纯电动汽车-动力系统结构设计

纯电动汽车（Electric Vehicle，EV）是采用电动机作为牵引装置，并应用化学蓄电池组、超级电容器等蓄能装置给电动机提供电能。纯电动汽车与传统内燃机汽车相比有明显的优点，如低能耗、零排放、高效率、低噪声、运行平稳等。但是由于蓄能装置能量密度的限制，导致整车续驶里程较短，再加上充电基础设施建设不健全，因此纯电动车适合行驶于路线比较固定、配套设施较完善的城市区域。纯电动汽车动力系统结构纯电动汽车动力电控系统框图从上图中可以看出，纯电动汽车系统是一个相对比较简单的系统。其动力系统由整车控制器、电机控制器、电动机、传动装置、动力电池、电池管理系统及外接充电控制单元构成。纯电动汽车动力系统结构与传统内燃机汽车动力系统结构上的主要区别有两个方面：一是用电动机、电机控制器代替内燃机及内燃机控制器；二是用动力电池及电池管理系统代替传统内燃机汽车的燃油箱及供油系统。传统内燃机汽车不能将车辆减速或下坡时的能量回收，只能将这些能量通过机械摩擦转化成热量散失掉，而纯电动汽车可以利用电机及电机控制器的双向特性将车辆减速或下坡时的能量转换成电能储存起来，以提高能量的使用效率。纯电动汽车动力系统控制工作原理在驱动车辆时，当加速踏板需求信息进入整车控制器后，整车控制器将驾驶员的驾驶意图转换成对电机的扭矩请求发给电机控制器，电机控制器将控制逆变器的功率输出来控制电机的扭矩或转速输出，电机的输出扭矩通过车辆传动系统驱动车辆行驶，满足驾驶员驱动车辆的需求。在车辆制动时，整车控制器通过采集制动踏板信号获取到驾驶员制动需求，根据整车制动分配控制策略，将部分或全部制动需求转化为电机的发电请求，电机控制器将根据整车控制器发出的发电请求，控制电机运行在发电状态，将车辆的部分动能转化为电能存到动力电池中，从而实现车辆制动和能量回收的目的。电机未能回收的部分动能将由传统制动系统将其转化成热能散失掉。能量回收功能可以提高能源的使用效率，延长整车的续驶里程。纯电动汽车在动力电池能量不足时需要补充电能，通常有两种补电方式：一种是用车载功率较小的充电器，一般情况下充电器功率为26kw，而充电时间一般为4h以上，这样的补电方式通常成为“慢充”；另一种是用可以进行大功率充电的充电站，将电网交流电转换成直流电给动力电池充电，充电功率可以达到几十千瓦，充电时间一般低于30min，这样的补电方式通常称为“快充”。慢充适用范围较广，如新建了专用慢充充电桩停车场或配有家用插座的停车场等场合，用慢充连接线将车载充电器与电网连接实现对车载动力电池充电，一般在夜间电网用电低峰时给车辆充电成本更低。快充方式只适用于提供快充服务的充电站，快充最大的好处是充电时间短，缺点是基于目前的动力电池技术条件，快充会影响动力电池的使用寿命。动力电池在充放电过程中，电池管理单元将随时监控动力电池的状态，控制充放电过程，保证动力电池健康安全运行。另外，在车辆停车充电时，为了车辆及人身安全，整车控制器将不相应驾驶员驾驶车辆的需求。在车辆运行过程中，辅助子系统将和动力系统协同完成对包括转向系统、车用空调系统、车身电子控制系统、底盘电子控制系统的控制。比如空调的制热/制冷、底盘稳定性扭矩干涉、制动稳定性控制（尤其是制动能量回收时）、低压能源管理等。常见纯电动汽车动力系统结构举例由于纯电动汽车电驱动特性的多样性，纯电动汽车有多种动力系统架构，如下图所示（a）无离合器单挡驱动 （b）传统驱动（c）传动装置与差速器集成固定挡驱动 （d）双电动机带轴固定挡驱动（e）双电动机固定挡直接驱动 （f）双轮毂电动机驱动C-离合器；D：差速器；FG：固定速比减速器；GB：变速器；M：电动机（a）中，电动机、固定速比的变速器和差速器一起，构成了纯电动汽车的动力系统。该动力系统机构利用电动机低速阶段恒扭矩和大范围转速变化中所具有的恒功率特性，采用固定速比的减速器替换多速比的减速器；基于这一转换，动力系统对离合器的要求也降低，从而可以取消离合器；这样的好处是可以减小机械传动装置的体积和质量，简化驱动系统控制；但该系统结构的缺点是无法对变工况下电动机工作点效率进行优化，同时为满足车辆加速/爬坡和高速工况要求，通常需要选择较大功率的电动机。（b）中，电动机替代了传统内燃机汽车中的内燃机，并与离合器、变速器及差速器一起，构成了类似传统车动力驱动系统。电动机代替内燃机输出驱动力，通过离合器可以实现电动机驱动力与驱动轮的断开与连接，变速器提供不同的传动比，以变更转速-功率（转矩）曲线匹配载荷的需求，差速器是实现转弯时车辆两侧车轮以不同转速驱动。（c）中，电动机、固定速比的减速器和差速器进一步集成，甚至可以组合成单个部件，与车轮相连的半轴直接与该组合体相连，驱动系统进一步简化和小型化。在目前的纯电动汽车中是最为常见的一种驱动形式。（d）中，机械差速器被取消，驱动车辆是靠两个电动机分别通过固定速比减速器驱动各自侧的车轮，在车子转弯时，靠电子差速器控制电动机以不同转速运转，从而实现车辆正常转弯。（e）中，驱动电机和固定速比的行星齿轮减速器被安装在车轮中，这种驱动系统也可以称为轮式驱动系统，这样可以进一步简化驱动系统。该驱动系统中行星齿轮减速器的主要作用是降低电动机的转速并增大电动机的转矩。（f）中，完全舍弃了电动机和驱动轮之间的机械连接装置，用电动机直接驱动车轮，电动机的转速控制等价于轮速控制，即车速控制。这样的驱动系统结构对电动机提出了特殊要求，如车辆在加速或减速时要具有高转矩特性，这样的电动机一般选用低速外转子型电动机。纯电动汽车动力系统基本功能除了具有混合动力汽车系统的主要功能如纯电动爬行、驾驶员意图识别、智能热管理、低压智能充电及整车高压上下电管理外，纯电动汽车还有如下特有功能。 外接智能充电功能车载充电功能（慢充）是使用车载充电器对动力电池进行充电。充电过程中，电池管理系统将根据充电器状态信息与电池状态信息，如电压、温度、高压安全状态等，对充电过程进行监控管理。先进的动力电池管理系统还可以在充电过程中实现对电芯的平衡管理，以保证电芯的一致性。快充功能是利用充电站对动力电池进行直流充电。根据国标定义，进行快充的充电流程需要包括四个阶段：握手阶段、配置阶段、充电阶段和充电结束阶段。与车载充电器充电过程不同的是快充过程将由充电站和电池管理系统共同管理。 故障诊断功能在纯电动汽车工作的整个过程中，都将对动力系统的各种故障进行诊断，如电机故障、电池故障、高压安全故障、DC-DC故障等，且根据故障状态确定动力系统的合理相应行为，以保证动力系统合理、安全地运