纯电动汽车的构造与维修

与传统汽车相比，纯电动汽车取消了发动机等部件，整车结构和布局也发生了部分改变。现代纯电动汽车主要由决定工作性能的三大系统即电源系统、电机驱动系统、整车控制系统组成。另外，还有起支撑、防护等作用的底盘、车身和辅助电器等（纯电动汽车组成详见本项目二维码资源）。

（一）电源系统

纯电动汽车的电源系统是纯电动汽车的能源系统，它替代了传统燃油汽车的燃油供给系统，其主要作用是给电动机提供驱动电能、监测动力电池的使用情况（状态），并控制充电机向动力电池充电。电源系统主要由动力电池、电池管理系统、充电系统、电池冷却系统及低压电源系统等组成，如图1-1所示。

图1-1　电源系统

1.动力电池

动力电池是能量存储装置，它的作用是向电动机提供驱动电能。对于没有辅助电源的纯电动汽车而言，动力电池是唯一的动力源，它的好坏直接影响到电动汽车的动力性能、续航能力和安全性，如图1-2所示。

图1-2　动力电池

2.电池管理系统

电池管理系统即能量管理系统，是电池保护和管理的核心部件。它一方面检测收集并初步计算电池的实时状态参数，并根据检测值与允许值的比较关系控制动力电池的充电和放电，并控制其电量的变化；另一方面，将采集的关键数据上报给整车控制器，并接收控制器的指令，与车辆上的其他系统协调工作。

电池管理系统能准确估测动力电池组的荷电状态（电池剩余电量），并动态监测动力电池组的工作状态，在单体电池、电池组间实现状态均衡调节。同时，汽车行驶过程中，它能够有效进行能源分配，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。

3.充电系统

纯电动汽车充电系统的作用是对车载储能装置即动力电池适时地补充电能，从而保证动力电池能提供持续且平衡的电能。纯电动汽车一般配有快充充电口和慢充充电口，所以纯电动汽车可以实现快充充电和慢充充电，如图1-3所示。其中，快充电流大、充电速度快、充电时间短，便于在车辆旅途中快速补充电能；慢充采用恒压、恒流的传统充电方式对电动车进行充电，充电速度较慢，充电时间要持续8h以上。电动汽车家用充电设施和小型充电站多采用这种充电方式。

图1-3　充电口

4.电池冷却系统

纯电动汽车的电池冷却系统是指对供电系统的动力电池进行降温冷却的装置。动力电池的冷却性能的好坏直接影响电池的效率，同时也会影响到电池寿命和使用安全。由于充放电过程中电池本身会产生一定热量，从而导致温度上升，而温度升高会影响电池的很多特性参数，如内阻、电压、剩余电量（SOC）、可用容量、充放电效率和电池寿命。为了使电池发挥最佳性能和寿命，需要优化电池的结构，对它进行热管理，增加散热设施，控制电池运行的温度环境。

纯电动汽车为了将动力电池的温度控制在正常工作范围以内，一般动力电池系统专门配备单独的冷却系统。纯电动汽车电池冷却系统有空调循环冷却式、水冷式和风冷式三种类型，目前大多纯电动汽车采用水冷式或风冷式冷却系统中的一种进行冷却，如比亚迪E5采用水冷式，北汽EV160采用自然风冷却的风冷方式。

5.低压电源系统

低压电源系统主要由低压辅助电池和DC-DC转换器组成，其作用主要是给电动汽车各种辅助装置，如电动助力转向机构、制动力调节控制装置、灯光、空调、电动门窗、中控台、仪表等提供所需要的工作电源，一般为12V或24V的直流低压电源。DC-DC转换器将动力电池的高压电转换成低压辅助电池需要的低压电，并给其补充电能；低压辅助电池接受DC-DC转换器提供的电能并给各种电器供电，常用的低压辅助电源有蓄电池和低压铁电池。

图1-4　电机驱动系统

（二）电机驱动系统

电机驱动系统是纯电动汽车的心脏，其功用是在驾驶员的控制下，高效率地将存储在蓄电池中的电能转化为车轮的动能，推动汽车行驶，并能够在汽车减速制动或者下坡时，实现再生制动（将车轮的动能反馈到蓄电池中）。纯电动汽车电机驱动系统主要由驱动电机、电机控制器、机械减速装置和电机冷却系统等组成，并通过高低压线束、冷却管路与其他系统连接，如图1-4所示。

1.驱动电机

驱动电机是动力系统的执行机构，是电能与机械能之间的转化部件，如图1-5所示。驱动电机在纯电动汽车中承担着电动机和发电机的双重功能，即在正常行驶时发挥其主要的驱动电机功能，将电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮；而在降速和下坡滑行时又能进行转换发电，将车辆的惯性动能转换为电能。

2.电机控制器

电机控制器又称智能功率模块，是电机驱动系统的核心，如图1-6所示。其功用是根据电子控制单元的指令、电动机的速度和电流反馈信号，对电动机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。

图1-5　驱动电机

图1-6　电机控制器

电机控制器与电动机必须配套使用，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。当纯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。

3.机械减速装置

纯电动汽车机械减速装置作用是将驱动电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，所以机械减速装置一般与驱动电机的输出端相连接，安装在于驱动桥上，如图1-7所示。由于纯电动汽车的驱动电机可以直接带动负载启动，并可以通过控制电路电流流向或者改变三相绕组顺序来改变电机转向来实现倒挡、通过改变电流大小改变电机转速，所以纯电动汽车用于动力传动的机械减速装置可以没有离合器。纯电动汽车机械减速装置大多采用具有固定传动比的二级减速器和差速器，这类机械减速装置与传统汽车的传动系统相比具有结构简单、体积小、占用空间少的特点。

电动汽车机械减速装置可以通过三种不同的布置形式来实现车辆的减速运行，它们分别为通过差速器来驱动车轮的传统布置形式、电动机与车轮通过单级传动比齿轮箱或齿形皮带直接连接的分体单级减速布置形式和电动机直接与车轮相连接的电动机集成式。现代纯电动汽车常见的机械减速装置为电动机与车轮通过单级传动比齿轮箱连接式，而电动机集成式是未来电动汽车机械传动装置发展的主要方向。电机集成式具有巨大的潜在优势，它能实现100％的传动效率，可以节约汽车的空间布局。这个系统的劣势在于大多数电动机的转速比车轮转速快2～4倍，而把电动机设计成转速较慢的类型通常会使其质量增大，操纵性欠佳。纯电动汽车机械减速装置布置形式详见本项目二维码资源。

4.电机冷却系统

图1-7　机械减速装置安装位置

电机冷却系统主要用于保证驱动电机和电机控制器在规定的温度范围内工作，使其具有良好的工作性能。纯电动汽车运行过程中，电机驱动系统中的驱动电机和电机控制器会产生热量而使其温度上升。当温度上升到一定程度时，驱动电机的绝缘材料的绝缘性会下降，最终使其失去绝缘能力，同时也会使驱动电机相对运转的金属部件因温度升高而变形或膨胀，从而使其强度、硬度降低，甚至会影响部件的润滑，最终大大降低驱动电机相关部件的使用寿命。电机控制器温度过高会导致电机控制器中的半导体结点烧坏、电路损坏，甚至烧坏元器件，从而使电机控制器失效。纯电动汽车的电机驱动系统一般采用两种方式散热：空气冷却和水冷却。目前，使用较多的是水冷却，如图1-8所示。(www.xing528.com)

图1-8　电机水冷却系统组成

（三）整车控制系统

电动汽车的整车控制系统是保证电动汽车正常工作的关键系统，它对整辆电动汽车的控制起协调管理作用。纯电动汽车的整车控制系统主要由低压电气系统、高压管理系统、车载网络系统组成。

1.低压电气系统

纯电动汽车的低压电气系统主要由低压电源、DC-DC转换器、低压电气系统（车身电器、底盘电器）等组成，一般可提供12V或24V的电源。其一方面为灯光、雨刮等常规低压电器供电；另一方面为整车控制器、电机控制器和电动辅助装置供的工作电路供电，监控这些系统的运行状态和故障处理。

2.高压管理系统

纯电动汽车的高压管理系统主要部件是整车控制器、电机控制器、高压配电装置、电池管理器等。相对于传统汽车而言，纯电动汽车采用了大容量、高电压的动力电池及高压电机和电驱动控制系统，并采用了大量的高压附件设备，如电动空调、PTC电加热器及DC-DC转换器等，如图1-9所示。因此，作为纯电动汽车高压系统安全管理的单元，其作用是进行动力电池电源的输出及分配，实现对各支路用电器的保护及切断，同时还可以控制汽车在减速制动或下坡滑行时的能量回收。

图1-9　纯电动汽车高压管理系统

3.车载网络系统

纯电动的汽车车载网络系统使用的是控制器局域网络（CAN）总线，它是一种串行数据通信总线，是一种具有很高保密性，能有效支持分布式控制或实时控制的现场串行通信网络。其功能是实现通信和资源共享，并解决汽车电子化出现的线路复杂和线束增加问题，同时也为线控操作技术提供有力的支撑。使用车载网络控制系统可以减少汽车制造成本、简化汽车电器线路、提高汽车通信效率、提高汽车电控系统可靠性。

纯电动汽车有两条总线网络结构，即驱动系统的高速CAN总线和车身系统的低速CAN总线。高速CAN总线每个节点为各子系统的电子控制单元（ECU），低速总线按物理位置设置节点，基本原则是基于空间位置的区域自治。

（四）汽车底盘

汽车底盘是整个汽车的基体，它的功能是用来支撑蓄电池、电动机、驱动控制器、汽车车身及空调在内的各种装置，并将电动机动力进行传递和分配，使汽车按照驾驶员意图行驶。传统的汽车底盘包括传动系、行驶系、转向系、制动系四大系统。纯电动汽车的底盘要求具有足够的空间存放动力电池，并要求线路连接、充电、检查和拆卸方便。所以，纯电动汽车底盘的布置打破了传统汽车底盘的布置模式，主要由行驶系、转向系、制动系三大系统组成，如图1-10所示。

图1-10　纯电动汽车底盘组成

1.行驶系统

电动汽车行驶系统主要由车架、车桥、车轮和悬架等组成。行驶系的主要功能是承受汽车的总质量；接收传动系传来的动力，通过驱动轮和地面之间的附着作用，产生驱动力，从而克服外界阻力，保证汽车正常行驶；传递并承受路面作用于车轮的各种反力及所形成的力矩；缓和不平路面对车身造成的冲击和振动，保证汽车平顺行驶。

纯电动汽车行驶系统还加大了承载空间的跨度和承载机构件的刚度，充分做好动力电池组可能渗出的酸或者碱液对底盘构件的防护。另外，纯电动汽车由于动力电池组的质量大，为了减轻整车质量，需要采用轻质材料制造底盘总成。

2.转向系统

当汽车需要改变行驶方向时，必须使转向轮绕主销轴线偏转一定角度，直到新的行驶方向符合驾驶员的要求时，再将转向轮恢复到直线行驶位置。这种由驾驶员操纵，转向轮偏转和回位的一整套机构，称为汽车转向系统。转向系统有机械助力和电动力助力两种形式。电动汽车转向系统主要由转矩传感器、车速传感器、助力电机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成，如图1-11所示。

图1-11　转向系统结构组成

3.制动系统

制动系统能使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车速度保持稳定，以及使已停驶的汽车保持不动。为实现汽车制动，在汽车上必须装设一系列专门装置，以便驾驶员能根据道路和交通等情况，借以使外界（主要是路面）在汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的与汽车行驶方向相反的力，对汽车进行一定程度的强制制动，这种可控制的对汽车进行制动的外力被称为制动力，这样的一系列专门装置被称为制动系统。电动汽车的行车制动系统主要由制动踏板、真空泵、真空罐、真空助力器、控制单元、制动主缸、制动轮缸和制动器及制动管路等组成，如图1-12所示。

图1-12　制动系统组成

（五）汽车车身

汽车车身主要由车身本体、开启件、座椅、内外饰部件和安全保护装置等组成。其中，开启件主要是指门、窗、行李箱和车顶盖等，而安全保护装置主要有保险杠、安全带、安全气囊等。汽车车身的作用是安全容纳驾驶员、乘客（员）及货物，使其免受外界侵袭和恶劣气候影响，即车身可以为驾驶员提供舒适的驾驶环境，为乘客（员）提供安全、舒适和享受的乘坐条件，保护他们尽量少受汽车行驶的振动、噪声、废气的影响，使其安全、舒适地到达目的地。

鉴于车身的安全作用，车身的构造与布局要符合下列要求：

（1）车身应保证汽车具有合理的外部形状，造型美观、色彩协调，在汽车行驶时能有效地减少空气阻力和能源消耗。

（2）针对纯电动车能源不富裕的特点，电动汽车车身外形应尽量符合空气流体动力学，减少行驶过程中的空气阻力，并选取高强度轻型材料来减轻自重。

（3）车内布局应尽量减少刚性机械部件连接的动能传动，选取柔性电缆，使得电动汽车车内布局有较大灵活度。动力电池作为电动汽车上必不可少的动力源，其自身也有一定质量，尽量使其分散布置，作为配重布局。

总体而言，纯电动汽车各个部件的总体布局应在符合车辆动力学对汽车质心要求的同时，尽可能降低汽车质心高度和汽车总体质量，如图1-13所示。

图1-13　电动汽车车身

（六）辅助电器

电动汽车辅助电器主要包括空调、照明、各种声光信号装置、车载音响装置、刮水器、电动门窗、电动座椅调节器、车身安全防护装置等。这些辅助装置主要是为提高汽车操纵性、舒适性和安全性而设置的，可根据需要进行选用。在纯电动汽车上，空调系统压缩机采用独立电动机驱动，并由动力电池提供电能。空调压缩系统可以按照制冷量的变换调整运转速度，不受车速或汽车驱动力变化的影响。