（一）纯电动汽车

纯电动汽车（BEV）指以车载电源（如铅酸蓄电池、镍氢蓄电池或锂离子蓄电池）为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通安全法规各项要求的车辆，如图1-14所示。

电机作为纯电动汽车最重要的驱动系统，与传统燃油汽车的内燃机有很大不同，其结构特点是比较灵活。首先，能量由电缆传递，因此纯电动汽车的各部件可灵活布置；其次，电动汽车的布置不同会影响系统结构，选用不同类型的电机会影响电动汽车的质量、尺寸等。最后，不同的补充能源装置具有不同的硬件和结构，其储能装置也不同。图1-15所示为纯电动汽车组成。

如图1-16所示，纯电动汽车可分为三个子系统，即电力驱动与传动子系统、能源子系统和辅助控制子系统。

①电力驱动与传动子系统由电控单元、功率转换器、电机、机械传动装置和驱动车轮组成。

②能源子系统由主电源（动力蓄电池）、能量管理系统和充电系统构成。

③辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。

1. 纯电动汽车工作原理

纯电动汽车整车电器框架原理如图1-17所示，整车控制器（VCU）根据整车各类信号以及CAN总线信息对动力系统和电附件进行综合能量管理，降低电耗。依据CAN总线上动力系统和电附件的故障信息进行故障诊断和安全处理，并在专用仪表系统上显示故障信息和处理措施，提高整车的主动安全性能。

（1）驱动行驶阶段

动力蓄电池为驱动电机提供电能，驱动电机将电能转化为机械能，通过驱动桥驱动车辆行驶，如图1-18所示。

（2）滑行、制动阶段

在车辆滑行和制动时，在惯性作用下，车辆带动驱动电机转动，驱动电机作为发电机产生电能为动力蓄电池充电，完成制动能量回收，如图1-19所示。

根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，整车控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的通断，而功率转换器的功能主要是调节电机与电源之间的功率流，如图1-20所示。

纯电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时，功率流的方向是反向的，如图1-21所示。

能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一起控制充电并监测电源的使用情况，如图1-22所示。

辅助动力供给系统用于供给纯电动汽车辅助系统不同等级的电压，并提供必要的动力。它主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给纯电动汽车输入信号外，转向盘输入信号也很重要，动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车的转向。

2. 纯电动汽车电驱动系统的典型结构形式

纯电动汽车电驱动系统典型结构形式大体分为如下五种。

（1）前置前轮驱动

前置前轮驱动结构形式由发动机前置前轮驱动的燃油汽车发展而来，即由电机替代发动机，仍采用内燃机汽车的传动系统，它由电机、离合器、变速器和差速器组成。其中，离合器是用来切断或接通电机到车轮之间动力的机械装置；变速器是一套具有不同传动比的齿轮机构，驾驶人可选择不同的传动比，把转矩传给车轮；汽车在转弯时，内侧车轮的转弯半径小，外侧车轮的转弯半径大，差速器使内外车轮以不同转速转动。前置前轮驱动结构复杂、效率低，不能充分发挥电机驱动的优势，如图1-23所示。

（2）固定传动比的减速器

如果用固定传动比的减速器，去掉离合器，则可减小机械传动装置的质量，缩小其体积。由电机、固定传动比的减速器和差速器组成的电驱动系统，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，如图1-24所示。

（3）横向前置

这种结构与燃油汽车发动机横向前置、前轮驱动的布置方式类似，把电机、固定传动比减速器和差速器集成为一个整体，用两根半轴连接驱动轮。这种结构在小型电动汽车上应用比较普遍，如图1-25所示。

（4）双电机结构

双电机结构如图1-26所示，就是采用两个电机通过固定传动比的减速器，分别驱动两个车轮。两个电机的转速可以分别调节控制，便于实现电子差速，进而省去机械差速器。

（5）轮毂电机

装在车轮里的电机称为轮毂电机，如图1-27所示。这种电机为内转子、外定子结构，它能提供较大的传动比来放大输出转矩。高速内转子电机具有体积小、质量小和成本低的优点。它可进一步缩短从电机到驱动轮的传递路径。为将电机转速降低到理想的车轮转速，可采用固定传动比的行星齿轮变速器，它能提供大传动比，而且输入和输出轴可布置在同一轴线上。

另一种使用轮毂电机的纯电动汽车结构是采用低速外转子电机，如图1-28所示。彻底去掉了机械减速器，电机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，车轮转速和纯电动汽车的车速控制完全取决于电机的转速控制。低速外转子电机结构简单，无需齿轮变速传动机构，但其体积大、质量大、成本高。

为了提高电机效率并减小电机体积，宁德时代生产的新型电机（盘式轮毂电机，简称盘毂电机）采用轴向磁场设计，相比传统径向磁场电机，在体积、重量、效率方面拥有天然优势，为新能源汽车轮边结构的布置提供了可能。结合盘毂的设计与调教，电机效率突破“双90”（盘毂电机+控制器效率实测达到95.2%、盘毂电机最高效率点超过96.3%），功率密度达到传统电机的1倍。

盘毂直驱电机相比目前客车应用效果最好的电机，体积减小62%，质量减轻185kg，可直接安装于车桥上，省去传动轴，系统效率更高。盘毂电机与传统客车电机对比如图1-29所示。

盘毂电机可广泛应用于新能源乘用车、客车、货车、物流车及环卫车等，为车辆能耗降低、布置结构创新提供新的解决方案。

3. 纯电动汽车关键技术

发展电动汽车必须解决好四个方面的关键技术：电池技术、电机驱动及控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术。

（1）电池技术

电池是电动汽车的动力源，也是一直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。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池，如图1-30所示。

到目前为止，电动汽车车用电池经过了4代的发展，已取得了突破性的进展。第4代燃料电池是当今理想的车用电池，但目前还处于实验阶段，一些关键技术还有待突破，如图1-31所示。

（2）电机驱动及控制技术

电机驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车具有良好的使用性能，驱动电机就应具有调速范围宽、转速高、起动转矩大、体积小、质量小和效率高等特性，并有与动态制动强度相关的能量回馈系统。目前，电动汽车车用电机主要有直流电机（DCM）、感应电机（IM）、永磁无刷电机（PMBLM）和开关磁阻电机（SRM）四类，如图1-32所示。

随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统，如图1-33所示。

（3）电动汽车整车技术

电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电机外，车体本身也包含很多高新技术，有些节能措施比提高电池储能能力更易于实现。采用轻质材料（如镁、铝、优质钢材及塑料复合材料）优化结构，可使汽车自身质量减轻30%～50%。塑料部件可以吸收较小的撞击能量，而不会像普通钢板部件那样留下凹痕，车漆损伤也不会导致腐蚀，如图1-34所示。

电动汽车实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减小50%；汽车车身，特别是车身底部更加流线形化，可使汽车所受的空气阻力减小50%，如图1-35所示。

（4）能量管理技术

动力蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性，就必须以比能量高、使用寿命长、比功率大的动力蓄电池作为动力源，如图1-36所示。

而要使电动汽车具有良好的工作性能，就必须对动力蓄电池进行系统管理，因此能量管理系统是电动汽车的智能核心，如图1-37所示。

4. 电动汽车结构组成

电动汽车的结构组成基本类似，本书以北汽纯电动汽车为例展示各部件，各部件在车身上的分布位置如图1-38所示。

（1）动力蓄电池

动力蓄电池是纯电动汽车的“心脏”，安装于车身底部，如图1-39所示。动力蓄电池要具有提供电能、电量计算、温度/电压/湿度检测、漏电检测、异常情况告警、充放电控制、预充电控制、电池一致性检测、系统自检等功能。在车辆行驶过程中，通过SOC检查动力蓄电池的荷电状态。SOC为State Of Charge的缩写，指动力蓄电池的荷电状态，SOC显示的数值是剩余电量与额定电量之比的百分数值。随着动力蓄电池电量的消耗，SOC表上指针指示的数值会逐渐减小。当SOC减小到30%以下时，SOC表上的电量不足指示灯会点亮，提示用户尽快对车辆进行充电。

（2）驱动电机

驱动电机是将电能转换成机械能的一种设备。它利用通电线圈（即定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子，形成转矩。驱动电机的外形结构如图1-40所示，其主要作用如下。

①驱动电机控制器将动力蓄电池提供的直流电转化为交流电，然后输出给电机。

②通过电机的正转来实现整车加速、减速；通过电机的反转来实现倒车。

③通过有效的控制策略，控制动力总成以最佳方式协调工作。

（3）电机控制器

电机控制器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率来控制交流电机的电力控制设备，是电机系统的控制中心，如图1-41所示。电机控制器内含功能诊断电路，当诊断出异常情况时，它会激活一个错误代码，发送给整车控制器。

（4）整车控制器

整车控制器（Vehicle Control Unit，VCU）是电动汽车专用微控制器，由微处理器、存储器、输入/输出接口、模数转换器，以及整形、驱动等大规模集成电路组成，如图1-42所示。整车控制器和车辆其他系统的控制单元，如动力蓄电池管理系统、电机控制器、外围驱动模块等，通过CAN总线连接起来。

整车控制部分主要是判断驾驶者的意愿，根据车辆行驶状态和电池、电机系统的状态及各系统传感器传出的信息，依据内存的程序和数据，进行运算、处理、判断，然后输出指令到电机控制器，控制驱动电机的转向、转速和转矩，同时控制电动空调系统以及其他外围系统的工作。

（5）充电系统

新能源汽车充电系统是新能源汽车主要的能源补给系统，充电系统分为常规充电（图1-43，俗称慢充）系统、快速充电（图1-43，俗称快充）系统和无线充电系统（图1-44）三种类型。

1）车载慢充系统。 慢充系统使用220V单相民用交流电，通过整流变换，将交流电变换为高压直流电，给动力蓄电池供电。

慢充系统主要部件：供电设备（电缆保护盒、充电桩、充电线等）、慢充接口、车内高压线束、高压配电盒、车载充电机、动力蓄电池等。车载充电机（On-board Charger），相对于传统工业电源，具有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境等特点。车载充电机工作过程中需要协调充电桩、电池管理系统等。

2）快充系统。 快充系统一般使用工业380V三相直流电，通过功率变换后，直接用高压大电流通过母线给动力蓄电池充电。

快充系统主要部件：电源设备（快充桩）、快充接口、车内高压线束、高压配电盒、动力蓄电池等。

3）无线充电。 无线充电技术指具有电池的装置不需要借助电导线，而是利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术，在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来充电的一项技术，源于无线电力输送技术。

无线充电原理就是电磁感应原理。通过发射线圈的交流电根据安培定律产生振荡磁场，磁场通过接收线圈在法拉第感应定律下产生交流电，进而达到充电目的。

（6）DC/DC变换器

DC/DC变换器相当于传统汽车的发电机，将动力蓄电池的高压电转换为低压电，给蓄电池及低压系统供电，具有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境等特点。DC/DC变换器如图1-45所示，它将动力蓄电池输出的高压直流电转化为12V低压直流电，供给整车低压用电设备使用。

汽车转向助力电机、制动系统真空助力泵电机以及车身电气（包括灯光、仪表、信号、风扇电机等）都需要12V直流电；高压系统的控制部分也要用到12V直流电电源。因此，汽车必须配备12V蓄电池，必须有为12V蓄电池充电的系统——DC/DC变换器，以便将动力蓄电池提供的320V以上的直流电转换为12V直流电。

DC/DC变换器安装于前机舱位置，其主要功能是在车辆起动后将动力蓄电池输入的高压电转换成12V电向蓄电池充电，以保证行车时低压用电设备正常工作。

（7）PDU总成

电源分配单元（PDU）是将车载充电机模块、DC/DC变换器模块、PTC控制器及高压配电模块“三合一”集成的产品，将原本生产过程需要多次装配的部件进行集成化设计，提高装配效率和生产效率。目前，为了提高整车动力系统运行可靠性，北汽新能源将PDU和电机控制器进行了集成化设计，研发出“四合一”PEU集成模块，如图1-46所示。此模块已经应用在北汽新能源EU系列乘用车上。

（8）T-BOX

T-BOX（图1-47）继承老款车型数据采集终端功能，通过车辆总线网络实时采集车辆数据信息，并根据需要存储到产品内部的存储介质，传送到监控平台。支持发送远程控制命令，对充电及空调系统进行远程控制。

此外，T-BOX还提供网络支持大屏的各项在线娱乐功能及车载Wi-Fi。T-BOX组成包括T-BOX、T-BOX通信天线、T-BOX GPS天线。通过T-BOX的指示灯可初步判断其工作状态。

（9）电动汽车仪表

电动汽车仪表为驾驶人提供电动汽车运行的重要信息，同时也是维修人员发现和排除故障的重要工具。仪表均集中安装在驾驶室转向盘前方的仪表板上。在电动汽车仪表板上，装有各种检测仪表和信号装置，用来监视和测量电动汽车行驶过程中各系统和主要部件的工作情况。它显示了电动汽车的工作状况。不同款车型的仪表不尽相同，如图1-48所示。