第一章　電動汽車概述與高壓檢測方法

第一節　電動汽車的結構、組成

一、電動汽車的結構

電動汽車是指以車載電源為動力，用電動機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。電動汽車的組成主要包括電源（動力電池）、驅動電動機系統、整車控制器及充電系統、空調系統、冷卻系統、制動系統、轉向系統和數據采集終端等，其他部分基本與傳統的內燃機汽車相同，如圖1-1所示。

從電動車的工作原理、結構和特點出發，可簡單歸納出“三大電、六小電”的概念。“三大電”是指電動機控制器、電池與管理系統和整車控制器。其中電動機與控制器為新能源汽車提供驅動力；電池與管理系統提供動力源；整車控制器通過總線系統對全車各系統綜合控制。“六小電”是指車載充電器、DC/DC轉換器、空調與加熱系統、儀表系統、轉向電動機和制動助力真空泵電動機。用于為常規汽車電器供電的低壓蓄電池在車輛工作時，由高壓動力電池通過DC/DC轉換成低壓直流電后充電。高壓動力電池關閉后，低壓蓄電池維持低壓系統供電。高壓動力電池接入工作后，DC/DC轉換器與蓄電池可同時為常規電器供電。電動汽車的空調由高壓直流驅動電動機帶動壓縮機制冷；熱風由高壓直流電通過PTC（熱敏電阻）等加熱器件發熱產生熱量，由熱風電動機風扇吹到車內。

電動助力轉向是以低壓直流電驅動助力電動機作為轉向助力，根據車速來控制驅動電流的大小，從而調節助力的大小，實現車速高時助力小、車速低時助力大的要求。

電動助力轉向現在已不是電動汽車的專有配置。現在的電動汽車制動系統多數仍以電動真空泵為動力產生真空源，輔助能量回收系統進行制動。只有部分車型采用智能制動系統，即使用全新的技術代替了原先的真空助力技術，從而徹底終結了制動系統對真空的依賴，并與其他系統結合，這將是未來電動汽車制動系統的發展方向。目前比較有代表性的是博世公司的iBooster和大陸公司的MKC1。

二、電動汽車的主要部件

1．電源（動力電池）

電動汽車的電源為化學電源，向高壓動力回路提供電能。目前應用最廣泛的電源是磷酸鐵鋰電池和三元鋰聚合物電池，如圖1-2所示。動力電池區別于普通電池有其一定的特殊性，總結如下。

① 電池的串并聯。

② 電池的容量較大。

③ 電池的放電倍率較大。

④ 電池的安全性要求較高。

⑤ 電池的工作溫度范圍較寬。

⑥ 電池的使用壽命長，一般要求5～10年。

2．驅動電動機系統

驅動電動機（PMSM）是將電源的電能轉化為機械能的裝置，其工作原理如圖1-3所示。目前國內外電動汽車生產廠家應用的電動機主要有永磁同步電動機和交流異步電動機。電動機控制器將動力電池提供的高壓直流電轉換為三相交流電，在整車控制策略下根據駕駛員的意圖控制電動機的電壓或電流，完成電動機驅動扭矩、旋轉方向及速度的控制。

3．整車控制器

整車控制器對電動汽車動力鏈的各個環節進行管理、協調和監控，以提高整車能量利用效率，確保安全性和可靠性（圖1-4）。整車控制器采集駕駛員操作信號，通過CAN總線獲得電動機和電池系統的相關信息，進行分析和運算，通過CAN總線給出電動機控制和電池管理指令，實現整車驅動控制、能量優化控制和制動回饋控制，具備完善的故障診斷和處理功能。

4．充電系統

在電動汽車上為動力電池充電有兩種方式和路徑：一種是交流車載充電機將家庭用的220V交流電轉換為略高于300V的直流電，為動力電池充電（交流慢充）；另一種是充電樁與電動汽車高壓接口連接，直接用大電流的直流電給動力電池充電（直流快充）。

（1）交流慢充　動力電池在放電終止后，應立即充電，充電電流比較低，這種充電叫作常規充電。常規充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，一般充電時間為5～8h，甚至更長。這種充電方式是利用車載充電機進行的，接220V交流電，如圖1-5所示。

① 慢充模式的優點

a．充電機及其安裝成本比較低。

b．可充分利用電力低谷時段進行充電，降低充電成本。

c．可提高充電效率和延長電池的使用壽命。

② 慢充模式的缺點

a．充電時間過長，因此當車輛需要緊急出行時難以滿足要求。

b．充電時占用停車場時間過長，因此對停車位的數量和環境的要求比較高。

（2）直流快充　動力電池常規的充電方式時間較長，給車輛出行帶來很多不便。為此，又增加了直流快充的充電方式。直流快充又稱應急充電，是通過充電樁以較大電流在電動汽車停車的30～120min內，為其提供短時間充電，一般充電電流為幾十到上百安培，如圖1-6所示。

① 快充模式的優點　充電時間短，方便車輛的出行。

② 快充模式的缺點

a．增加了電網的載荷和沖擊，同時也降低了電池的使用壽命。

b．快充設備功率比較大，控制也比較復雜，成本高，安裝時對接入電網的容量要求比較高。

（3）低壓蓄電池充電　電動汽車的低壓12V蓄電池的充電及低壓電氣設備的輔助供電是由DC/DC轉換器將動力電池的高壓直流電轉換為低壓直流電提供的，如圖1-7所示，輸出范圍在14V左右。

5．空調系統

電動汽車空調系統（圖1-8）與傳統汽車空調最大的不同就是壓縮機和暖風。電動汽車的壓縮機多采用電動渦旋式壓縮機，通過高壓電來驅動，這一點區別于傳統汽車空調壓縮機；暖風功能是PTC加熱器通過將高壓電轉化為熱能實現的，所以，當開啟空調的制冷或制熱時，消耗的是動力電池的電量，電動汽車空調的響應速度比較快，效率高，在啟動空調后很短時間內就會達到設定溫度。

6．冷卻系統

電動汽車的冷卻系統比較簡單，冷卻系統由散熱器、儲液罐、12V電子水泵、電動機水道、電動機控制器水道、PDU水道及水管組成，主要是給大功率用電設備和大功率開關元器件進行散熱，加注的冷卻液類型與傳統汽車一樣。電動水泵的位置如圖1-9所示。

7．制動系統

目前國產電動汽車大部分為并聯制動，并聯制動制動力分配原理如圖1-10所示。與串聯制動不同，并聯制動按一個固定的比例分配再生制動力和機械摩擦制動力。由于沒有充分發揮再生制動力的作用，因此其回收的能量沒有串聯制動高。但并聯制動對傳統機械摩擦制動系統的改動少，結構簡單，只需增加一些控制功能即可，成本低。

并聯制動系統的控制原理如圖1-11所示。根據駕駛員的命令，電動機控制器確定需要加在液壓制動基礎上的電動機制動轉矩，其大小由液壓主缸壓力確定。同樣，電動機制動扭矩是電動機轉速的函數。因此能夠加在液壓制動基礎上的電動機制動力要根據汽車的靜態制動力分配關系、電動機扭矩特性、駕駛員的感覺和輪胎與路面附著極限綜合確定。很明顯，由于缺乏主動制動控制功能，在電動機制動和液壓制動系統之間不能進行協調控制，因此，并聯制動對電動機制動扭矩使用不充分，能量回收率低。

8．轉向系統

目前1.3t以內的中小型電動汽車多采用小齒輪式電動助力轉向系統（P-EPS），這種轉向助力系統在傳統汽車上也有應用，主要由機械轉向部分和電控系統組成，如圖1-12所示。該轉向系統的特點如下。

① 助力扭矩通過轉向器放大，因此要求電動機的減速機構的傳動比也相對較小。

② 由于電動機的安裝位置距離駕駛員有一定距離，因此對電動機的噪聲要求不是太高。

③ 電動機的扭矩波動不容易傳到方向盤上，駕駛員手感適中。

④ 助力扭矩不通過轉向管柱傳遞，因此對轉向管柱的剛度和強度要求較低。

9．數據采集終端

數據采集終端由一根天線和一個數據記錄儀（圖1-13）組成， 數據記錄儀指示燈說明如表1-1所示，其作用如下。

① 車載終端能夠與整車控制器（VCU）通過CAN總線進行通信，服從VCU的控制命令，獲取整車的相關信息。車載終端采用“行程長度編碼”壓縮機制，對CAN數據進行壓縮，以減少存儲空間的占用，同時節約網絡帶寬資源與流量，加快數據傳輸速度。

② 車載終端能夠用GPS對車輛進行定位。

③ 車載終端能夠將大量數據（最大8G）存儲到本地移動存儲設備（SD儲存卡，如圖1-14所示）中。存儲的數據可由分析處理軟件讀取和分析。

④ 車載終端能夠將信息按照規定的時間和數據量，以無線通信（GPRS）的方式發送到服務平臺。在此信息傳輸的過程中，要保證信息的正確性，并且不能將信息丟失；同時，還需要做到信息的保密，使無線通信的信息不能被他人竊取。

⑤ 車載終端將在本地保存車輛最近運行一段時間的數據作為“黑匣子”，提供車輛發生故障或發生前的數據信息。

⑥ 車載終端支持在通信網絡不暢情況下，自動將數據保存至采集終端Flash存儲區內，待網絡正常后，自動/人工將數據上傳至服務平臺。

⑦ 自檢功能：當檢測到GPS模塊、主電源等故障時，會主動上報警情到監控中心，輔助設備進行檢修。

⑧ 遠程升級：支持遠程自動升級功能，自動接收來自服務平臺的升級指令完成軟件升級，大大節約了維護成本。必要情況下，借助車載終端可通過CAN協議對車輛進行軟件升級。

⑨ 車載終端與遠程控制平臺及手機APP配合工作，可實現車輛遠程狀態查詢（圖1-15）和遠程車輛控制等功能（比如遠程開啟空調、充電等）。