1.2 纯电动汽车结构

1.2.1 纯电动汽车组成

纯电动汽车主要由驱动系统、能源系统、低压辅助系统和高压空调系统组成，主要包括高压动力电池、充电单元、整车控制器、电机控制器、电机、机械传动装置、DC/DC变换器、高压空调、低压蓄电池和辅助设备等，图1-14所示为纯电动汽车典型结构。

图1-14 纯电动汽车结构

整车控制器时刻采集驾驶人的意图，将加速踏板信号和制动踏板信号分析运算后通过CAN总线传递至电机控制器，控制电机的转速和转矩。高压动力电池提供整车运转所需的全部能量，电机控制器可将高压动力电池提供的高压直流电逆变为高压交流电驱动电动机运转；同时，高压动力电池将部分能量流向高压空调和DC/DC，DC/DC可将高压直流电转化为低压直流电供电动转向和低压辅助设备使用。一般而言，纯电动汽车的空调系统均采用高压供电，制冷功能由高压电动压缩机实现，加热功能由PTC加热元件实现。当高压动力电池的电量过低时可由充电单元进行补充，充电单元一般分为快充和慢充两种，快充充电速度较快但对动力电池的损失较大。电池管理系统（BMS）主要实现高压动力电池的充放电管理、能量均衡、SOC估算、继电器控制、电压电流检测以及过压、过流保护等。整车控制器负责整个电控系统的协调控制，而电机控制器、BMS等控制器之间采用高速CAN总线进行信息交互。

1.2.2 北汽新能源纯电动汽车各部件介绍

新能源车辆中，纯电动车辆的结构组成基本类似，下面以北汽新能源纯电动汽车为例介绍各个部件，各部件在车辆上的分布位置如图1-15所示。

北汽新能源公司生产的纯电动EV160乘用车，配置了北汽普兰德电池公司生产的高性能磷酸铁锂电池、大洋电机公司制造的高效节能永磁同步电机、北汽自主研发的高可靠性整车控制器，基本参数见表1-1。

纯电动汽车动力舱内的布置如图1-16所示，与传统内燃机汽车有很大的区别。动力舱内主要有整车控制器（VCU）、驱动电机控制器、车载充电机、冷却系统膨胀罐、制动系统储液罐、低压熔断器盒、洗涤液储存罐、12V铅酸蓄电池、DC/DC变换器、高压继电器盒等部件。为了使整个动力系统的运行更加良好，车舱内各部件会进行集成布置，如图1-17所示。

图1-15 北汽新能源纯电动汽车的基本结构

表1-1 EV160的基本参数

图1-16 纯电动车动力舱

1—整车控制器（VCU） 2—驱动电机控制器 3—车载充电机 4—冷却系统膨胀罐 5—制动系统储液罐 6、11—低压熔断器盒 7—洗涤液储存罐 8—12V铅酸蓄电池 9—DC/DC变换器 10—高压继电器盒

图1-17 新款EV160动力舱结构

1—电机控制器 2—PDU总成

1.2.3 北汽新能源纯电动汽车主要部件功能

1.动力电池

动力电池安装在车辆底部，其外形结构如图1-18所示。动力电池及其控制系统的主要功用：

图1-18 动力电池

1）提供动力。

2）电量计算。

3）温度、电压、湿度检测。

4）漏电检测、异常情况报警。

5）充放电控制、预充电控制。

6）电池一致性检测。

7）系统自检等。

提示：车辆行驶过程中，随着电量的消耗，SOC表上指针指示的数值会逐渐减小。当SOC减小到30%以下时，SOC表上的电量不足指示灯会点亮，提示用户尽快对车辆进行充电。SOC标志动力电池包的荷电状态（StateOfCharge），是剩余电量与额定电量的比值百分数。

2.驱动电机

驱动电机的外形及结构如图1-19所示，其主要作用如下：

图1-19 驱动电机外形及结构

1）驱动电机控制器将动力电池提供的直流电转化为交流电，然后输出给电机。

2）通过电机的正转来实现整车加速、减速，通过电机的反转来实现倒车。

3）通过有效的控制策略，控制动力总成以最佳方式协调工作。

3.电机控制器

电机控制器（图1-20）是电机系统的控制中心，它对整车控制器发出的信息和电机内

图1-20 电机控制器总成

部转角、温度传感器等输入信号进行处理，按照预定策略做出对驱动电机U、V、W三个定子线圈通电顺序和脉宽（占空比）的控制，达到控制电机的正反转和转矩的目的；并将电机控制系统运行状态的信息发送给整车控制器。电机控制器内含功能诊断电路，当诊断出异常时，它会激活一个错误代码，发送给整车控制器。电机控制系统通过以下传感器来提供电机的工作信息。

1）电流传感器：检测电机工作的实际电流（包括母线电流、三相交流电流）。

2）电压传感器：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）。

3）温度传感器：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.整车控制器（VCU）

整车控制器VCU（Vehicle Control Unit）（图1-21）是电动汽车专用微机控制器，由微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。整车控制器和车辆其他系统的控制单元（如动力电池控制单元、电机控制单元、外围驱动模块等）通过CAN总线联系起来。

整车控制部分主要是判断操纵者意愿，根据车辆行驶状态和电池、电机系统的状态，以及各系统传感器传出的信息，依据内存的程序和数据，进行运算、处理、判断，然后输出指令到电机控制器，控制驱动电机的转向、转速和转矩；控制电动空调系统以及其他外围系统的工作。

图1-21 整车控制器

5.充电系统

充电系统是新能源汽车主要的能源补给系统，分为常规充电（俗称“慢充”）和快速充电（俗称“快充”）两种方式。

1）慢充系统使用交流220V单相民用电，通过整流变换，将交流电变换为高压直流电给动力电池进行供电。慢充系统的主要部件有供电设备（电缆保护盒、充电桩和充电线等）、慢充接口、车内高压线束、高压配电盒、车载充电机、动力电池等，车载充电机如图1-22所示。车载充电机（On-board Charger）相对于传统工业电源，具有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境能力强等特点。车载充电机工作过程中需要协调充电桩、BMS等部件。

2）快充系统一般使用工业380V三相交流电，通过功率变换后，直接将高压大电流通过母线给动力电池进行充电。快充系统的主要部件有电源设备（快充桩）、快充接口、车内高压线束、高压配电盒、动力电池等。

快充与慢充的工作原理如图1-23所示，各模块间通过CAN总线进行通信。

6.DC/DC变换器

汽车转向助力电机、制动系统电机以及车身电气（包括灯光、仪表、信号、风扇电机等）需要12V直流电，高压系统的控制部分也需要用12V直流电，因此汽车必须配备12V蓄电池，必须有为12V蓄电池充电的系统，以便把动力电池提供的320V以上的直流电，转换为12V直流电的装置——DC/DC变换器。DC/DC变换器安装于前机舱，如图1-24所示。

图1-22 车载充电机及参数

图1-23 充电系统工作原理框图

图1-24 DC/DC安装位置

DC/DC变换器将动力电池的高压直流电转换为13.8～14V低压电给蓄电池和低压系统供电，具有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境能力强等特点，如图1-25所示。

图1-25 DC/DC变换器及参数

7.PDU总成

PDU总成（图1-26）是新款EV160最主要的变化，主要特点有：

图1-26 PDU总成

（1）PDU是将车载充电机模块、DC/DC变换器模块、PTC控制器及高压配电模块集成的产品，它将原本生产过程中需要多次装配的部件进行集成化设计，提高装配效率和生产效率。

（2）PDU集成化设计将原本大量的高压线束优化后，在内部母排中集成体现，提高了高压母线的屏蔽效果。

（3）PDU的各个接口根据整车的需求进行定制化设计，且PDU的高低压线束较为简易，提高了高压线束的装配便捷性和可靠性。

目前，为了实现整车动力系统提升，提高运行可靠性，北汽新能源又将PDU和电机控制器进行了集成化设计，研发出“四合一”的PEU集成模块，如图1-27所示。此模块已经应用在北汽新能源EU系列乘用车上。

图1-27 北汽新能源EU系列PEU“四合一”集成模块

8.T-BOX

T-BOX（图1-28）继承老款车型数据采集终端功能，通过车辆总线网络实时采集车辆数据信息，并根据需要存储到产品内部的存储介质中，传送到监控平台，支持发送远程控制命令，对充电及空调进行远程控制。

图1-28 T-BOX模块

此外，T-BOX还提供网络支持大屏的各项在线娱乐功能及车载WiFi。T-BOX组成包括：T-BOX、T-BOX通信天线、T-BOXGPS天线。通过T-BOX的指示灯可初步判断其工作状态。

运行灯功能说明：

①常灭：无电源、电源异常、已休眠。

②常亮：终端运行异常。

③正常闪烁（1Hz）：正常运行。

④慢闪（0.5Hz）：休眠中。

故障灯功能说明：

①常亮：当前有故障。

②常灭：当前无故障。

③闪烁（2Hz）：系统自检中。

同之前的数据采集终端一样，T-BOX在装配过程中需要记录壳体上的条形码和对应装配的车辆VIN码（装配关系信息用于平台注册绑定）。

1.2.4 比亚迪e5结构简介

1.比亚迪e5高压电控总成（四合一）

（1）外部特征 该车型的高压电控总成，又称“四合一”，集成了两电平双向交流逆变式电机控制器模块VTOG、车载充电器模块、DC/DC变换器模块和高压配电模块以及漏电传感器，如图1-29所示，其外部接口说明见表1-2。

图1-29 比亚迪e5“四合一”模块

表1-2 高压电控总成外部接口说明

（2）内部结构比亚迪e5高压电控总成采用内部集成设计，如图1-30所示，主要包括双向交流逆变式电机控制器（VTOG）、高压配电箱、漏电传感器、车载充电器（在高压电控总成下层）和DC/DC变换器。其主要功能有：

图1-30 比亚迪e5高压电控总成内部结构

①控制高压交/直流电双向逆变，驱动电机运转，实现充、放电功能（VTOG、车载充电器）。

②实现高压直流电转化低压直流电为整车低压电器系统供电（DC/DC）。

③实现整车高压回路配电功能以及高压漏电检测功能（高压配电箱和漏电传感器模块）。

④直流充电升压功能。

⑤CAN通信、故障处理记录、在线CAN烧写及自检等功能。

1）双向交流逆变式电机控制器（VTOG）。VTOG整体结构主要包含1块控制板、1块驱动板、1块采样板、1个用于平波薄膜电容、DC模块的电感和电容、3个交流滤波电感、3个交流滤波电容、泄放电阻、预充电阻、霍尔电流传感器、接触器等元器件，如图1-31所示。VTOG电气特性见表1-3。

图1-31 VTOG内部结构

表1-3 VTOG电气特性

2）高压配电箱。高压配电箱要完成动力电池电源的输出及分配，其上游是动力电池组，下游包括双向交流逆变式电机控制器（VTOG）、DC/DC变换器、PTC水加热器、电动压缩机、漏电传感器。有时也将VTOG和车载充电器的高压直流电分配给动力电池组，实现对支路充电器的保护和切断。高压配电箱内部主要由铜排连接片、接触器、霍尔电流传感器、预充电阻、动力动力电池组正负极输入组成，其中接触器由电池管理器控制，控制充放电，如图1-32所示。

图1-32 比亚迪e5高压配电箱内部结构

左右两侧有两个霍尔电流传感器，左边的监测VTOG直流侧电流大小，右边的监测动力电池组进出总电流。图1-32中从左至右的五个接触器依次为放电主接触器、交流充电接触器、直流充电正极接触器、直流充电负极接触器和预充接触器。

3）漏电传感器LS。比亚迪e5车型的高压电控总成内部装配有漏电传感器。它本身也是一个动力网CAN模块，通过监测与动力电池输出相连接的正母线和车身底盘之间的绝缘电阻来判定高压系统是否存在漏电，漏电传感器将绝缘阻值信息通过CAN信号发送给电池管理器、VTOG，以采取相应保护措施，如图1-33所示。

图1-33 漏电传感器系统框图

当漏电传感器检测到绝缘阻值小于设定值时，通过CAN总线和硬线同时将漏电信号发给BMS，BMS进行漏电相关报警和保护控制。漏电的硬线信号是一种拉低信号，即当LS检测到漏电时，BMS的漏电信号端子是低电平，由LS拉低。通过大致计算也能得出严重漏电结论，即将绝缘阻值/动力电池组电压（Ω/V）与500Ω/V、100Ω/V进行比较即可。

另外，漏电传感器的工作电源是双路电，因为无论是放电还是充电过程，都是需要监测高压系统的绝缘情况的。

4）车载充电机。车载充电机（On-BoardChargerAssy，简称OBC）的作用是将交流充电口传递过来的交流电（220V/50Hz）转换为直流高压电，为动力电池充电。3.3kW功率以内的单相交流充电均是通过OBC进行的，而功率大于3.3kW的交流充电（含单相和三相交流）是通过VTOG进行的。实际上比亚迪e5出租车版装配的“四合一”中不带OBC，3.3kW以内功率的单相交流充电也是通过VTOG进行的。但比亚迪e5家用车版加装了OBC，这主要是因为与出租车相比，家用车充电场所不固定，经常会利用家用电网小功率充电；而小功率充电时，OBC的效率比VTOG要高一些。

2.比亚迪e5电池技术

（1）外部特征 比亚迪e5动力电池系统最显著的外部特征是其使用的高电压导线或高电压接口和12V车载网络接口，布置在整车地板下面，位置如图1-34所示。电池类型为磷酸铁锂电池，容量为47.5kW·h，其特性见表1-4。

图1-34 比亚迪e5动力电池组安装位置

表1-4 比亚迪e5动力电池组特性

1）机械特征。动力电池组的密封盖一般通过几十个螺栓加密封胶以机械方式与托盘连接在一起。在动力电池组的密封盖上一般粘贴有几个提示牌，包括一个型号铭牌和两个警告提示牌。型号铭牌提供逻辑信息（例如电池参数标签和电池编号）和最重要的技术数据（例如额定电压）。两个警告提示牌提醒注意动力电池组采用锂离子技术且电压较高以及可能存在的相关危险。图1-35展示了动力电池组上提示牌的安装位置和托盘螺栓紧固力矩。

2）电气接口

①高电压接口。在动力电池组上带有一个2芯高电压接口，动力电池组通过该接口与高电压车载网络连接，如图1-36所示。

围绕高电压导线的两个电气触点还各有一个屏蔽触点。这样可使高电压导线屏蔽层（每根导线各有一个屏蔽层）一直持续到动力电池组密封盖内，从而有助于确保电磁兼容性EMV。

图1-35 比亚迪e5动力电池组密封盖上的提示牌

图1-36 比亚迪e5动力电池组高电压接口

②12V车载网络接口。12V车载网络接口为集成式控制单元提供电压、总线信号、传感器信号和监控信号，如图1-37所示。

③高压电缆。直流电缆组件由两根绝缘的高压电缆组成，用来连接动力电池组和变频器。由于大部分混合动力汽车的高压电缆位于汽车底盘下（夹在动力电池组和底盘之间），因此它能受到很好的保护，避免碰撞路面引起的损坏；而纯电动汽车和一些插电式车辆安装的电池组要大得多，往往要延长到车辆前部的位置，所以其高压电缆通常会比混合动力汽车中的短一些。电池高压电缆从电池端输出，高压电控总成端输入，如图1-38所示。

图1-37 比亚迪e5动力电池组低电压接口

图1-38 比亚迪e5电池高压电缆

（2）内部结构 比亚迪e5电池组由电池模组、动力连接片、连接电缆、电池采集器、采样线、电池组固定压条、密封条等组成，内部结构如图1-39所示。

图1-39 比亚迪e5电池组内部结构

1）电池模组。磷酸铁锂电池的单体电池标称电压是3.2V，充电终止时的最高电压为3.6V，最低放电电压为2.0V。如图1-40所示，比亚迪e5的电池由13个模组串联组成，总电压为633.6V，容量为75A·h，电池组高压接口在1#电池负极、13#电池正极。13号模组在1号的上层，12号模组在11号的上层，6、7、8号模组分别在5、4、9号的上层。单列电池模组和双列电池模组分别见图1-41和图1-42。

图1-40 比亚迪e5电池模组结构

图1-41 比亚迪e5单列电池模组

图1-42 比亚迪e5双列电池模组

2）电池信息采集器BIC。混合动力汽车和纯电动汽车基本都有一个精密模块，专门用于监控电池组传感器测量的数据和电池性能。不同车辆的模块名称可能会不一样，比亚迪e5的称为BIC（Battery Information Collector），即电池信息采集器。现在许多电动汽车的电池管理系统（BMS）中也包括BIC。

使用BIC监测和报告电池组数据的同时，使用另一模块来控制调节电池组。通常情况下，数据被报告给汽车主驱动系统的ECU，然后主ECU根据工作条件和驾驶人的需求命令电池进行相应的充电或放电。

如果出现单体电池、电池模组或部分电路的电压不平衡，部分带充电系统的电池还可以用BIC来均衡电池电压。比亚迪e5的单列和双列模组主要是进行电压、温度和通信信号的采集。图1-43和图1-44所示中的下位机即为BIC的安装位置。

图1-43 比亚迪e5单列电池模组BIC

3）传感器。通常情况下，电池信息采集器BIC至少要依据单体电池或模块电压、电池组总电流、单体电池或电池模组的温度来计算荷电量（SOC）。

①电压检测电路。动力电池组的电压传感器能在电池组的多个测量点进行电压测量，并比较电池模组不同部分的性能，以确认电池模组有无失去平衡。电压传感器测量单个单体电池的电压，也测量电池模组或动力电池组的电压。这使BIC能够对电池进行分段监测，每一段的电压和电量应该大致相同。BIC与每个检测点（通常是被测的单体电池或电池模组的正负极端子）之间通过电压传感线相连接。

②温度传感器。动力电池组使用多个温度传感器来监测电池温度。大多数电池控制系统在以下情况下会需要使用动力电池组温度：

• 当计算电池组荷电量（SOC）时。

• 当计算充电和放电的最大比率时。

• 为了检测动力电池组温度是否过低。

• 为了检测动力电池组温度是否过热。

• 为了评估动力电池组冷却系统的性能。

③电流传感器。有许多类型的传感器，例如互感器或分流器，可被用来测量动力电池组的输入和输出电流。电流传感器一般安装在靠近电池组的位置，通常是在电池组的密封箱内，用于检测流入动力电池组的安培数。通常将动力电池组的电流表示成正值或负值，单位为安培（例如：42A、-87A），以显示电池组处于充电状态还是处于放电状态。

4）接触器。纯电动汽车或混合动力汽车的动力电池组通过高压接触器与车辆的变频器相连，至少有一个高压主接触器，有些制造商把它称为高压主继电器，工作原理相同。通过接触器接通的功率非常高，接通范围从500W直至几百kW。高压主接触器通常有以下几个功能：

①汽车上电时（READYUP），将动力电池组连接到变频器。

②允许高压电流在电池组和变频器之间流通。

③驱动系统被关闭时，断开动力电池组与变频器的连接。

图1-44 比亚迪e5双列电池模组BIC

④车辆紧急停车时，断开动力电池组与变频器的连接。

动力电池组通常包含3个主接触器：SMRB负责控制高压供电正极，SMRG负责控制高压供电负极，SMRP与预充电组一起负责给高压系统预充电。由于供电初期要对变频器中的电容充电，如果不加以限制导致充电电流过大，会对高压部件产生很大的冲击，因此需要预充电阻对充电电流进行限制。

比亚迪e5的动力电池组内部有3个接触器（影响电池组是否可以串联）和2个分压（预充）接触器，如图1-45所示。

图1-45 比亚迪e5动力电池组内部接触器