三、纯电动汽车的基本组成与工作原理

1.纯电动汽车的基本组成

纯电动汽车由车载电源、电池组管理系统、电源辅助设施、电动机、控制器、底盘、车身等七部分组成,沿用传统的汽车构造结构划分方式,也可将纯电动汽车分成电动机、底盘、车身和电气四部分。图1⁃8所示为典型的纯电动汽车主要总成布置图。

(1)含电机变速单元、逆变器　变速单元是纯电动汽车的动力输出部分,内部主要包括电动机和减速齿轮机构,如果是前驱的车辆,该系统部件通常安装在前机舱内。

① 电动机。电动机是纯电动汽车的动力装置。它是根据电磁感应原理实现电能转换的一种电磁装置,在电路中用字母M表示。它的主要作用是产生旋转运动,作为用电设备或各种机械的动力源。

② 逆变器。逆变器是变速单元的主控部件,通常位于电机变速单元的上部。图1⁃9所示为典型纯电动汽车的逆变器安装位置。

逆变器一端连接来自动力电池的高压电,另一端连接驱动电机单元的三相交流电缆。主要用于将来自动力电池的直流电转换为可用于驱动电机的三相交流电,同时在制动能量回收时,也将电机产生的交流电转换成直流电,反馈给动力电池。

大多数车辆将逆变器与控制模块集成在一起,实现逆变器功能的同时,管理电机的运转。

(2)发电机　发电机的主要作用是将机械能转化为电能,它在电路中用字母G表示。

(3)冷却系统　冷却系统一般由散热器、水泵、风扇、节温器、冷却液温度表等组成。纯电动汽车电动机采用两种冷却方式,即空气冷却和水冷却,一般纯电动汽车电动机多采用水冷却。

(4)传动系统　如图1⁃10所示,由于电动机具有良好的牵引特性,因此纯电动汽车的传动系统可不需要离合器和变速器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。

(5)行驶系统　行驶系统与内燃机汽车类似,主要包括车架、车桥、车轮和悬架等。

(6)转向系统　纯电动汽车的转向系统包括转向操纵机构、转向器、转向传动机构等,具体包括转向盘、转向器、转向节、转向节臂、横拉杆、直拉杆等。纯电动汽车的转向系统多采用电动转向助力装置。

(7)制动系统　制动系统是纯电动汽车装备的全部制动和减速系统的总称,它的作用是使行驶中的纯电动汽车降低速度或停止行驶,或使已停止行驶的纯电动汽车保持不动。

制动系统包括制动器、制动传动装置。现代纯电动汽车制动系统中,制动防抱死装置(ABS)已经成为标配。

与内燃机汽车相似,纯电动汽车的制动系统也由行车制动和驻车制动两套装置构成。

(8)电气设备　纯电动汽车电气设备主要由电池组、外部充电系统、辅助电源(车载12V电源系统)、发电机、照明灯具、仪表、音响装置、刮水器等组成。

① 电池组。电池组的作用是供给辅助电源及电动机用电。为了满足纯电动汽车对高电压的需要,纯电动汽车大多数是以由多个单体电池串、并联形成的动力电池组作为动力源。单体电池也称为电池单元,是构成动力电池的最小单元,一般由正极、负极、电解质及外壳等构成,即常说的一节电池。几个单体电池并联在一起构成一个电池单元组,其电压与单体电池相同,但容量为并联单体电池容量的和。单体电池串联或单体电池与电池单元组串联以及电池单元组串联则构成相对独立的电池模块,模块的大小及电压(包括容量)取决于串联的单体电池和电池单元组的数量,所以同一台纯电动汽车的各电池模块尺寸会有不同的规格。几个电池模块串联构成一个动力电池组,图1⁃11所示的动力电池组即由8个电池模块组成,其总电压为各电池模块的电压之和,用周期性的充电来补充电能。动力电池组是纯电动汽车的关键装备,它储存的电能及其自身的质量和体积对纯电动汽车的性能起决定性影响。

动力电池组在纯电动汽车上占据很大一部分有效的装载空间,在布置上有相当的难度,通常有集中布置和分散布置两种形式。通用公司的EV⁃1纯电动汽车配备的AC Delco电池组即采用集中式布置形式,动力电池组的支架为T形架,如图1⁃12所示。T形架装在车辆的底板下面和行李舱下面的车架上,动力电池组固定在T形架上,有很好的稳定性,它从车辆的尾部安装。在T形架上装有动力电池组的通风系统、电线保护套等,用自动和手动断路器在车辆停车和车辆出现故障时切断电源,保证高压电路的安全。

日本丰田汽车公司的RAV4 EV是将动力电池组用支架固定在车架上,动力电池组由24节12V的镍氢电池组成,总电压为288V。动力电池组分成若干个分组,呈分散式布置在车架上,然后串联起来,这样可以充分利用车辆底盘上的有效空间。典型的动力电池组的分散布置形式如图1⁃13所示。动力电池组布置在纯电动汽车底板下面是最常见的布置方法,这样方便安装和拆卸。

② 外部充电系统。主要包括车载充电器(图1⁃14)和充电接口(图1⁃15)。充电系统通常利用外接220V交流电源,通过充电接口进入车载充电器,车载充电器再通过交直流转换,使得220V交流电转变成动力电池组充电的直流电提供给动力电池。

③ 灯具、仪表。灯具、仪表是提供照明并显示电动汽车状态的部件组合。仪表一般能够显示动力电池电压、整车速度、行驶状态、灯具状态等,智能型仪表还能显示整车各电气部件的故障情况。

(9)能量回收系统　能量回收系统的作用是在纯电动汽车滑行或制动时,能够将车辆的惯性机械能转化为电能,并将其存储在电容器或为动力电池充电,在使用时可迅速将能量释放。

(10)散热系统　由于蓄电池组和驱动电机在车辆运行的过程中会产生大量的热量,因此,拥有一个良好的散热系统,无论是对纯电动汽车的安全还是对蓄电池、驱动电机的寿命长短都至关重要。

(11)车身　早期的纯电动汽车车身分为车头和车厢两个部分。车头是乘坐驾驶人的位置,一般可乘坐驾驶人和副驾驶人两人。车厢是根据客户需求改装而来,包括车厢配置、用料、空间设计等。

随着纯电动汽车的发展,现在多数纯电动汽车是以某种内燃机车型改型而成,所以其车身结构基本与内燃机车型相同。为了使乘客获得最大的舒适感,纯电动汽车一般采用单人座并排的方式,至于座椅的数量则根据具体车型而有所不同。随着纯电动汽车向B级车和SUV方向发展,乘客室空间尺寸有增大的趋势,座位数也增多。

(12)工业装置　工业装置是工业用纯电动汽车上用来完成作业要求而专门设置的装置,如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成。

2.纯电动汽车系统构成

纯电动汽车的系统结构包括三个子系统,即电力驱动子系统、能源子系统和辅助子系统,如图1⁃16所示。

电力驱动子系统的功能是通过控制器电路与制动踏板和加速踏板相连,将制动踏板和加速踏板信号输入控制器,以获得驾驶人的驾驶意图。通过控制电动机驱动车辆,并且进行制动能量回收。

能源子系统的功能是对电力驱动子系统及辅助子系统供能,保证汽车上各元件有稳定的能量来源。能源子系统能够实时监测动力电池剩余电量,当动力电池能量不足时,能够提示驾驶人对动力电池进行充电,以及时补充车辆的能量。

同传统汽车一样,纯电动汽车也配备助力转向、空调、音响等系统,不同的是这些系统完全利用存储在动力电池中的电能。辅助子系统的作用就是完成助力转向、车内空调温度调节及夜间照明等功能。

不同子系统又可分为不同的部分,就电力驱动子系统而言,又可分为电气和机械两大系统。其中电气系统包括电动机、功率变换器和电子控制器等子系统,机械系统的组成主要包括变速装置和车轮等。电力驱动子系统的电气与机械系统有着多种组合方式,如前文述及的机械传动型、无变速器型、无差速器型和电动轮型等。

3.纯电动汽车的驱动原理

传统汽车是依靠内燃机做功,通过变速器改变输出动力的传动比、旋转方向,再通过传动轴和车轮实现车辆驱动。而纯电动汽车由电力驱动系统替代了传统汽车的内燃机和变速器,依靠动力电池、逆变器和电机变速单元实现车辆的驱动。

图1⁃17所示为纯电动汽车的基本驱动系统结构,当驾驶人踩下加速踏板时,车辆控制模块将控制动力电池输出电能,然后通过控制逆变器驱动电机运转,驱动电机输出的转矩经齿轮机构带动车轮转动,实现车辆的前进或后退。

典型纯电动汽车工作原理如图1⁃18所示。电源接通汽车行驶时,主控ECU接收挡位控制器、加速踏板角度传感器等各方面信息,判断、计算后发出指令传递给电机控制器,以控制流向前驱动电机的电流。此时,电池组电流通过应急开关、配电箱/继电器之后,一路经过电机控制器向前驱动电机供给需要的电流,另一路经过DC/DC变换器,将高压直流电(如330V)转换为低压直流电(如42V),提供给EPS(电动转向系统)使用。同时,电池组接受电池管理系统管理,将电池组的瞬时电压、电流、温度、存电情况等信息传递给电池管理系统,以防止电池组过放电或温度过高而损坏。如果发生漏电情况,漏电保护器起作用。一旦发生短路等紧急情况,保护装置(熔丝)即可熔断。

小结

① 按照驱动系统的组成和布置形式,纯电动汽车分为机械传动型、无变速器型、无差速器型和电动轮型四种。

② 按车载电源数不同,纯电动汽车可以分为单电源型纯电动汽车和多电源型纯电动汽车两种。

③ 按照用途不同,纯电动汽车主要分为纯电动轿车、纯电动货车和纯电动客车等。

④ 纯电动汽车的优点主要有:排放污染物少、噪声低、能源利用率高、能源来源广泛、对石油的依赖性低、制造与维修成本低等。纯电动汽车的缺点主要是:目前动力电池生产技术尚不完善、整车价格高、高压安全技术有待提高。

⑤ 纯电动汽车由车载电源、电池组管理系统、电源辅助设施、电动机、控制器、底盘、车身等七部分组成,沿用传统的汽车构造结构划分方式,也可将纯电动汽车分成电动机、底盘、车身和电气四部分。纯电动汽车的系统结构包括三个子系统,即电力驱动子系统、能源子系统和辅助子系统。

⑥ 纯电动汽车的电力驱动系统替代了传统汽车的内燃机和变速器,依靠动力电池、逆变器和电机变速单元实现车辆的驱动。