeuge verwenden im Allgemeinen Drehstrom-Asynchronmotoren, deren Kern darin besteht, durch Drehstrom ein stabiles rotierendes Magnetfeld zu erzeugen.
Erzeugung von Drehstrom: Wenn ein Magnet um eine Spule rotiert, verursachen Änderungen im Magnetfeld, dass die Spule Wechselstrom erzeugt (die Wellenform des Einphasen-Wechselstroms ist eine Sinuskurve). Wenn drei Spulen im Abstand von 120 Grad angeordnet sind, erzeugt der rotierende Magnet drei Gruppen von Wechselstrom mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad, nämlich Drehstrom. Ein Ende der drei Spulen ist zu einer Neutralleiterleitung verbunden, und das andere Ende erstreckt sich als drei Phasenleitungen. Die Spannung zwischen den Phasenleitungen beträgt 380 Volt und die Spannung zwischen der Phasenleitung und dem Neutralleiter 220 Volt. Verschiedene Anschlussarten können unterschiedliche Stromverbrauchsbedürfnisse erfüllen.
Spulenwicklung und Magnetfeldbildung: Der Motor besteht aus einem Stator und einem Rotor, und die Spule wird in den Löchern des Stators gewickelt. Die spezifische Wickelmethode ist: Die Spule tritt an Anschluss A ein und verlässt ihn in entgegengesetzter Richtung am gegenüberliegenden Anschluss A; tritt an Anschluss B mit einem Abstand von 120 Grad ein und verlässt ihn in entgegengesetzter Richtung am Anschluss B; ebenso wird die Wicklung an Anschluss C abgeschlossen und schließlich werden die in entgegengesetzter Richtung zurückgeführten Drähte verbunden und die drei Phasenleitungen an den dreiphasigen Wechselstrom angeschlossen.
Erzeugung des rotierenden Magnetfelds: Die Wellenform des dreiphasigen Wechselstroms ändert sich periodisch mit der Zeit. Zu verschiedenen Zeitpunkten sind Polarität und Stärke des Stroms der drei Phasen unterschiedlich. Zum Beispiel ist zu einem bestimmten Zeitpunkt die R-Phase positiv und die S- und T-Phasen negativ; im nächsten Moment sind die R- und S-Phasen positiv und die T-Phase negativ. Diese Änderung bewirkt, dass sich die Richtung des vom Stator erzeugten Magnetfelds kontinuierlich verschiebt. Nach der Ampèreschen Regel ändert sich die Richtung des von jeder Spule erzeugten Magnetfelds (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) mit dem Strom. Nach der Überlagerung der Magnetfelder mehrerer Spulen entsteht ein kontinuierlich rotierendes Magnetfeld, dessen Drehgeschwindigkeit positiv mit der Frequenz des Wechselstroms korreliert.
(IV) Aufbau und Klassifikation realer Motoren
Industrieelektromotoren für Elektrofahrzeuge wurden präzise auf Basis grundlegender Prinzipien optimiert und werden hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Induktionsmotoren (Asynchronmotoren) und Permanentmagnet-Synchronmotoren.
Induktionsmotoren (Asynchronmotoren):
Kernstruktur: Besteht aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator hat innen Nuten zur Installation der Wicklungsdrähte. Der Rotor ist eine Käfigläuferstruktur mit isolierten Eisenblechen, die innen Nuten haben, und Leiterstäben, die in den Nuten eingebettet sind.
Arbeitsmerkmale: Wenn Wechselstrom durch die Statorwicklung fließt, wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt. Die Leiterstäbe des Rotors schneiden die Magnetfeldlinien, um induzierten Strom zu erzeugen, und werden dann durch elektromagnetische Kraft zum Drehen angetrieben. Da die Rotordrehzahl immer geringer ist als die Magnetfeldgeschwindigkeit (es gibt eine Schlupfrate), wird er Asynchronmotor genannt.
Spulenoptimierung: In der industriellen Produktion hat ein Satz Wicklungen üblicherweise hunderte oder tausende Windungen. Nach dem Wickeln durch eine Maschine werden sie mit Isolierlack überzogen, der nicht nur die Isolationsleistung verbessert, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit erhöht. Um das Problem ungleichmäßiger Magnetfelder zu lösen, wird die Anzahl der Statornuten erhöht (z. B. 12, 24), und die Spulen werden in Reihe geschaltet und gefaltet, um verschiedene Magnetfeldstrukturen wie Zwei-Pol- und Vier-Pol-Motoren zu bilden. Zwei-Pol-Magnetfeldmotoren haben hohe Geschwindigkeit, Vier-Pol-Magnetfeldmotoren haben hohes Drehmoment, und das Mehrnutendesign kann die Magnetfeldstabilität und Motorwirkungsgrad weiter verbessern.
Permanentmagnet-Synchronmotoren:
Strukturelle Verbesserung: Bogenförmige Permanentmagneten werden außerhalb des Rotors installiert (ersetzt den Käfigläufer). Die Permanentmagneten erzeugen ein festes Magnetfeld, das mit dem vom Statorwicklungs erzeugten rotierenden Magnetfeld interagiert.
Kernvorteile: Die Rotordrehzahl ist mit der Drehzahl des Stator-Magnetfelds synchronisiert, ohne Energieverluste durch induzierte Ströme (die Energieverluste bei Induktionsmotoren betragen etwa 3 %–4 %), und er besitzt ein hohes Anlaufdrehmoment sowie ausgezeichnete Leistung bei niedriger Drehzahl.
Bestehende Probleme: Bei hoher Geschwindigkeit wirkt die vom Permanentmagnet erzeugte Gegen-EMK der Richtung der Motor-EMK entgegen, was die Motorwirkungsgrad beeinträchtigt; gleichzeitig verursacht der Permanentmagnet Wirbelströme, die zu zusätzlichen Energieverlusten führen.
Permanentmagnet-Synchron-Reluktanzmotoren:
Hybrid-Design: Durch die Kombination der Vorteile von Permanentmagnetmotoren mit niedrigem Drehzahl- und hohem Drehmoment und der Hochgeschwindigkeitsstabilität von Synchron-Reluktanzmotoren werden Permanentmagneten in die Nuten der Synchron-Reluktanzmotoren eingebettet, um eine Verbundstruktur zu bilden.
Leistungsoptimierung: Durch die Anpassung des Winkels zwischen dem rotierenden Magnetfeld und dem Permanentmagnetfeld kann die Gegen-EMK abgeschwächt oder sogar ausgeglichen werden, wodurch der Motor sowohl im Niedrig- als auch im Hochgeschwindigkeitsbereich effizient arbeiten kann. Beim Anlauf kann durch das Halten des Winkels des rotierenden Magnetfelds bei etwa 50 Grad das maximale Drehmoment erreicht werden.
II. Energiequelle: Funktionsprinzip von Lithiumbatterien und Batteriepacks-Design
Die Kraft des Motors stammt aus elektrischer Energie, und die zentrale Energiespeicherkomponente von Elektrofahrzeugen sind Lithiumbatterien. Lithiumbatterien sind aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Energiedichte, langer Lebensdauer und schneller Ladefähigkeit zum bevorzugten Energiespeichergerät für Elektrofahrzeuge geworden.
(I) Kernstruktur und Funktionsprinzip von Lithiumbatterien
Die Energieumwandlung von Lithiumbatterien basiert auf der Einlagerung und Auslagerung von Lithiumionen, und die Kernstruktur umfasst eine positive Elektrode, eine Elektrolytschicht und eine negative Elektrode.
Elektrodenmaterialien:
Negative Elektrode: Besteht hauptsächlich aus Graphitschichten. Graphit hat eine kristalline Schichtstruktur, die Platz für die Einlagerung von Lithiumionen bietet.
Positive Elektrode: Lithiumhaltige Metalloxide (wie Nickel-Kobalt-Mangan-Oxide für ternäre Lithiumbatterien und Lithium-Eisenphosphat für Lithium-Eisenphosphat-Batterien).
Elektrolyt: Organische Lithiumsalzlösung, die auf dem Separator aufgetragen ist und Lithiumionen passieren lässt, aber Elektronen blockiert.
Lade- und Entladevorgang:
Ladung: Wenn eine externe Stromquelle angeschlossen wird, zieht die positive Elektrode der Stromquelle die Elektronen der Lithiumatome im positiven Elektrodenmaterial an. Die Elektronen fließen entlang des Drahtes, und die Lithiumatome verlieren Elektronen und werden zu Lithiumionen, die durch die Elektrolytschicht zur negativen Elektrode fließen und sich in die kristalline Schichtstruktur des Graphits einlagern, bis alle Lithiumionen eingelagert sind und die Batterie vollständig geladen ist.
Entladung: Wenn der Stromkreis mit einer Last (z. B. einem Motor) verbunden ist, kehren die Lithiumionen durch die Elektrolytschicht zur positiven Elektrode zurück, um einen stabilen Zustand wiederherzustellen. Die Elektronen fließen entlang des Drahtes zur positiven Elektrode und verbinden sich wieder mit den Lithiumionen, wodurch ein Strom entsteht, der die Last mit Energie versorgt.
Wichtige Schutzmechanismen:
Sicherheitsschutz: In der Mitte des Elektrolyten wird eine Isolationsschicht angebracht, um Kurzschlüsse zwischen der positiven und negativen Elektrode zu verhindern (Kurzschlüsse führen zum Austrocknen des Elektrolyten und können Brände verursachen).
Bildung der SEI-Schicht: Während des ersten Ladevorgangs einer Lithiumbatterie fließen Lithiumionen durch die Elektrolytschicht zur negativen Elektrode. Einige Elektronen reagieren mit Lösungsmittelmolekülen und Graphit, um eine feste Elektrolyt-Grenzschicht (SEI-Film) zu bilden. Der SEI-Film kann den Kontakt zwischen Elektrolyt-Lösungsmolekülen und der negativen Elektrode blockieren und so eine Elektrolytzerstörung verhindern. Obwohl dabei etwa 5 % der aktiven Lithiumionen verbraucht werden, überwiegen die Vorteile die Nachteile. Wissenschaftler verbessern weiterhin die Batterieleistung durch Optimierung der Dicke und chemischen Eigenschaften des SEI-Films.
(II) Typen von Lithiumbatterien und Design von Batteriepaketen
Gängige Typen von Lithiumbatterien:
Ternäre Lithiumbatterien: Die positive Elektrode verwendet eine proportionale Mischung aus Nickel, Kobalt und Mangan. Sie haben eine hohe Energiedichte und gute Leistung bei niedrigen Temperaturen und eignen sich für Modelle, die auf Reichweite und Leistung ausgelegt sind.
Lithium-Eisenphosphat-Batterien: Das positive Elektrodenmaterial ist Lithium-Eisenphosphat. Sie haben hohe Sicherheit, lange Lebensdauer und niedrige Kosten und eignen sich für Modelle, die auf Stabilität und Wirtschaftlichkeit ausgelegt sind.
Aufbau und Kühlsystem von Batteriepacks:
Modulares Design: Eine einzelne Lithiumbatterie hat begrenzte Spannung und Kapazität. Das Batterypack eines Elektrofahrzeugs kombiniert Tausende von Lithiumbatterien in Serie und parallel (zum Beispiel enthalten einige Modelle mehr als 7.000 Lithiumbatterien), um ein Hochvolt-Batterypack zu bilden.
Thermomanagementsystem: Batterien erzeugen während des Betriebs Wärme. Zu hohe oder zu niedrige Temperaturen beeinträchtigen Leistung und Sicherheit. Das Batterypack ist mit einem Kühlsystem ausgestattet. Das Kühlmittel zirkuliert durch Metallrohre, um die Batterietemperatur zu senken; gleichzeitig kann das Thermomanagementsystem die Batterietemperatur überwachen und die Batterie bei niedrigen Temperaturen heizen. Das Design mehrerer kleiner Batterien ermöglicht eine gleichmäßige Temperaturverteilung, reduziert Hotspots und verlängert die Batterielebensdauer.
Struktureller Aufbau: Das Batterypack ist üblicherweise unter dem Fahrgestell installiert und verwendet ein modular integriertes Design, das nicht nur Innenraum spart, sondern auch den Fahrzeugschwerpunkt senkt und die Fahrstabilität verbessert.
III. Energieumwandlung: Kernfunktionen und Arbeitsmechanismen des elektronischen Steuersystems
Das elektronische Steuersystem eines Elektrofahrzeugs ist das "Gehirn", das die Arbeit der Kernkomponenten wie Batterien und Motoren koordiniert. Zu seinen Kernfunktionen gehören die Umwandlung von Gleich- und Wechselstrom, die Leistungssteuerung und das Thermomanagement, die entscheidend für den effizienten Betrieb des Fahrzeugs sind.
(I) Aufbauarchitektur des elektronischen Steuersystems
Das elektronische Steuersystem ist eine komplexe Sammlung mehrerer Teilsysteme, die hauptsächlich Folgendes umfassen:
Thermomanagementsystem: Überwacht die Temperatur von Batterien, Motoren, elektronischen Steuerungen und anderen Komponenten und hält jede Komponente durch Kühl- oder Heizsysteme im optimalen Betriebstemperaturbereich.
Motorsteuerungsmodul: Das Herzstück ist ein Wechselrichter, der dafür verantwortlich ist, den vom Akku gelieferten Gleichstrom in den vom Motor benötigten Wechselstrom umzuwandeln und die Frequenz des Wechselstroms zu steuern, um die Motordrehzahl anzupassen und so Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeugs zu realisieren.
Hochvolt-Stromverteilermodul: Verteilt elektrische Energie an Hochvolt-Komponenten wie Klimakompressoren, Batterieheizeinheiten und Gleichstromwandler.
Gleichstromwandler: Wandelt den Hochvolt-Gleichstrom des Batteriepacks in Niedervolt-Gleichstrom (z. B. 12 Volt) um, um die Blei-Säure-Batterie zu laden, die dann Niedervolt-Komponenten wie Fahrzeugbeleuchtung, Scheibenwischer und Sensoren mit Strom versorgt.
(II) Wechselrichter: Das Herzstück der DC-AC-Umwandlung
Der Wechselrichter ist das Herzstück des Motorsteuerungsmoduls. Sein Arbeitsprinzip besteht darin, Gleichstrom durch schnelles Schalten von Schaltkreisen in eine glatte Sinus-Wechselstromwelle umzuwandeln.
Grundlegendes Schalten der Schaltung: Eine einfache Wechselrichterschaltung umfasst vier Schaltergruppen. Durch das Ein- und Ausschalten der Schalter wird die Stromflussrichtung geändert. Zum Beispiel fließt der Strom, wenn S1 und S4 eingeschaltet sind, in eine Richtung; wenn S2 und S3 eingeschaltet sind, fließt der Strom in die entgegengesetzte Richtung. Durch kontinuierliches Schalten der Schalter kann Wechselstrom in Rechteckwellenform erzeugt werden.
Hochgeschaltetes Schalten und Wellenformoptimierung: Transistoren werden als Schaltelemente verwendet, die tausendfach pro Sekunde schalten können und somit die Anforderungen des Motors an die Wechselstromfrequenz (normalerweise 50 Hertz, was 100 Schaltungen pro Sekunde erfordert) erfüllen. Allerdings ändert sich die Spannung der Rechteckwechselstromwelle abrupt und muss in eine glatte Sinuswelle umgewandelt werden. Durch Mittelung der Rechteckimpulse entsteht eine Kurve, die einer Sinuswelle nahekommt, und anschließend wird ein passiver Filter hinzugefügt, um die Signalfrequenz anzupassen und schließlich den vom Motor benötigten sinusförmigen Wechselstrom zu erhalten.
Schutzschaltungsdesign: Um Kurzschlüsse zu verhindern, ist im Schaltkreis eine NOT-Gatter-Schaltung eingebaut, die sicherstellt, dass nur einer jeder Schaltergruppen geöffnet werden kann; gleichzeitig wird ein Komparator verwendet, um die Sinuswelle mit der Dreieckswelle zu vergleichen und eine spezifische Rechteckwellenkurve zu erzeugen, die die Glätte der Wellenform weiter optimiert.
IV. Kraftübertragung: Vereinfachung und effizientes Design des Getriebesystems
Im Vergleich zu den komplexen Mehrganggetrieben von Verbrennungsmotorfahrzeugen ist das Getriebesystem von Elektrofahrzeugen einfacher. Es verwendet hauptsächlich ein einstufiges Übersetzungsgetriebe und erreicht durch optimiertes Design eine effiziente Kraftübertragung.
(I) Kernstruktur des Getriebesystems
Kraftübertragungsweg: Wenn das Gaspedal gedrückt wird, überträgt die Batterie elektrische Energie an das Motorsteuerungsmodul. Der Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um und leitet ihn an den Motor weiter. Die Drehung des Motorrotors treibt die Antriebswelle an. Das Antriebszahnrad auf der Antriebswelle greift über das Untersetzungsgetriebe in das Kraftabgabenzahnrad ein und überträgt schließlich die Kraft auf die Räder.
Mechanismus zur Verzögerung und Drehmomentsteigerung: Das Untersetzungsgetriebe besteht aus zwei Zahnrädern, einem großen und einem kleinen. Das große Zahnrad greift in das Antriebszahnrad ein, und das kleine Zahnrad greift in das Abtriebszahnrad ein. Durch die Übersetzungsgestaltung wird die Geschwindigkeit reduziert und das Drehmoment erhöht, um die Leistungsanforderungen des Fahrzeugs während der Fahrt zu erfüllen.
Umsetzung des Rückwärtsgangs: Es wird kein zusätzlicher Rückwärtsgang benötigt. Der Controller kehrt die Drehrichtung des Motors gemäß dem Rückwärtsgangbefehl um, um das Rückwärtsfahren des Fahrzeugs zu realisieren.
(II) Differential: Eine Schlüsselkomponente zur Lösung von Geschwindigkeitsunterschieden der Räder
Wenn sich das Fahrzeug dreht, legt das äußere Rad eine längere Strecke zurück als das innere Rad. Wenn die Geschwindigkeit gleich ist, wird das innere Rad durchrutschen. Die Funktion des Differenzials besteht darin, die Geschwindigkeit der inneren und äußeren Räder anzupassen.
Funktionsprinzip: Das Differential besteht aus einem Tellerrad, Planetenrädern und Achsgetrieben. Die Kraft wird von der Antriebswelle auf das Tellerrad übertragen, das die Planetenräder zum Umlaufen antreibt. Die Planetenräder greifen gleichzeitig in die Achsgetriebe auf beiden Seiten ein. Beim Kurvenfahren drehen sich die Planetenräder um ihre eigenen Achsen, wodurch die Geschwindigkeit des äußeren Achsgetriebes erhöht und die des inneren Achsgetriebes verringert wird, was eine dynamische Anpassung der Raddrehzahl ermöglicht.
Strukturoptimierung: Elektrofahrzeuge verwenden meist offene Differentiale. Durch das präzise Verzahnen der Zahnräder wird die Kontinuität und Stabilität der Kraftübertragung sichergestellt und ein Durchdrehen der Räder beim Kurvenfahren vermieden.
(III) Halbwelle und Gelenk: Verbindungsgarantie für die Kraftübertragung
Die Halbwelle ist verantwortlich für die Übertragung des vom Motor ausgegebenen Drehmoments auf die Räder, und ihr Kernbauteil ist das Gleichlaufgelenk.
Aufbau des Gleichlaufgelenks: Bestehend aus Kugeln, einem Kugelkäfig, einem Innenring und einem Außenring mit einem Staubschutz außen. Der Innenring ist über Verzahnungen mit der Antriebswelle verbunden. Der Kugelkäfig befindet sich im Außenring, und die Kugeln sind zwischen dem Käfig sowie dem Innen- und Außenring montiert.
Kernvorteile: Unabhängig von der Winkeländerung zwischen den beiden Wellen sind die Drehzahlen der Antriebswelle und der Abtriebswelle stets gleich (konstante Drehzahlübertragung). Es besitzt die Eigenschaften hoher Übertragungseffizienz, hoher Präzision und starker Winkelkompensationsfähigkeit und kann das Motordrehmoment effizient übertragen, wodurch die Fahreffizienz des Fahrzeugs verbessert wird.
V. Fahrstabilität: Aufhängungssystem und Fahrgestell-Design
Das Aufhängungssystem und das Fahrgestell sind die Grundlage für die Fahrstabilität und den Komfort von Elektrofahrzeugen. Das Fahrgestell von Elektrofahrzeugen wird auf Basis herkömmlicher Fahrzeuge optimiert, um den Integrationsanforderungen von Batterien und Motoren gerecht zu werden.
(I) Aufhängungssystem: Stoßdämpfung und Stabilisierung der Fahrzeugkarosserie
Die Kernfunktion des Aufhängungssystems besteht darin, das Gewicht der Fahrzeugkarosserie zu tragen, die Aufprallkräfte durch unebene Straßen zu absorbieren und die Vibrationen der Fahrzeugkarosserie zu reduzieren. Es wird hauptsächlich in Einzelradaufhängung, Starrachse und Halbelliptikaufhängung unterteilt. Elektrofahrzeuge verwenden meist Doppelquerlenkeraufhängungen unter den Einzelradaufhängungen.
Aufbau der Doppelquerlenkeraufhängung: Bestehend aus unterem Querlenker, oberem Querlenker, Lenkhebel, Stoßdämpfer und Stabilisator. Die oberen und unteren Querlenker sind über Lenkkugelgelenke mit dem Lenkhebel des Rades verbunden. Der Lenkhebel wird vom Lenkrad gesteuert, um das Rad zum Drehen zu bewegen; der Stabilisator dient zur Kontrolle der Wankbewegung des Fahrzeugs beim Kurvenfahren.
Funktionsprinzip des Stoßdämpfers: Der Stoßdämpfer besteht aus einer Feder und einem Dämpfer. Die Feder absorbiert die Aufprallenergie der Straßenoberfläche und reduziert das Fahrzeugschütteln; der Dämpfer unterdrückt die Schwingungen beim Zurückfedern der Feder und beschleunigt die Vibrationsdämpfung. Der Dämpfer enthält einen Arbeitszylinder und einen Vorratszylinder. Die Bewegung des Kolbens wird durch den Fluss des Hydrauliköls gesteuert. Wenn der Kolben nach unten bewegt wird, wird das Hydrauliköl in den Vorratszylinder gedrückt; wenn der Kolben nach oben bewegt wird, kehrt das Hydrauliköl in den Arbeitszylinder zurück, wodurch der Arbeitszylinder mit Hydrauliköl gefüllt bleibt, um die Dämpfungswirkung sicherzustellen. Das im Vorratszylinder enthaltene ausdehnbare flüssige Stickstoff kann Widerstandslücken und Unstetigkeiten reduzieren.
Synergieeffekt der Stabilisatorstange: Allein auf den Stoßdämpfer zu vertrauen, um die Wankbewegung zu kontrollieren, erfordert zu harte Federn und Stoßdämpfer mit hohem Dämpfungskoeffizienten, was die Fähigkeit zur Absorption von Straßenerschütterungen beeinträchtigt. Die Stabilisatorstange wirkt synergistisch mit dem Stoßdämpfer, kann die Wankamplitude des Fahrzeugs beim Kurvenfahren effektiv kontrollieren, ohne die Vibrationsabsorption zu beeinträchtigen, und verbessert so die Fahrstabilität.
(II) Skateboard-Fahrgestell: Ein innovatives Design für modulare Integration
Elektrofahrzeuge verwenden allgemein ein Skateboard-Fahrgestell-Design, das Kernkomponenten wie Motoren, Batterien, elektronische Steuerungen, Getriebesysteme und Aufhängungen in das Fahrgestell integriert, um eine Struktur ähnlich einem Skateboard zu bilden.
Kernvorteile:
Modulare Entwicklung: Die Fahrzeugkarosserie ist vom Fahrgestell entkoppelt. Mechanische Verbindungen werden durch Drive-by-Wire-Systeme reduziert. Die Fahrzeugkarosserie kann modular unabhängig entwickelt werden. Verschiedene Karosserien können mit demselben Fahrgestell kombiniert werden, was den Entwicklungszyklus des Modells verkürzt und die Produktionskosten senkt.
Raumoptimierung: Die Batterie wird flach auf dem Fahrgestell verlegt, was den Innenraum spart und den Fahrkomfort verbessert; gleichzeitig senkt sie den Fahrzeugschwerpunkt, reduziert das Wackeln während der Fahrt und verbessert die Stabilität.
Materialauswahl: Das Fahrgestell muss das Gewicht der gesamten Fahrzeugkarosserie tragen und verwendet üblicherweise hochfesten Stahl und Aluminiumlegierungen. Stahl ist stark und langlebig, Aluminiumlegierungen sind leicht, was ein leichtes Design des Fahrgestells ermöglicht und die Reichweite verbessert.
VI. Intelligente Steuerung: Anwendung und Erweiterung der Drive-by-Wire-Technologie
Drive-by-Wire-Technologie ist die Grundlage der Intelligenz von Elektrofahrzeugen. Sie realisiert die Leistungssteuerung durch Kabel oder elektronische Signale und ersetzt traditionelle mechanische starre Verbindungen, um eine elektronische und präzise Bedienung zu erreichen. Sie wird weit verbreitet in Systemen wie Beschleunigern, Bremsen und Lenkung eingesetzt.
(I) Leitungsführung und Spannungszuordnung
Die elektrischen Komponenten von Elektrofahrzeugen werden in Hochspannungskomponenten (Batterien, Motoren, Wechselrichter usw. mit einer Spannung von 250-750 Volt) und Niederspannungskomponenten (Fahrzeugbeleuchtung, Scheibenwischer, Sensoren usw. mit einer Spannung von unter 250 Volt) unterteilt. Die entsprechenden Leitungen werden ebenfalls in zwei Kategorien unterteilt:
Hochspannungskabel: Orange, dick im Durchmesser, mit elektromagnetischer Abschirmung, verbinden Hochspannungskomponenten wie Ladeanschlüsse, On-Board-Ladegeräte, Batteriepacks, Motoren und Hochspannungsverteilmodule.
Niederspannungsleitungen: Gelb, verbinden Niederspannungskomponenten und werden von Blei-Säure-Batterien gespeist.
(II) Drive-by-Wire-Implementierung der Kernsysteme
Drive-by-Wire-Gaspedal:
Traditionelle Kraftfahrzeuge verbinden das Gaspedal über ein Stahlseil mit dem Motor, was die Luftzufuhr nicht genau steuern kann; der Drive-by-Wire-Gasgeber von Elektrofahrzeugen ersetzt die mechanische Feder durch einen Sensor. Wenn das Pedal gedrückt wird, sendet der Sensor ein elektrisches Signal an die Motorsteuerungseinheit, die die Motordrehzahl entsprechend der Signalstärke anpasst, um eine präzise Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit zu erreichen.
Drive-by-Wire-Bremse:
Traditionelle Scheibenbremsenstruktur: Besteht aus Nabenbaugruppe, Bremsscheibe, Bremssattel und Hydrauliksystem. Wenn das Bremspedal gedrückt wird, wird die mechanische Kraft über die Bremsstange auf den Hauptbremszylinder übertragen, der den Hydraulikölstrom zum Hydraulikzylinder des Rads drückt und den Bremssattel antreibt, um die Bremsscheibe zu klemmen und so die Bremsung zu erreichen.
Drive-by-Wire-Bremsverbesserung: Die mechanische Verbindung zwischen Bremspedal und Hauptbremszylinder wird entfernt. Ein Sensor ist am Pedal installiert und der Bremssattel wird auf einen motorisch gesteuerten Typ geändert. Wenn die Bremse betätigt wird, sendet der Sensor ein elektrisches Signal an den Steuercontroller, der den Bremssattel ansteuert, wodurch eine elektronische Bremsung mit schnellerer Reaktionsgeschwindigkeit und präziserer Steuerung realisiert wird.
Hilfsbremssystem:
ABS-Antiblockiersystem: Sensoren sind an den Rädern installiert. Wenn erkannt wird, dass die Räder zu blockieren drohen, gibt die ABS-Modulatoreinheit die Bremsbeläge intermittierend frei, sodass sich die Räder abwechselnd drehen, ein Durchrutschen der Räder vermieden wird und der Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug behält, was besonders bei Notbremsungen wirksam ist.
Anfahrhilfe: Sie erkennt den Bremsdruck über den Drucksensor des Hauptbremszylinders und beurteilt die Straßenneigung über den Längsbeschleunigungssensor. Wenn der Fahrer das Bremspedal loslässt, hält das System den Bremsdruck für einige Sekunden aufrecht, um Zeit für den Wechsel zum Gaspedal zu geben und ein Zurückrollen des Fahrzeugs zu verhindern, was für Steigungs- und Gefällestrecken geeignet ist.
Drive-by-Wire-Lenkung:
Das traditionelle Lenksystem verbindet das Lenkrad und das Zahnstangengetriebe über eine mechanische Welle und nutzt ein elektronisches Servolenkungssystem zur Reduzierung des Lenkwiderstands; Drive-by-Wire-Lenkung entfernt die mechanische Verbindung. Wenn sich das Lenkrad dreht, sendet der Sensor ein elektrisches Signal an den Controller, der den Elektromotor an der Zahnstange antreibt, um die Radlenkung zu steuern. Es eignet sich besser für das modulare Design von entkoppeltem Fahrgestell und Fahrzeugkarosserie mit höherer Lenkpräzision.
(III) Arbeitsprinzipien anderer Drive-by-Wire-Komponenten
Scheibenwischer:
Frühe mechanische Scheibenwischer wurden von Gleichstrommotoren angetrieben, die Schnecken und Zahnräder drehten, und konnten die Geschwindigkeit nicht an den Regen anpassen; Drive-by-Wire-Scheibenwischer verwenden Transistor-Steuerkreise in Kombination mit Kondensatoren und Widerständen, um intermittierende Arbeit zu ermöglichen. Sie erfassen den Regen über den Dachregensensor und passen die Wischfrequenz automatisch an, um klare Sicht zu gewährleisten.
Airbags:
Traditionelle Airbags basieren auf Trägheitskugelsensoren. Bei einem Aufprall bewegt sich die Kugel, um den Stromkreis zu schließen, wodurch Natriumazid gezündet wird, das Stickstoff zur Befüllung erzeugt, jedoch bestehen Risiken durch giftige Gase und Fehlaktivierungen; moderne Drive-by-Wire-Airbags verwenden Natriumnitrat als gaserzeugendes Material in Kombination mit Mams-Sensoren, die am Fahrzeugkörper verteilt sind, um die Aufprallintensität und -position genau zu erkennen und die Befüllung innerhalb von 30 Millisekunden abzuschließen, um die Sicherheit von Fahrern und Passagieren zu gewährleisten.
VII. Komfortgarantie: Heiz- und Kühlprinzipien des Klimasystems
Elektrofahrzeuge haben keine Motoren und können die Abwärme des Motors nicht wie Kraftfahrzeuge zum Heizen nutzen. Ihre Klimaanlagen sorgen durch speziell entwickelte Heiz- und Kühlgeräte für eine angenehme Innentemperatur.
(I) Kühlsystem: Arbeitsmechanismus der Fahrzeugklimaanlage
Der Kern der Kühlung besteht darin, Wärme durch den Phasenwechsel des Kältemittels zu übertragen. Die Hauptkomponenten umfassen einen Kompressor, Kondensator, Trockner, Expansionsventil und Verdampfer.
Arbeitsprozess:
Nachdem der Kompressor gestartet ist, komprimiert er das gasförmige Kältemittel mit niedrigem Druck zu hochtemperaturigem und hochdruckigem gasförmigem Kältemittel, das durch Rohrleitungen zum Kondensator transportiert wird;
Der Kondensator gibt Wärme über Rohrleitungen und Lamellen ab, und der Lüfter beschleunigt die Wärmeabgabe, wodurch das hochtemperaturige und hochdruckige gasförmige Kältemittel in hochdruckiges flüssiges Kältemittel umgewandelt wird;
Das flüssige Kältemittel trennt Gas und Flüssigkeit durch den Trockner und gelangt zum Expansionsventil, wo der Druck stark abfällt und es zu Kältemittel mit niedriger Temperatur wird;
Das Kältemittel mit niedriger Temperatur strömt hinter dem Armaturenbrett in den Verdampfer. Der Verdampfer nimmt die Wärme der heißen Luft im Fahrzeug auf, um die Luft zu kühlen, und der Gebläse bläst die kalte Luft in das Fahrzeug;
Nachdem das Kältemittel Wärme aufgenommen hat, kehrt es in den gasförmigen Zustand zurück und fließt zum Kompressor zurück, um den Kreislauf zu schließen.
Temperaturumschaltung: Die Luftstromrichtung wird durch den Mischklappensteller gesteuert. Wenn die Verdampferleitung geschlossen ist, strömt die Luft nur durch den Wärmetauscher (Heizgerät), um heiße Luft zu erzeugen; wenn die Wärmetauscherleitung geschlossen ist, strömt die Luft nur durch den Verdampfer, um kalte Luft zu erzeugen.
(II) Heizsystem: PTC-Heizung und Wärmepumpensystem
PTC-Heizung:
Funktionsprinzip: Verwendung von PTC-Materialien (Positive Temperature Coefficient Thermistoren) wie Nickel-Chrom-Legierung. Wenn Strom fließt, wird elektrische Energie aufgrund des Widerstands in Wärmeenergie umgewandelt. Der Widerstand von PTC-Materialien steigt mit der Temperatur, und die Oberflächentemperatur bleibt nach Erreichen eines bestimmten Werts stabil, wodurch eine konstante Wärmeversorgung realisiert wird.
Einbauort: Innerhalb der Warmluftleitung. Nachdem die Luft durch den Heizkörper geblasen wurde, wird sie erwärmt und dann über die Lüftungsleitung ins Fahrzeug geleitet.
Vor- und Nachteile: Einfache Struktur und schnelle Heizgeschwindigkeit, aber es verbraucht Batterieleistung und verkürzt die Reichweite des Fahrzeugs.
Wärmepumpensystem:
Funktionsprinzip: Ähnlich einem "umgekehrten Klimagerät" nutzt es die Wärme in der Luft, um den Fahrzeuginnenraum zu heizen. Der Außenkondensator fungiert im Heizmodus als Verdampfer, nimmt Wärme aus der Außenluft auf und wandelt das interne Kältemittel von flüssig in gasförmig um; das Kältemittel strömt zum Kompressor und wird zu Hochtemperatur- und Hochdruckgas verdichtet, das zum Kondensator im Armaturenbrett geleitet wird. Der Gebläse bläst Luft durch den Kondensator, um Wärme aufzunehmen, und leitet sie dann ins Fahrzeug, um die Heizung zu erreichen.
Kernvorteile: Es verbraucht nicht direkt elektrische Energie zur Wärmeerzeugung, sondern überträgt Wärme aus der Luft. Es hat ein höheres Energieeffizienzverhältnis, kann Reichweitenverluste reduzieren und ist für den Einsatz in kalten Umgebungen geeignet.
VIII. Energieversorgung: Ladesystem und Batteriemanagement
Die Ladeeffizienz und Batteriesicherheit von Elektrofahrzeugen hängen von der Zusammenarbeit des Ladesystems und des Batteriemanagementsystems (BMS) ab, um ein effizientes Laden und Entladen der Batterie innerhalb eines sicheren Bereichs zu gewährleisten.
(I) Lademethoden: AC-Langsamladung und DC-Schnellladung
AC-Langsamladung:
Arbeitsprozess: Die Ladestation gibt Wechselstrom aus, der über den Ladeanschluss des Fahrzeugs mit dem Bordladegerät verbunden ist. Das Bordladegerät wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um, um den Batteriepack zu laden.
Eigenschaften: Langsame Ladegeschwindigkeit (in der Regel dauert das vollständige Laden mehrere Stunden), aber niedrige Gerätekosten und geringer Batterieverlust, geeignet für den Heimgebrauch.
DC-Schnellladung:
Arbeitsprozess: Die Ladestation wandelt den Wechselstrom intern in Gleichstrom um und lädt den Batteriepack direkt ohne Beteiligung des Bordladegeräts.
Eigenschaften: Schnelle Ladegeschwindigkeit (kann in einer halben Stunde auf 80 % Leistung geladen werden), aber hohe Gerätekosten und gewisser Batterieverlust, geeignet für öffentliche Schnellladestationen.
(II) Kernfunktionen des Batteriemanagementsystems (BMS)
Batterie-Balancierung:
Das Batterypack besteht aus Tausenden von kleinen Batterien, die in Serie und parallel geschaltet sind. Es gibt Unterschiede im Ladezustand und der Leistung jeder Batterie. Das BMS passt dies durch zwei Methoden an: aktive Balancierung und passive Balancierung.
Aktive Balancierung: Durch Verwendung von Bauteilen wie Kondensatoren und Transformatoren wird die überschüssige Ladung von Batterien mit ausreichender Leistung auf Batterien mit unzureichender Leistung übertragen, um die Leistungsbalance zu erreichen.
Passive Balancierung: Durch Verwendung von Dummy-Lasten wie Widerständen wird die überschüssige Energie in Form von Wärme verbraucht, um die Leistung jeder Batterie anzugleichen.
Temperaturmanagement:
Es überwacht die Temperatur des Batteriepacks. Bei zu hoher oder zu niedriger Temperatur aktiviert es das Thermomanagementsystem und beheizt oder kühlt die Batterie über Kühlmittel, um sicherzustellen, dass die Batterie im optimalen Temperaturbereich (normalerweise 20-40℃) arbeitet und Überhitzung, Brände oder Leistungsverlust durch zu große Kälte vermieden werden.
Sicherheitsschutz:
Es überwacht in Echtzeit Spannung, Strom und Leistungsstatus der Batterie, um anormale Situationen wie Überladung, Tiefentladung und Kurzschlüsse zu verhindern. Beim Laden wird bei Erkennung eines Überladungsrisikos die Stromversorgung der Ladestation automatisch unterbrochen; beim Entladen wird bei zu hohem Strom die Ausgabe rechtzeitig angepasst, um die Batterielebensdauer und Sicherheit zu schützen.
IX. Energie-Rückgewinnung: Funktionsprinzip des regenerativen Bremssystems
Das regeneratives Bremssystem ist eine charakteristische Funktion von Elektrofahrzeugen, die die kinetische Energie beim Bremsen in elektrische Energie zur Rückgewinnung und Speicherung umwandeln kann und so die Reichweite verlängert.
(I) Kernprinzip: Bidirektionale Umwandlung zwischen Motor und Generator
Vorwärtsarbeit (Fahrmodus): Das vom Statorwickel erzeugte Drehfeld schneidet den Rotor, erzeugt induzierten Strom und elektromagnetische Kraft, die den Rotor antreibt. Der Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um.
Rückwärtsarbeit (Stromerzeugungsmodus): Beim Bremsen treibt die Trägheit des Fahrzeugs die Räder zur Rotation an, welche wiederum den Motorrotor drehen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Wechselrichter gesteuert, um die Frequenz des Wechselstroms so anzupassen, dass die Rotordrehzahl größer ist als die Drehfeldgeschwindigkeit. Der Rotor schneidet das Magnetfeld und erzeugt eine rückläufige induzierte Stromstärke, wodurch sich das Drehmoment umkehrt und eine Verzögerung erreicht wird. Der Motor wird zum Generator und wandelt kinetische Energie in Wechselstrom um.
(II) Energie-Rückgewinnungsprozess
Der Wechselrichter gleichrichtet den vom Generator erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom;
Der DC-Wandler wandelt den Gleichstrom in eine Spannung um, die zur Batteriespannung passt;
Die umgewandelte elektrische Energie wird im Batteriepack gespeichert. Dieser Prozess kann die Reichweite um mehr als 10 % erhöhen.
X. Mehrfachantrieb: Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite
Neben reinen Elektrofahrzeugen sind Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite wichtige Modelle in der Übergangsphase, die die Vorteile von Kraftstoff und Strom kombinieren.
(I) Hybridfahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles)
Kernstruktur: Ausgestattet mit einem Motor, zwei Motor-Generator-Einheiten (MG1 und MG2), einem Wechselrichter und einem Lithium-Batteriepack mit einem Planetengetriebe als Kern.
Arbeitsmodi:
Fahren bei niedriger Geschwindigkeit: Der Motor wird nicht gestartet, und MG2 treibt die Räder an, um reinen Elektroantrieb zu erreichen und den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Beschleunigtes Fahren: Die Batterie versorgt MG1 und MG2 mit Energie. MG1 startet den Motor, und Motor sowie MG2 treiben gemeinsam die Räder an, um starke Leistung zu bieten.
Fahren bei hoher Geschwindigkeit: Der Motor ist der Hauptantrieb, MG1 fungiert als Generator zum Laden der Batterie und MG2 hält die Batterieleistung aufrecht.
Bremsen/Verzögern: MG2 schaltet in den Generator-Modus und wandelt die kinetische Energie der Räder in elektrische Energie um, um die Batterie zu laden.
Vorteile: Keine Reichweitenangst, umweltfreundlich mit reinem Strom bei niedrigen Geschwindigkeiten, hohe Effizienz des Motors bei hohen Geschwindigkeiten, geeignet für komplexe Straßenverhältnisse.
(II) Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite
Kernstruktur: Ausgestattet mit einem Motor, Generator, Batteriepack und Motor. Der Motor treibt die Räder nicht direkt an, sondern nur den Generator zur Stromerzeugung.
Arbeitsprinzip:
Wenn die Batterieleistung ausreichend ist, treibt der Motor die Räder an, um reinen Elektroantrieb zu erreichen;
Wenn die Batterieleistung unzureichend ist, startet der Motor, um den Generator anzutreiben und Strom zu erzeugen. Die elektrische Energie versorgt den Motor oder lädt die Batterie, und der Motor ist stets für den Antrieb der Räder verantwortlich.
Wesentliches: Es gehört zur Kategorie des reinen Elektroantriebs. Der Motor dient nur als "Powerbank", löst die Reichweitenangst von reinen Elektrofahrzeugen und das Fahrerlebnis ist dem von reinen Elektrofahrzeugen ähnlich.
XI. Intelligentes Upgrade: Technische Analyse des intelligenten Fahrzeugsystems
Intelligentes Fahren ist eine der Kernkompetenzen von Elektrofahrzeugen. Durch die Zusammenarbeit von drei Hauptsystemen: Wahrnehmung, Entscheidungsfindung und Ausführung realisiert es Assistenzfahrfunktionen oder sogar autonomes Fahren, was die Fahrsicherheit und den Komfort verbessert.
(I) Wahrnehmungssystem: Die "Augen und Ohren" von Elektrofahrzeugen
Das Wahrnehmungssystem besteht aus verschiedenen Sensoren, die Umgebungsdaten sammeln, um eine Entscheidungsgrundlage zu bieten:
Kameras: Erfassen visuelle Informationen wie Fahrbahnmarkierungen, Verkehrszeichen, Fußgänger und Fahrzeuge, basieren auf Algorithmen zur Analyse potenzieller Risiken, sind jedoch stark lichtabhängig.
Millimeterwellenradar: Erkennt Entfernung, Geschwindigkeit und Richtung von Objekten mittels Radiowellen mit großer Reichweite (mehrere zehn Meter), ist unempfindlich gegenüber Licht und Wetter und gleicht die Schwächen von Kameras aus.
Ultraschallradar: Verwendet hochfrequente Schallwellen zur Messung der Entfernung von Objekten im Nahbereich, hauptsächlich für Parkassistenz und Kollisionsvermeidung bei niedriger Geschwindigkeit.
Lidar: Sendet Laserstrahlen aus, um die Umgebung zu scannen und 3D-Karten mit hoher Objekterkennungsgenauigkeit zu erstellen. Kann komplexe Straßenverhältnisse genau identifizieren, ist aber kostenintensiv.
(II) Entscheidungs- und Steuerungssystem: Das "Gehirn" von Elektrofahrzeugen
Datenverarbeitung: Fusion und Analyse von multisource Daten, die vom Wahrnehmungssystem gesammelt werden, Entfernen redundanter Informationen und Extrahieren wichtiger Merkmale (z. B. Hindernispositionen, Spurinformationen, Verkehrszeichen).
Strategieformulierung: Entwicklung von Fahrstrategien basierend auf vordefinierten Regeln und Algorithmen (z. B. Deep-Learning-Modelle), einschließlich Bedienungsanweisungen wie Beschleunigen, Verzögern, Lenken, Spurwechsel und Parken.
Mensch-Maschine-Interaktion: Wenn das System Notfallsituationen nicht bewältigen kann, erinnert es den Fahrer durch Ton- und Lichtsignale daran, die Fahrzeugkontrolle zu übernehmen, um die Fahrsicherheit zu gewährleisten.
(III) Ausführungssystem: Umwandlung von Anweisungen in Aktionen
Das Ausführungssystem erhält Entscheidungsanweisungen und steuert die Beschleunigung, das Bremsen, die Lenkung und andere Aktionen des Fahrzeugs über Drive-by-Wire-Technologie. Es stützt sich hauptsächlich auf die zuvor genannten Drive-by-Wire-Beschleuniger-, Brems- und Lenksysteme, um die Genauigkeit und Rechtzeitigkeit der Anweisungsumsetzung sicherzustellen.
(IV) Klassifikationsstandards für intelligentes Fahren
Nach der Klassifikation der Society of Automotive Engineers (SAE) wird intelligentes Fahren in 0-5 Stufen unterteilt:
Stufe 0: Keine Automatisierung, vollständig manuell vom Fahrer bedient ohne jegliche Hilfsfunktionen.
Stufe 1: Unterstütztes Fahren, das System bietet begrenzte Automatisierung (z. B. adaptive Geschwindigkeitsregelung, Spurverlassenswarnung) und der Fahrer muss das Fahrzeug jederzeit kontrollieren.
Stufe 2: Teilautonomes Fahren, das System kann gleichzeitig Beschleunigung und Lenkung steuern (z. B. Spurhalteassistent, Stauassistent). Der Fahrer muss aufmerksam bleiben und jederzeit bereit sein, die Kontrolle zu übernehmen.
Stufe 3: Bedingtes autonomes Fahren, das System übernimmt die meisten Fahrvorgänge in bestimmten Umgebungen (wie Autobahnen). Der Fahrer muss nicht ständig beobachten, muss aber bei Aufforderung durch das System übernehmen.
Stufe 4: Hochstufiges autonomes Fahren, das System übernimmt alle Fahraufgaben in Gebieten, die von hochpräzisen Karten abgedeckt sind, ohne Eingriff des Fahrers (z. B. städtische Navigation, automatisches Parken).
Stufe 5: Vollautonomes Fahren, das autonomes Fahren bei allen Wetterbedingungen und in jedem Gelände ermöglicht, der Fahrer muss keine Bedienung vornehmen und kann sich anderen Dingen widmen.
Derzeit befindet sich das intelligente Fahren der gängigen Elektrofahrzeuge meist in der Stufe 2 des fortgeschrittenen assistierten Fahrens. Autonomes Fahren der Stufe 3 und höher befindet sich noch in der Test- und Förderphase. Vollautonomes Fahren (Stufe 5) muss noch mehrere Engpässe wie Technologie und Vorschriften überwinden.
XII. Zusammenfassung: Technischer Kern und Entwicklungstrends von Elektrofahrzeugen
Der Betrieb von Elektrofahrzeugen ist das Ergebnis der Zusammenarbeit der Kernkomponenten: Der Motor liefert als „Herz“ die Leistung, die Lithiumbatterie speichert elektrische Energie als „Energiequelle“, das elektronische Steuersystem koordiniert und kontrolliert als „Gehirn“, das Getriebe, die Aufhängung und das Fahrgestell sorgen für Fahrstabilität, die Drive-by-Wire- und intelligenten Fahrssysteme verbessern das Steuerungserlebnis, und die Lade- sowie Rekuperationssysteme lösen das Problem der Energieversorgung.
Aus technologischer Entwicklungsperspektive entwickeln sich Elektrofahrzeuge in Richtung „effizienter, sicherer, intelligenter und umweltfreundlicher“: Motoren werden die Energieeffizienz und Leistungsdichte weiter verbessern, Lithiumbatterien entwickeln sich zu höherer Energiedichte, schnellerer Ladegeschwindigkeit und längerer Lebensdauer, intelligentes Fahren wird allmählich vom assistierten Fahren zum hochstufigen autonomen Fahren durchbrechen, und modulare Fahrwerke sowie Drive-by-Wire-Technologie werden die Standardisierung und Diversifizierung der Modellforschung und -entwicklung fördern.
Es ist bemerkenswert, dass obwohl die Technologie von Elektrofahrzeugen immer ausgereifter wird, Sicherheitsfragen weiterhin ernst genommen werden müssen – sei es das Batteriethermomanagement, die Zuverlässigkeit des intelligenten Fahrens oder die Stabilität der Drive-by-Wire-Systeme, eine kontinuierliche Optimierung ist erforderlich. Für Verbraucher gilt: Während sie den Komfort der Elektrofahrzeuge genießen, sollten sie auch ein Sicherheitsbewusstsein bewahren, insbesondere im intelligenten Fahrmodus, und jederzeit bereit sein, das Fahrzeug zu übernehmen, um die Reisesicherheit zu gewährleisten.
Das Aufkommen von Elektrofahrzeugen hat nicht nur die Art des Transports verändert, sondern auch die Umgestaltung der Energiestruktur und die industrielle Aufrüstung gefördert. Mit dem kontinuierlichen technologischen Durchbruch werden zukünftige Elektrofahrzeuge näher an den Bedürfnissen der Nutzer sein, zur Kernwahl für nachhaltiges Reisen werden und die Grundlage für den Aufbau eines grünen und intelligenten Verkehrssystems legen.
