第二節 純電動汽車的工作原理

一、電氣控制系統的工作原理

純電動汽車的電氣控制系統通常包含低壓電氣子系統、高壓電氣子系統和整車網絡化控制子系統三部分。

高壓電氣子系統主要由動力電池、驅動電機和功率變換器等大功率、高電壓的電氣設備組成，根據車輛行駛的功率需求完成從動力電池到驅動電機的能量變換與傳輸過程。低壓電氣系統采用直流12V或24V電源，一方面為燈光、刮水器等車輛的常規低壓電器供電，另一方面為整車控制器、高壓電氣設備的控制電路和輔助部件供電。純電動汽車各種電氣設備的工作統一由整車控制器協調控制。一般純電動汽車電氣控制系統的結構如圖2-5所示。

圖2-5 純電動汽車電氣控制系統的結構

純電動汽車低壓電氣控制系統主要由DC/DC變換器、輔助蓄電池和若干低壓電器設備組成。低壓電器主要包含燈光系統、儀表系統、娛樂系統、電動車窗、刮水器、除霜裝置和各種控制器等。燃油汽車與純電動汽車的低壓電氣控制系統的主要區別在于，燃油汽車的輔助蓄電池由與發動機相連的發電機來充電，而純電動汽車的輔助蓄電池由動力電池通過DC/DC變換器來充電。在傳統的燃油汽車中，電動助力轉向系統、制動系統等主要由低壓電氣子系統供電，而在純電動汽車中，為了節約能源，對于功率較大的子系統如制動氣泵電動機和電動空調系統等一般采用高壓供電。

純電動汽車是一個高度集成的電氣化系統，包括驅動電機控制系統、電池管理系統、車載充電系統、電動輔助系統、低壓電氣系統等多個子系統，必須通過一個整車控制系統來進行各子系統的協調控制，從而實現整車的最佳性能。

整車控制系統主要包括整車控制器、電機控制器、電池管理系統、車身控制管理系統、信息顯示系統和通信系統等。整車控制器是整車控制系統的核心，承擔了數據交換與管理、故障診斷、安全監控、駕駛人意圖解析等功能。各子系統之間的信息傳遞通過網絡通信系統實現，目前常用的通信協議是CAN協議，它具有較好的可靠性、實時性和靈活性。信息顯示系統可以實現整車工作狀態的實時顯示，如車速、電池狀態、電機狀態、故障顯示等，方便駕駛人了解車輛的實時狀態。整車控制系統必須具有較高的可靠性、容錯性、電磁兼容性和環境適應性等，以保障純電動汽車整車安全、可靠地運行。

作為純電動汽車核心系統之一，高壓電氣子系統有兩種驅動類型，即直流電機驅動系統和交流電機驅動系統。兩者之間最大的區別在電驅動系統部分，因為使用的驅動電機不同，而不同驅動電機的工作特性、控制方式、成本高低是不一樣的（詳見第五章），所以會導致相應結構和工作原理不同。開發整車時要根據汽車型號的定位不同進行分析和論證，以保證整車良好的性能和節能效果。能量子系統不僅包含提供能量的動力電池組，還包含充電裝置和能量轉換相關系統。因為動力電池組輸出的電流一般為直流，所以需要DC/DC或DC/AC變換裝置完成驅動電機的任務。輔助子系統的主要任務是確保整車在合理的狀態中工作，以及確保乘坐的舒適性。

圖2-6 直流電機驅動系統的基本結構示意圖

圖2-6所示為直流電機驅動系統的基本結構示意圖。

直流電機驅動系統采用直流電機作為驅動電機，其電機控制器一般采用斬波控制器。斬波控制器既可用于控制電機的電樞電壓，實現電機恒轉矩調速，也可用于控制勵磁繞組電壓，改變勵磁電流，實現恒功率弱磁調速控制。在電機恒轉矩特性區，通常保持勵磁電流不變，通過控制電樞電壓來實現對電機轉速的控制；在恒功率區，保持電樞電壓不變，通過控制勵磁電流實現對電機轉矩和轉速的控制。圖2-7所示為直流電機驅動系統工作原理示意圖。

圖2-7 直流電機驅動系統工作原理示意圖

直流電機驅動系統的優點在于控制技術簡單，動態性能較好。雖然直流電機易于控制，但是由于它采用機械換向結構，維護困難，且電刷與換向器之間很容易產生火花，尤其是對無線電產生干擾，這對高度智能化的未來電動汽車是個致命的弱點。另外，直流電機及其驅動系統體積大，密封較困難，制造成本較高，速度范圍有限，質量較大，能量密度較低。所有這些因素都限制和妨礙了直流電機在電動汽車中的進一步應用。

因為目前純電動汽車的動力電池組只能輸出直流電，所以在對交流感應電機供電之前，首先需要安裝逆變器將直流電轉換成交流電。這樣就不可避免地增加了交流驅動系統的制造成本，另外對交流感應電機的控制技術也相對復雜很多，是當前限制交流驅動系統大規模應用的因素之一。但是隨著微電子技術和現代控制技術的不斷發展和完善，對交流感應電機的控制方法也獲得了較大的發展，常用的控制方法有變頻變壓控制、磁場定向矢量控制和直接轉矩控制。

圖2-8所示為交流電機驅動系統基本結構示意圖。圖2-9所示為交流電機驅動系統工作原理示意圖。

圖2-8 交流電機驅動系統基本結構示意圖

近年來，越來越多的智能控制技術應用到電機控制中。例如，模糊控制技術能充分利用其非線性結構自尋優等各種功能，顯著提高系統的魯棒性。此外，由于不需要建立被控對象的精確數學模型，系統的設計也變得較為簡便。使用模糊PID算法替代傳統的PID算法，能明顯改善系統的穩態和動態性能，有較好的控制效果。

二、傳動系統的結構及工作原理

圖2-10所示為純電動汽車傳動系統布置的常規形式。其應用實例如圖2-11所示。在這種形式中，傳統內燃機由一組動力電池和一臺驅動電機所代替，離合器、變速器和差速器的布置形式與傳統內燃機車輛的布置形式一致。其中的離合器和變速器也可被自動變速器所代替，差速器的功能是通過機械傳動使車輛曲線行駛時兩側車輪能夠在不同速度下行駛。

驅動電機能夠在較長的速度范圍內提供相對恒定的功率，因此多速變速器可以被一個固定速比減速器所替代，并且離合器也可省去，即無變速器的傳動形式，如圖2-12所示。其應用實例如圖2-13所示。這種傳動系統一方面可以節省機械傳動結構的重量和體積，另一方面可以減少由于換檔所帶來的控制難度。

圖2-9 交流電機驅動系統工作原理示意圖

圖2-10 純電動汽車傳動系統布置的常規形式

圖2-11 常規純電動汽車傳動裝置結構圖

1—電機 2—螺栓 3—套筒 4—飛輪殼 5—飛輪 6—軸承 7—壓盤 8—離合器殼 9—螺栓 10—軸承 11—輸入軸 12—分離叉 13—分離套筒 14—離合器蓋 15—分離杠桿 16—從動盤

圖2-12 固定速比減速器傳動系統（無離合器）

圖2-13 固定速比減速器傳動系統（無離合器）應用實例

第三種傳動形式與第二種傳動形式類似，但是驅動電機、固定速比減速器和差速器被進一步整合為一體，布置在驅動軸上，如圖2-14所示。其應用實例如圖2-15所示。整個驅動傳動系統被大大簡化和集成化。從再生制動的角度出發，這種傳動形式可以很容易地實現電能從車輪到電機的回收（驅動輪以外的動能通過制動轉化為熱能），所以有利于全輪驅動。因為沒有傳動裝置，所以運轉更加容易，但是這樣的布置形式要求有低速大轉矩、速度變化范圍大的電機，同時增加了電機和逆變器的容量。

圖2-14 第三種傳動形式

圖2-15 第三種傳動形式應用實例

如圖2-16所示，在第三種傳動形式的基礎上，差速器被兩個獨立的驅動電機所代替。每個驅動電機單獨完成一側車輪的驅動任務，即無差速器的傳動形式。在車輛進行曲線行駛時，兩側的電機就會分別工作在不同的速度下。圖2-17所示為雙電機驅動模式下的底盤結構。前軸兩個半橋上分別用一個電機驅動一側車輪的行駛，但是控制難度較大。

為了進一步簡化驅動系統，驅動電機與車輪之間取消了傳統的傳動軸，由驅動電機直接驅動車輪前進，如圖2-18所示。同時一個單排的行星輪用來降低轉速和增強轉矩，以滿足不同工況的功率要求。單排行星輪可以提供良好的減速比和線性的輸入輸出特性。

圖2-16 雙電機-固定速比減速器一體化傳動系統

圖2-17 雙電機驅動模式下的底盤結構

在完全舍棄驅動電機和驅動輪之間的機械傳動裝置之后，輪轂電機的外轉子直接連接在驅動輪上。驅動電機轉速控制與車輪轉速控制融為一體，構成了所謂的雙輪轂電機，使車速控制變得簡單。然而，這種分布方式需要驅動電機提供更高的轉矩來起動和加速車輛，如圖2-19所示。輪轂電機實物圖如圖2-20和圖2-21所示。

圖2-18 雙電機-固定速比減速器一體化輪邊驅動傳動系統

圖2-19 雙輪轂電機驅動系統

圖2-20 輪轂電機實物圖

輪轂電機驅動方式有兩種：一種為內轉子型（圖2-22a）；另一種為外轉子型（圖2-22b）。

四輪轂電機即安裝四輪獨立控制的電機和逆變器的驅動系統，這樣可以使結構更加緊湊，同時能夠使車輛達到前所未有的機動性。圖2-23所示即為使用這種四輪轂電機驅動系統的實例。依靠這種結構，可以實現下述幾個功能。

①車輪可以實現±180°的旋轉、橫向行駛、任意旋轉行駛。圖2-24所示的照片為YONDEN PIVOT轎車依靠車輪控制進行橫向行駛、旋轉行駛時的示意圖，是四輪轂電機獨立驅動方式下自由行駛的例子。

②因為可以進行各車輪任意轉矩控制，所以使得防滑控制、制動控制等多種性能得以發揮。

圖2-21 輪轂電機結構圖

圖2-22 兩種輪轂電機驅動方式示意圖

a）內轉子型 b）外轉子型

圖2-23 四輪轂電機驅動系統

圖2-24 橫向行駛和旋轉行駛示意圖（YONDENPIVOT車型）

③輪轂電機的大型化較難，但是總功率依靠四臺電機分擔，可使每臺電機的容量變得小一些。此外，因為沒有動力傳動裝置，所以可以提高效率。如圖2-25所示，因為要以在公共交通工具中的廣泛使用為目的，所以大客車正向無踏板的低地板化方向發展。在保留通常的差速器的情況下，大幅度降低車地板是相當困難的。相反，采用沒有貫通軸的輪轂電機則比較容易實現。

④低速大轉矩電機體積大又昂貴，因此近年來出現了減速器內置的輪轂電機。但同時也有人提出，隨著非簧載質量增大等原因，其操作性、乘坐舒適性等性能有所下降，且輪轂電機價格昂貴。但是，這些問題與之成為未來汽車理想的動力傳動方式并不相悖。

圖2-25 低車地板軸

a）傳統有差速器的結構 b）輪轂電機驅動方式

三、電源系統的結構及工作原理

作為純電動汽車的能量來源，動力電池組承擔著為驅動電機以及為汽車輔助系統供能的作用。而作為動力電池組與外界進行接觸的媒介，動力電池箱承擔了對動力電池的能量傳導、安全防護、性能維護的任務，對動力電池組性能的充分發揮起到了越來越重要的作用。

1.動力電池組的設計及整車集成技術所涵蓋的內容

（1）結構 結構設計和優化，以滿足圖紙化制造的需求。

（2）熱管理 提高熱管理效率的設計。

（3）電氣構成 傳感器的選擇，安全系統的設計，高、低壓電氣元器件的選擇和設計。

（4）控制系統 SOC算法的開發，電池管理系統的設計和開發，整車控制策略的開發和優化。

（5）制造 材料的選擇和成本的降低。

（6）集成技術 整車集成，冷卻開發，車輛性能和燃油經濟性的優化調節。

2.電子產品和電池管理系統設計內容

①概念的界定和規范發展。

②電子電路板的設計與開發。

③SOC/SOH算法。

④電池控制功能。

⑤故障模式影響分析和危險性分析。

⑥診斷和預測，包括模擬故障響應評估的硬件在環仿真。

動力電池應用技術隨著電動汽車技術的發展，逐步從簡單的電池單體串并聯實現高壓、大容量電池組發展到模塊化封裝、集成化應用階段。例如，為了滿足奧運會的需要，BK6122EV型純電動大客車在前期動力電池封裝技術的基礎上，主要針對快速更換電池方式，同時兼顧電池模塊化封裝，進行功能完善和細化、優化設計，成功研制出了支持快速更換的動力電池箱，并成功應用到奧運電動客車上。

BK6122EV型純電動客車采用的新型電池箱，具有電池模塊化封裝、管理系統和安全防護系統集成、可快速更換的特點，具有防水、防火、防塵的功能。動力電池箱由內、外箱體兩部分組成，外箱體固定在車架上，內箱體通過外箱體內部滾輪支撐，鎖止固定在外箱上。設計了“自動快速插接機構”，解決了插頭和插孔之間的快速插接/分離以及防振問題；設計了安全可靠的鎖止和解鎖結構，實現了整體電池組安全鎖止和快速拆卸；設計了重載全脫出式滑道和導向式滾輪兩種拖出結構，實現了電池組快速與車體分離的問題。采用雙層結構面板設計，中間層布置電池管理系統、熔斷器、手動檢測機構、通風風扇、快換系統吸盤等部件，實現了電池模塊化封裝、電池箱及其組件的集成，并且便于布線、安裝和維護，支持快速更換。電池箱總體技術結構如圖2-26所示。

圖2-26 電池箱總體技術結構

a）電池內箱體 b）電池外箱體 c）電池箱安全防護和管理系統 d）電池箱面板結構

圖2-27 電池箱整體

BK6122EV型純電動客車有兩種電池箱規格：大箱和小箱。大箱和小箱除尺寸不同外，結構和功能均相同。完整的電池箱由外箱和內箱組成，組裝好的電池箱如圖2-27所示。

（1）外箱體 整體結構（圖2-28）采用鋼板沖壓成形，外部進行噴塑處理，內部噴涂防火絕緣漆，為電池安裝提供一個防水、防火、通風的空間。

（2）內箱體（圖2-29） 提供電池單體、電池管理系統、高壓防護系統、通風系統、快速更換接口等安裝和固定空間。

圖2-28 電池箱外箱體結構

圖2-29 電池箱內箱體結構

電池成組后，作為電動汽車高壓電源，必須滿足整車的絕緣強度要求。該電池箱通過采用電池單體殼體絕緣、內外箱體間絕緣輥子絕緣、箱體內部防火絕緣漆絕緣、外箱體絕緣子懸浮絕緣、電磁鎖絕緣處理等，多層次實現電池與車體間的二次絕緣。

圖2-30所示為錳酸鋰動力電池箱內部結構。多塊動力電池單體組合以滿足所需要的電流和電壓，同時通過動力電池組管理模塊來監視電池組的各種工作狀態。

圖2-30 錳酸鋰動力電池箱結構

此外，通用汽車公司生產的EV-1純電動汽車采用公司的鎳氫動力電池，比能量為70W·h/kg，能量密度為160W·h/L。在50%放電深度時比功率為220W/kg，80%放電深度時比功率為200W/kg，一次充電后續駛里程達到265km，其動力電池組的布置形式如圖2-31所示。鎳氫電池能比其他電池更好地保存能量，壽命可達到600次循環。在發生錯誤的過充電或過放電時有良好的“容錯”能力，并且可以與不同型號的電池兼容。快速充電性能良好，能夠控制在最理想的條件下進行充電。鎳氫電池報廢后可被安全回收。動力電池組用丁字形支架穩固地安裝在車架上，保證了其安裝的穩定性。丁字形支架可以從車輛后部抽出，便于動力電池組的安裝和維修。

圖2-31 通用EV-1純電動汽車動力電池組的布置形式

在EV-1純電動汽車中，動力電池系統采用動力電池組管理模塊對動力電池組進行管理。動力電池組除主要向驅動系統提供電能外，還要向轉向系統的電動油泵、空調系統的壓縮機和風扇等提供動力電源。動力電池組管理模塊能夠檢測到動力電纜的松動和逆變器蓋的松動，在25ms內做出反應，用自動和手動斷路器裝置立即切斷各個關鍵系統的電源，以保證整車高壓電系統的安全性。豐田和本田公司使用的鎳氫動力電池如圖2-32所示。

動力電池組管理模塊的分流器模塊檢測動力電池組的電流，控制動力電池組充電、放電的全過程。動力電池組熱管理系統和冷卻通風系統模塊，對動力電池組進行熱管理，對電線保護套松動、動力電池組的電壓和溫度進行測量和控制，保證車載電源系統能夠正常運行，以優化動力電池組的性能，延長使用壽命。自我檢測和自我保護系統模塊，將動力電池組技術狀況的信息實時反饋到整車控制器中，并由整車控制器做出相應的處理。

圖2-32 豐田和本田公司使用的鎳氫動力電池