纯电动汽车结构与原理（图解）

电动汽车的定义

纯电动汽车是完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源，以电动机为驱动系统的汽车（图2）。

其动力系统主要由动力电池、驱动电动机组成，从电网取电或更换蓄电池获得电能。

电动汽车最早的历史可以追溯到19世纪后期，在1881年8-11月巴黎举行的国际电器展览会上，展出了法国人古斯塔夫·特鲁夫研制的电动三轮车，这是世界上第一辆电动车辆，它采用多次性铅酸充电电池和直流电动机，可以实际操作使用，这辆车的诞生具有划时代的意义。

在接下来的1882年，英国的威廉·爱德华·阿顿和约翰·培里也合作研制了一辆电动三轮车，车的速度是4.4km/h。三位先驱的努力使得在燃油汽车尚未问世之前，电动汽车已经诞生，此后电动车辆在欧美等国家迅速兴起。

纯电动汽车的结构

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：电力驱动控制系统、底盘、车身、辅助系统。

典型电动汽车组成如图3所示。

纯电动汽车的结构主要包括电源系统、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动机供电。当电动汽车采用电制动时，驱动电动机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，并延长电动汽车的续驶里程。

1.电源系统

电源系统（图4）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。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10或16A）。辅助动力源一般为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。

2.驱动电机系统

电力驱动子系统（以下简称驱动系统，如图5）是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。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接驱动车轮。早期电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电动机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常适应。但直流电动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，随着电动机技术和电动机控制技术的发展，正在逐渐被直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。

3.整车控制器
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反馈，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。对于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，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：用以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：用以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：用以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）。

4.辅助系统

辅助系统（图6）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，借助这些辅助设备来提高汽车的操纵性和成员的舒适性。

四、纯电动汽车驱动系统布置形式
常见纯电动汽车驱动形式有图7所示的六种类型。图7（a）~图7（c）为电动机中央驱动，图7（d）为双电动机电动轮驱动，图7（e）、图7（f）为轮毂电动机驱动。

其中图7（a）为电动机中央驱动形式，直接借用了内燃机汽车的驱动方案，由发动机前置前驱发展而来，由电动机、离合器、变速器和差速器组成。用电驱动装置替代了内燃机，通过离合器将电动机动力与驱动轮进行连接或动力切断，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，差速器实现转弯时两车轮不同车速的行驶。

图7（b）为电动机中央驱动形式，由电动机、固定速比减速器和差速器等构成。在这种驱动系统中，利用电动机在大范围转速变化中具有恒功率的特性，采用固定速比减速器，由于没有离合器和变速器，因此可以减少机械传动装置的体积和质量。
图7（C）为另一种电动机中央驱动形式，它与前轮驱动、横向前置发动机的燃油汽车的布置形式相似，将电动机、固定速比减速器和差速器集成一体，两根半轴连接两个驱动车轮，这种布置形式在小型电动汽车上应用最普遍。
图7（d）为双电动机电动轮驱动方式，机械差速器被两个牵引电动机所代替，两个电动机分别驱动各自车轮，转弯时通过电子差速控制以不同车速行驶，省掉了机械差速器。
图7（e）为轮毂电动机驱动方式，电动机和固定速比的行星齿轮减速器安装在车轮里面，没有传动轴和差速器，从而简化了传动系统。但是这种方式需要两个或四个电动机，其控制电路也比较复杂，这种驱动方式在重型电动汽车上有较广泛的应用。
图7（f）为另一种轮毂电动机驱动方式，舍弃电动机与驱动轮之间的机械传动装置，采用低速外转子电动机直接驱动车轮，电动机转速控制等价于轮速控制，要求电动机在加速、起动时具高转矩特性。