纯电动汽车整体结构-新能源汽车概论

纯电动汽车主要由电池管理系统、电动机控制系统、驱动力传动系统、整车控制系统以及辅助系统等构成,其组成如图2-1-1所示。电力驱动控制系统是电动汽车的核心,这是纯电动汽车与传统汽车的最大区别。汽车行驶时,由蓄电池输出电能(电流)通过控制器驱动电动机运转,电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。

图2-1-1

1.电源系统

纯电动汽车的电源系统由动力电池、电池管理系统、充电系统、高压盒和低压电气系统等组成,如图2-1-2所示。其中,高压动力电池和电池管理系统是电源系统的核心部件。

图2-1-2

(1)动力电池

动力电池由电池箱、电池模组、电池托架、压条、高压连接线、电压和电流传感器、温度传感器、冷却系统和加热系统等组成。其外观如图2-1-3所示。纯电动汽车的能量来源是动力电池组,其体积、比能量、比功率、充放电循环寿命直接影响整车的行驶性能。动力电池一直是制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。

(2)电池管理系统

动力电池模组的电压、电流和温度要时刻进行监控,以防止充电时过充而引起过载,从而损坏动力电池。同时在充电和电机工作时要防止温度升高而损坏动力电池。此外,在动力电池放电过程中要防止动力电池过放电而损坏动力电池,电机在低温环境中使用时也要损坏动力电池。动力电池的电压、电流和温度都必须保持在正常范围内,必须对动力电池的电压及温度进行控制。每一个电池模块有一个电压、电流和温度传感器,如图2-1-4所示。

图2-1-3

图2-1-4

(3)充电系统

充电系统分为快速充电系统(图2-1-5)和随车充电系统(图2-1-6)两部分。快速充电系统的充电接口接入了与动力电池相同电压等级的充入电源,并采用直流充电直接充入动力电池;随车充电系统通常利用外接220 V交流电源,在车内采用交直流转换再提供给动力电池,该充电方式充电时间相对较长。

(4)高压盒

动力电池的高压盒包括预充电阻、总正继电器、电流传感器、总正输出、总负输出等。

(5)低压电气系统

低压电气系统采用直流12 V电源,一方面为灯光和刮水器等常规低压电气设备供电;另一方面为整车控制器、电机控制系统、电池管理系统以及高压电气设备的控制器和冷却电动水泵等辅助部件供电。低压电气系统实现整车常电源(B+)、点火电源(IGN1、IGN2)、附件电源(ACC)的供给及分配功能,在合适的电源控制状态下为全车低压电气设备及模块供电,如图2-1-7所示。

图2-1-5

图2-1-6

图2-1-7(www.xing528.com)

2.电机控制系统

电机控制系统是电动汽车的心脏,由电动机控制器(图2-1-8)、电动机(图2-1-9)等组成,其任务是在驾驶员的控制下,高效率地将动力蓄电池的能量转化为车轮的动能,或者将车轮的动能反馈到蓄电池。

图2-1-8

图2-1-9

(1)电动机

电动机俗称马达,是一种将电能转化成机械能,再使机械能产生动能,用来驱动其他装置的电气设备。电动汽车采用动力电池作为车载能源,其容量受到限制,为了尽可能地延长续驶里程,大多数驱动系统都采用了能量回馈技术,即在汽车制动时,通过控制器将车轮损耗的动能反馈到电池中,并使电动机处于发电状态,将发出的电输送到电池中。电动汽车的驱动机应称为电机,而不是人们通常称为的电动机。例如,中大青山采用的双定子磁悬浮复合转子电机既能将电能转化为机械能,又能将机械能转化为电能。

(2)电机类型

纯电动汽车常用的电机有感应电机(又称异步电机)(图2-1-10)和永磁电机(图2-1-11)两类。

图2-1-10

图2-1-11

1)永磁无刷同步电机

永磁无刷同步电机用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组,就能去掉传统的电刷、滑环和励磁绕组的铜损,由于采用正弦交流电及无刷结构,因此又称为永磁无刷交流电机。其优点是高能量密度和高效率,其恒功率区域有更宽的转速范围,并可以以矢量控制方法来满足电动汽车的高性能要求,如南车时代的电机。

2)异步电机

异步电机的特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低转矩脉动、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高。

异步电机矢量控制调速技术比较成熟,使异步电机驱动系统具有明显的优势,被较早应用于电动汽车的驱动系统,是电动汽车驱动系统的主流产品(尤其在美国),目前被其他新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。

(3)整车控制系统

纯电动汽车的整车控制技术的核心是根据驾驶员的动作,综合整车动力系统状态,根据行驶条件计算电机所需要提供的转矩,从而向电机驱动系统发出信号,满足行驶要求。基于不同行驶条件下对转矩的要求,整车控制策略分为加速转矩控制动能量回收、驱动转矩的功率限制、怠速行驶等功能。

整车控制系统一般包括传感器、控制器(控制单元)和执行器(执行元件)。传感器采集信息并转换成电信号发送给控制器,控制器根据传感器的信息进行运算、处理和决策,向执行器发送控制指令以完成某项控制功能,如图2-1-12所示。

在电动汽车控制系统中,整车控制器除了完成自身的一些控制功能外,还肩负着整个控制系统的管理和协调功能。整车控制采用分层控制方式,整车控制器为第一层,其他各控制器为第二层,各控制器之间通过CAN网络进行信息交互,共同实现整车的功能控制。整车控制系统常与电池管理系统(BMS)和电机控制系统(MCU)等相互通信时,可以通过CAN总线将3个控制系统连接起来,如图2-1-13所示。

图2-1-12

图2-1-13