任务一纯电动汽车类型、运行模式与结构特征识别_纯电动/混合动力汽车结构原理与检修-QQ阅读男生科幻网

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任务一纯电动汽车类型、运行模式与结构特征识别

情境导入

情境描述

作为汽车行业从业人员，你需要为一位客户介绍吉利帝豪纯电动汽车与传统燃油汽车相比的优势，你能正确介绍吗？

情境提示

纯电动汽车不再有传统的内燃机，能源由动力电池提供，因此其类型、结构特征以及运行模式，都与传统汽车不一样。

学习目标

知识目标

1.能描述新能源汽车的类型。

2.能描述纯电动汽车的类型。

3.能描述纯电动汽车的工作过程与运行模式。

4.能描述纯电动汽车的结构特征。

技能目标

1.能识别纯电动汽车的类型。

2.能识别纯电动汽车的结构。

3.能进行纯电动汽车维修开关拆卸与安装。

一基本知识

1.新能源汽车的类型

根据动力系统获取能源的方式，汽车可以分为以下类型（图1-1-1）。

类型一燃油汽车：通过传统内燃机驱动的汽车，全部的动力能源都来自内燃机输出。采用的燃料是汽油或柴油。

类型二替代燃料汽车：在内燃机基础上研发以替代燃料技术为主的替代燃料汽车，如燃气类汽车、醇类汽车、氢气汽车等。

类型三电动汽车：以电力驱动技术为主的电动汽车。电动汽车从动力结构的角度可以分为纯电动汽车、混合动力汽车，同时也包括燃料电池汽车及其他类型的电动汽车，如太阳能汽车和超级电容汽车等。对于将燃料电池汽车、太阳能汽车和超级电容汽车归类到电动汽车类型中，主要原因在于此类汽车的能源最终都是转换成电力形式，通过电机驱动车辆的。

图1-1-1 汽车的分类

根据国家对新能源汽车的定义，只有纯电动汽车（包括太阳能汽车、超级电容汽车）、插电式混合动力（包括增程式）汽车和燃料电池汽车才属于新能源汽车，其他类型则属于节能汽车、清洁能源汽车的范畴。

根据目前市场的实际情况，大部分新能源汽车属于纯电动汽车或油、电类型混合动力汽车，因此以下的内容在没有特别说明的情况下，所述的新能源汽车即为上述两种类型。

2.纯电动汽车的类型

纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，简称BEV或EV），指全部采用电力驱动的汽车，由动力电池提供电能，利用驱动电机来驱动车辆。图1-1-2是帝豪EV450纯电动汽车前机舱图片及主要动力参数，与传统燃油车辆有明显的区别。

图1-1-2 纯电动汽车前机舱及主要动力参数

目前市场上有多种类型的纯电动汽车，下面根据纯电动汽车的动力源和动力布置方式进行分类。

（1）根据纯电动汽车的动力源分类

纯电动汽车的动力传输目前有单一车载动力电池和辅助动力源两种类型。

1）用单一车载动力电池作为动力源的纯电动汽车

该类型纯电动汽车只装置了动力电池作为动力源，其动力传输系统如图1-1-3所示。

图1-1-3 单一动力源的纯电动汽车动力传输路径

2）装有辅助动力源的纯电动汽车

用单一动力电池作为动力源的纯电动汽车，会存在电池的效率较低，电池组的质量和体积较大等缺点。因此，在某些纯电动汽车上增加辅助动力源，如超级电容器、惯性储能飞轮或太阳能等，由此改善纯电动汽车续驶里程。装有辅助动力源的纯电动汽车动力传输系统如图1-1-4所示。

图1-1-4 装有辅助动力源的纯电动汽车动力传输路径

目前市场上的纯电动车辆主要采用的是单一动力电池的方式，例如典型的北汽新能源纯电动汽车系列、比亚迪e5/e6、荣威e50、吉利帝豪EV300/EV450等车型。

（2）根据纯电动汽车的动力布置形式分类

纯电动汽车根据驱动电机与驱动车轴之间的连接关系，主要有以下3种布置形式。

1）替代内燃机布置

如图1-1-5所示，替代内燃机布置形式只是将内燃机换成电机，仍然保留了离合器、变速器和驱动桥部分。这种布置可以提高纯电动汽车的起动转矩，增加低速时的后备功率。

图1-1-5 替代内燃机动力布置形式

2）电机齿轮机构集成布置

如图1-1-6所示，电机齿轮机构集成布置形式取消了离合器和变速器，但保留减速差速机构，由1台电机驱动两车轮旋转，可以是前驱，也可以是后驱。它的优点是可以继续沿用当前内燃机汽车中的动力传动装置，只需要一组电机和逆变器。这种方式对电机的要求较高，不仅要求电机具有较高的起动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证纯电动汽车的起动、爬坡、加速超车等动力性。

3）轮毂电机布置

如图1-1-7所示，轮毂电机布置形式是将电机直接装到驱动轴上，直接由电机实现变速和差速转换。这种传动方式同样对电机有较高的要求，要求有大的起动转矩和后备功率，同时不仅要求控制系统有较高的控制精度，而且要具备良好的可靠性，从而保证纯电动汽车行驶的安全、平稳。

图1-1-6 电机齿轮机构集成动力布置形式

图1-1-7 轮毂电机动力布置形式

目前，市场上的纯电动汽车主要采用的是电机齿轮机构集成动力布置形式，其驱动系统结构如图1-1-8所示。

图1-1-8 纯电动汽车典型驱动形式

3.纯电动汽车的工作过程与运行模式

（1）纯电动汽车的工作过程

传统汽车驱动车辆是依靠内燃机做功，通过变速器调节输出动力的传动比与方向，再通过传动轴和车轮实现驱动车辆。而纯电动汽车用电驱动系统替代了传统汽车的内燃机和变速器，依靠动力电池、逆变器和带驱动电机的变速驱动单元实现车辆的驱动。

纯电动汽车能够实现在不同路况环境下，快速反应并顺利驱动车辆，不仅是依靠几个驱动部件来完成的，整个驱动系统还需要一套完善的控制模块，即整车控制器（VCU）、驱动电机控制器（MCU，与逆变器集成一体）和动力电池管理系统（BMS），这三个控制器是纯电动汽车的核心技术，对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。

纯电动汽车的主控模块是整车控制器VCU。纯电动汽车运行时，VCU读取换档信息（PRND）及制动开关信号，根据加速踏板的位置信号，发送给逆变器控制电机功率、运转方向的输出。VCU不间断利用各个传感器采集车辆状态，计算并输出期望的转矩。

如图1-1-9所示，当驾驶人踩下加速踏板时，整车控制器VCU控制动力电池输出电能，然后通过控制逆变器驱动电机运转，电机输出的转矩经齿轮机构带动车轮前进或后退。

图1-1-9 纯电动汽车基本驱动系统结构示意图

如图1-1-10所示，纯电动汽车运行过程中的能量流动主要有以下两个路径：

图1-1-10 纯电动汽车运行过程中能量的流动（帝豪EV450）

1）驱动车辆时的能量流动

驱动时，来自动力电池的能量通过高压配电箱（BDU）、逆变器，再进入电机变速单元实现车辆驱动。

另外，整车控制器VCU还会同时协调动力电池管理系统、热管理系统和仪表显示等辅助功能。动力电池的管理系统BMS随时监测电池的运行状态，并及时传送给VCU，VCU结合这些状态信息及当前的功率输出需求，来平衡高压电能功率器件的使用，并将信息通过仪表显示给驾驶人。例如，VCU持续计算剩余的电池能量和当前的驾驶模式，根据车辆剩余的可用电能，车辆通常也会采取相应的提示和限制措施。图1-1-11给出了仪表显示动力电池能量状态的方法。

2）制动减速时的能量回收

制动或车辆减速时，变速单元内的驱动电机将变成发电机，将能量通过逆变器、BDU传回动力电池，为电池充电。

注意：当ABS被激活或者ABS出故障的时候，整车控制器VCU将关闭能量回收功能。

图1-1-11 仪表显示的动力电池能量状态

（2）纯电动汽车的运行模式

纯电动汽车运行时，由VCU采集加速踏板和档位状态信息，来判断驾驶人的驾驶意图，并结合动力系统部件状态，协调动力驱动系统输出动力。另外，VCU还会同时协调动力电池、热交换系统的运行，并实现仪表显示等辅助功能。

1）加速前进

整车控制器VCU读取换档PRND信息及制动开关信号，根据加速踏板的位置信号，发送信号给逆变器，控制电机功率、转动方向的输出。

注意：当外部充电线连接在车上时，系统将禁止车辆移动。

2）减速与制动

滑行或者减速的时候，整车控制器VCU能够进行制动能量的回收。制动能量通过驱动电机转换为电能储存到动力电池中。

注意：当ABS被激活或者ABS故障的时候，VCU将关闭该功能。

3）运行中的动力模式管理

整车控制器VCU不间断利用各个传感器采集车辆状态，计算并输出期望的转矩。

动力电池的BMS随时检测动力电池的运行状态，并及时传送给VCU，VCU结合这些状态信息及当前的功率输出需求，来平衡高压电能功率器件的使用，并通过仪表显示给驾驶人。如图1-1-12所示。

图1-1-12 帝豪EV300动力模式在车辆上的显示

4.纯电动汽车的结构特征

纯电动汽车的基础仍然是汽车，只是驱动车辆的能源形式变了。

与传统汽车相比，纯电动汽车具备以下结构特征。

特征一：保留了传统汽车的大部分部件，如车身、灯光、底盘等。外形的结构与传统汽车基本一致，为了迎合时代的潮流，新能源汽车外形设计通常比较“时尚”。图1-1-13所示是特斯拉纯电动汽车的外形，图1-1-14是吉利帝豪EV450纯电动汽车的外形。

图1-1-13 特斯拉纯电动汽车

图1-1-14 吉利帝豪EV450纯电动汽车

特征二：改变了驱动车辆的动力形式。纯电动汽车采用了动力电池加电机及驱动单元的方式，取代了传统汽车的内燃机和变速器。

纯电动汽车行驶的动力全部依靠驱动电机（简称电机或电动机），电机的驱动电能来自动力电池（也称动力蓄电池、高压电池包等）。如图1-1-15所示，纯电动汽车的驱动系统上不再有传统汽车的内燃机和变速器了，取而代之的是位于车辆后部或底部的动力电池，以及位于原内燃机位置的一个带有电机的变速驱动单元，同时也包含控制电机的逆变器（驱动电机控制器）及其他高压部件。

图1-1-15 纯电动汽车典型驱动结构

特征三：因为驱动系统和运行模式的改变，部分辅助系统也相应地做了改变。例如，空调与暖风系统、低压电源系统以及补充能源的形式等。

以下介绍纯电动汽车在结构上与传统燃油汽车的区别。

（1）外观标识

纯电动汽车通常在车身上标识有EV等字样，这是最“直接”的识别方式，如图1-1-16所示。

图1-1-16 纯电动汽车标识

（2）铭牌参数

除了与传统汽车基本一致的车辆识别码（VIN码）外，纯电动汽车铭牌上都会注明动力电池、驱动电机相关的技术信息。图1-1-17是帝豪EV450纯电动汽车的铭牌。

（3）高压电缆

纯电动汽车使用高压电，需要高压电缆（或称高压导线）向各高压部件输送高压电，连接高压电器部件之间的电缆都属于高压电缆。高压电缆的外部绝缘层颜色采用标准的橙色。高压电缆及电缆之间的插接器需要满足国家高压电器安全标准。同时，由于高压部件之间电流很大，所以采用的电缆直径都在5mm以上。图1-1-18是高压电缆及插接器。

图1-1-17 纯电动汽车的铭牌

图1-1-18 高压电缆及插接器

（4）充电口

纯电动汽车和插电式混合动力汽车，需要通过外部充电的方式来获取电能，因此可以通过充电口（通常位于传统汽车加油口或车标位置）这个特征进行判别。

图1-1-19所示的是正在充电的吉利帝豪EV450纯电动汽车，图1-1-20所示的是EV450车型的充电口。

图1-1-19 正在充电的纯电动汽车

图1-1-20 吉利帝豪EV450充电口

（5）动力电池

动力电池是纯电动汽车唯一的动力源，混合动力汽车辅助的动力源。

图1-1-21所示的是动力电池结构示意图。动力电池由BMS进行控制，在向全车提供电能的同时，还对动力电池进行电量计算评估、安全监测、充放电控制、漏电监测，以及控制电池的电量平衡。

图1-1-21 动力电池结构示意图

（6）变速驱动单元及驱动电机

变速驱动单元是新能源汽车，特别是纯电动汽车动力输出的关键部件，内部主要包括驱动电机和减速齿轮机构。驱动电机将电能转换为机械能来实现驱动车辆。对于前驱的车辆，变速驱动单元安装在前机舱内，后驱车辆则安装在底盘后部。

图1-1-22所示的是纯电动汽车变速驱动单元的结构，在其内部可以看到驱动电机和连接电机转子的齿轮机构。此外，更明显的是变速驱动单元的上方还连接有逆变器（驱动电机控制器）的三根橙色高压电缆。图1-1-23是吉利帝豪纯电动汽车驱动电机及技术参数。

图1-1-22 变速驱动单元结构示意图

图1-1-23 吉利帝豪纯电动汽车驱动电机及技术参数

（7）逆变器/驱动电机控制器

逆变器是变速驱动单元的主控部件，通常位于变速驱动单元的上部。逆变器一端连接来自动力电池的高压电缆（两条），另一端连接驱动电机的三相交流电缆（三条），主要用于将来自动力电池的直流电转换为可用于驱动电机的三相交流电，同时在车辆减速制动能量回收时，用来将电机产生的交流电转换成直流电，反馈给动力电池充电。大多数车辆将逆变器与电机控制单元集成在一起，称“驱动电机控制器”，实现逆变器的功能和控制电机的运转。

图1-1-24 驱动电机控制器外形图（帝豪EV300）

图1-1-24所示的是帝豪EV300车型驱动电机控制器的外形图。

（8）DC/DC变换器

传统燃油汽车是通过发动机带动发电机为12V蓄电池充电，并为车载电器提供工作电源的。纯电动汽车不再设计有发电机，动力电池的高压电通过DC/DC变换器变换为12V低压电源，为12V蓄电池充电，并为常规的车载电器提供工作电源。常规的车载电器部件包括灯光、中控门锁、信息娱乐系统、电动门窗等。

图1-1-25是纯电动汽车高压和12V低压电源系统的变换过程。

图1-1-25 纯电动汽车12V电源系统的变换过程

DC/DC变换器通常安装在前机舱内，将动力电池的高压直流电转换为低压12V直流电。有的车型（如比亚迪e6）的DC/DC变换器包含空调驱动器功能，接收空调控制器（控制单元）的信息来为空调压缩机和暖风加热器PTC提供电源。也有的车型（如比亚迪e5）将DC/DC变换器和其他高压部件，如车载充电器、驱动电机控制器集成一体。

如图1-1-26所示，比亚迪e6前机舱左侧的是DC/DC变换器（与空调驱动器集成一体），右侧是驱动电机控制器。

图1-1-27所示为帝豪EV300 DC/DC变换器（集成于电机控制器内）。

图1-1-26 比亚迪e6车型的DC/DC变换器（含空调驱动器）

图1-1-27 帝豪EV300车型的DC/DC变换器

（9）高压配电箱

在纯电动汽车应用中，一般将动力电池与驱动电机逆变器之间的高压配电箱单元称为BDU(Battery Disconnecting Unit)，也有公司将其称为“高压控制盒”等。BDU是整车高压配电装置，主要作用是高压电源的分配、接通、断开。纯电动汽车在运行时，动力电池输出的电能主要去向有五个方向。

动力电池→BDU→逆变器：为驱动电机提供电能，并接收制动能量回收电能；

动力电池→BDU→高压压缩机：为车载空调系统提供制冷电能；

动力电池→BDU→DC/DC变换器：为车辆低压电器提供电源和为12V蓄电池充电；

动力电池→BDU→PTC暖风加热器：为车载暖风系统提供加热电能；

外部220V电源→车载充电机→BDU→动力电池：使用外部220V电源为动力电池充电。

BDU的电能分配单元内部主要是继电器和控制电路，由车辆动力系统控制模块（包括整车控制器VCU和BMS），根据点火开关或充电需求，控制对应继电器的接通和断开。图1-1-28所示为帝豪EV300高压配电箱BDU的外形和内部结构。

图1-1-28 帝豪EV300高压配电箱BDU外形和内部结构图

（10）整车控制器

整车控制器（简称VCU或VCM）通常安装在前机舱或驾驶室内（图1-1-29）。VCU是全车动力系统的主控制模块，是实现整车控制决策的核心，类似于传统汽车动力系统控制模块PCM的功能。VCU通过采集变速器档位、加速踏板、制动踏板等位置信号来判断驾驶人的驾驶意图；通过监测车辆状态（车速、温度等）信息，由VCU判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送控制命令，同时控制车辆其他系统的运行。

（11）漏电传感器

漏电传感器主要用于监测动力电池与车身的漏电电流。图1-1-30所示为比亚迪e6的漏电传感器。有的车型，如帝豪EV300的漏电传感器位于动力电池内部。

图1-1-29 帝豪EV300整车控制器VCU

图1-1-30 漏电传感器

（12）维修开关

维修开关是电动车辆（包括纯电动和混合动力汽车）中一种常用的手动操作设备，用于直接断开车辆中的高压电，以保证能安全地对车辆进行维修检查工作。图1-1-31所示为帝豪EV300的维修开关。

图1-1-31 帝豪EV300维修开关

（13）空调与暖风系统

纯电动汽车和大部分混合动力汽车的空调采用电动方式（高电压）来驱动压缩机，区别于传统汽车通过内燃机曲轴传动带驱动形式，但空调的制冷原理与传统车辆相同，如图1-1-32所示。

在供暖实现的形式上，由于没有了内燃机70℃以上的热量来源，驱动电机产生的热能也达不到合适温度，纯电动汽车通常是利用电加热的方式来产生暖风。电加热的方式有两种，一种是通过高压电加热类似传统空调与暖风系统中的冷却液，再经过循环为暖风水箱提供热量；另一种是直接通过高压电驱动PTC(Positive Temperature Coefficient的缩写，意思是正温度系数，温度越高电阻越大，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件)加热器，来加热经过蒸发箱的空气，实现供暖，如图1-1-33所示。

图1-1-32 传统内燃机汽车与新能源汽车空调系统压缩机

图1-1-33 纯电动汽车暖风加热系统

（14）制动系统

纯电动汽车的液压制动系统与传统燃油汽车基本组成结构区别不大，但是纯电动汽车液压制动的辅助助力不再有来自内燃机的真空源，为保证制动安全，通常需要单独设计一个电动真空系统来为真空助力器提供真空源。图1-1-34所示为电动真空制动系统结构示意图。

图1-1-34 带电动真空助力器的制动系统结构示意图

（15）转向系统

由于纯电动汽车不能通过内燃机来驱动液压助力转向泵的方式，来实现液压转向助力，因此纯电动汽车都采用电动助力转向系统，即在原机械转向系统基础上安装一个电机，作为转向的辅助动力。转向系统电机从车辆电源系统（通常是42V）获取电能。图1-1-35所示为电动转向机构结构示意图。

图1-1-35 电动转向机构结构示意图

（16）组合仪表

与传统汽车相比，纯电动汽车的组合仪表减少了各种指针，而用纯液晶显示屏代替，在显示的内容上面，有行车信息显示区域、车速表、续驶里程以及各种指示灯、警告灯等。中间显示车速和行车信息，仪表的两侧，取消了发动机转数和燃油表指针，换成了电机功率和剩余电量（SOC）。图1-1-36所示为纯电动汽车的组合仪表。

图1-1-36 帝豪EV450纯电动汽车的组合仪表

（17）高压电控总成

早期的纯电动汽车与高压相关的部件都是独立设计的（图1-1-37所示为北汽E150EV前机舱部件位置），随着技术的发展，新能源汽车生产厂家纷纷将高压部件集成为一体。如图1-1-38所示，北汽新能源从2016年以后生产的纯电动汽车，已将DC/DC变换器、高压控制盒（即BDU）、车载充电机集成到一个部件——PDU（动力控制总成）中，由PDU完成上述三个部件的功能。