純電動汽車的類型、結構及維護操作常識(一)

◆文/北京 王新旗

王新旗(本刊編委會委員)從事于汽車后市場維修、服務、技術支持及培訓、培訓管理等工作20余年。曾就職于上海雷神咨詢有限公司、大陸汽車俱樂部、TTi(北京)咨詢有限公司、采埃孚銷售服務(中國)有限公司、北京匯智慧眾汽車技術研究院，歷任培訓師、項目經理、培訓經理、培訓運營總監等職。近兩年親身組織，參與四屆新能源汽車維修行業技能大賽的裁判培訓及執裁。目前任北京天元陸兵汽車科技有限公司陸兵學院執行院長。

一、純電動汽車的類型

純電動汽車發展至今，種類較多，通常按車輛用途、車載電源數目以及驅動系統的組成進行分類。按照用途不同，純電動汽車可分為電動轎車、電動貨車和電動客車三大類。按布置結構，大部分純電動汽車采用電動機直接驅動，即把電動機裝在“發動機”艙內，另外是純電動汽車采用“分布式驅動”，即以驅動電動機分別安裝在四個車輪上的形式進行驅動。

二、純電動汽車的結構原理

純電動汽車的結構組成包括：電力驅動及控制系統、動力電池、整車控制及其相關驅動力等傳動機械系統及汽車附件(圖1)。電力驅動及控制系統是純電動汽車的主要組成部分，也是純電動汽車的核心(圖2)，正是由于純電動汽車有了這個核心系統，才區別于內燃機汽車。電力驅動及控制系統由驅動電機及控制器、動力電池及管理系統和整車控制(簡稱電控)組成，純電動汽車的其他裝置基本與內燃機汽車類似。

較新的純電動汽車動力艙布置如圖3所示，廠家將部分的分離總成進行優化集成，主要由兩部分組成：左側為電機控制器，右側為PDU總成。純電動汽車的結構基本類似，下面將以目前新能源制造廠家的主流車型為例具體說明純電動車的具體結構及工作原理。

1.動力電池

(1)動力電池的主要功用

動力電池(圖4)的主要功用有：①提供動力；②電量計算；③溫度、電壓、濕度檢測；④漏電檢測、異常情況報警；⑤充放電控制、預充電控制；⑥電池一致性檢測；⑦系統自檢等。

圖1 純電動汽車的基本結構

圖2 純電動車動力艙

圖3 北汽EV160電機艙結構

圖4 動力電池

(2)對動力電池的要求

新能源汽車對動力電池的要求主要有以下幾點。

①比能量高：為了提高新能源汽車的續駛里程，要求新能源汽車上的動力電池盡可能儲存多的能量，但又不能太重，安裝電池的空間也有限，這就要求電池具有高的比能量。

②比功率大：為了使新能源汽車在加速行駛、爬坡能力和負載行駛等方面能與燃油汽車相競爭，就要求電池具有大的比功率。

③充放電效率高：電池中能量的循環必須經過“充電—放電—充電”的循環，高的充放電效率對保證整車效率具有至關重要的作用。

④相對穩定性好：電池應當在快速充放電和普通充放電過程變工況的條件下保持性能的相對穩定，使其動力系統能在使用條件下達到足夠的充放電循環次數。

⑤使用成本低：除了降低電池的初始購買成本外，還需要提高電池的使用壽命，以延長其更換周期。

⑥安全性好：電池應不會引起自燃或燃燒，在發生碰撞等事故時不會對乘員造成傷害。

在新能源汽車和混合動力汽車商業化發展的今天，動力電池被用來作為電能的來源，隨之而來的技術問題主要包括單體電池和電池組電熱特性的一致性設計方法、電池荷電狀態的準確估計技術以及電池廢舊部件的回收設施等，然而最為重要的是一定要確保新能源汽車和混合動力汽車所使用的動力電池成本合理、具備生存力、便于商業化。

(3)動力電池的分類

新能源汽車用動力電池主要有蓄電池、燃料電池、超級電容、飛輪電池等。蓄電池也稱為二次電池，是可通過充電反復使用的化學電池。由于應用于新能源汽車的動力電池有很多種，這里通過不同的分類方法對動力電池進行簡要分類。

①按動力電池電解質分類：分為酸性電池、堿性電池、中性電池和有機電解液電池四類。

②按動力電池所用正、負極材料不同分類：分為鋅系電池、鎳系電池、鉛系電池、鋰系電池及金屬空氣(氧氣)系列電池等。

(4)動力電池的性能指標

①電壓：動力電池的電壓(端電壓)是指其正極與負極之間的電位差，單位為V(伏特)，是表示動力電池性能與狀態的重要參數之一。

開路電壓：動力電池未向外電路輸出電流時的端電壓，蓄電池在充足電狀態下的開路電壓最高，隨著蓄電池放電程度的增加，蓄電池的開路電壓會相應降低。

放電電壓：蓄電池向外輸出電流時的端電壓，放電電壓也稱為工作電壓，蓄電池在放電時的放電電流越大，放電電壓就越低，在同樣的放電電流下，隨著蓄電池放電程度的增加，其放電電壓也會相應降低。

②內阻：動力電池的內阻主要與極板的材質、結構及裝配工藝有關，不同的電解質呈現的電阻值不同，因此不同類型的動力電池其內阻是不同的，對某種類型的動力電池來說，隨著放電程度的增加其內阻會相應增大，動力電池內阻的單位為Ω(歐姆)。

③容量：動力電池的容量是指在允許放電范圍內所能輸出的電量，單位為A·h(安時)，容量用來表示動力電池的放電能力，在不同條件下，動力電池所能輸出的電量(容量)是不同的。

④能量：動力電池的能量是指在一定的放電條件下，動力電池所輸出的電能，單位為W﹒h(瓦時)或kW﹒h(千瓦時)。動力電池的能量表示其供電能力，是反映動力電池綜合性能的重要參數。

⑤功率：動力電池的功率是指在規定的放電條件下動力電池單位時間所能輸出的電能，單位為W或kW，動力電池的功率大小會影響新能源汽車的加速度和最高車速。

⑥壽命：動力電池的壽命通常用使用時間或循環壽命來表示，動力電池經歷一次充電和放電過程稱為一個循環或一個周期，在一定的放電條件下，當動力電池的容量下降到某規定的限值時，動力電池所能承受的充放電循環次數稱為動力電池的循環壽命。不同類型的動力電池，其循環壽命有所不同，對于某種類型的動力電池，其循環壽命與充電和放電電流的大小、動力電池的溫度、放電的深度等均有關系。

2.驅動電機

驅動電機控制器(圖5、圖6)將動力電池提供的直流電轉化為交流電，然后輸出給電機。通過電機的正轉來實現整車加速、減速，通過電機的反轉來實現倒車。通過有效的控制策略控制動力總成以最佳方式協調工作。

圖5 驅動電機總成

圖6 電機控制器總成

電機系統的控制中心對整車控制器發出的信息、電機內部轉角和溫度傳感器等輸入信號進行處理，按照預定策略做出對驅動電機U、V、W三個定子線圈通電順序和脈寬的控制，達到控制電機的正反轉和轉矩的要求，并將電機控制系統運行狀態的信息發送給整車控制器。電機控制器內含功能診斷電路，當診斷出異常時它將會激活一個錯誤代碼發送給整車控制器，電機控制系統使用了如下傳感器來提供電機的工作信息：

電流傳感器：檢測電機工作的實際電流(包括母線電流、三相交流電流)；

電壓傳感器：檢測供給電機控制器工作的實際電壓(包括高壓電池電壓、蓄電池電壓)；

溫度傳感器：檢測電機控制系統的工作溫度(包括模塊溫度、電機控制器溫度)。

3.整車控制器(VCU)

整車控制器(圖7)是電動汽車專用微機控制器，由微處理器(CPU)、存儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數轉換器(A/D)以及整形、驅動等大規模集成電路組成，整車控制器和車輛其他系統的控制單元(如動力電池控制單元、電機控制單元、外圍驅動模塊等)通過CAN總線聯系起來。

整車控制部分主要判斷操縱者意愿，根據車輛行駛狀態和電池及電機系統的狀態及各系統傳感器傳出的信息，依據內存的程序和數據進行運算、處理、判斷，然后輸出指令到電機控制器，控制驅動電機的轉向、轉速和扭矩，控制電動空調系統以及其他外圍系統的工作。

圖7 整車控制器

4.充電系統

充電系統是新能源汽車主要的能源補給系統，分為常規充電(俗稱慢充)及快速充電(俗稱快充)兩種方式，圖8所示為充電系統工作原理框圖。

圖8 充電系統工作原理框圖

慢充系統：慢充系統使用交流220V單相民用電，通過整流變換將交流電變換為高壓直流電為動力電池供電。慢充系統主要部件有供電設備(電纜保護盒、充電樁和充電線等)、慢充接口、車內高壓線束、高壓配電盒、車載充電機、動力電池等。

快充系統：快充系統一般使用工業380V三相電，通過功率變換后直接將高壓大電流通過母線直接給動力電池進行充電，快充系統的主要部件有電源設備(快充樁)、快充接口、車內高壓線束、高壓配電盒、動力電池等。

相對于傳統工業電源，車載充電機具有效率高、體積小、耐受惡劣工作環境等特點，如圖9所示。車載充電機工作過程中需要協調充電樁、BMS等部件。

圖9 車載充電機