纯电动汽车结构与原理介绍_焦建刚

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-CHINA 焦建刚 (本刊编委会委员)
现任济南鲁鹰丰田汽车销售服务有限公司总工程师，山东交通学院客座教授；曾任博世山东培训基地主任。

对当代汽车故障诊断以及电子控制系统波形有较深入的研究，著有《现代汽车电子控制系统波形分析》一书。

纯电动汽车结构与原理介绍
◆文/山东 焦建刚
图1 2015年世界新能源汽车销量排名
一、新能源汽车的定义及发展概况
2009年7月1日，我国正式实施了《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》，其明确指出：新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

新能源汽车包括电动汽车、气体燃料汽车、生物燃料汽车、氢燃料汽车等。

目前我国已建立起了电动汽车“三纵三横”(燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动车三种整车技术为“三纵”，多能源动力总成系统、驱动电动机、动力电池三种关键技术为“三横”)的研发布局。

截止到2015年底，全球纯电动汽车产量为52.3万辆，我国达到了产量33万辆、销量34万辆的成绩(图1)。

2016年1-6月份，我国新能源汽车产量已经达到17.7万辆，全年产量预计将达到70万辆。

我国预计2020年初步建成以市场为导向、企业为主体、产学研用紧密结合的新能源汽车产业体系。

自主新能源汽车年销量突破200万辆，累计产销量达到500万辆，市场份额达到70%以上；打造明星车型，进入全球销量排名前10，新能源客车实现规模化出口，整车平均故障间隔里程达到20 000km；动力电池、驱动电机等关键系统达到国际先进水平，在国内市场占有率达到80%。

至2025年，我国预计形成自主可控完整的产业链，与国际先进水平同步的新能源汽车年销量300万辆，自主新能源汽车市场份额达到80%以上；产品技术水平与国际同步，拥有2家在全球销量进入前10的一流整车企业，海外销售占总销量的10%；制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池汽车实现区域小规模运行。

二、电动汽车的定义
纯电动汽车是完全由可充电电池(如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池)提供动力源，以电动机为驱动系统的汽车(图2)。

其动力系统主要由动力电池、驱动电动机组成，从电网取电或更换蓄电池获得电能。

电动汽车最早的历史可以追溯到19世纪后期，在1881年8-11月巴黎举行的国际电器展览会上，展出了法国人古斯塔夫·特鲁夫研制的电动三轮车，这是世界上第一辆电动车辆，它采用多次性铅酸充电电池和直流电动机，可以实际操作使用，这辆车的诞生具有划时代的意义。

在接下来的1882年，英国的威廉·爱德华·阿顿和约翰·培里也合作研制了一辆电动三轮车，车的速度是4.4km/h。

三位先驱
33.11
11.53
1.69
DOI:10.13825/ki.motorchina.2017.01.041
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图3 整车控制原理图
图2 纯电动汽车系统简图
系统功能的改变，纯电动汽车改由新的四大部分组成：电力驱动控制系统、底盘、车身、辅助系统。

典型电动汽车组成如图3所示。

主要包括电源系统、驱动电机系统、整车控制器和辅助系统等。

动力电池输出电能，通过电机控制器驱动电机运转产生动力，再通过减速机构，将动力传给驱动车轮，使电动汽车行驶。

一般来说，如果把电动汽车看成是一个大系统，则该系统主要由电力驱动子系统、电源子系统和辅助子系统组成。

图3中双线表示机械连接；粗线表示电气连接；细线表示控制信号连接；线上
的努力使得在燃油汽车尚未问世之前，电动汽车已经诞生，此后电动车辆在欧美等国家迅速兴起。

在汽车的发展过程中，用蒸汽机驱动的蒸汽机汽车、由蓄电池和电动机组合驱动的电动汽车以及利用石油做燃料的内燃机车曾经同时被使用，之后蒸汽机汽车首先退出，电动汽车经历了3个发展时期延续应用到今天，而内燃机汽车成为主流。

1895-1905年是早期电动汽车发展的黄金时代，这一时期的电动车辆代表了车辆技术的精华。

1900年电动车辆的发展达到了成功的顶点，1912年达到了电动汽车生产的顶峰。

此后由于石油的大量开采和内燃机的种种优越性，电动汽车逐渐销声匿迹。

直到20世纪70年代石油危机的爆发，给世界各国政界一次不小的打击，人们开始考虑替代石油的其他能源，包括风能、太阳能、电能等可再生能源。

因此从政治经济方面考虑，电动汽车迎来了又一个发展机遇，又一次被人瞩目。

三、纯电动汽车的结构
传统内燃机汽车主要由发动机、底盘、车身、电气设备四大部分组成。

纯电动汽车与传统汽车相比，取消了发动机，传动机构发生了改变，根据驱动方式不同，部分部件已经简化或者取消，增加了电源系统和驱动电机等新机构。

由于以上
的箭头表示电功率或控制信号的传输方向。

来自加速踏板的信号输入电子控制器并通过控制功率变换器来调节电动机输出的转矩或转速，电动机输出的转矩通过汽车传动系统驱动车轮转动。

充电器通过汽车的充电接口向蓄电池充电。

在汽车行驶时，蓄电池经功率变换器向电动机供电。

当电动汽车采用电制动时，驱动电动机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，并延长电动汽车的续驶里程。

1.电源系统
电源系统(图4)主要包括动力电池、电池管理系统、车载充电机及辅助动力源等。

动力电池是电动汽车的动力源，是能量的存储装置。

目前的纯电动汽车以锂离子蓄电池为主(包括磷酸铁锂离子蓄电池、三元锂离子蓄电池等)。

电池管理系统实时监控动力电池的使用情况，对动力电池的端电压、内阻、温度、蓄电池电解液浓度、电池剩余电量、放电时间、放电电流或放电深度等动力蓄电池状态参数进行检测，并按动力电池对环境温度的要求进行调温控制，通过限流控制避免动力蓄电池过充、过放电，对有关参数进行显示和报警，其信号流向辅助系统，并在组合仪表上显示相关信息，以便驾驶员随时掌
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-CHINA 握车辆信息。

车载充电机是把电网供电制式转换为对动力电池充电要求的制式，即把交流电(220V或380V)转换为相应电压(240～410V)的直流电。

并按要求控制其充电电流(家庭充电一般为10或16A)。

辅助动力源一般为12V或24V的直流低压电源，它主要给动力转向、制动力调节控制、照明、空调、电动车窗等各种辅助用电装置提供所需的能源。

图5 驱动电机系统
驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮。

早期电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电动机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常适应。

但直流电动机由于存在换向火花、比功率较小、效率较低和维护保养工作量大等缺点，随着电动机技术和电动机控制技术的发展，正在逐渐被直流无刷电动机(BCDM)、开关磁阻电动机(SRM)和交流异步电动机所取代。

3．整车控制器
整车控制器是电机系统的控制中心。

它对所有的输入信号进行处理，并将电机控制系统运行状态的信息发送给整车控制器。

根据驾驶员输入的加速踏板和制动踏板的信号，向电机控制器发出相应的控制
指令，对电机进行启动、加速、减速、制动控制。

在纯电动汽车减速和下坡滑行时，整车控制器配合电源系统的电池管理系统进行发电反馈，使动力蓄电池反向充电。

整车控制器还对动力蓄电池充放电过程进行控制。

对于与汽车行驶状况有关的速度、功率、电压、电流等信息传输到车载信息显示系统进行相应的数字或模拟显示。

电机控制器内含功能诊断电路。

当诊断出现异常时，它将会激活一个错误代码，发送给整车控制器。

电机控制系统使用了以下传感器来提供电机的工作信息。

电流传感器：用以检测电机工作的实际电流(包括母线电流、三相交流电流)；
电压传感器：用以检测供给电机控制
器工作的实际电压(包括高压电池电压、蓄电池电压)；
温度传感器：用以检测电机控制系统的工作温度(包括模块温度、电机控制器
温度)。

4.辅助系统
辅助系统(图6)包括车载信息显示系
统、动力转向系统、导航系统、空调、照明及除霜装置、刮水器和收音机等，借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性和成员的舒适性。

图4 电源系统
2.驱动电机系统
电力驱动子系统(以下简称驱动系统，如图5)是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。

一般地，驱动系统由电子控制器、功率变换器、驱动电动机、机械传动装置和车轮等部分构成。

驱动系统的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能进而推进汽车行驶，并能够在汽车减速制动或者下坡时，实现再生制动。

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图6 辅助系统图
图7 驱动布置形式图
四、纯电动汽车驱动系统布置形式
常见纯电动汽车驱动形式有图7所示的六种类型。

图7(a)～图7(c)为电动机中央驱动，图7(d)为双电动机电动轮驱动，图7(e)、图7(f)为轮毂电动机驱动。

其中图7(a )为电动机中央驱动形式，直接借用了内燃机汽车的驱动方案，由发动机前置前驱发展而来，由电动机、离合器、变速器和差速器组成。

用电驱动装置替代了内燃机，通过离合器将电动机动力与驱动轮进行连接或动力切断，变速器提供不同的传动比以变更转速—功率(转矩)曲线匹配载荷的需求，差速器实现转弯时两车轮不同车速的行驶。

图7(b)为电动机中央驱动形式，由电动机、固定速比减速器和差速器等构成。

在这种驱动系统中，利用电动机在大范围转速变化中具有恒功率的特性，采用固定速比减速器，由于没有离合器和变速器，因此可以减少机械传动装置的体积和质量。

图7(c)为另一种电动机中央驱动形式，它与前轮驱动、横向前置发动机的燃油汽车的布置形式相似，将电动机、固定速比减速器和差速器集成一体，两根半轴连接两个驱动车轮，这种布置形式在小型电动汽车上应用最普遍。

图7(d)为双电动机电动轮驱动方式，机械差速器被两个牵引电动机所代替，两个电动机分别驱动各自车轮，转弯时通过
电子差速控制以不同车速行驶，省掉了机械差速器。

图7(e)为轮毂电动机驱动方式，电动机和固定速比的行星齿轮减速器安装在车轮里面，没有传动轴和差速器，从而简化了传动系统。

但是这种方式需要两个或四个电动机，其控制电路也比较复杂，这种驱动方式在重型电动汽车上有较广泛的应用。

图7(f)为另一种轮毂电动机驱动方式，舍弃电动机与驱动轮之间的机械传动装置，采用低速外转子电动机直接驱动车轮，电动机转速控制等价于轮速控制，要求电动机在加速、起动时具高转矩特性。

五、纯电动汽车的特点
1.纯电动汽车的优点
(1)零排放：纯电动汽车使用电能，在行驶中无废气排出，不污染环境。

(2)能源效率高：电动汽车的能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市中运行，电动汽车工具适宜。

电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电机可以自动转换为发电机，实现制动减速时能量的再利用。

(3)结构简单：因使用单一的电能源，省去了发动机、变速器、油箱、冷却和排气系统等。

(4)噪声低：电动汽车无内燃机产生的噪声，电机噪声也比内燃机小。

(5)节约能源 ：电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖。

2.纯电动汽车的缺点
(1)续驶里程短、使用成本高：目前蓄电池单位重量储存的能量太少，又未形成经济规模，电动汽车的电池成本较高。

至于使用成本，有些使用价格比燃油汽车价格高，有些价格则仅为燃油汽车价格的1/3 ，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。

(2)安全性：锂离子蓄电池的安全性有待进一步提高。

(3)配套不完善 ：充电配套设施不完善，需要加大配套设施基础设施的建设。

C －离合器；D－差速器；FG－固定速比减速器；M-电动机；GB-变速器。