第二节 纯电动汽车的工作原理

一、电气控制系统的工作原理

纯电动汽车的电气控制系统通常包含低压电气子系统、高压电气子系统和整车网络化控制子系统三部分。

高压电气子系统主要由动力电池、驱动电机和功率变换器等大功率、高电压的电气设备组成，根据车辆行驶的功率需求完成从动力电池到驱动电机的能量变换与传输过程。低压电气系统采用直流12V或24V电源，一方面为灯光、刮水器等车辆的常规低压电器供电，另一方面为整车控制器、高压电气设备的控制电路和辅助部件供电。纯电动汽车各种电气设备的工作统一由整车控制器协调控制。一般纯电动汽车电气控制系统的结构如图2-5所示。

图2-5 纯电动汽车电气控制系统的结构

纯电动汽车低压电气控制系统主要由DC/DC变换器、辅助蓄电池和若干低压电器设备组成。低压电器主要包含灯光系统、仪表系统、娱乐系统、电动车窗、刮水器、除霜装置和各种控制器等。燃油汽车与纯电动汽车的低压电气控制系统的主要区别在于，燃油汽车的辅助蓄电池由与发动机相连的发电机来充电，而纯电动汽车的辅助蓄电池由动力电池通过DC/DC变换器来充电。在传统的燃油汽车中，电动助力转向系统、制动系统等主要由低压电气子系统供电，而在纯电动汽车中，为了节约能源，对于功率较大的子系统如制动气泵电动机和电动空调系统等一般采用高压供电。

纯电动汽车是一个高度集成的电气化系统，包括驱动电机控制系统、电池管理系统、车载充电系统、电动辅助系统、低压电气系统等多个子系统，必须通过一个整车控制系统来进行各子系统的协调控制，从而实现整车的最佳性能。

整车控制系统主要包括整车控制器、电机控制器、电池管理系统、车身控制管理系统、信息显示系统和通信系统等。整车控制器是整车控制系统的核心，承担了数据交换与管理、故障诊断、安全监控、驾驶人意图解析等功能。各子系统之间的信息传递通过网络通信系统实现，目前常用的通信协议是CAN协议，它具有较好的可靠性、实时性和灵活性。信息显示系统可以实现整车工作状态的实时显示，如车速、电池状态、电机状态、故障显示等，方便驾驶人了解车辆的实时状态。整车控制系统必须具有较高的可靠性、容错性、电磁兼容性和环境适应性等，以保障纯电动汽车整车安全、可靠地运行。

作为纯电动汽车核心系统之一，高压电气子系统有两种驱动类型，即直流电机驱动系统和交流电机驱动系统。两者之间最大的区别在电驱动系统部分，因为使用的驱动电机不同，而不同驱动电机的工作特性、控制方式、成本高低是不一样的（详见第五章），所以会导致相应结构和工作原理不同。开发整车时要根据汽车型号的定位不同进行分析和论证，以保证整车良好的性能和节能效果。能量子系统不仅包含提供能量的动力电池组，还包含充电装置和能量转换相关系统。因为动力电池组输出的电流一般为直流，所以需要DC/DC或DC/AC变换装置完成驱动电机的任务。辅助子系统的主要任务是确保整车在合理的状态中工作，以及确保乘坐的舒适性。

图2-6 直流电机驱动系统的基本结构示意图

图2-6所示为直流电机驱动系统的基本结构示意图。

直流电机驱动系统采用直流电机作为驱动电机，其电机控制器一般采用斩波控制器。斩波控制器既可用于控制电机的电枢电压，实现电机恒转矩调速，也可用于控制励磁绕组电压，改变励磁电流，实现恒功率弱磁调速控制。在电机恒转矩特性区，通常保持励磁电流不变，通过控制电枢电压来实现对电机转速的控制；在恒功率区，保持电枢电压不变，通过控制励磁电流实现对电机转矩和转速的控制。图2-7所示为直流电机驱动系统工作原理示意图。

图2-7 直流电机驱动系统工作原理示意图

直流电机驱动系统的优点在于控制技术简单，动态性能较好。虽然直流电机易于控制，但是由于它采用机械换向结构，维护困难，且电刷与换向器之间很容易产生火花，尤其是对无线电产生干扰，这对高度智能化的未来电动汽车是个致命的弱点。另外，直流电机及其驱动系统体积大，密封较困难，制造成本较高，速度范围有限，质量较大，能量密度较低。所有这些因素都限制和妨碍了直流电机在电动汽车中的进一步应用。

因为目前纯电动汽车的动力电池组只能输出直流电，所以在对交流感应电机供电之前，首先需要安装逆变器将直流电转换成交流电。这样就不可避免地增加了交流驱动系统的制造成本，另外对交流感应电机的控制技术也相对复杂很多，是当前限制交流驱动系统大规模应用的因素之一。但是随着微电子技术和现代控制技术的不断发展和完善，对交流感应电机的控制方法也获得了较大的发展，常用的控制方法有变频变压控制、磁场定向矢量控制和直接转矩控制。

图2-8所示为交流电机驱动系统基本结构示意图。图2-9所示为交流电机驱动系统工作原理示意图。

图2-8 交流电机驱动系统基本结构示意图

近年来，越来越多的智能控制技术应用到电机控制中。例如，模糊控制技术能充分利用其非线性结构自寻优等各种功能，显著提高系统的鲁棒性。此外，由于不需要建立被控对象的精确数学模型，系统的设计也变得较为简便。使用模糊PID算法替代传统的PID算法，能明显改善系统的稳态和动态性能，有较好的控制效果。

二、传动系统的结构及工作原理

图2-10所示为纯电动汽车传动系统布置的常规形式。其应用实例如图2-11所示。在这种形式中，传统内燃机由一组动力电池和一台驱动电机所代替，离合器、变速器和差速器的布置形式与传统内燃机车辆的布置形式一致。其中的离合器和变速器也可被自动变速器所代替，差速器的功能是通过机械传动使车辆曲线行驶时两侧车轮能够在不同速度下行驶。

驱动电机能够在较长的速度范围内提供相对恒定的功率，因此多速变速器可以被一个固定速比减速器所替代，并且离合器也可省去，即无变速器的传动形式，如图2-12所示。其应用实例如图2-13所示。这种传动系统一方面可以节省机械传动结构的重量和体积，另一方面可以减少由于换档所带来的控制难度。

图2-9 交流电机驱动系统工作原理示意图

图2-10 纯电动汽车传动系统布置的常规形式

图2-11 常规纯电动汽车传动装置结构图

1—电机 2—螺栓 3—套筒 4—飞轮壳 5—飞轮 6—轴承 7—压盘 8—离合器壳 9—螺栓 10—轴承 11—输入轴 12—分离叉 13—分离套筒 14—离合器盖 15—分离杠杆 16—从动盘

图2-12 固定速比减速器传动系统（无离合器）

图2-13 固定速比减速器传动系统（无离合器）应用实例

第三种传动形式与第二种传动形式类似，但是驱动电机、固定速比减速器和差速器被进一步整合为一体，布置在驱动轴上，如图2-14所示。其应用实例如图2-15所示。整个驱动传动系统被大大简化和集成化。从再生制动的角度出发，这种传动形式可以很容易地实现电能从车轮到电机的回收（驱动轮以外的动能通过制动转化为热能），所以有利于全轮驱动。因为没有传动装置，所以运转更加容易，但是这样的布置形式要求有低速大转矩、速度变化范围大的电机，同时增加了电机和逆变器的容量。

图2-14 第三种传动形式

图2-15 第三种传动形式应用实例

如图2-16所示，在第三种传动形式的基础上，差速器被两个独立的驱动电机所代替。每个驱动电机单独完成一侧车轮的驱动任务，即无差速器的传动形式。在车辆进行曲线行驶时，两侧的电机就会分别工作在不同的速度下。图2-17所示为双电机驱动模式下的底盘结构。前轴两个半桥上分别用一个电机驱动一侧车轮的行驶，但是控制难度较大。

为了进一步简化驱动系统，驱动电机与车轮之间取消了传统的传动轴，由驱动电机直接驱动车轮前进，如图2-18所示。同时一个单排的行星轮用来降低转速和增强转矩，以满足不同工况的功率要求。单排行星轮可以提供良好的减速比和线性的输入输出特性。

图2-16 双电机-固定速比减速器一体化传动系统

图2-17 双电机驱动模式下的底盘结构

在完全舍弃驱动电机和驱动轮之间的机械传动装置之后，轮毂电机的外转子直接连接在驱动轮上。驱动电机转速控制与车轮转速控制融为一体，构成了所谓的双轮毂电机，使车速控制变得简单。然而，这种分布方式需要驱动电机提供更高的转矩来起动和加速车辆，如图2-19所示。轮毂电机实物图如图2-20和图2-21所示。

图2-18 双电机-固定速比减速器一体化轮边驱动传动系统

图2-19 双轮毂电机驱动系统

图2-20 轮毂电机实物图

轮毂电机驱动方式有两种：一种为内转子型（图2-22a）；另一种为外转子型（图2-22b）。

四轮毂电机即安装四轮独立控制的电机和逆变器的驱动系统，这样可以使结构更加紧凑，同时能够使车辆达到前所未有的机动性。图2-23所示即为使用这种四轮毂电机驱动系统的实例。依靠这种结构，可以实现下述几个功能。

①车轮可以实现±180°的旋转、横向行驶、任意旋转行驶。图2-24所示的照片为YONDEN PIVOT轿车依靠车轮控制进行横向行驶、旋转行驶时的示意图，是四轮毂电机独立驱动方式下自由行驶的例子。

②因为可以进行各车轮任意转矩控制，所以使得防滑控制、制动控制等多种性能得以发挥。

图2-21 轮毂电机结构图

图2-22 两种轮毂电机驱动方式示意图

a）内转子型 b）外转子型

图2-23 四轮毂电机驱动系统

图2-24 横向行驶和旋转行驶示意图（YONDENPIVOT车型）

③轮毂电机的大型化较难，但是总功率依靠四台电机分担，可使每台电机的容量变得小一些。此外，因为没有动力传动装置，所以可以提高效率。如图2-25所示，因为要以在公共交通工具中的广泛使用为目的，所以大客车正向无踏板的低地板化方向发展。在保留通常的差速器的情况下，大幅度降低车地板是相当困难的。相反，采用没有贯通轴的轮毂电机则比较容易实现。

④低速大转矩电机体积大又昂贵，因此近年来出现了减速器内置的轮毂电机。但同时也有人提出，随着非簧载质量增大等原因，其操作性、乘坐舒适性等性能有所下降，且轮毂电机价格昂贵。但是，这些问题与之成为未来汽车理想的动力传动方式并不相悖。

图2-25 低车地板轴

a）传统有差速器的结构 b）轮毂电机驱动方式

三、电源系统的结构及工作原理

作为纯电动汽车的能量来源，动力电池组承担着为驱动电机以及为汽车辅助系统供能的作用。而作为动力电池组与外界进行接触的媒介，动力电池箱承担了对动力电池的能量传导、安全防护、性能维护的任务，对动力电池组性能的充分发挥起到了越来越重要的作用。

1.动力电池组的设计及整车集成技术所涵盖的内容

（1）结构 结构设计和优化，以满足图纸化制造的需求。

（2）热管理 提高热管理效率的设计。

（3）电气构成 传感器的选择，安全系统的设计，高、低压电气元器件的选择和设计。

（4）控制系统 SOC算法的开发，电池管理系统的设计和开发，整车控制策略的开发和优化。

（5）制造 材料的选择和成本的降低。

（6）集成技术 整车集成，冷却开发，车辆性能和燃油经济性的优化调节。

2.电子产品和电池管理系统设计内容

①概念的界定和规范发展。

②电子电路板的设计与开发。

③SOC/SOH算法。

④电池控制功能。

⑤故障模式影响分析和危险性分析。

⑥诊断和预测，包括模拟故障响应评估的硬件在环仿真。

动力电池应用技术随着电动汽车技术的发展，逐步从简单的电池单体串并联实现高压、大容量电池组发展到模块化封装、集成化应用阶段。例如，为了满足奥运会的需要，BK6122EV型纯电动大客车在前期动力电池封装技术的基础上，主要针对快速更换电池方式，同时兼顾电池模块化封装，进行功能完善和细化、优化设计，成功研制出了支持快速更换的动力电池箱，并成功应用到奥运电动客车上。

BK6122EV型纯电动客车采用的新型电池箱，具有电池模块化封装、管理系统和安全防护系统集成、可快速更换的特点，具有防水、防火、防尘的功能。动力电池箱由内、外箱体两部分组成，外箱体固定在车架上，内箱体通过外箱体内部滚轮支撑，锁止固定在外箱上。设计了“自动快速插接机构”，解决了插头和插孔之间的快速插接/分离以及防振问题；设计了安全可靠的锁止和解锁结构，实现了整体电池组安全锁止和快速拆卸；设计了重载全脱出式滑道和导向式滚轮两种拖出结构，实现了电池组快速与车体分离的问题。采用双层结构面板设计，中间层布置电池管理系统、熔断器、手动检测机构、通风风扇、快换系统吸盘等部件，实现了电池模块化封装、电池箱及其组件的集成，并且便于布线、安装和维护，支持快速更换。电池箱总体技术结构如图2-26所示。

图2-26 电池箱总体技术结构

a）电池内箱体 b）电池外箱体 c）电池箱安全防护和管理系统 d）电池箱面板结构

图2-27 电池箱整体

BK6122EV型纯电动客车有两种电池箱规格：大箱和小箱。大箱和小箱除尺寸不同外，结构和功能均相同。完整的电池箱由外箱和内箱组成，组装好的电池箱如图2-27所示。

（1）外箱体 整体结构（图2-28）采用钢板冲压成形，外部进行喷塑处理，内部喷涂防火绝缘漆，为电池安装提供一个防水、防火、通风的空间。

（2）内箱体（图2-29） 提供电池单体、电池管理系统、高压防护系统、通风系统、快速更换接口等安装和固定空间。

图2-28 电池箱外箱体结构

图2-29 电池箱内箱体结构

电池成组后，作为电动汽车高压电源，必须满足整车的绝缘强度要求。该电池箱通过采用电池单体壳体绝缘、内外箱体间绝缘辊子绝缘、箱体内部防火绝缘漆绝缘、外箱体绝缘子悬浮绝缘、电磁锁绝缘处理等，多层次实现电池与车体间的二次绝缘。

图2-30所示为锰酸锂动力电池箱内部结构。多块动力电池单体组合以满足所需要的电流和电压，同时通过动力电池组管理模块来监视电池组的各种工作状态。

图2-30 锰酸锂动力电池箱结构

此外，通用汽车公司生产的EV-1纯电动汽车采用公司的镍氢动力电池，比能量为70W·h/kg，能量密度为160W·h/L。在50%放电深度时比功率为220W/kg，80%放电深度时比功率为200W/kg，一次充电后续驶里程达到265km，其动力电池组的布置形式如图2-31所示。镍氢电池能比其他电池更好地保存能量，寿命可达到600次循环。在发生错误的过充电或过放电时有良好的“容错”能力，并且可以与不同型号的电池兼容。快速充电性能良好，能够控制在最理想的条件下进行充电。镍氢电池报废后可被安全回收。动力电池组用丁字形支架稳固地安装在车架上，保证了其安装的稳定性。丁字形支架可以从车辆后部抽出，便于动力电池组的安装和维修。

图2-31 通用EV-1纯电动汽车动力电池组的布置形式

在EV-1纯电动汽车中，动力电池系统采用动力电池组管理模块对动力电池组进行管理。动力电池组除主要向驱动系统提供电能外，还要向转向系统的电动油泵、空调系统的压缩机和风扇等提供动力电源。动力电池组管理模块能够检测到动力电缆的松动和逆变器盖的松动，在25ms内做出反应，用自动和手动断路器装置立即切断各个关键系统的电源，以保证整车高压电系统的安全性。丰田和本田公司使用的镍氢动力电池如图2-32所示。

动力电池组管理模块的分流器模块检测动力电池组的电流，控制动力电池组充电、放电的全过程。动力电池组热管理系统和冷却通风系统模块，对动力电池组进行热管理，对电线保护套松动、动力电池组的电压和温度进行测量和控制，保证车载电源系统能够正常运行，以优化动力电池组的性能，延长使用寿命。自我检测和自我保护系统模块，将动力电池组技术状况的信息实时反馈到整车控制器中，并由整车控制器做出相应的处理。

图2-32 丰田和本田公司使用的镍氢动力电池