新能源汽車技術(shù)原理與維修（3）
——純電動(dòng)汽車概述與高壓防護(hù)（上）

文：李宏偉

新能源汽車技術(shù)原理與維修（3）
——純電動(dòng)汽車概述與高壓防護(hù)（上）

文：李宏偉

本期我們重點(diǎn)對(duì)新能源汽車中的純電動(dòng)汽車進(jìn)行專門介紹。

一、純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)、組成

純電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。

純電動(dòng)汽車的組成主要包括：電源（動(dòng)力電池）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、整車控制器及充電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集終端等，而其他部分基本與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車相同（圖1）。下面對(duì)電動(dòng)汽車主要組成部分結(jié)構(gòu)、原理和功能進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.電源（動(dòng)力電池）

電動(dòng)汽車的電源為化學(xué)電源，向高壓動(dòng)力回路提供電能，目前應(yīng)用最廣泛的電源是磷酸鐵鋰電池和三元鋰聚合物電池（圖2）。

動(dòng)力電池區(qū)別于普通電池有其一定的特殊性，總結(jié)如下。

①電池的串并聯(lián)。

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(zhǎng)，一般要求5～10年。

今后的文章中還會(huì)專門對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行詳細(xì)介紹，這里就不再贅述了。

2．驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)（PMSM)是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置（圖3），通過傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪。目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠家應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)主要有永磁同步電機(jī)動(dòng)和交流異步電動(dòng)機(jī)。

（1）永磁同步電動(dòng)機(jī)（圖4）

永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)如下。

①PMSM本身的功率效率及功率因數(shù)較高。

②PMSM發(fā)熱小，因此電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小。

③PMSM允許的過載電流大，可靠性顯著提高。

（2）交流異步電動(dòng)機(jī)（圖5）

交流異步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)如下。

①轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、重量輕且成本低。

②通用性極強(qiáng)，可提供各種冷卻類型、防護(hù)等級(jí)及各種型號(hào)。

③易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min 的高速旋轉(zhuǎn)。

電機(jī)控制器將動(dòng)力電池提供的高壓直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，在整車控制策略下根據(jù)駕駛員的意圖控制電動(dòng)機(jī)的電壓或電流，完成電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩和旋轉(zhuǎn)方向及速度的控制。

3.整車控制器

整車控制器對(duì)新能源汽車動(dòng)力鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和監(jiān)控，以提高整車能量利用效率，確保安全性和可靠性（圖6）。整車控制器采集駕駛員操作信號(hào)，通過CAN總線獲得電機(jī)和電池系統(tǒng)的相關(guān)信息，進(jìn)行分析和運(yùn)算，通過CAN總線給出電機(jī)控制和電池管理指令，實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)控制、能量?jī)?yōu)化控制和制動(dòng)回饋控制。具備完善的故障診斷和處理功能。

4.充電系統(tǒng)

在純電動(dòng)汽車上為動(dòng)力電池充電有2種方式和路徑：一種是交流車載充電機(jī)將家庭用電220 V轉(zhuǎn)換為略高于300 V的直流電，為動(dòng)力電池充電（交流慢充）；另一種是充電樁與純電動(dòng)汽車高壓接口連接，直接用大電流的直流電給動(dòng)力電池充電（直流快充）。

（1）交流慢充

動(dòng)力電池在放電終止后，應(yīng)立即充電，充電電流比較低，這種充電叫做常規(guī)充電。常規(guī)充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，一般充電時(shí)間為5～8 h，甚至更長(zhǎng)。這種充電方式是利用車載充電機(jī)進(jìn)行的，接220 V交流電（圖7）。

①慢充模式的優(yōu)點(diǎn)

a.充電機(jī)和安裝成本比較低。

b.可充分利用電力低谷時(shí)段進(jìn)行充電，降低充電成本。

c.可提高充電效率和延長(zhǎng)電池的使用壽命。

②慢充模式的缺點(diǎn)

a.充電時(shí)間過長(zhǎng)，因此當(dāng)車輛需要緊急出行時(shí)難以滿足。

b.充電時(shí)占用停車場(chǎng)時(shí)間過長(zhǎng)，因此對(duì)停車位的數(shù)量和環(huán)境的要求比較高。

（2）直流快充

動(dòng)力電池常規(guī)的充電方式時(shí)間較長(zhǎng)，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(yīng)急充電，是通過充電樁以較大電流在電動(dòng)汽車停車的30～120 min內(nèi)，為其提供短時(shí)間充電，一般充電電流為幾十到上百安培（圖8）。

①快充模式的優(yōu)點(diǎn)

充電時(shí)間短，方便了車輛的出行。

②快充模式的缺點(diǎn)

a.增加了電網(wǎng)的載荷和沖擊，同時(shí)也降低了電池的使用壽命。

b.快充設(shè)備功率比較大，控制也比較復(fù)雜，成本高，安裝時(shí)對(duì)接入電網(wǎng)的容量要求比較高。

（3）低壓蓄電池充電

純電動(dòng)汽車的低壓12 V蓄電池的充電及低壓電氣設(shè)備的輔助供電是由DC-DC轉(zhuǎn)換器將動(dòng)力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電提供的（圖9），輸出范圍在14 V左右。

5.空調(diào)系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車空調(diào)最大的不同就是壓縮機(jī)和暖風(fēng)，純電動(dòng)汽車的壓縮機(jī)多采用電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)，通過高壓電來驅(qū)動(dòng)（圖10）。這一點(diǎn)區(qū)別于傳統(tǒng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)，暖風(fēng)功能是PTC加熱器將高壓電轉(zhuǎn)化為熱能實(shí)現(xiàn)的，所以，當(dāng)開啟空調(diào)的制冷或制熱時(shí)，消耗的是動(dòng)力電池的電量，純電動(dòng)汽車空調(diào)的響應(yīng)速度比較快，效率高，在啟動(dòng)空調(diào)后很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到設(shè)定溫度。

6.冷卻系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車的冷卻系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，冷卻系統(tǒng)是由散熱器、儲(chǔ)液罐、12 V電子水泵、電機(jī)水道、電機(jī)控制器水道、PDU水道及水管組成，主要是給大功率用電設(shè)備和大功率開關(guān)元器件進(jìn)行散熱，加注的冷卻液類型與傳統(tǒng)汽車一樣。

7.制動(dòng)系統(tǒng)

目前國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車大部分為并聯(lián)式制動(dòng)，并聯(lián)制動(dòng)的原理如圖11所示。與串聯(lián)制動(dòng)不同，并聯(lián)制動(dòng)是按一個(gè)固定的比例分配再生制動(dòng)力和機(jī)械摩擦制動(dòng)力。由于沒有充分發(fā)揮再生制動(dòng)力的作用，因此其回收的能量沒有串聯(lián)制動(dòng)高。但并聯(lián)制動(dòng)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的改動(dòng)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需增加一些控制功能即可，成本低。

并聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng)的控制原理如圖12所示。根據(jù)駕駛員的命令，電動(dòng)機(jī)控制器確定需要加在液壓制動(dòng)基礎(chǔ)上的電動(dòng)機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其大小由液壓主缸壓力確定。同樣，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)扭矩是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。因此能夠加在液壓制動(dòng)基礎(chǔ)上的電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力要根據(jù)基汽車的靜態(tài)制動(dòng)力分配關(guān)系、電動(dòng)機(jī)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(dòng)制動(dòng)控制功能，在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)之間不能進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，因此，并聯(lián)制動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)扭矩使用不充分，能量回收率低。

8.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

目前1.3 t以內(nèi)的中小型純電動(dòng)汽車多采用小齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（P-EPS），這種轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)在傳統(tǒng)汽車上也有應(yīng)用，主要有機(jī)械轉(zhuǎn)向部分和電控系統(tǒng)組成（圖13）。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)如下。

①助力扭矩通過轉(zhuǎn)向器放大，因此要求電機(jī)的減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比也相對(duì)較小。

②由于電動(dòng)機(jī)的安裝位置距離駕駛員有一定距離，對(duì)電動(dòng)機(jī)的噪聲要求不是太高。

③電動(dòng)機(jī)的扭矩波動(dòng)不容易傳到轉(zhuǎn)向盤上，駕駛員手感適中。

④助力扭矩不通過轉(zhuǎn)向管柱傳遞，因此對(duì)轉(zhuǎn)向管柱的剛度和強(qiáng)度要求較低。

9.數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端由一根天線和一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀組成（圖14），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(jìn)行通信，服從VCU的控制命令，獲取整車的相關(guān)信息。車載終端采用“行程長(zhǎng)度編碼”壓縮機(jī)制，對(duì)CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以減少存儲(chǔ)空間的占用，同時(shí)節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬資源與流量，加快數(shù)據(jù)傳輸速度。

②車載終端能夠用GPS對(duì)車輛進(jìn)行定位。

③車載終端能夠?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)（最大8G）存儲(chǔ)到本地移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備（SD卡）中（圖15）。經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可由分析處理軟件讀取和分析。

④車載終端能夠?qū)⑿畔凑找?guī)定的時(shí)間和數(shù)據(jù)量，以無線通信（GPRS）的方式發(fā)送到服務(wù)平臺(tái)。在此信息傳輸?shù)倪^程中，要保證信息的正確性，并且不能將信息丟失。在信息傳輸?shù)倪^程中，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(yùn)行一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，作為“黑匣子”提供車輛故障或發(fā)生前的數(shù)據(jù)信息。

⑥車載終端支持在通訊網(wǎng)絡(luò)不暢情況下，自動(dòng)將數(shù)據(jù)保存至采集終端flash存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，待網(wǎng)絡(luò)正常后，自動(dòng)/人工將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)平臺(tái)。

⑦自檢功能：當(dāng)檢測(cè)到GPS模塊、主電源等故障時(shí)，會(huì)主動(dòng)上報(bào)警情到監(jiān)控中心，輔助設(shè)備進(jìn)行檢修。

⑧遠(yuǎn)程升級(jí)：支持遠(yuǎn)程自動(dòng)升級(jí)功能，自動(dòng)接收來自服務(wù)平臺(tái)的升級(jí)指令完成軟件升級(jí)，大大節(jié)約了維護(hù)成本。必要情況下，借助車載終端可通過CAN協(xié)議對(duì)車輛進(jìn)行軟件升級(jí)。

⑨車載終端與遠(yuǎn)程控制平臺(tái)及手機(jī)APP配合工作，實(shí)現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程狀態(tài)查詢（圖16）和遠(yuǎn)程車輛控制等功能（比如遠(yuǎn)程開啟空調(diào)、充電等）。

電動(dòng)汽車的其他部件組成基本與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車相同，本文就不再一一介紹了。

二、駕駛時(shí)常見問題及應(yīng)對(duì)

1.起動(dòng)及行車

純電動(dòng)汽車在操作步驟上和傳統(tǒng)汽車大部分一樣，當(dāng)將鑰匙擰至ACC時(shí)點(diǎn)煙器和娛樂系統(tǒng)上電，擰至ON檔時(shí)，當(dāng)車輛自檢完成后，沒有影響安全性的故障時(shí)在儀表上會(huì)點(diǎn)亮一個(gè)綠色的“READY”字樣提示（圖17），表示當(dāng)前狀態(tài)可以滿足安全行車條件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，掛當(dāng)前必須踩下制動(dòng)踏板才可以行車，否則視為誤操作，擋位提示燈會(huì)在儀表上閃爍，車輛也無法行走。

（待續(xù)）

李宏偉，北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院研究員、培訓(xùn)師、電氣工程師，喜歡電氣并以此為樂。原就職于北京人和車合汽車技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，2012年進(jìn)入某軍工企業(yè)從事電子電氣產(chǎn)品生產(chǎn)制造，后從事新產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計(jì)。2014年離職后到北京九奔科技發(fā)展有限公司擔(dān)任培訓(xùn)師，2015年加盟北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院，從事新能源純電動(dòng)汽車電磁輻射測(cè)試、高壓防護(hù)研究、教學(xué)教具開發(fā)及培訓(xùn)工作。