1.2 新能源汽車結構

1.2.1 純電動汽車

純電動汽車結構如圖1-13所示，純電動汽車主要由動力電池組、BMS（Battery Management System）采集單元、BMS主控單元、高壓配電盒、電池預熱系統、車載充電機、DC/DC變換器與鉛酸電池、電動空調系統、電機控制器（Motor Control Unit，MCU）與驅動電機、機械傳動機構與TCU、整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）等組成。由于低壓車身電器、電子助力轉向機構等與傳統燃油汽車中并無差異，因此圖1-13中未顯示。

1.動力電池組

動力電池組是整車的能量源，通常由多個三元鋰離子動力電池、磷酸鐵鋰離子動力電池單體組成。多個單體通常先并聯構成“電池模塊”，以增大容量，多個“電池模塊”再以串聯形式連接，以提高電壓。例如，在某車型中，動力電池組由45并90串共4050個三元鋰離子動力電池單體組成，單體標稱電壓為3.7V、容量為2600mAh，所組成的動力電池組標稱電壓為333V、容量為117Ah。

2.BMS采集單元

由于動力電池組由多個串聯的“電池模塊”構成，不同“電池模塊”的溫度、內阻、初始荷電狀態（State of Charge，SOC）的差異會導致在使用過程中“電池模塊”間SOC和單體電壓差異不斷變大，進而降低動力電池組的實際使用效能。因此，必須通過BMS采集單元對“電池模塊”的電壓、溫度和SOC等進行采集，以實時監測“電池模塊”的工作狀態，并進行單體均衡管理。

3.BMS主控單元

BMS主控單元是整個車輛儲能系統的管理中心，其主要功能包括直流母線電壓和電流采集、絕緣電阻檢測、充電控制導引、高壓配電管理、電池歷史信息存儲、總線通信，以及SOC、SOP（State of Power，功率狀態）、SOH（State of Health，健康狀態）等電池狀態分析，過溫、過流、過充等故障診斷及安全預警。通常將由動力電池組、BMS采集單元、BMS主控單元和高壓配電盒組成的系統稱為動力電池系統。

4.高壓配電盒

高壓配電盒是整車能量的分配中心，一般由直流母線正極繼電器、直流母線負極繼電器、預充電控制繼電器、快充控制繼電器、慢充控制繼電器、電池預熱控制繼電器、電動空調控制繼電器、DC/DC控制繼電器、預充電阻及相關熔斷器構成。高壓配電盒接收BMS主控單元的相關控制指令，通過控制相關繼電器實現對相應用電部分的供電控制。在一些車型中，高壓配電盒控制由整車控制器完成。

5.電池預熱系統

作為電化學儲能裝置，動力電池的性能與溫度密切相關。在低溫下，鋰離子動力電池的充放電容量和功率大幅降低，內阻急劇增加，導致電動汽車出現續駛里程縮短、動力不足和充電困難等問題。另外，低溫下電池負極的析鋰現象更加明顯，負極表面鋰枝晶的生長引起電池壽命縮短并有潛在的安全隱患[10]。當動力電池溫度低于設定閾值時，電池預熱系統通過薄膜加熱、液體加熱等方式對動力電池進行預熱，預熱所需的電能通常源于動力電池組或充電樁。目前，也有部分學者探索通過對電池放電或在電池兩端施加交流電，利用電池內阻直接加熱電池，以及采用改變電池結構、在電池內部加入產熱元件等內部加熱方式實現電池預熱[10]。

過高的溫度也會影響動力電池的使用效能。當電池溫度過高時，需要采用風冷、液冷等方式對電池降溫。不過，散熱風扇或循環泵均采用12V或24V低壓電，因此圖1-13中未顯示。

6.車載充電機

車載充電機將從車輛慢充接口輸入的單相交流電變換為與動力電池組電壓等級相匹配的直流電，進而向動力電池組充電。車載充電機的功率通常為5kW左右。同時，車載充電機還需要根據相應的接口標準完成與慢充充電樁的控制導引，國家標準為《電動汽車傳導充電系統》（GB/T 18487.x—2015）。

7.DC/DC變換器與鉛酸電池

DC/DC變換器將高壓配電盒輸出的高壓直流電變換為低壓直流電，并采用恒壓/恒流充電策略對12V或24V鉛酸電池進行充電管理，進而為車身電器、電子助力轉向、電子液壓制動等低壓用電設備及BMS和整車控制器供電。通常采用全橋推挽式隔離DC/DC變換器。

8.電動空調系統

電動空調系統與傳統燃油汽車空調系統的原理基本相同。在傳統燃油汽車中，發動機通過電磁離合器帶動壓縮機；而電動汽車采用電動壓縮機，由動力電池提供直流電，并由電動壓縮機控制器實現對電動壓縮機的驅動與控制。

9.電機控制器與驅動電機

電機控制器與驅動電機是整車的動力中心。電機控制器是可以實現直流—交流逆變和交流—直流整流變換的電力電子裝置，接受整車控制器的控制，將高壓配電盒輸出的直流電變換為頻率、電壓均可調的三相交流電，控制交流電機的轉矩或轉速。同時，在車輛制動時，電機控制器還控制電機產生相應的制動轉矩，并將電機發出的電能回饋至動力電池組。用于車輛驅動的電機一般為三相永磁同步電機、三相異步電機或開關磁阻電機。

10.機械傳動機構與TCU

轉速n、轉矩T與功率P滿足

車輛牽引動力裝置的理想運行特性是在全車速范圍內為恒功率輸出，由式（1-1）中的轉速、轉矩和功率的關系可知，其轉矩應隨車速呈雙曲線變化。另外，由于車輛低速時應限制牽引動力裝置的輸出轉矩，使其不超過輪胎與路面之間的最大附著力，因此車輛牽引動力裝置的理想外特性變為低速恒轉矩、高速恒功率，如圖1-14所示[8]。

對于由FOC矢量電機控制器驅動的永磁同步電機，典型的電機外特性如圖1-15所示。當轉速低于基速時，磁通保持恒定，電壓增至額定值，電機保持恒定轉矩。當轉速高于基速時，電壓保持恒定，電機控制器通過弱磁實現轉速的持續增大，電機保持恒功率輸出，最大轉矩隨轉速下降。可見，電機的典型外特性非常接近圖1-14中的車輛牽引動力裝置的理想外特性。因此，電動汽車的機械傳動機構通常采用固定減速比的單擋傳動裝置[8]。變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）用于接收整車控制器或駕駛員的相關控制指令，控制變速箱處于駐車、倒車或行車狀態。

需要指出的是，典型的內燃機外特性（節氣門全開）如圖1-16所示。其輸出轉矩通常從怠速開始緩慢增大，當達到中間轉速時，輸出最大轉矩。進一步增大轉速時，由于進氣管損耗和機械摩擦增大等，輸出轉矩減小。可見，典型的內燃機外特性與圖1-14中的車輛牽引動力裝置的理想外特性相差較大。同時，由于內燃機存在怠速，必須采用多擋傳動裝置或無級變速器來改善其特性。

11.整車控制器

整車控制器是電動汽車動力系統的控制核心，負責對駕駛員輸入的油門、制動、擋位及工作模式等信息進行解析。同時，根據動力電池SOC、車速、直流母線電壓、直流母線電流等車輛狀態信息，以及相應的能量管理策略，控制動力電池的輸出功率及驅動電機的工作狀態。此外，整車控制器通常還充當整車動力系統的CAN總線網關，負責BMS CAN總線、車載充電機CAN總線及充電樁CAN總線之間的數據轉發。

純電動汽車是我國發展新能源汽車的重點支持車型。雖然受限于動力電池的能量密度、充電時間、充電便捷性等因素，純電動汽車尚不能滿足消費者對理想新能源汽車的預期，但是其具有以下優點。

（1）作為二次能源，電能的來源較廣，包括風力、光伏、核能、潮汐能等，純電動汽車的推廣應用可消耗清潔能源，避免了對石油資源的依賴，對于優化我國能源消費結構、降低碳排放具有戰略意義。

（2）純電動汽車可以作為儲能設施，充分發揮夜間充電對電網的“削峰填谷”作用，促進夜間風電消納，提高電網運行效率和可靠性。

（3）純電動汽車結構簡單，可避開內燃機、復雜傳動機構等技術短板。同時，經過20多年的技術積累，我國已經在動力電池與管理系統、驅動電機與電力電子等核心技術方面積聚了足夠的技術優勢，可以實現純電動汽車關鍵核心零部件的完全自主化。

（4）我國鋰礦資源較豐富，可支持以鋰離子電池為主要儲能裝置的純電動汽車的大規模推廣，避免關鍵資源受制于人。