任务一　纯电动汽车认知

一、纯电动汽车定义

纯电动车是指完全由动力蓄电池提供电力驱动的电动车。车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。

纯电动车由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不十分成熟。在纯电动车控制系统中，主要包括4个节点，即主控制器ECU（ElectronicControlUnit，电子控制单元）、电机控制ECU、电池控制ECU及CAN总线监控单元。

（1）主控制器ECU　主控制器ECU相当于纯电动车的大脑，它起到了控制全局的作用。主控制器ECU接收汽车上传感器的信息，经过A/D转换后计算、编码为cAN报文，发送到总线上控制其他节点的工作。同时，将一些整车相关信息（车速、电池容量、踏板位置等信息）在组合仪表上显示出来。其中最核心的就是通过传感器的输入值与系统当前状态及汽车工况等条件计算出合适的电机扭矩值，通过CAN总线发送到电机控制系统，指挥电机正确工作。另外，主控制器ECU还控制主继电器的开关，使得整个系统上电和断电。

（2）电机控制ECU　电机控制ECU相当于纯电动车的四肢。它的主要工作是以主控制器发送扭矩值为输入值，采用双闭环控制来调速电机，使电机工作在需要的转速下。还有，根据电机的温度变化控制电机的冷却水泵和冷却风扇，从而有效地调节电机的温度。

（3）电池ECU　纯电动车的电池是由几十块单体电池成组供电的，并能保证在不供电时电池不成组，每块电池的电压不超过5V。这样由于单个电池性能的差异，就需要在电池充放电过程中经常要均衡电池电压，保证电池性能。电池均衡问题由电池ECU来承担。电池ECU相当于纯电动车的血液循环系统。它提供系统需要的能量，同时，还提供给主控制器电池的信息及电池充放电能力最大值，供主控制器计算电机扭矩时用。

（4）CAN总线监控单元　CAN总线监控单元主要是在不干扰总线数据传输情况的下，对总线上传输的数据进行实时监控，实时记录和实时报警，还提供了离线分析功能及在纯电动车调试阶段对主控制器主要计算参数进行标定的功能。

二、纯电动车的特点

电动汽车（EV）可分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三大类，纯电动汽车是电动汽车的技术基础。纯电动汽车就定义来说是指单纯用蓄电池作为驱动能源的汽车，它是涉及机械、动力学、电化学、电动机学、微电子和计算机控制等多种学科的高科技产品。

纯电动汽车的特点如下：

①节能、不消耗石油。

②环保、无污染、噪声和振动小。

③能量主要是通过柔性的电线而不是刚性联轴器和转轴传递，各部件的布置具有很大的灵活性。

④驱动系统布置不同会使系统结构区别很大。

⑤采用不同类型的电动机（如直流电动机和交流电动机）会影响到纯电动汽车的质量、尺寸和形状。

⑥不同类型的蓄能装置也会影响电动汽车的质量、尺寸及形状。

⑦能源效率高，多样化。

⑧不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构，例如蓄电池可通过充电器充电，或者采用替换蓄电池的方式。

⑨结构相对简单，生产工艺相对成熟，使用维修方便。

⑩动力电源使用成本高，续驶里程短。

纯电动汽车与内燃机汽车性能和用途比较见表2-1。

三、纯电动汽车的分类

纯电动汽车有多种分类方法，可按所选用的蓄能装置或驱动电动机的不同来分类，其中又可有许多不同组合；也可按驱动结构布局或用途的不同来分类。

1.按蓄能装置分类

纯电动汽车目前所采用的蓄能装置主要有：①铅酸蓄电池；②锂蓄电池；③镍氢蓄电池；④钠硫蓄电池等。其中，铅酸蓄电池技术较成熟，价格也较便宜，但其性能和使用寿命都要差些。其余几类均属于正在研究改进的蓄电池，其性能都比铅酸蓄电池好很多，但目前价格也较贵，随着生产工艺技术的成熟及批量的扩大，其性价比一定会有较大的提高。由于纯电动汽车以蓄电池作为唯一的能源，所以蓄电池的各项性能指标很大程度上决定了汽车的行驶性能。如纯电动汽车的续驶里程和加速（或爬坡）的动力性能分别与蓄电池的比能量和比功率有关。

2.按驱动电动机分类

纯电动汽车的驱动电动机主要有：①直流电动机；②交流电动机；③永磁无刷电动机；④开磁阻电动机四类。考虑到蓄电池是以直流电源供电，直流电动机具有控制较简单、成本较低、技术成熟等优点，但直流电动机由于具有电刷，因此存在换向火花、电刷易磨损、需定期维护等缺点。交流感应电动机本身具有坚固耐用、效率高、体积小、免维护等优点，并且整个驱动系统具有调速范围宽、能较有效地实现再生制动，但其驱动控制器由于必须通过逆变器并采用矢量控制变频调速，其线路较复杂，价格也较高。永磁无刷电动机包括无刷直流电动机和三相永磁同步电动机，由于采用永久磁铁励磁，所以具有能量转换效率高、过载能力强、免维护等优点，但目前尚存在着成本较高、功率受限等缺点，可靠性也需改进。开关磁阻电动机驱动系统是一种新型的典型机电一体化装置，具有结构简单、坚固可靠、制造成本低、调速性能好、效率高、能有效地实现发电回馈制动等优点，并具有高启动转矩、低启动电流，即特别适于汽车起步和蓄电池驱动的特性要求，其缺点主要是振动及噪声较大，需通过相应的技术措施来改进，由于目前普及率还不高，有待进一步推广与改进提高。

3.按驱动结构布局分类

这实际上是按驱动传递方式来分类，由于电动机驱动的灵活性可以有多种组合方式，归纳其典型的基本结构主要有四种：①传统的驱动模式；②电动机-驱动桥组合式驱动方式；③电动机-驱动桥整体式驱动方式；④轮毂电动机分散驱动方式。如图2-1所示。

由于汽车转弯时，外侧车轮的转弯半径比内侧车轮大，所以需要通过差速器来配合两侧车轮转速不同的要求。前两种需采用具有行星齿轮结构的机械式差速器；第三种的差速器可用机械式或电控式；而第四种即可实现电子差速控制。

4.按用途分类

纯电动汽车按其用途的不同来分，目前主要有电动公交车和电动轿车两类。由于纯电动汽车的能量不富裕特点，它也较适合于某些性能要求不高的特定车辆，如游览观光车、高尔夫球场车、电动自行车、电动三轮车和残疾人自驾车等，当然按定义来说该类特定车辆不应属于汽车。

四、纯电动汽车的结构特征

纯电动汽车主要由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分组成。除了电力驱动控制系统，其他部分的功能及其结构组成基本与传统汽车类同，不过有些部件根据所选的驱动方式不同，已被简化或省去了。所以电力驱动控制系统既决定了整个纯电动汽车的结构组成及其性能特征，也是电动汽车的核心，它相当于传统汽车中的发动机，与其他功能以机电一体化方式相结合，这也是区别于传统内燃机汽车的最大不同点，为此首先需要对电力驱动控制系统重点阐述。

（一）电力驱动控制系统

电力驱动控制系统的组成与工作原理如图2-2所示。该系统按工作原理的不同可划分为车载电源模块、电力驱动主模块和辅助模块三大部分，下面分别进行描述。

1.车载电源模块

车载电源模块主要由蓄电池电源、能源管理系统和充电控制器三部分组成。

（1）蓄电池电源　蓄电池是纯电动汽车的唯一能源，它除了供给汽车驱动行驶所需要的电能外，也供应汽车上各种辅助装置的工作电能。蓄电池在车上安装前需要通过串并联的方式组合成所要求的电压等级，由于电动机驱动所需的等级电压往往与辅助装置的电压要求不一致，辅助装置所要求的一般为12V和24V的低压电源。而电动机驱动一般要求为高压电源，并且所采用的电动机类型不同，其要求的电压等级也不同。为满足该要求，可以用多个12V或24V的蓄电池串联成96～384V高压直流电池组，再通过DC/DC转换器供给所需的不同电压。也可按所需要求的电压等级，直接由蓄电池组合成不同电压等级的电池组，不过这样会给充电和能源管理带来相应的麻烦。另外，由于制造工艺等因素，即使是同一批量的蓄电池，其电解液浓度和性能也会有所差异，所以在安装电池组之前，要求对各个蓄电池进行认真的检测并记录，尽可能把性能接近的蓄电池组合成同一组，这样有利于动力电池组性能的稳定和延长其使用寿命。

（2）能源管理系统　能源管理系统的主要功能是在汽车行驶中进行能源分配，协调各功能部分工作的能量管理，使有限的能量源最大限度地得到利用。能源管理系统与电力驱动主模块的中央控制单元配合一起控制发电回馈，使电动汽车在降速制动和下坡滑行时进行能量回收，从而有效地利用能源，提高电动汽车的续驶能力。能源管理系统还需与充电控制器一同控制充电。为提高蓄电池性能的稳定性和延长其使用寿命，需要实时监控电源的使用情况，对蓄电池的温度、电解液浓度、蓄电池内阻、电池端电压、当前电池剩余电量、放电时间、放电电流或放电深度等蓄电池状态参数进行检测，并按蓄电池对环境温度的要求进行调温控制，通过限流控制避免蓄电池过充、放电，对有关参数进行显示和报警，其信号流向辅助模块的驾驶室显示操纵台，以便驾驶人随时掌握并配合其操作，按需要及时对蓄电池充电并进行维护保养。

（3）充电控制器　充电控制器（简称“充电器”）把电网供电的方式转换为对蓄电池充电要求的方式，即把交流电转换为相应电压的直流电，并按要求控制其充电电流。充电器开始时为恒流充电阶段；当电池电压上升到一定值时，充电器进入恒压充电阶段，输出电压维持在相应值，充电器进入恒压充电阶段后，电流逐渐减小；当充电电流减小到一定值时，充电器进入涓流充电阶段；还有采用脉冲式电流进行快速充电。

2.电力驱动主模块

电力驱动主模块主要由中央控制单元、驱动控制器、电动机和机械传动装置等组成。由于加速踏板、制动踏板等操纵装置对于汽车驾驶人来说是十分熟悉和习惯使用的操纵装置，因此为适应驾驶人的传统操纵习惯，电动汽车仍保留了加速踏板、制动踏板及有关操纵手柄或按钮等。在电动汽车上是将加速踏板、制动踏板的机械位移量转换为相应的电信号，然后输入中央控制单元来对汽车的行驶实行控制。对于离合器，除了采用前述驱动结构中第一种传统的驱动模式外就都省去了。而对于变速杆，为遵循驾驶人的传统习惯，一般仍需保留，同样除了传统的驱动模式外只有前进挡、空挡和倒挡三个挡位，并且以开关信号传输到中央控制单元来对汽车进行前进、停车和倒车控制。

（1）中央控制单元　中央控制单元不仅是电力驱动主模块的控制中心，也要对整辆电动汽车的控制起到协调作用。它根据加速踏板与制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对电动机进行启动、加速、降速和制动控制。在电动汽车降速和下坡滑行时，中央控制器配合车载电源模块的能源管理系统进行发电回馈，即使蓄电池反向充电。对于与汽车行驶状况有关的速度、功率、电压、电流及有关故障诊断等信息，还需传输到辅助模块的驾驶室显示操纵台进行相应的数字或模拟显示，也可采用液晶屏幕显示来提高其信息量。另外，如驱动采用轮毂电动机分散驱动方式，当汽车转弯时，中央控制器也需与辅助模块的动力转向单元配合，即控制左、右轮毂电动机来实行电子差速转向。为减少电动汽车各个控制部分间的硬件连线，提高可靠性，现代汽车控制系统已较多地采用了微机多CPU总线控制方式，特别是对于采用轮毂电动机进行4WD前后四轮驱动控制的模式，更需要运用总线控制技术来简化电动汽车内部线路的布局，提高其可靠性，也便于故障诊断和维修，并且采用该模块化结构，一旦技术成熟，其成本也将随批量的增加而大幅下降。

（2）驱动控制器　驱动控制器的功能是按中央控制单元的指令和电动机的速度、电流反馈信号，对电动机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。驱动控制器与电动机必须配套使用，目前对电动机的调速主要采用调压、调频等方式，这主要取决于所选用的驱动电动机类型。由于蓄电池以直流电方式供电，所以，对于直流电动机，主要是通过DC/DC转换器进行调压调速控制的；而对于交流电动机，则需通过DC/AC转换器进行调频调压矢量控制；对于磁阻电动机，则是通过控制其脉冲频率来进行调速的。当汽车进行倒车行驶时，需通过驱动控制器使电动机反转来驱动车轮反向行驶。当电动汽车处于降速和下坡滑行时，驱动控制器使电动机运行于发电状态，电动机利用其惯性发电，将电能通过驱动控制器回馈给蓄电池，所以图2-2中驱动控制器与蓄电池电源的电能流向是双向的。

（3）电动机　电动机在电动汽车中被要求承担着电动和发电的双重功能，即在正常行驶时发挥其主要的电动机功能，将电能转换为机械旋转能；而在降速和下坡滑行时又被要求进行发电，将车轮的惯性动能转换为电能。对电动机的选型一定要根据其负载特性来选，通过对汽车行驶时的特性分析，可知汽车在起步和上坡时要求有较大的启动转矩和相当的短时过载能力，并有较宽的调速范围和理想的调速特性，即在启动低速时为恒转矩输出，在高速时为恒功率输出。电动机与驱动控制器所组成的驱动系统是电动汽车中最为关键的部件，电动汽车的运行性能主要取决于驱动系统的类型和性能，它直接影响着车辆的各项性能指标，如车辆在各工况下的行驶速度、加速与爬坡性能以及能源转换效率。

（4）机械传动装置　电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传输给汽车的驱动轴，从而带动汽车车轮行驶。由于电动机本身就具有较好的调速特性，其变速机构可被大大地简化，较多的是为放大电动机的输出转矩仅采用一种固定的减速装置。又因为电动机可带负载直接启动，即省去了传统内燃机汽车的离合器，并且电动机可以容易地实现正、反向旋转，所以也无需通过变速器中的倒挡齿轮组来实现倒车。将电动机在车架上合理布局，即可省去传动轴、万向节等传动链。当采用轮毂式电动机分散驱动方式时，又可省去传统汽车的驱动桥、机械差速器、半轴等一切传动部件，所以该驱动方式也可称为“零传动”方式。

3.辅助模块

辅助模块包括辅助动力源、动力转向单元、驾驶室显示操纵台和各种辅助装置等。各个装置的功能与传统汽车上的基本相同，其结构与原理按电动汽车的特点有所区别。

（1）辅助动力源　辅助动力源是供给电动汽车各种辅助装置所需的动力电源，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、电动窗门等辅助装置提供所需的电能。

（2）动力转向单元　转向装置是为了实现汽车的转弯而设置的，它由转向盘、转向器、转向机构和转向轮等组成。作用在转向盘上的控制力，通过转向器和转向机构，使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。为提高驾驶人的操控性，现代汽车都采用了动力转向，较理想的是采用电控动力转向系统（EPS），电控动力转向系统主要有电控液力转向系统和电控电动转向系统两类，对于纯电动汽车，较适于选用电控电动转向系统。多数汽车为前轮转向，而工业用电动叉车常采用后轮转向，为提高汽车转向时的操纵稳定性和机动性，较理想的是采用四轮转向系统，而对于采用轮毂式电动机分散驱动的电动汽车，由于电动机控制响应速度的提高，可更容易地实现四轮电子差速转向控制。另外，为配合转弯时左、右两侧车轮有相应的差速要求，还必须同时控制电子差速器协调工作。

（3）驾驶室显示操纵台　它类同于传统汽车驾驶室的仪表板，不过其功能根据电动汽车驱动的控制特点有所增减，其信息指示更多地选用数字或液晶屏幕显示。它与前述电力驱动主模块中的中央控制单元结合，用计算机进行控制。

（4）辅助装置　电动汽车的辅助装置主要有照明设备、各种声光信号装置、车载音响设备、空调、刮水器、风窗除霜清洗器、电动门窗、电控玻璃升降器、电控后视镜调节器、电动座椅调节器、车身安全防护装置控制器等。它们主要是为提高汽车的操控性、舒适性和安全性而设置的，有些是必要的，有些是可选用的。与传统汽车一样，辅助装置大都有成熟的专用配件供应。不过选用时应考虑到纯电动汽车能源不富裕的特点，特别是空调所消耗的能量比较大，应尽可能从节能方面考虑。另外，对于有些装置可用液压或电动两种方式来控制的，一般选用电动控制的较为方便。

（二）纯电动汽车底盘

汽车底盘是整个汽车的基体，不仅起着支承蓄电池、电动机、驱动控制器、汽车车身、空调及各种辅助装置的作用，同时也将电动机的动力进行传递和分配，并按驾驶人的意志（加速、减速、转向、制动等）行驶。按传统汽车的归类或叙述习惯，汽车底盘应包括传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统四大系统。

（1）传动系统　对于纯电动汽车，其传动系统根据所选驱动方式的不同，不少被简化或省掉了。

（2）行驶系统　包括车桥、车架、悬架、车轮与轮胎，其中车桥如采用轮毂电动机驱动就省去了；车架是整个汽车的装配基体，其作用主要是支承连接汽车的各零部件，承受来自车内和车外的各种载荷；悬架是车架（或车身）与车轮（或车桥）之间的一切传力连接装置的总称，它主要由弹性元件、减振器和导向机构等组成，它与充气轮胎一起缓和不平路面对车辆的冲击振动；车轮主要由轮辋、轮辐等组成，其内部还需安装制动器，并还可能要安装轮毂电动机，所以结构会很紧凑；为减小电动汽车行驶时的滚动阻力，轮胎要求采用子午线轮胎。

（3）转向系统　包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构等，它按能源的不同可分为机械转向系统和动力转向系统两大类，机械转向系统与传统汽车的完全一致。

（4）制动系统　由供能装置、控制装置、传动装置和制动器四个基本部分组成，按其功用的不同可分为行车制动系统、驻车制动系统、应急制动系统和辅助制动系统等。对于电动汽车，由于可利用电动机实现再生制动进行能量回收，并且还可利用电磁吸力实现电磁制动，因此随着技术的发展其制动系统也将会有较大的变化。

由于汽车底盘所包含的上述四大系统与传统汽车上的基本大同小异，前面只针对电动汽车上所用的特点进行了简单说明。对于传统的其他部件，其结构与原理在此不再赘述，需要时可参考相关书籍。

（三）纯电动汽车车身布局

汽车车身主要由车身本体、开启件（各种门、窗、行李厢和车顶盖等）、各种座椅、内外饰附件和安全保护装置（保险杠、安全带、安全气囊等）组成。针对纯电动汽车能源少的特点，对汽车车身的外形造型应尽可能缩小其迎风面积来降低空气阻力，并采用轻型高强度材料来减轻汽车自身的重量。对车内各个部件的布局也相当重要，由于电动汽车动能的传递主要是通过柔性的电缆，即减少了大量用刚性的机械件连接部件的动能传递，因此电动汽车各部件的布置具有较大的灵活性，并且蓄电池组也可分散布置作为配重物来布局。纯电动汽车各个部件的总体布局的原则是：符合车辆动力学对汽车重心位置的要求，并尽可能降低车辆质心高度。特别是对于采用轮毂电动机驱动实现“零传动”方式的电动汽车，不仅去掉了发动机、冷却液系统、排气消声系统和燃油箱等相应的辅助装置，还省去了变速器、驱动桥及所有传动链，既减轻了汽车自重，也留出了许多空间，其结构发生了很大的变化。车辆的整个结构布局需重新设计，全面考虑各种因素。

另外，由于增加了许多蓄电池的重量，对于安装蓄电池部位的车架强度必须有所考虑，同时为了方便蓄电池的充电、维护及更换，对蓄电池的安装方法和位置也要考虑其方便性，对环境温度有要求的蓄电池还需考虑散热空间及调温控制，为确保安全还需采取密封等预防措施，以防车辆发生撞击事故时电解液泄漏伤及人身，并有防火等措施。