03纯电动汽车的主要部件及工作原理

纯电动汽车的主要部件

及工作原理知识目标1.了解和掌握纯电动汽车的主要部件及其工作原理。2.了解和掌握纯电动汽车的工作原理和特点。能力目标1.能在现场对纯电动汽车总成进行识别。2.能在现场观察和理解纯电动汽车各部分的工作情况和特点。

内容一、驱动电动机及控制器二、纯电动汽车工作原理及其驱动系统三、纯电动汽车的特点电动汽车应用较多的电动机有直流电动机和交流电动机两大类。电动汽车的驱动系统采用直流电动机时,虽然在结构上有许多独到之处,并具有起步加速牵引力大,控制系统较简单等优点,但它的整个动力传动系统效率低。电动汽车使用的交流电动机驱动系统,突出的优点是体积小、质量轻、效率高、调速范围宽和基本免维护等优点,但其制造成本较高。电动汽车的控制系统的性能直接影响着汽车的性能指标。

控制系统控制汽车在各类工况下的行驶速度、加速度和能源转换情况。它类似于燃油汽车的加速踏板和变速器,包括电机驱动器、控制器及各种传感器,其中最关键的是电机逆变器。电机不同，控制器也有所不同。控制器将蓄电池直流电逆变成交流电后驱动交流电机，电机输出的转矩经传动系统驱动车轮,使电动汽车行驶。

电源系统包括电源、能量管理系统和充电机等。它的功能是向电机提供驱动电能、监测电源使用情况及控制充电机向蓄电池充电。

纯电动汽车的常用电源有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。纯电动汽车的能量管理主要是指电池管理系统,它的主要功用是对电动汽车用电池单体及整组进行实时监控、充放电、巡检、温度监测等。辅助系统主要包括辅助动力源、空调器、动力转向系统、导航系统、刮水器、收音机以及照明和除霜装置等。辅助动力源主要由辅助电源和DC/DC功率转换器组成。它的功用是向动力转向系统、空调器及其它辅助设备提供动力。电动汽车的驱动系统是电动汽车的核心部分,其性能决定着电动汽车运行性能的好坏。电动汽车的驱动系统布置取决于电机驱动系统的方式,可以多种多样。常见的驱动系统布置形式如图2-1所示。电动汽车的驱动系统布置图2—1电动汽车常见的驱动系统布置形式传统内燃机汽车主要由发动机、底盘、车身、电气设备四大部分组成。纯电动汽车与传统汽车相比,取消了发动机,传动机构发生了改变,根据驱动方式不同,部分部件已经简化或者取消,增加了电源系统和驱动电机等新机构。由于以上系统功能的改变,纯电动汽车改由新的四大部分组成,即电力驱动控制系统底盘、车身和辅助系统。纯电动汽车组成如图2-2所示电动汽车组成如下图所示。主要包括电源系统、驱动电机系统、整车控制器和辅助系统等。动力电池输出电能，通过电机控制典型器驱动电机运转产生动力，再通过减速机构，将动力传给驱动车轮，使电动汽车行驶。一般来说，如果把电动汽车看成是一个大系统，则该系统主要由电力驱动子系统、电源子系统和辅助子系统组成。图2-3整车控制原理图图2-3中双线表示机械连接；粗线表示电气连接；细线表示控制信号连接；线上的箭头表示电功率或控制信号的传输方向。来自加速踏板的信号输入电子控制器并通过控制功率变换器来调节电动机输出的转矩或转速，电动机输出的转矩通过汽车传动系统驱动车轮转动。充电器通过汽车的充电接口向蓄电池充电。在汽车行驶时,蓄电池经功率变换器向电机供电。当电动汽车采用电制动时,驱动电机运行在发电状态,将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电,并延长纯电动汽车的续驶里程。图2-3整车控制原理图一、驱动电机及控制器1.电源系统

电源系统主要包括动力电池、电池管理系统、车载充电机及辅助动力源等，如图2-4所示。动力电池是电动汽车的动力源，是能量的存储装置。目前的纯电动汽车以锂离子蓄电池为主(包括磷酸铁锂离子蓄电池、三元锂离子蓄电池等)。电池管理系统实时监控动力电池的使用情况，对动力电池的端电压、内阻、温度、蓄电池电解液浓度、电池剩余电量、放电时间、放电电流或放电深度等动力蓄电池状态参数进行检测，并按动力电池对环境温度的要求进行调温控制，通过限流控制避免动力蓄电池过充、过放电，对有关参数进行显示和报警，其信号流向辅助系统，并在组合仪表上显示相关信息，以便驾驶员随时掌握车辆信息。车载充电机是把电网供电制式转换为对动力电池充电要求的制式,即把交流电(220V或380V)转换为相应电压(240~410V)的直流电,并按要求控制其充电电流(家庭充电一般为10A或16A)。辅助动力源-般为12V或24V的直流低压电源，它主要给动力转向、制动力调节控制、照明、空调、电动车窗等各种辅助用电装置提供所需的能源。

电源系统主要包括动力电池、电池管理系统、车载充电机及辅助动力源等，如图所示。（1）定义。蓄电池是盛有电解质溶液并具有金属电极，以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器。1）蓄电池的定义和分类

2）分类。蓄电池的分类方法大体上有以下几种：①按电解液种类分类。a.碱性蓄电池：电解质主要以氢氧化钾水溶液为主的蓄电池，如镉镍蓄电池、镍氢蓄电池等。b.酸性蓄电池：主要以硫酸水溶液为介质的电池，如铅酸蓄电池。c.有机电解液电池：主要以有机溶液为介质的电池，如锂电池、锂离子电池等。②按工作性质分类。a.一次蓄电池，又称原蓄电池，即不能再充电的电池。如果原电池中电解质不流动，则称为干电池，如锌锰干电池、锌汞干电池等。b.二次电池，即可充电电池，习惯上称为蓄电池。它是目前电动汽车上用得最多的动力电池，主要有铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、钠硫电池等。c.燃料电池又称“连续电池”，即将活性物质连续注入电池，使其连续放电的电池。

③按电池的正负极材料分类。按电池的正负极材料可将其分为锌系列电池、镍系列电池、铅系列电池、锂系列电池及空气系列电池等。锌系列电池有锌锰电池、锌银电池等，镍系列电池有镍镉电池、镍氢电池等，铅系列电池有铅酸电池等，锂系列电池有锂离子电池、聚合物电池、磷酸铁锂电池等，空气系列电池有锌空气电池和铝空气电池等。

2）蓄电池的记忆效应

蓄电池的记忆效应是指电池在没有完全放电之前就重新充电，电池会存储这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上，但是在以后的放电过程中，电池将只记得这一低容量。同样，在每次使用中，一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池容量逐渐变低，这主要表现在镍镉电池中。在其他蓄电池中，该效应较小或不存在，其是由电池内生长晶枝引起的，通过深度充放电虽可缓解，但是会损坏电池。较好的方法是采用脉冲充电法，其不仅可抑制晶枝生长，还有可能使一些生长的晶枝得到溶解。

3）电池的充电电池的充电是将外部电源输入蓄电池的直流电转换为化学能储存起来的过程。充电的方式有以下几种：（1）恒压充电：保持充电器端电压始终不变的一种充电方式。(2）恒流充电：保持充电电流不变的一种充电方式。（3）涓流充电：为补充自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电。（4）浮充电：随时对蓄电池用恒压充电，使其保持一定的荷电状态。4）电池的放电电池的放电是将电池内储存的化学能以电能方式释放出来的过程，即电池向外电路输送电流。5）电池组蓄电池作为动力源，一般要求有较高的电压和电流，所以需要将若干个体电池通过串联、并联与串并联结合的方式组合成电池组使用。电池组对单体电池性能有严格的要求，在同一组电池中必须选择同一系列、同一规格、性能尽可能一致的电池单体。

6）电池单体电池单体是构成动力电池模块的最小单元，一般由正极、负极、电解质及外壳等构成，可实现电能与化学能之间的直接转换。7）电池模块电池模块是一组并联的电池单体的组合，该组合的额定电压与电池单体的额定电压相等，是电池单体在物理结构和电路上连接起来的最小分组，可作为一个单元替换。由多个电池模块或电池单体串联组成的组合体又称为模块。8）电压（1）电动势：电池正极和负极之间的电位差，通常用E表示。（2）开路电压：电池在开路时的端电压，一般开路电压与电池的电动势近似相等。

（3）额定电压：电池在标准规定条件下工作时达到的电压。（4）工作电压（负载电压、放电电压）：电池两端接上负载R后，在放电过程中显示出来的电压。（5）终止电压：电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，其电压将逐渐降低。当电池不宜再继续放电时，其最低工作电压称为终止电压。

9）电池的内阻电流通过电池内部时受到阻力作用，使电池电压降低，此阻力称为电池的内阻。由于电池内阻的作用，电池在放电时端电压低于电动势和开路电压，在充电时端电压高于电动势和开路电压。

9）电池的内阻电流通过电池内部时受到阻力作用，使电池电压降低，此阻力称为电池的内阻。由于电池内阻的作用，电池在放电时端电压低于电动势和开路电压，在充电时端电压高于电动势和开路电压。

10）循环次数（次）蓄电池的工作是一个不断充电—放电—充电—放电的循环过程，即按一定的标准规定放电，在电池的容量降到某一个规定值以前，就要停止继续放电，然后经过充电才能继续使用。在每个循环中，电池中的化学物质要发生一次可逆性的化学反应。随着充电和放电次数的增加，电池中的化学物质会发生老化变质，逐渐削弱其化学性能，使得电池的充电和放电效率逐渐降低，最后使电池丧失全部功能并报废。蓄电池充电和放电的循环次数与电池的充电及放电形式、电池温度及放电深度有关，放电深度浅有利于延长电池的寿命。特别是电池在电动汽车上的使用环境及电池组中各个电池的均衡性、安装和固定方式、所受的震动和线路安装等，都会影响电池的工作循环次数。11）使用年限（年）

使用年限是指电池从开始使用到报废所经历的年数。除了用循环次数表示电池的使用时间外，通常还可用使用年限（年）来表示电池的寿命。12）放电速率（放电率）放电速率一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比值来表示。（1）时率（也称为小时率）：电池以某种电流强度放电，直到电池的电压降低到终止电压时所经过的放电时间。（2）倍率：电池以某种电流强度放电的数值相对于额定容量数值的倍数。

若放电电流大于或等于额定容量的数值，该放电电流值用“倍率”表示；若放电电流小于额定容量的数值，则该放电电流值用“小时率”来表示。蓄电池的额定容量常用C来表示，而“倍率”或“放电率”在C前面加系数即可。例如，2倍率，即2C，其放电电流值为额定容量电流值的2倍，而额定容量电流约0.5h放完；2小时率，即0.5C，其放电电流值为额定容量电流值的1/2，而额定容量电流约2h放完。（3）自放电率。自放电率是指电池在一定存放时间且没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损失的速度。自放电率用单位时间（月/年）内电池容量下降的百分数来表示。13）各种储能器件特性电动汽车常用的储能器件有蓄电池、燃料电池、飞轮电池和超级电容，有时也将几种储能器件混合起来使用。其中，蓄电池又包括铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、钠硫蓄电池、钠氯化镍蓄电池和锂离子电池等；燃料电池包括碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、氢离子固体聚合物电解质燃料电池(SPEFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。

（1）衡量储能器件特性常用的指标有比能量、能量密度、比功率、功率密度、循环寿命、快速充电性能、充放电时间以及价格。①比能量。比能量又称质量能量（Wh/kg），它代表每千克质量的电池能够提供多少能量。②能量密度。能量密度又称体积能量（Wh/L），它代表每升容积的电池能够提供多少能量。③比功率。比功率又称质量功率（W/kg），它代表每千克质量的电池能够提供多少功率。④功率密度。功率密度又称体积功率（W/L），它代表每升容积的电池能够提供多少功率。

⑤循环寿命。循环寿命表示储能器件的容量下降至某一规定数值（有效使用数值）之前，电池所经历的某一充放电制度下的充放电的次数。⑥快速充电性能。快速充电性能用充满50%、80％或100%能量所需的时间来表示。（2）各种储能器件的特性各不相同。铅酸蓄电池是应用历史最长、技术最成熟的蓄电池。它的主要特性是电池容量可小至1Ah、大至几千A·h时，高倍率时放电性能良好，可在-40～+60℃的条件下工作，高温时性能依然良好，具有蓄电池中最高的电池电压，电能效率可达60%，易于浮充，没有记忆效应，易于识别荷电状态，价格低廉（仅为镉镍蓄电池的1/6～1/5）；但使用寿命较短、比能量很低（一般只有30～40Wh/kg）、充电时间长、体积较大，长期保存会导致电极的不可逆硫酸盐化，存在爆炸危险，某些结构电池氢化锑、氢化砷的析出可能会引起公害。

①镍镉蓄电池。镍镉蓄电池是一种碱性蓄电池，它的比能量可达55Wh/kg，比功率最高可达225W/kg。它的极板强度高，工作电压平稳，可以浮充电，也可以快速充电。镍镉蓄电池的过充电和过放电性能好，有高倍率的放电特性，瞬时脉冲放电率很大，深度放电性能也好。它的循环使用寿命长，可达到1000次或7年以上，是铅酸蓄电池的两倍。但是其价格较高，长时间处于过充电状态下会缩短其使用寿命，而且在高温时的性能低下，还会产生自放电现象。

②镍氢蓄电池。镍氢蓄电池也是一种碱性蓄电池。它的比能量可达到70~80Wh/kg，比功率可达到600W/kg。镍氢蓄电池具有高倍率的放电特性，短时间可以3C放电，瞬时脉冲放电率很大。其过充电和过放电性能好，能够浮充电，也可以快速充电，在15min内可充至60％的容量，1h可以完全充满，应急补充充电的时间短。在80%的放电深度下，循环寿命可达到1000次以上，是铅酸蓄电池的3倍。但是镍氢蓄电池需要储氢合金，其造价较高，在充电时容易发热，要对电池进行有效的温度管理。

③锂离子电池。锂离子电池的比能量一般可达到100Wh/kg，比功率则可以高达1500W/kg，这一点是铅酸蓄电池和镍氢蓄电池所无法比拟的。锂离子单元电池的平均电压为3.6V，相当于3个镍镉蓄电池串联起来的电压值，因此它能够减少蓄电池组的数目，从而可以降低因单元蓄电池电压差所造成的蓄电池故障发生的概率，因而可以延长蓄电池组的使用寿命。同镍镉蓄电池相比，锂离子电池的无记忆效应可以确保其在充电前不需要进行放电，从而大大提高了使用的方便性，而且也节省了电能。锂离子电池的自放电率很低，仅有5%～10%，稳定性好，不使用时内部基本不会发生化学反应。此外，由于其内部不含有害重金属，所以它具有很好的环保性，是绿色的环保型蓄电池。锂离子电池的负极为硬石墨电极，用端子电压的测定就能准确地知道电池的剩余电量，因此它具有检验精度高的优点。但是锂离子电池在处于过充电状态时，内部会发生化学反应，导致锂离子电池中厚度仅有数微米的隔离膜刺穿而造成电池短路，从而引发更为剧烈的化学反应，短时间内即可释放出大量能量，引起锂离子电池的爆炸，所以其安全性是必须注意的。a.磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池属于二次电池，主要用作动力电池，而且它的放电效率较高，倍率放电情况下充放电效率可达到90%以上，而铅酸电池大约为80%。在电池中，磷酸铁锂电池的安全性也高于其他电池，理论寿命可以达到7～8年，实际使用寿命3～5年，性能价格比理论上为铅酸电池的4倍以上。磷酸铁锂电池的价格高于其他类型的电池，而且电池容量较小、续驶里程短，报废后基本上不能回收再利用，没有回收价值。综上所述，磷酸铁锂电池在电动汽车上的应用，会使电动汽车整车成本提升，而且电池不可回收利用，这样会造成资源的浪费和消耗。b.磷酸铁锰锂电池。磷酸铁锰锂电池是比亚迪的电池技术。比亚迪最新研究的磷酸铁锰锂电池突破了传统磷酸铁锂电池的能量密度限制，达到了三元材料水平，而在成本控制上比普通的磷酸铁锂电池更加优秀，并已经应用在了比亚迪电动汽车上，续航能力得到了大幅度的提升。在比亚迪秦这款电动汽车上便应用了该款电池，这款电池就是在磷酸铁锂电池路线下的改进型，称为磷酸铁锰锂电池，即在材料里面添加了锰元素。磷酸铁锰锂电池的能量密度已经达到了三元材料的密度，在续航能力上比现在的磷酸铁锂电池更加持久。c.钴酸锂电池。钴酸锂电池是特斯拉的专属电池，特斯拉电动汽车采用了松下提供的NCA系列（镍钴铝体系）18650钴酸锂电池，单颗电池容量为3100mA·h。特斯拉采用了电池组的战略，85kW·h的ModelS电池单元一共运用了8142个18650钴酸锂电池，工程师首先将这些电池以砖、片的形式逐一平均分配，最终组成一整个电池包，电池包位于车身底板。钴酸锂电池具有结构稳定、容量比高、综合性能突出的优点，但是其安全性差且成本非常高，主要用作中小型号电芯，标称电压3.7V。特斯拉把这样的电池组合到一起，安全性就成了一个很需要关注的问题，特斯拉的工程师将电池包内的保险装置分配到每一节18650钴酸锂电池，每一节18650钴酸锂电池两端均设有保险丝，当电池过热或电流过大时，保险丝会被切断，以此避免因某个电池出现异常情况（过热或电流过大）而影响到整个电池包。那么，就此来看，钴酸锂电池虽然本身存在缺陷，但是通过特斯拉工程师的改进，安全性基本上可以保证。

特斯拉电动汽车及其所采用的钴酸锂电池分别如图2-5和图2-6所示。④燃料电池。燃料电池比能量可达350Wh/kg，能量转换效率高，一般在45%左右。如果在技术上加以完善或综合利用，其效率可望达到60%以上。它无污染、噪声低、体积小、机动性强、维护方便、生产周期短。它不需要并网发电，分布性强，适用于边远、交通不便地区的供电。但是制约燃料电池发展最重要的因素就是造价高，此外安全性也较差。⑤飞轮电池。飞轮电池又称电动机械电池，它的主要特性是储能密度大、输出功率大、充放电时间短、使用寿命长、对环境无任何污染，比功率可达到1000W/kg，其造价介于蓄电池与燃料电池之间。

⑥超级电容电池。超级电容储存电荷的面积大，一个超级电容单元的电容量可达1法拉（F）至几万法拉，而且由于采用特殊的工艺，超级电容的等效电阻很低。电容量大和内阻小，使得超级电容可以有很高的尖峰电流，因此具有很高的比功率，为蓄电池的50～100倍，可达到10kW/kg左右。它还具有极其优良的充放电性能，在额定电压范围内可以以极快的速度充电至任意电压值，放电时则可放出所存储的全部电能，没有蓄电池快速充电和放电的损坏问题。此外，超级电容还具有对环境友好、无污染、机械强度高、安全性好（防火、防爆）、使用过程中免维护、使用寿命长（>10年）、工作温度范围宽（-30~+45℃）、在瞬间高电压和短路大电流情况下有缓冲功能、能量系统较为稳定等优点。各种储能器件性能比较，见表2-1。

表2-1各种储能器件性能比较2.电机控制器

电机控制器是驱动电机系统的控制中心，又称智能功率模块（IPM），以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块为核心，辅以驱动集成电路和主控集成电路。通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上，形成了智能功率模块。对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态的信息通过CAN2.0网络发送给整车控制器。驱动电机控制器内含故障诊断电路，当诊断出异常时，它将激活一个错误代码，发送给整车控制器，同时也会存储该故障码和数据。

（1）电机控制器主要由如下几部分组成：①电子控制模块（electroniccontroller）。电子控制模块包括硬件电路和相应的控制软件。硬件电路主要包括微处理器及其最小系统，对电机电流、电压、转速、温度等状态的监测电路，各种硬件保护电路以及与整车控制器、电池管理系统等外部控制单元数据交互的通信电路。控制软件根据不同类型电机的特点实现相应的控制算法。②驱动器（driver）。驱动器将微控制器对电机的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号，并实现功率信号和控制信号的隔离。③功率变换模块（powerconverter）。功率变换模块对电机电流进行控制。电动汽车经常使用的功率器件有大功率晶体管、门极可关断晶闸管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管以及智能功率模块等。

（2）电机控制器使用以下传感器来提供驱动电机系统的工作信息。①电流传感器：用以检测电机工作的实际电流（包括母线电流、三相电流）。②电压传感器：用以检测提供电机控制器故障的实际电压（包括动力电池电压、12V蓄电池电压）。③温度传感器：用以检测电机控制系统的工作温度（包括IGBT模块温度、电机控制器板载温度）。3.驱动电机系统

电力驱动子系统(以下简称驱动系统)是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点，如图所示。一般地，驱动系统由电子控制器、功率变换器、驱动电动机、机械传动装置和车轮等部分构成。驱动系统的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能进而推进汽车行驶，并能够在汽车减速制动或者下坡时，实现再生制动。驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直驱动车轮。早期电动汽车上广泛采用直流串激电机，这种电机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常适应。但直流电机由于存在换向火花、比功率较小、效率较低和维护保养工作量大等缺点，随着电机技术和电机控制技术的发展，正在逐渐被直流无刷电机（BCDM）、开关磁阻电机（SRM）和交流异步电机所取代。目前，电动汽车用驱动电机主要包括直流有刷电机、交流感应电机、交流永磁电机以及开关磁阻电机。下面对这四种主要电机进行分析和比较。1）直流有刷电机直流有刷电机的优点在于成本低、易于平滑调速、控制器简单、技术成熟，因此在早期电动汽车上获得广泛的应用。但直流有刷电机的电刷和换向器容易损坏，而且相对于交流电机，直流电机体积和质量大、效率低，受电刷和换向器的制约，电机转速也相对较低。2）交流感应电机与直流有刷电机相比，交流感应电机具有机构简单、质量轻、可靠性好、效率高、噪声小、维护方便等优点。但同时也有调速性较差、转子易发热、不易控制、控制系统成本高等缺点。20世纪70年代以后，随着交流感应电机控制理论的不断完善及电力电子功率器件技术的不断更新和成本的降低，高性能交流感应电机调速系统开始实用化。因此，交流感应电机在各个领域都有取代直流电机的趋势。而且从技术水平和各项性能指标上来讲，交流感应电机是电动汽车用驱动电机的理想选择。3）交流永磁电机交流永磁电机包括永磁同步电机和永磁无刷直流电机。永磁同步电机要求输入定子绕组，是三相正弦电流；永磁无刷直流电机是在直流电机基础上发展而来的新型电机，但它实质上是采用直流电源供电，利用逆变器为定子绕组提供方波电流的永磁同步电机。交流永磁电机的转子采用稀土永磁铁作为磁极，因此转子转速与旋转磁场转速同步，这也是其名称的由来。相对于励磁电机来讲，其主要优势在于效率高、响应快、体积小等，在电动汽车的电机使用中占有一席之地。但其尚存在成本较高的缺点，而且相比感应电机，其弱磁能力差，调速范围有限。该类电机在大功率下很难做到体积小、质量小，因此主要在中小功率系统中使用。4）开关磁阻电机开关磁阻电机（switchedreluctancemotor,SRM）是一种新型电机，由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。转子既无绕组又无永磁体，定子极上绕有集中绕组。在定子上安装有集中励磁绕组，通过电流励磁，转子通过磁力吸引而转动。其优点是结构简单、成本低、效率高。因为转子无绕组，开关磁阻电机非常适合用于频繁启停和有冲击负载等工况条件下。电机绕组与功率器件串联，不易发生直通短路。调速范围宽，控制灵活，易于实现制动能量回馈。其缺点在于转矩脉动大，因转矩脉动所引起的噪声与振动比一般电机大；开关磁阻电机的出线头较多，主接线数较多，因此主电路的设计复杂。发电／电动状态控制策略在SRM双向控制系统中，采用了发电／电动状态控制策略如图所示。SRM的动作过程可分为发电过程和电动过程，分别对应于电动汽车的制动、滑行以及正常行驶过程，而将电动汽车制动、滑行时的能量回收到储能装置中，即能量的再生回馈；发电状态和电动状态是通过软件来实现切换的。在整个发电习馈过程中，由于SRM本体结构特殊，其定子绕组既是励磁绕组又是电枢绕组，故其励磁与续流（发电）过程必须采用周期性分时控制。其励磁过程是可控的，但续流（发电）过程不可控，因而采用电流斩波控制来调节励磁阶段的励磁电流的大小，从而实现对发电过程的控制。而电动过程采用电压斩波控制，以调节电枢平均电压从而实现对转矩和转速的调节。

SRM双向控制系统的主要目标是实现SRM的双向运行，着重点在于发电／电动状态下的最优控制以及SRM的能量回馈问题，不但要让SRM在电动状态下获得优越的调速性能，更要保证其在发电状态下的能量回馈。永磁同步电机具有效率高、比功率密度大、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点，近年来，随着电动汽车电驱动系统对电机要求的不断提高，永磁同步电机驱动系统（CPMSM）在国内外电动汽车上的应用逐步增多，见表2-2。2-2驱动电机特性比较

为使电动汽车具备良好的性能，电机及其驱动控制系统应满足以下要求：（1）瞬时功率大，加速性能好，过载能力强。（2）转矩响应特性好。（3）在较宽的转矩/转速范围内电机效率高。（4）制动能量回馈时能量回收效率高。（5）可靠性强，满足电动汽车在各种工况环境下的行驶要求。（6）成本低，能在低成本条件下满足以上要求。4.整车控制器

4.整车控制器整车控制器是纯电动汽车控制系统的核心，负责对车辆整体运行状况的控制、协调和监控。其主要功能包括车辆运行控制、能量管理、车辆运行状态显示、整车网络管理、故障诊断和处理等。整车控制系统是一个基于CAN总线通信网络的复杂分布式控制系统。整车控制器接收传感器信号和驾驶员的操作信号，按照设定的控制策略，向驱动电机控制模块、电池管理系统、车身控制模块等控制单元发送控制命令，并通过液晶显示单元进行车辆状态显示。对制动能量进行回收利用是整车控制器的一项重要功能。

整车控制器是电机系统的控制中心。它对所有的输入信号进行处理，并将电机控制系统运行状态的信息发送给整车控制器。根据驾驶员输入的加速踏板和制动踏板的信号，向电机控制器发出相应的控制指令，对电机进行启动、加速、减速、制动控制。在纯电动汽车减速和下坡滑行时，整车控制器配合电源系统的电池管理系统进行发电回馈，使动力蓄电池反向充电。整车控制器还对动力蓄电池充放电过程进行控制。将与汽车行驶状况有关的速度、功率、电压、电流等信息传输到车载信息显示系统进行相应的数字或模拟显示。电机控制器内含功能诊断电路。当诊断出现异常时，它将会激活一个错误代码，并发送给整车控制器。电机控制系统使用了以下传感器来提供电机的工作信息：电流传感器——用于检测电机工作的实际电流（包括母线电流、三相交流电流）；电压传感器——用于检测供给电机控制器工作的实际电压（包括高压电池电压、蓄电池电压）；温度传感器——用于检测电机控制系统的工作温度（包括模块温度、电机控制器温度）。整车控制器是整车控制系统的核心，是对整车安全运行进行管理的中枢部分。整车控制器的硬件结构组成如图2-9所示。整车控制器接收传感器传送的数据和驾驶员操作指令，按照控制策略进行处理后发送控制指令到电机控制单元、电池管理系统、车内服务设施等控制单元，并对车辆运行状态进行实时监控。在电动汽车制动过程中进行制动能量回馈控制，提高纯电动汽车的续驶里程。整车控制器直接或者通过CAN总线和其他电控单元进行数据和控制指令的传递。以整车控制器为中心节点的整车通信网络使数据的传递更为迅速、可靠。图2-9整车控制器的硬件结构组成

整车控制器实现的主要功能如下：（1）控制纯电动汽车行驶，协调电动汽车各个分系统正常工作。这是整车控制器最基本的功能。整车控制器根据驾驶员的驾驶意图和车辆实时状态，按照设定的控制程序向相关电控单元发送控制信号。例如，当驾驶员踩下加速踏板时，整车控制器向电机控制单元发送电机输出转矩信号，电机控制系统控制电机按照驾驶员的意图输出扭矩。（2）控制液晶显示单元显示车辆运行状态。实时监测车辆的状态可以使驾驶员准确了解车辆行驶状态。整车控制器直接或者通过CAN总线通信获得车速、电池剩余电量、电机转速、电流等车辆运行数据，将这些数据通过液晶显示单元进行显示，便于驾驶员准确掌握车辆整体运行状况并完成相应操作。(3)对整车通信网络进行管理。纯电动汽车整车通信网络是基于CAN总线技术的通信网络，具有多个主从节点，整车控制器作为车载网络的主节点，负责对网络状态的监管和对信息优先权的动态分配，对车载网络的正常运行具有重要意义。(4)进行制动能量回馈控制。纯电动汽车的电机可以工作在再生制动状态，对制动能量进行回收利用是纯电动汽车和传统能源汽车的重要区别。整车控制器根据行驶速度、驾驶员制动意图和电池组状态进行综合判断后，对制动能量回馈进行控制。如果达到回收制动能量的条件，整车控制器向电机控制单元发送控制指令，使电机工作在发电状态，将部分制动能量储存在动力电池组中，提高车辆能量利用效率。(5)故障检测与诊断。整车控制器对整车运行状态进行实时监控。发生故障时及时报警、采取安全措施并发送错误代码，确保车辆安全行驶。(6)进行整车能量优化。纯电动汽车有很多用电设备，包括电机和空调设备等。整车控制器可以对能量进行合理优化来提高纯电动汽车的续驶里程。例如，当动力电池组电量较低时，整车控制器发送控制指令，关闭部分起辅助作用的电气设备，使电能优先保证车辆的安全行驶。(7)对纯电动汽车具有保护功能，按照出现故障的类别对整车进行保护，紧急情况下可以采取必要措施进行安全保护，以防止极端情况的发生。

为了保证整车控制器实现整车控制系统定义的各项功能，确保电动汽车在各种恶劣行驶条件下能够正常工作，整车控制器必须具有快速、准确采集信息并进行分析计算的能力。在整车控制器研发过程中必须满足一定的技术指标。其主要包括：能够按照整车控制策略，向控制单元发送指令，确保车辆安全行驶；能够准确迅速处理相关数据，存储能力强，易于扩展；电磁兼容性好，抗干扰能力强，能够适应恶劣的行驶环境；等等。

纯电动汽车整车控制系统主要由整车控制器、加速踏板、制动踏板、整车通信网络及液晶显示单元等组成。纯电动汽车整车控制器采集点火信号、制动踏板信号、加速踏板信号、电机模块信号、电池管理系统信号，然后对驾驶员意图和车辆行驶状态进行判断，控制电动汽车进入不同的运行模式工作。整车控制系统按照执行任务的层级可分为决策层、协调层、执行层等部分。决策层由驾驶员构成；整车控制器作为协调层，根据车辆实时状态和决策层的指令对驾驶员的操作目的做出合理判断；整车控制器将控制指令发送给执行层，由执行层执行相应控制命令。整车控制系统是一个闭环控制系统，依靠反馈修正控制误差，有助于提高控制系统的稳定性和安全性。5.辅助系统辅助系统包括车载信息显示系统、动力转向系统、导航系统、空调、照；明及除霜装置、刮水器和收音机等，如图所示，借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性和成员的舒适性。6.真空助力制动系统6.真空助力制动系统传统内燃机轿车的制动系统真空助力装置的真空源来自于发动机进气歧管，而纯电动汽车没有发动机总成，制动系统由于没有真空动力源而丧失真空助力功能，仅由人力所产生的制动力无法满足行车制动的需要，因此制动系统真空助力装置的核心问题是产生足够压力的真空源，满足纯电动轿车制动系统需求。

1）系统分析与组成真空助力制动系统采用电压力开关为系统压力检测器件，真空泵控制器检测到系统压力不足时，电压力开关断开，启动电动真空泵为真空储气罐抽真空；当真空储气罐内部气压达到一定数值时，控制器控制电动真空泵停止工作。

（1）为了连续使用真空泵，增加真空储能罐，通过识别压力开关状态，采用合理的控制策略，使控制器对真空泵做出实时运行或停止指令。（2）根据计算的纯电动车制动需求，使用压力仪表，对控制器的控制策略进行相关参数标定。（3）考虑系统安全性，对真空泵控制采用闭环控制和安全监控的双重保护策略。系统采用电压力开关为系统压力检测器件。当系统压力不足时，电压力开关断开，启动电动真空泵为真空储气罐抽真空；当真空储气罐内部气压达到一定数值时，电动真空泵停止工作。纯电动车真空助力制动系统的基本构成如图2-11所示。图2-11纯电动车助力制动系统基本构成2）控制器控制系统组成

在电助力制动系统中，真空泵控制器为核心器件。基于纯电动车设计的电助力制动系统控制器采用Freescale公司生产的MC9S08系列单片机为测量控制单元，控制整个系统运行。电压力开关的输出信号通过信号处理电路输入至单片机，控制器采用扫描方式获得单片机IO管脚状态。当检测到电压力开关信号转变时，控制单元立即响应当前管脚状态值，输出相应的信号控制真空泵的工作状态。真空助力制动系统是整车的安全件，所以对安全性、可靠性要求较高。综合考虑系统的安全因素后，在真空泵控制器中使用模/数转换模块实时监控驱动电流，保护动力器件电动真空泵。同时，还为控制器设计了通信模块，真空助力制动系统通过CAN总线与纯电动车的整车控制器进行信息交互，实时将助力制动系统信息交由整车控制器诊断与处理，有效地提高车辆的安全等级。

真空助力制动系统控制器的硬件组成框图如图2-12所示。3）系统模式识别与转换

系统包含控制器初始化、正常工作模式、有通信故障模式与，无通信故障模式共4种工作模式，系统模式转换图如图2-13所示。系统上电后，完成控制器自检与初始化，以1ms为周期实时监控压力开关与真空泵工作电流，系统上电100ms后控制器进入正常模式。正常模式下，以5ms为周期采集和检测压力开关，通过识别压力开关的状态控制真空泵运行或停止。当真空储气罐内部压力为-40kPa时，压力开关闭合，控制器控制真空泵工作；当真空储气罐内部压力为-55kPa时，压力开关断开，为了让真空储气罐内的负压提供较长时间的助力，压力开关断开后，真空泵继续工作10s后停止，此时真空储气罐内的压力为-75kPa。

当检测到系统有故障但通信正常时，系统进入有通信故障模式，若控制器接收到制动踏板信号，则控制真空泵连续工作10s后停止，并在仪表上提示车辆故障。当检测到系统有故障，同时也无法接收整车控制器的报文时，系统进入无通信故障模式，则控制器控制真空泵工作15s、停止10s，依次循环。图2-13系统模式转换

4）通信信号处理真空泵控制器开发了CAN通信功能，通过扫描方式实时接收整车控制器发送的制动踏板信号。真空泵控制器以100ms为周期，给仪表发送语句显示指令。

5）真空助力制动系统的工作原理当纯电动汽车启动时，车内的低压供电系统为真空泵控制器提供12V电源。真空泵控制器以5ms为周期，实时采集压力开关与真空泵工作电流两个信号。压力开关信号为数字量信号，软件中使用7次采样为1个循环，当识别到7次采样的结果中有大于或等于4次为高电平，则认定为高电平，说明压力开关断开，真空储气罐内负压足；反之，则认定为低电平，压力开关吸合，真空储气罐内负压不足。

控制器以5ms为周期完成压力开关的采集和检测，通过识别压力开关的状态控制真空泵运行或停止。真空泵正常工作的电流范围是10～12mA，当真空储气罐内部压力为-40kPa时，压力开关闭合，真空储气罐内压力不足，控制器控制真空泵工作；当真空储气罐内部压力为-55kPa时，压力开关断开，为了让真空储气罐内的负压能提供3次制动的助力，压力开关断开后，真空泵继续工作10s后停止，此时真空储气罐内的压力为-75kPa。

当驾驶员踩下制动踏板时，如果真空泵控制器检测到系统压力不足，真空助力制动系统采用电压力开关为系统压力检测器件，控制电压力开关断开，启动电动真空泵为真空储气罐抽真空；当真空储气罐内部气压达到一定数值时，控制器控制电动真空泵停止工作。真空储气罐内部气压作用于真空助力器对纯电动汽车产生制动，达到制动作用。驾驶员松开制动踏板时，纯电动汽车制动解除，汽车恢复原有的工作状态。7.纯电动汽车整车上下电控制

纯电动汽车(EV)以动力蓄电池组作为唯一动力源，以驱动电机作为唯一动力驱动装置。蓄电池工作电压高达几百伏，当发生高压电路绝缘失效或短路等故障时，会直接影响驾乘人员的生命财产以及车载用电器的安全。因此，在使用纯电动汽车时，要充分考虑高压动力系统对整车和人员的电气安全性，确保车辆运行安全、驾驶人员安全和车辆运行环境安全。目标车型钥匙门开关设置为两挡:OFF挡、ON挡；整车挡位设置为:前进挡((D挡)、空挡((N挡)、倒挡((R挡)。表2-3各主要部件缩略语及其定义缩略语释义CANcontrollerareanework(控制器局部网)VCUvehiclecontrolunit(整车控制器)MCUmotorcontrolunit(电机控制器)BMSbatterymanagementsystem(电池管理系统)DC/DCdirectcurrent-directcurrent(高低压变压器)表2-4各变量名称及说明(1)整车模式说明基于钥匙门位置设置，进行上下电控制，实现整车控制系统初始化、自检、充电状态判断等功能。目标车型整车控制器由低压蓄电池供电，其上电下电状态由仪表板上的低压开关进行控制。整车模式分为外接充电模式、非充电模式和紧急停机模式。系统充电状态和非充电状态由充电连接线进行判断，充电线已连接为充电状态，否则为非充电状态，紧急停车模式为整车处于最高故障等级进行下电处理。整车运行模式管理如下页图2-14所示:整车运行模式管理

整车运行模式管理如图所示:2）上下电模式控制策略。①上电过程控制策略。a.初始化：VCU上电后的准备阶段，该时间段包含VCU的基本配置和自检，VCU自检完成之后，Chargeline=0且Keyon=1，则进入下一个过程。b.唤醒BMS：BMS由VCU控制唤醒，唤醒BMS后，等待与BMS的通信；BMS通信连接后，CANCom_E=0（BMS通信无故障）并且电池允许上电，则进入下一个判断过程。若BMS报故障，则终止上电过程，整车状态进入BMS故障模式。

唤醒MCU：MCU由VCU直接发布命令，随后MCU等待与CAN通信连接，CAN通信正常连接后，接收MCU上报的故障状态，若MCU允许上电，则完成高压电上电前的准备过程，进入高压电上电控制；在上面三个过程中，实时监控驾驶员的钥匙请求，当Keyon=0后，进入低压电的下电流程。上高压:VCU发送高压上电命令，BMS来执行预充继电器指令，完成电量总正和总负的控制。VCU通过CAN信息实时监控电池状态，当高压电状态为连接、电池单体电压差在允许范围内且电池允许放电三个条件同时满足后进入高压电准备完毕状态。在这个阶段，如果监控到Keyon=0，则进入高压电的下电流程。当DC/DC正常工作，气泵正常工作，且气压达到一定值时，KeyStart=1，则进入车辆正常运行模式，完成整车上电过程。在这个阶段，如果Keyon=0，则进入下电流程。上电过程控制策略如下两页图2-15所示。上电过程控制策略接上图

②下电过程控制策略。a.负载下降阶段：将DC/DC和气泵disable同时驱动电机扭矩降低，当驱动电机转速小于某个值后，进入高压电下电流程。b.高压电下电阶段：VCU监控判断满足条件之后，发送命令给BMS进行下电，同时VCU监控高压电状态，当高压电下电完成之后，进入低压下电阶段。c.低压下电阶段：VCU向BMS、MCU发送下电请求，等待BMS、MCU进行数据保存，当BMS、MCU允许下电之后，状态为BMSdisable,MCUdisable之后对VCU进行下电。下电过程控制策略如下页图2-16所示。图2-16下点过程控制策略

（3）充电模式及紧急故障模式控制策略。在充电模式下，BMS唤醒和高压电上电过程由充电机进行控制，VCU主要起监控和必要的保护作用，在充电模式下，KeyStart和加速踏板将不起作用。在紧急故障模式下，主要处理高压电的紧急下电和对低压电进行处理，其逻辑图如图2-17所示。图2-17高压电紧急下电逻辑图

纯电动汽车整车上下电控制策略的核心就是对动力系统高压电路通断的控制，在此过程中要准确高效地对上下电进行控制，达到既能快速响应驾驶员动作，又可以保证整车在上下电过程安全性的目的。对于上下电控制策略的设计实现了以整车控制器为控制核心的纯电动汽车常规上下电、紧急下电等关键功能，该策略能准确诊断出整车动力系统的高压故障并迅速做出相应处理，为整车控制器及相应的高低压设备调试奠定了基础，对于提高整车动力系统运行安全、驾驶员安全和车辆运行环境安全具有指导意义。8.纯电动汽车AMT变速器AMT（AutomaticMechanicalTransmission)机械式自动变速器是在传统的有级固定轴式机械齿轮变速器和干式摩擦离合器上增加了自动变速操作系统，使其在继承传统手动变速器传动效率高、制造成本低、结构简单易于维修制造的优点上，同时具有了自动变速器良好的动力性和燃油经济性、减轻驾驶员疲劳强度的优点。AMT变速器主要包括变速器、变速器控制单元TCU（TransmissionControlUnit)、传感器、离合器和执行机构。1）纯电动汽车AMT变速器工作原理AMT机械式自动变速器是通过电子控制单元实现选换档操作的，在传统的机械式手动变速器的基础上，应用电子技术和模糊控制理论，实现离合器与选换档等执行机构的配合，从而达到自动换档的目的。AMT自动变速器以TCU控制器为核心，依据驾驶员对周围各种环境因素的判断，如发动机声音、车速、行驶路况等，通过操纵手柄和加速踏板得到驾驶员的操作意图，综合车辆的输入轴转速、发动机转速、车速、挡位等有关参数，根据设定的换挡规律、离合器结合规律以及优秀驾驶员的操作习惯等，借助于相应的执行机构，如离合器执行机构及换挡执行机构，对传统的机械动力传动系统进行自动操作，实现车辆的平稳起步与自动换挡。AMT工作原理如图2-18所示。AMT机械式自动变速器的主要工作特点在于将驾驶员的主观意图在电子技术及相应的控制理论基础上转换为TCU的客观决策。各个控制器之间一般是通过CAN总线实现通信的。图2-18AMT变速器工作原理2）纯电动汽车AMT变速器优缺点与传统手动变速器MT相比，如表2-5所示，AMT变速器取消了部分机械结构，如换档手柄和变速器之间的机械连接、离合器踏板等，有效减轻了驾驶员的操作疲劳强度，提高了车辆的舒适性。再者，系统按照最佳换档规律、优秀驾驶员的操作习惯而设定的换档选择，提升了车辆的使用寿命，降低了油耗。美国伊顿公司的公开实验数据报告显示，汽车在安装AMT自动变速器之后，相较于之前的手动变速器燃油节约在5%以上。参数MTAMT传动效率高高燃油经济性因车而异优于MT加速性能因车而异因车而异换挡品质因驾驶员而异优秀舒适性差良好驾驶难度困难容易成本低稍高制造难度小较小技术成熟性非常成熟国际上成熟生产继承性好好维修简单较简单表2-5AMT变速器与MT手动变速器性能比较

与其他成熟的自动变速器系统相比，AMT优点显著，具有传统机械式手动变速器工作可靠、易于制造维修、成本低等特点，并且在机械传动效率、开发费用及生产继承性方面具有不可比拟的优势。自动变速器性能对比见表2-6。3）纯电动汽车AMT变速器换档系统结构纯电动汽车所有动力源均来自电池组，其与传统内燃机汽车的不同还包括驱动系统。针对本课题所研究的纯电动汽车AMT选换档系统，主要包括:电池及其管理系统BMS(BatteryManagementSystem)、整车控制器TCU、换档控制器、主驱动电机及换档执行机构、显示器等。纯电动汽车AMT变速器换档系统具体的结构简图，如图2-19所示。

纯电动汽车AMT选换档控制系统主要包含以下四个部分:(1)控制对象:换档执行机构、变速器;(2)执行部件:丝杆螺母传动机构、伺服驱动器及无刷直流电机;(3)通信单元:CAN通信模块;(4)控制单元:STM32FB106微处理器、电机驱动电路模块、故障诊断电路模块、显示报警电路模块、时钟电路模块和存储电路模块等；特别需要说明的一点是，通常的纯电动汽车AMT换档控制系统是应包含各种传感器，如油门踏板传感器、车速传感器、选换档机构位置传感器等，AMT换档控制系统是基于TCU控制器的基础上实现的换档控制及换档检测，所以只需通过CAN通信模块实现与整车控制器的通信以获得车辆的状态信息及选换档的控制策略信息。二、纯电动汽车工作原理及其驱动系统1.纯电动汽车工作原理电池通过控制系统向电动机供电，在电动机中将电能转换为机械动力并传给系统，最后传送给驱动车轮，使驱动车轮转动，并通过与地面间的相互作用产生使汽车行使的牵引力，如下页图所示。由驾驶员操纵的加速踏板带有传感器，将加速踏板的位置变成电信号送入电子控制器（ECU），从而控制汽车的行驶速度。由驾驶员操纵的制动踏板也带有传感器，当汽车减速或制动时，制动踏板位置传感器将信号传送给主控制器，后者识别信号和汽车行驶状态后发出指令，使汽车进入减速滑行、减速再生制动、再生或机械联合制动或机械制动等状态。图2-20纯电动汽车工作原理

当汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱动电机运转，电机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车续驶里程与蓄电池容量有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能地节省蓄电池的能量。蓄电池通过整流和逆变器后通过变压器变压，变压器副边根据需要选择几个绕组，变压器将高频交流电整流为直流，分别给照明系统、测量系统和驱动系统供电。测量电压装置中需要测量电路中的电压和电流（输入/输出，用互感器），还有汽车速度、电池温度等。电动汽车的控制系统的性能直接影响着汽车的性能指标。该控制系统控制汽车在各类工况下的行驶速度、加速度和能源转换情况。2.纯电动汽车的驱动系统1）纯电动汽车的驱动系统的组成

纯电动汽车驱动系统的组成如下图2-21所示，主要由中央控制单元、驱动控制器、驱动电动机、机械传动装置等组成。为适应驾驶人的传统操纵习惯，纯电动汽车仍保留了加速踏板、制动踏板及有关操纵手柄或按钮等。不过在电动汽车上是将加速踏板、制动踏板的机械位移量转换为相应的电信号输入到中央控制单元采对汽车的行驶实行控制的。对于挡位变速杆，为遵循驾驶人的传统习惯，一般仍需保留，同样除传统的驱动模式外也就只有前进挡、停车、停车挡、倒挡位，并且以开关信号传输到中央控制单元来对汽车进行前进、停车、倒车控制。（1）中央控制单元。中央控制单元不仅是驱动系统的控制中心，还要对整辆纯电动汽车的控制起到协调作用。它根据加速踏板与制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对驱动电动机进行启动、加速、减速、制动控制。在纯电动汽车减速和下坡滑行时，中央控制单元配合车载电源模块的能源管理系统进行发电回馈，使蓄电池反向充电。对于与汽车行驶状况有关的速度、功率、电压、电流及有关故障诊断等信息，还需传输到辅助模块的驾驶室显示操纵台进行相应的数字或模拟显示，也可采用液晶屏幕显示来提高其信息量。（2）驱动控制器。驱动控制器的功能是按中央控制单单元的指令和驱动电动机的速度、电流反馈信号，对驱动电动机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。驱动控制器与驱动电动机必须配套使用，目前对电动电动机的调速主要采用调压、调频等方式，这主要取决于所选用的驱动电动机类型。（3）驱动电动机。驱动电动机在纯电动汽车中被要求承担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电动机功能，将电能转化为机械能；而在减速和下坡滑行时又被要求进行发电，将车轮的惯性动能转换为电能。（4）车载电源模块。电源电源模块主要包括蓄电池电源、能量管理系统和充电控制器等。它的功用是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。（5）辅助模块。辅助系统主要包括辅助动力源、动力转向系统、驾驶室显示操纵台和各种辅助装置等。辅助系统除辅助动力源外，依据不同车型而不同。（6）机械传动装置。纯电动汽车机械传动装置的作用是，将驱动电动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。3.纯电动汽车驱动系统的布置

由于纯电动汽车是单纯用蓄电池作为驱动能源的汽车，采用合理的驱动系统布置形式来充分发挥电机驱动的优势是尤其重要的。纯电动汽车驱动系统布置的原则是：符合车辆动力学对汽车重心位置的要求，并尽可能降低车辆质心高度。特别是对于采用轮毂电机驱动实现“零传动”方式的纯电动汽车，不仅去掉了发动机、冷却系统、排气消声系统和油箱等相应的辅助装置，还省去了变速器、驱动桥及所有传动链，既减轻了汽车自重，也留出了许多空间，其结构可以说发生了脱胎换骨的变化。车辆的整个结构布局需重新设计并全面考虑各种因素。纯电动汽车的驱动系统布置形式目前主要有4种基本典型结构，即传统的驱动方式、电机-驱动桥组合式驱动方式、电机-驱动桥整体式驱动方式、轮毂电机分散式驱动方式。1）传统驱动系统布置形式如图2-22（a）和图2-23（a）所示，该驱动系统仍然采用内燃机汽车的驱动系统布置方式，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成，只是将内燃机换成电机，属于改造型电动汽车。这种布置方式可以提高纯电动汽车的启动转矩，增加低速时纯电动汽车的后备功率。这种驱动系统布置形式有电机前置-驱动桥前置（F-F）、电机前置-驱动桥后置（F-R）等驱动模式。但是，这种驱动系统布置形式结构复杂、效率低，不能充分发挥驱动电机的性能。在此基础上，还有一种简化的传统驱动系统布置形式，如图2-23（b）所示,采用固定速比减速器，去掉离合器，这种驱动系统布置形式可减少机械传动装置的质量，缩小其体积。1—驱动电机；2—离合器；3—变速器；4—传动轴；5—驱动桥；6—电机-驱动桥组合式驱动系统；7—电机-驱动桥整体式驱动系统；8—轮毂电机；9—转向器图2-22纯电动汽车驱动系统布置形式C—离合器；D—差速器；FG—固定速比减速器；GB—变速器；M—驱动电机图2-23传统驱动系统和简化的驱动系统布置形式

传统驱动系统布置形式的工作原理类同于传统汽车，离合器用来切断或接通驱动电机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员按需要来选择不同的挡位，使得低速时车轮获得大转矩低转速，而高速时车轮获得小转矩高转速。由于采用了调速电机，其变速器可相应简化，挡位数一般有2个就够了，倒挡也可利用驱动电机的正反转来实现。驱动桥内的机械式差速器使得汽车在转弯时左右车轮以不同的转速行驶。这种模式主要用于早期的纯电动汽车，省去了较多的设计，也适于对原有汽车的改造。2）电机-驱动桥组合式驱动系统布置形式如图2-22（b）所示，这种驱动系统布置形式即在驱动电机端盖输出轴处加装减速齿轮和差速器等，电机、固定速比减速器、差速器的轴一起组合成一个驱动整体。它通过固定速比减速器来放大驱动电机的输出转矩，但没有可选的变速挡位，也就省掉了离合器。这种布置形式的机械传动机构紧凑，传动效率较高，便于安装。但这种布置形式对驱动电机调速要求较高。按传统汽车的驱动模式来说，可以有驱动电机前置-驱动桥前置（F-F，见图2-24）或驱动电机后置-驱动桥后置（R-R）两种方式。这种驱动系统布置形式具有良好的通用性和互换性，便于在现有的汽车底盘上安装，使用、维修也较方便。图2-24电机-驱动桥组合式驱动系统布置形式3）电机-驱动桥整体式驱动系统布置形式

如图2-22（c）和图2-25所示，这种驱动系统布置形式与发动机横向前置前轮驱动的内燃机汽车的布置方式类似，把电机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根轴车轮。电机驱动桥整体式驱动系统布置形式有同轴式［见图2-25（a）］和双联式［见图2-25（b）］两种。图2-25电机-驱动桥整体式驱动系统布置形式（1）如图2-26所示，同轴式驱动系统电机轴是一种特殊制造的空心轴，在电机左端输出轴处的装置装有减速齿轮和差速器，再由差速器带动左右半轴，左半轴直接带动，而右半轴通过电机的空心轴来带动。1—左半轴；2—驱动电机转子；3—驱动电机外壳；4—右半轴；5—驱动电机空心轴；6—驱动桥差速器图2-26同轴式电机-驱动桥整体式驱动系统（2）如图2-27所示，双联式驱动系统也称为双电机驱动系统，由左右两台永磁电机直接通过固定速比减速器分别驱动两个车轮，左右两台永磁电机由中间的电控差速器控制，每个驱动电机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速，不必选用机械差速器。（3）如图2-28所示，汽车转弯时，前一种采用机械差速器，后一种采用电控差速器。电控差速器的优点是体积小、质量大，在汽车转弯时可以实现精确的电子控制，提高纯电动汽车的性能；其缺点是增加了驱动电机和功率转换器，因而增加了初始成本，而且在不同条件下对两台驱动电机进行精确控制的可靠性需要进一步发展。同样，电机-驱动桥整体式驱动系统在汽车上的布局也有电机前置-驱动桥前置（F-F）和电机后置驱动桥后置（R-R）两种驱动模式。该电机-驱动桥构成的机电一体化整体式驱动系统具有结构更紧凑、传动效率高、质量大、体积小、安装方便的特点，并具有良好的通用性和互换性，在小型电动汽车上应用最普遍。1—左半轴；2—左驱动电机；3—电控差速器；4—驱动电机；5—右半轴图2-27双联式电机-驱动桥整体式驱动系统图2-28汽车转弯时的情况4）轮毂电机分散式驱动系统布置形式（1）如图2-29所示，内定子外转子轮毂电机分散驱动式驱动系统布置形式采用低速内定子外转子电机，其外转子直接安装在车轮的轮缘上，可完全去掉变速装置，驱动电机转速和车轮转速相等，车轮转速和车速控制完全取决于驱动电机的转速控制。由于不通过机械减速，因而通常要求驱动电机为低速大转矩电机。低速内定子外转子电机结构简单，不需要齿轮变速传动机构，但其体积大、质量大、成本高。图2-29内定子外转子轮毂电机

（2）如图2-30所示，内转子外定子轮毂电机分散驱动式驱动系统布置形式采用一般的高速内转子外定子电机，其转子作为输出轴与固定减速比的行星齿轮变速器的太阳轮相连，而车轮轮毂通常与其齿圈连接，它能通过提供较大的减速比来放大其输出转矩。驱动电机装在车轮内，形成轮毂电机，可进一步缩短从驱动电机到驱动轮的传递路径；采用高速内转子电机（转速约10000r/min），需安装固定速比减速器来降低车速，一般采用高减速比行星齿轮减速装置，安装在电机输出轴和车轮轮缘之间，且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。高速内转子电机具有体积小、质量小和成本低的优点，但它需要加装行星齿轮变速机构。图2-30内定子外转子电动轮

采用轮毂电机驱动可大大缩短从驱动电机到驱动车轮的传递路径，不仅能腾出大量的有效空间便于总体布局，而且相对于前一种内定子外转子结构，也大大提高了对车轮的动态响应的控制性能。每台驱动电机的转速可独立调节控制，便于实现电子差速。既省去了机械差速器，也有利于提高汽车转弯时的操控性。轮毂电机分散驱动在汽车上的布置方式可以有双前轮驱动、双后轮驱动和前后四轮驱动（4WheelDrive，4WD）等模式。轮毂电机分散驱动方式应是未来纯电动汽车驱动系统的发展方向。目前，较主流的纯电动汽车整车控制系统都采用CAN总线通信连接，这样不仅大大提高了控制的效率和稳定性，而且能实现数字控制。纯电动汽车驱动电机、蓄电池等执行动力部分的状态信号被发送到CAN总线，最终传输到显示终端，提供给驾驶人，以实现整车控制。新的电子控制系统在传统汽车上应用不多，但其对纯电动汽车的工作有着重要影响。

目前其与国外还有一定的差距，但是随着电机驱动系统的发展及各种新技术、新材料的应用，国内外在这方面的差距将越来越小。

新型纯电动汽车整车控制系统是两条总线的网络结构，高速CAN总线每个节点为各子系统的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”。实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题，网络化实现的通信和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在汽车上应用的一个基础，同时也为X-by-Wire技术提供了有力的支撑。4.纯电动汽车动力蓄电池的管理技术

由于动力电池能量和端电压的限制，纯电动汽车需要采用多块电池进行串、并联组合，但是由于动力电池特性的非线性和时变性，以及复杂的使用条件和苛刻的使用环境，在纯电动汽车使用过程中,要使动力电池工作在合理的电压、电流、温度范围内，纯电动汽车上动力电池使用都需要进行有效管理，对于镍氢电池和锂离子电池，有效的管理尤其需要，如果管理不善，不仅可能会显著缩短动力电池的使用寿命，还可能引起着火等严重安全事故，因此，动力蓄电池管理系统(BMS)成为电动汽车的必备装置。

1）动力蓄电池管理任务动力蓄电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，对动力电池的电压、电流、温度进行实时检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC（stateofcharge，荷电状态）、SOH（stateofhealth，性能状态，也称健康状态），还根据动力电池的电压、电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信。如图（a）所示，常见动力电池管理系统的功能主要包括数据采集、数据显示、状态估计、热管理、数据通信、安全管理、能量管理（包括动力电池电量均衡功能）和故障诊断，其中前6项为动力电池管理系统的基本功能。

数据采集是动力电池管理系统所有功能的基础，需要采集的数据信息有电池组总电压、电流、电池模块电压和温度；状态估计包括SOC估计和SOH估计，SOC提供电池剩余电量的信息，SOH提供电池健康状态的信息，目前的动力电池管理系统都实现了SOC估计功能，SOH估计技术尚不成熟；热管理是指BMS根据热管理控制策略进行工作，使电池组处于最优工作温度范围；数据通信是指电池管理系统与整车控制器、电机控制器等车载设备及上位机等非车载设备进行数据交换的功能；安全管理是指电池管理系统在电池组的电压、电流、温度、SOC等出现不安全时及时报警并进行断路等紧急处理；能量管理是指对电池组充放电过程的控制，其中包括对电池组内单体或模块进行电量均衡；故障诊断是使用相关技术及时发现电池组内出现故障的单体或模块。图2-31动力管理系统BMS最基本的功能是监控与动力电池自身安全运行相关的状态参数（如动力电池的电压、电流和温度）、预测与动力系统优化控制有关的运