新能源汽车技术原理与维修（3）——纯电动汽车概述与高压防护（上）

文：李宏伟

新能源汽车技术原理与维修（3）
——纯电动汽车概述与高压防护（上）

文：李宏伟

本期我们重点对新能源汽车中的纯电动汽车进行专门介绍。

一、纯电动汽车的结构、组成

纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。

纯电动汽车的组成主要包括：电源（动力电池）、驱动电机系统、整车控制器及充电系统、空调系统、冷却系统、制动系统、转向系统和数据采集终端等，而其他部分基本与传统的内燃机汽车相同（图1）。下面对电动汽车主要组成部分结构、原理和功能进行详细描述。

1.电源（动力电池）

电动汽车的电源为化学电源，向高压动力回路提供电能，目前应用最广泛的电源是磷酸铁锂电池和三元锂聚合物电池（图2）。

动力电池区别于普通电池有其一定的特殊性，总结如下。

①电池的串并联。

②电池的容量较大。

③电池的放电倍率较大。

④电池的安全性要求较高。

⑤电池的工作温度范围较宽。

⑥电池的使用寿命长，一般要求5～10年。

今后的文章中还会专门对动力电池进行详细介绍，这里就不再赘述了。

2．驱动电机系统

驱动电动机（PMSM)是将电源的电能转化为机械能的装置（图3），通过传动装置或直接驱动车轮。目前国内外电动汽车生产厂家应用的电动机主要有永磁同步电机动和交流异步电动机。

（1）永磁同步电动机（图4）

永磁同步电动机的特点如下。

①PMSM本身的功率效率及功率因数较高。

②PMSM发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小。

③PMSM允许的过载电流大，可靠性显著提高。

（2）交流异步电动机（图5）

交流异步电动机特点如下。

①转子结构简单、可靠性高、使用寿命长、重量轻且成本低。

②通用性极强，可提供各种冷却类型、防护等级及各种型号。

③易实现转速超过10 000 r/min 的高速旋转。

电机控制器将动力电池提供的高压直流电转换为三相交流电，在整车控制策略下根据驾驶员的意图控制电动机的电压或电流，完成电动机驱动扭矩和旋转方向及速度的控制。

3.整车控制器

整车控制器对新能源汽车动力链的各个环节进行管理、协调和监控，以提高整车能量利用效率，确保安全性和可靠性（图6）。整车控制器采集驾驶员操作信号，通过CAN总线获得电机和电池系统的相关信息，进行分析和运算，通过CAN总线给出电机控制和电池管理指令，实现整车驱动控制、能量优化控制和制动回馈控制。具备完善的故障诊断和处理功能。

4.充电系统

在纯电动汽车上为动力电池充电有2种方式和路径：一种是交流车载充电机将家庭用电220 V转换为略高于300 V的直流电，为动力电池充电（交流慢充）；另一种是充电桩与纯电动汽车高压接口连接，直接用大电流的直流电给动力电池充电（直流快充）。

（1）交流慢充

动力电池在放电终止后，应立即充电，充电电流比较低，这种充电叫做常规充电。常规充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时间为5～8 h，甚至更长。这种充电方式是利用车载充电机进行的，接220 V交流电（图7）。

①慢充模式的优点

a.充电机和安装成本比较低。

b.可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本。

c.可提高充电效率和延长电池的使用寿命。

②慢充模式的缺点

a.充电时间过长，因此当车辆需要紧急出行时难以满足。

b.充电时占用停车场时间过长，因此对停车位的数量和环境的要求比较高。

（2）直流快充

动力电池常规的充电方式时间较长，给车辆出行带来很多不便。为此，又增加了直流快充的充电方式。直流快充又称应急充电，是通过充电桩以较大电流在电动汽车停车的30～120 min内，为其提供短时间充电，一般充电电流为几十到上百安培（图8）。

①快充模式的优点

充电时间短，方便了车辆的出行。

②快充模式的缺点

a.增加了电网的载荷和冲击，同时也降低了电池的使用寿命。

b.快充设备功率比较大，控制也比较复杂，成本高，安装时对接入电网的容量要求比较高。

（3）低压蓄电池充电

纯电动汽车的低压12 V蓄电池的充电及低压电气设备的辅助供电是由DC-DC转换器将动力电池的高压直流电转换为低压直流电提供的（图9），输出范围在14 V左右。

5.空调系统

纯电动汽车空调系统与传统汽车空调最大的不同就是压缩机和暖风，纯电动汽车的压缩机多采用电动涡旋式压缩机，通过高压电来驱动（图10）。这一点区别于传统汽车空调压缩机，暖风功能是PTC加热器将高压电转化为热能实现的，所以，当开启空调的制冷或制热时，消耗的是动力电池的电量，纯电动汽车空调的响应速度比较快，效率高，在启动空调后很短时间内就会达到设定温度。

6.冷却系统

纯电动汽车的冷却系统比较简单，冷却系统是由散热器、储液罐、12 V电子水泵、电机水道、电机控制器水道、PDU水道及水管组成，主要是给大功率用电设备和大功率开关元器件进行散热，加注的冷却液类型与传统汽车一样。

7.制动系统

目前国产电动汽车大部分为并联式制动，并联制动的原理如图11所示。与串联制动不同，并联制动是按一个固定的比例分配再生制动力和机械摩擦制动力。由于没有充分发挥再生制动力的作用，因此其回收的能量没有串联制动高。但并联制动对传统机械摩擦制动系统的改动少，结构简单，只需增加一些控制功能即可，成本低。

并联制动系统的控制原理如图12所示。根据驾驶员的命令，电动机控制器确定需要加在液压制动基础上的电动机制动转矩，其大小由液压主缸压力确定。同样，电动机制动扭矩是电动机转速的函数。因此能够加在液压制动基础上的电动机制动力要根据基汽车的静态制动力分配关系、电动机扭矩特性、驾驶员的感觉和轮胎与路面附着极限综合确定，很明显，由于缺乏主动制动控制功能，在电动机制动和液压制动系统之间不能进行协调控制，因此，并联制动对电动机制动扭矩使用不充分，能量回收率低。

8.转向系统

目前1.3 t以内的中小型纯电动汽车多采用小齿轮式电动助力转向系统（P-EPS），这种转向助力系统在传统汽车上也有应用，主要有机械转向部分和电控系统组成（图13）。该转向系统的特点如下。

①助力扭矩通过转向器放大，因此要求电机的减速机构传动比也相对较小。

②由于电动机的安装位置距离驾驶员有一定距离，对电动机的噪声要求不是太高。

③电动机的扭矩波动不容易传到转向盘上，驾驶员手感适中。

④助力扭矩不通过转向管柱传递，因此对转向管柱的刚度和强度要求较低。

9.数据采集终端

数据采集终端由一根天线和一个数据记录仪组成（图14），其作用如下。

①车载终端能够与整车控制器（VCU）通过CAN总线进行通信，服从VCU的控制命令，获取整车的相关信息。车载终端采用“行程长度编码”压缩机制，对CAN数据进行压缩，以减少存储空间的占用，同时节约网络带宽资源与流量，加快数据传输速度。

②车载终端能够用GPS对车辆进行定位。

③车载终端能够将大量数据（最大8G）存储到本地移动存储设备（SD卡）中（图15）。经存储的数据可由分析处理软件读取和分析。

④车载终端能够将信息按照规定的时间和数据量，以无线通信（GPRS）的方式发送到服务平台。在此信息传输的过程中，要保证信息的正确性，并且不能将信息丢失。在信息传输的过程中，还需要做到信息的保密，使无线通信的信息不能被他人窃取。

⑤车载终端将在本地保存车辆最近运行一段时间的数据，作为“黑匣子”提供车辆故障或发生前的数据信息。

⑥车载终端支持在通讯网络不畅情况下，自动将数据保存至采集终端flash存储区内，待网络正常后，自动/人工将数据上传至服务平台。

⑦自检功能：当检测到GPS模块、主电源等故障时，会主动上报警情到监控中心，辅助设备进行检修。

⑧远程升级：支持远程自动升级功能，自动接收来自服务平台的升级指令完成软件升级，大大节约了维护成本。必要情况下，借助车载终端可通过CAN协议对车辆进行软件升级。

⑨车载终端与远程控制平台及手机APP配合工作，实现车辆远程状态查询（图16）和远程车辆控制等功能（比如远程开启空调、充电等）。

电动汽车的其他部件组成基本与传统的内燃机汽车相同，本文就不再一一介绍了。

二、驾驶时常见问题及应对

1.起动及行车

纯电动汽车在操作步骤上和传统汽车大部分一样，当将钥匙拧至ACC时点烟器和娱乐系统上电，拧至ON档时，当车辆自检完成后，没有影响安全性的故障时在仪表上会点亮一个绿色的“READY”字样提示（图17），表示当前状态可以满足安全行车条件，驱动电机系统处于待命状态，挂当前必须踩下制动踏板才可以行车，否则视为误操作，挡位提示灯会在仪表上闪烁，车辆也无法行走。

（待续）

李宏伟，北京汇智慧众汽车技术研究院研究员、培训师、电气工程师，喜欢电气并以此为乐。原就职于北京人和车合汽车技术服务有限责任公司，2012年进入某军工企业从事电子电气产品生产制造，后从事新产品研发与设计。2014年离职后到北京九奔科技发展有限公司担任培训师，2015年加盟北京汇智慧众汽车技术研究院，从事新能源纯电动汽车电磁辐射测试、高压防护研究、教学教具开发及培训工作。