電動汽車設計之整車低壓工作原理介紹

張紅濤，孫 佳，張 玲

（長安汽車股份有限公司 北京研究院，北京 100195）

電動汽車設計之整車低壓工作原理介紹

張紅濤，孫 佳，張 玲

（長安汽車股份有限公司 北京研究院，北京 100195）

隨著近年來出現的 “電動汽車熱”現象，電動汽車已經受到了廣泛的關注。本文從整車工作原理方面著手，將電動汽車的基本構成及其電路原理進行介紹，使讀者可以更能清晰明了地了解電動汽車的構造，為初級入門者提供電動汽車低壓原理設計的思路。

電動汽車；低壓電器；原理設計

隨著地球變暖、石油能源緊缺、自然環境日漸惡化等等一系列現實問題的凸顯，如何使用低排放、低污染的清潔能源是亟待解決的問題。汽車的銷量以每年10%～20%的需求速度增長，汽車這個吃油大戶無疑會被推到風口浪尖上，因此，汽車行業也在積極探尋新的能源。純電動汽車有著環保、零排放、油耗低、運行成本低等優勢，因此逐漸成為人們熱捧的對象。同時，各國都相繼頒布了針對電動汽車的各種政策支持，因此，各車企都在積極開發純電動汽車。

如果按照全新的車型來進行開發，整個研發周期一般會達到38乃至45個月，等生產出來的時候，整個行業已經是日新月異的下一代了，不能夠滿足行業和車企的周期要求。因此，如何能夠盡快拿出研制成果是非常重要的，而電氣系統的設計是汽油車改制電動汽車至關重要的一環。下文簡單介紹純電動汽車與常規汽油部件的主要區別，以此來闡述電氣原理及其實現方式。

1 電動汽車專用部件簡述

1.1 電動汽車設計綜述

常規汽油車是通過發動機燃油噴射系統，將汽油和空氣混合后爆炸的能量轉換為扭矩來驅動汽車前進；而純電動汽車則靠的是一個直流或交流電動機，通過電機將電能轉化為扭矩來驅動汽車前進。

常規汽油車的能量來源是汽油，而純電動汽車通常是由動力電池等儲能裝置進行電能釋放作為行駛能量來源 （目前適用的電壓平臺一般以300～600V居多，以下以330V為例）。動力電池將高壓直流電源源不斷地輸送出來，經過轉換器將高壓的直流電轉換為適合驅動電機的直流或交流電，從而驅動車輛前進。

同樣，因為沒有了發動機，所以原本在發動機輪系上帶動的發電機、壓縮機、助力轉向油泵等部件就需要進行相應的替換。替代發電機給低壓蓄電池充電的部件是一個直流轉換裝置，它可以將動力電池輸出的高壓直流電源轉換為12V的低壓直流電 （以下均以12V為例），從而給低壓蓄電池充電，同時作為整車所有低壓用電器的電源。壓縮機沒有了皮帶輪的驅動，也就從皮帶驅動轉化為使用高壓電來驅動的電動壓縮機。轉向方面，目前大部分汽油車上在使用的都是液壓助力轉向裝置，但使用電動轉向泵輔助轉向的電動助力轉向器在現在的很多汽油車上也都配備，在沒有了機械助力轉向油泵的時候，自然也就選擇了電動助力轉向。

1.2 電動汽車專用部件及相關功能

1.2.1 行車專用部件

1）動力電池 電動汽車的核心在于整車所有部件的能量源泉是電能，那么整車的核心部件就是動力電池。動力電池功能是存儲電能，在需要時可以輸出電能，為整車所有用電部件提供電能，進而轉化為整車需要的各種形式的能量。目前行業內使用的動力電池一般為鐵系鋰電池和三元鋰電池。動力電池因其尺寸較大，一般都布置在地板下面或者行李廂內，如圖1所示。

圖1 電動汽車行車專用部件布置圖

為了達到正常的電能使用，動力電池內部設置有BMS，也就是動力電池管理系統。BMS需要同時監控電池包內部各電池模組的電壓、電流、溫度等電池的工作狀態參數，通過這些參數來判定目前的電池狀態允許充電、放電的功率等，同時將這些參數通過CAN信息發送給整車控制器。

2）電機控制器及驅動電機 如果說汽油車的動力源是發動機，那么電動汽車行駛的動力源應該是驅動電機了，驅動電機通過將電能轉化為機械能，從而驅動車輛行駛。驅動電機內部也有邏輯定義，可以接收不同的轉速使能等信號，同時將電機狀態信號反饋給電機控制器。

目前使用較多的是交流異步電機或永磁同步電機，工作電壓一般為交流144～600V。為了讓電機在合適的電壓下工作，就需要有一個轉換裝置，將動力電池輸出的高壓電轉換成適合電機工作的電壓平臺，也就是從高壓直流1變化為高壓直流2或高壓交流電。電機的工作需要一個控制的部件，同時還需要對電機反饋的信號進行處理，監控電機實際運行狀態、溫度等。因此，這部分綜合起來作為一個整體部件，也就是電機控制器。

純電動轎車的電機控制器和驅動電機一般布置在機艙內，為前置前驅，如圖1所示。但微車或客車的電機控制器和驅動電機一般都是底盤下方。綜合來說，都是距離驅動軸比較近的位置。

3）整車控制器 汽油車控制發動機工作的關鍵部件就是發動機管理系統ECU，電動汽車沒有了發動機，但增加的是電機、電機控制器等相應的設備，同樣需要有用來控制驅動電機和電機控制器以及將動力系統和整車之間的信號關聯起來的部件，那就是整車控制器VCU。整車控制器會接收整車的車速、制動踏板狀態、油門踏板狀態、整車剩余電量、整車工作電流、工作部件等信息，綜合來判定并驅動行車所需要的部件進行工作。

4）直流變換器 沒有了發電機，就需要新增一個部件作為整車低壓部件的能量來源并給12V蓄電池充電。直流變換器DCDC就是具備了此功能的一個部件，它將動力電池輸出的高壓直流電轉換成為可供蓄電池充電和整車低壓用電器使用的低壓12V直流電源。

作為一個智能化直流變換器，可以同時對整車的用電量進行監控。當行駛路況較差從而導致整車用電器工作較多的時候，DCDC會進行較大功率的轉換；當行駛路況較好的時候，整車用電器使用功率較小，DCDC可以進行較小功率的轉換。因此，DCDC具備可以進行智能化功率轉換的優勢，防止定功率轉換造成的電量不夠或電量浪費。

5）充電裝置 動力電池能量的補充，一般有2種方式：一種是通過交流充電樁及車載充電機進行小倍率電流持續充注；另一種是通過直流充電樁對動力電池進行大倍率電流短時充注。

小倍率電流充注就是一般所說的慢充，使用普通家庭用的交流220V電源進行。整車需要配備一個充電機，將家用交流220V轉換成為動力電池所需的330 V直流電壓，這樣才能給動力電池充電，慢充的時間一般為8h左右。

大倍率電流短時充注就是一般所說的快充。在各電動汽車推廣的城市都會建造電動汽車專用充電站，利用充電站的充電樁給電動汽車充電一般使用2C～3C（電池以1h充滿電量所需的電流）的速度充電，一般情況下只需要0.5h即可充滿車輛整個動力電池的80%。快充直接從充電樁連接到動力電池，不通過整車其他部件。

6）其他配套部件 包括電子換擋器，電子油門，組合儀表。

電子換擋器：電動汽車使用的驅動電機本身具有雙向旋轉功能，即可實現前、后驅動且轉速可調范圍較大，也就不需要手動變速器進行換擋調速和轉換前進與后退。電動汽車使用電子換擋器，可直接將所需要的信號發送給整車控制器，整車控制器就會來控制電機的正轉、反轉或轉速變換。

電子油門：沒有了發動機，也就不存在使用油門拉線控制進氣量等的開度，只需將需要的油門信號發給整車控制器，整車控制器控制電機的轉速大小即可。

組合儀表：因為純電動汽車和常規汽油車有一些區別，因此在顯示方面也有相應的區分，這就產生了電動汽車專用的組合儀表。電動汽車專用的組合儀表在傳統汽車信號顯示的基礎上，又增加了系統準備就緒、電壓、電流、荷電狀態、動力電池斷開、系統故障、動力電池故障、動力電池充電、充電線連接等電動汽車專用信號。針對電動汽車專用的儀表顯示，在GB／T 4094.2—2005《電動汽車操縱件、指示器及信號裝置的標志》和GB／T 19836—2005《電動汽車用儀表》中，國家已經有了相應的標準來規定。因為電動汽車新增信號較多，且許多信號都在整車控制器監控中，因此一般采用CAN網絡接口的形式，這樣可以保證傳輸信息多樣化的同時，還能保證信息的準確性。

1.2.2 制動專用部件

汽油車狀態下，制動系統的工作方式為：通過將進氣歧管處產生的真空連接到真空助力器上，從而對整車的制動提供助力。但電動汽車沒有了進氣歧管，真空度從哪兒來？于是要增加一個抽真空用的電動真空泵，真空泵通過抽吸制動系統內部空氣，來達到對駕駛員踩制動時的一個助力。為了保證整個助力系統的正常工作，需要由一個傳感器來實時檢測制動系統的真空度，保證制動系統一直在合適的壓力范圍內工作。當制動系統內部真空度超出整車的壓力范圍時，及時對駕駛員進行提醒。同時為了保證真空泵失效的情況下，駕駛員仍然可以進行緊急的基礎制動，系統上會使用一個真空罐，在真空泵停止工作時，保證駕駛員仍然可以進行5～6次制動的真空用量。制動專用部件布置如圖2所示。

圖2 制動專用部件布置圖

1.2.3 空調冷卻專用部件

1.2.3.1 空調部件

圖3為電動汽車空調系統部件布置圖。

圖3 電動汽車空調系統部件布置圖

1）制冷系統 純電動汽車與傳統汽油車制冷系統相比，簡單來說，只有壓縮機進行了變化。汽油車的壓縮機一般都在發動機輪系上，由發動機曲軸皮帶輪帶動壓縮機工作。但純電動汽車沒有了發動機輪系，那么壓縮機就要由整車的動力源——動力電池來驅動壓縮機工作，也就是電動壓縮機。因為壓縮機需要的功率較大，一般都在4～6kW／h，因此更適用于使用高壓電進行驅動，一般是連接在動力電池的輸出電源上進行工作。

2）采暖系統 目前，乘用車駕駛室內的采暖都是通過將發動機的余熱引入到駕駛室的暖風芯體里，當風通過時，通過熱交換來對駕駛艙進行采暖。電動汽車沒有了發動機余熱帶來的冷卻液熱量，需要單獨的部件對乘員艙進行加熱。目前常規的有2種：①風暖，采用風暖的PTC對整車的更改較小，投入成本低，也比較容易實現，但因為風暖電加熱器要直接安裝在冷暖一體機內部，與塑料殼體近距離接觸，如果過熱，可能存在著火等危險，存在安全隱患；②水暖，需要單獨的部件將冷卻液加熱，從而在冷卻液通過暖風芯體的時候通過熱交換將室內鼓風機的風進行加熱，進而帶入駕駛室內，這樣便可以對駕駛室進行加熱。水暖式采暖還需要一個暖風水泵來促進冷卻液進行流動。

1.2.3.2 冷卻系統

因為電動汽車增加的一些部件 （如驅動電機、電機控制器、DCDC、充電機等）是使用高壓電進行工作，在工作過程中會產生熱量，為了讓部件在穩定的溫度范圍內工作，需要給這些部件進行降溫，目前的降溫方式有風冷和水冷2種方式。風冷對出風口附近部件的布置有一定的要求。水冷就需要在部件內部增加冷卻用的水道，同時需要增加冷卻液的流動動力，也就是水泵。通過管路將所有需要水冷的部件進行連接，水泵驅動冷卻液流動經過所有部件，從而對各部件進行冷卻。電動汽車冷卻系統部件布置如圖4所示。

圖4 電動汽車冷卻系統部件布置圖

1.2.3.3 電池熱管理

電池在充放電過程中會產生熱量，產熱的速率一般與以下有關：電池的化學成分和結構，荷電的初始狀態和終止狀態，電池的初始溫度，充電和放電的速率和模式。電池產生的熱量如果不能及時散出去，就會影響電池的可放電功率；同時，如果電池溫度過低，也會導致電池的放電能力下降。目前在產的純電動汽車中，動力電池系統的熱管理尚屬少見，如長安逸動-純電動、北汽E150等都是讓動力電池通過自然風冷卻，這種情況會使電動汽車的使用地域受到一定的限制。只有少量的純電動汽車有動力電池的熱管理系統，如長安的E30、三菱I-MIEV等，這種熱管理系統的存在，使得純電動汽車的使用地域更廣，使用條件更寬泛，電池的壽命更長。

1.2.4 轉向專用部件

目前配置較高的轎車都已經配備了EPS系統，將其改制成電動汽車時，可以直接更換為EPS，見圖5。但EPS需要布置在轉向盤轉向柱上，同時需要的空間也較大，在很多車型上不能適配，因此就要使用EHPS，見圖6。使用一個電子油泵代替原來依托于發動機輪系的機械泵，使用12V電源可以實現轉向油的壓縮。這種方案的使用，對整車零部件改動較小，所有的管路、轉向柱、油管等都不需要重新開發，可以大大縮短開發周期。

圖5 EPS布置示意圖

圖6 EHPS連接布置圖

1.2.5 主動安全專用部件

1）行人警示蜂鳴器 電動汽車在運行時，由于運行聲音小，路邊行人會因為無法聽到行車聲音可能會造成意外的人身傷害。因此中國于2012年頒布實施了GBT_28382—2012《純電動乘用車技術條件》，規定要求車輛在設計時應考慮車輛起動、車速低于20km／h時，能夠給車外人員發出適當的提示性聲響，行人警示蜂鳴器由此而產生。

目前使用較多的行人警示器一般有以下2種：①單一聲音行人警示器，此種行人警示器就是簡單的由以前的發聲喇叭轉變而來，接通電源以后即可發出類似 “滴滴”的規則響聲，如圖7所示；②可變聲音行人警示器，此部件通過結合整車的實時行車狀態 （加速、減速）等情況，可以發出模擬聲音，如發動機聲音或任何指定的音樂，更凸顯人性化設計，如圖8所示。

圖7 單一聲音行人警示器

圖8 可變聲音行人警示器

2）遠程監控系統 針對電動汽車運行的安全性考慮，各地 （如北京、上海、廣州等電動汽車示范運行城市）紛紛發布地方標準，要求電動汽車要具備遠程監測能力。具有對整車、動力電池、驅動電機等進行實時監測的設施和能力，監測數據應實時發送至各地新能源小客車綜合服務與管理平臺，確保車輛安全運行。因此，各車企的純電動汽車會有配備遠程監控系統，整車的實時運行數據通過CAN信號發送給遠程監控系統，同時在遠程監控系統內配備2G／3G流量卡，通過通信服務商的網絡發送到各地的電動汽車管理平臺。

至此，純電動汽車工作方式已經分析完畢，相關的專用部件及其功能匯總見表1。

表1 純電動汽車專用部件

2 電動汽車專用部件原理及其控制方式

電動汽車雖然增加了很多專用部件，但整體上來說，都是根據電能轉化為各自系統需要使用的能量，下文根據不同系統的功能來闡述相關電氣原理及實現方式。

2.1 行車專用部件

從圖9可以看出，在整車工作的原理中，高壓動力的源泉是動力電池。動力電池將高壓電輸入給電機控制器，電機控制器轉化后輸入給驅動電機，進而轉化成為扭矩來驅動汽車；而整車低壓部件的電源都來自12V蓄電池，12V蓄電池的充電靠的是直流變換器將動力電池輸入過來的高壓直流電轉換成為12V低壓直流電。

圖9 電動汽車行車專用部件工作邏輯圖

整車控制器是整個動力系統控制的中心樞紐，整車所有高壓部件和部分低壓部件的運行都要通過整車控制器。整車控制器在運行時，接收整車部件的油門信號、擋位信號、制動信號、車速等信息，并結合動力系統的剩余SOC、動力電池電壓、整車運行狀態等信息，綜合判斷目前車輛合適的工作模式，并進行車輛行駛所需的必要信號輸出。

2.2 制動專用部件

從圖10可以看出，整個制動系統中，整車控制器接收整車電源擋位、制動信號、壓力傳感器信號等信息。整車控制器控制繼電器導通，從而使真空泵工作。從邏輯上分析，整車控制器控制繼電器工作的前提就是接收到壓力傳感器的真空度信號，分析出真空度不足或者需要制動時，將控制真空泵工作。同時為了在真空泵失效的情況下提前預警，從繼電器開關下游并聯一個回路至整車控制器，當真空泵需要工作但整車控制器未檢測到真空泵接通到正極電源，或者制動系統內的真空度嚴重不足，不足以支持駕駛員繼續行車的時候，那么整車控制器會通過組合儀表上的警告指示燈，來提示駕駛員制動系統存在故障。

圖10 電動汽車制動專用部件工作邏輯圖

2.3 空調冷卻專用部件

1）制冷系統 制冷系統的電路原理見圖11。熱管理模塊是整個系統的控制中心，電動壓縮機是代替機械式壓縮機作為制冷系統的心臟，同時還要使用其他一些與原車通用的部件，如冷暖一體機、壓力傳感器等。熱管理模塊通過收集壓力傳感器信號和空調面板發過來的AC請求，從而來控制壓縮機的啟動與停止。當制冷系統開啟時，熱管理模塊同時啟動散熱風扇為冷凝器增加強制散熱功能。

圖11 電動汽車空調冷卻部件工作邏輯圖

2）采暖系統 這里主要闡述的是水暖式采暖系統。沒有了發動機余熱作為暖風的熱源，使用的是電加熱器來對冷卻液進行加熱。在被加熱的冷卻液通過暖風芯體時，經過熱交換來對室內空氣進行加熱。暖風水泵為水暖式采暖系統提供冷卻液流動的動力，而在暖風管路上增加一個水溫傳感器來對冷卻液溫度進行讀取，以便更好地控制采暖系統的開啟、關閉與功率調節。

3）冷卻系統 電動汽車的冷卻系統與汽油車實現原理類似，都是將冷卻液通過流經各工作部件時將部件的溫度帶走，再在散熱器中通過風冷將溫度散出冷卻系統。電動汽車沒有了發動機上的水泵，替代的是電動水泵。電動水泵驅動整個冷卻系統內的冷卻液流動。為了更好地對系統的溫度進行監控和完成冷卻目標，各高壓部件需將各自的部件內部溫度通過CAN信號發送給整車控制器，再轉發到熱管理模塊上，同時在冷卻管路上也設計冷卻液水溫傳感器來讀取冷卻液溫度。熱管理模塊綜合這些冷卻液溫度信息來判斷冷卻系統實時狀態，并開展針對性的冷卻措施。熱管理模塊可以控制冷卻水泵在不同的溫度下以不同的功率進行旋轉，也可以控制散熱風扇以高／低速工作或不開啟風扇。

2.4 轉向專用部件

EPS與EHPS的區別：EHPS與傳統的助力轉向系統很類似，都是通過助力轉向油的油壓來對用戶的轉向提供助力，只是把原來的機械油泵置換為電子油泵，整個系統的其他與汽油車基本相同；而EPS與傳統汽油車的區別在于，EPS采用電機直接作用在轉向管柱上，使用電機的扭矩作為對用戶的轉向助力來源，同時EPS將扭矩傳感器、電機等部件集成在一體，集成性高，減少了多部件組合的各種隱患。

如圖12所示，EPS通過CAN線接收實時車速、高壓上電狀態等信號，同時結合EPS本身自帶的扭矩傳感器來收集轉向管柱的轉向角度信號，通過控制EPS自帶的EPS電機來對用戶進行助力。而EHPS是將實時車速、高壓上電狀態、轉向角度等信號通過CAN線輸入到EHPS泵上，通過對泵的調節來實現對用戶轉向力的調節，如圖13所示。

圖12 EPS轉向部件工作邏輯圖

圖13 EHPS轉向部件工作邏輯圖

2.5 主動安全專用部件

1）行人警示蜂鳴器

行人警示蜂鳴器的控制原理一般有2種方式：①通過整車上的某控制器來控制蜂鳴器的發聲；②行人警示蜂鳴器本身自帶車速判定邏輯。

單一聲音蜂鳴器的工作電路一般如圖14所示。發聲器功率較小且車內其他控制器可以具備功率輸出功能的時候，可以由車內其他控制器來控制發聲；如果車內控制器無功率輸出功能，則需要通過控制繼電器來實現發聲器的控制。此種蜂鳴器的發聲器是簡單的類似電喇叭的部件，通電即可發出固定聲音。

圖14 單一聲音蜂鳴器工作邏輯圖

模擬聲音蜂鳴器的工作電路相當于將上述情況的控制器與發聲器結合在一起的部件，不過為了發出不同模擬的聲音，需要將發聲器確定為一個揚聲器類部件。蜂鳴器本身自帶邏輯判斷能力，且可以在行人警示蜂鳴器內部具有可刷寫功能，將預先設置好的音頻文件刷寫入控制器內部，在車速不同時，可發出不同的聲響。如圖15所示。

2）遠程監控系統

圖15 模擬聲音蜂鳴器工作邏輯圖

遠程監控系統的作用就是收集整車實時運行狀態相關數據，通過網絡信號發送到系統后臺。如圖16所示，遠程監控系統受整車使能控制，在需要工作時才會開啟，同時，遠程監控系統通過整車CAN網絡收集電動車相關運行數據，如車速、動力電池電壓、電機轉速、油門狀態、制動狀態等信號，然后通過2G／3G網絡通信模塊發送到系統后臺。

圖16 遠程監控系統

3 結論及建議

電動汽車是一項新興技術，中國的電動汽車市場剛剛起步，在以后的汽車工業發展中占領的地位將越來越高。由于電動汽車相較于傳統汽車的特殊性和危險性，也就要求在研發設計時要更加嚴謹，以避免設計問題造成的危險。

［1］ GB／T 19596—2004，電動汽車術語［S］.

［2］ GB／T 28382—2012，純電動乘用車技術條件［S］.

［3］ GB／T19836—2005，電動汽車用儀表［S］.

［4］ DB 44／T 1199—2013，電動汽車遠程監控系統基本要求［S］.

［5］ DB 11／Z 993.1—2013，電動汽車遠程服務與管理系統技術規范 第1部分：總則［S］.

（編輯 楊 景）

Introduction to Low-voltage Working Principle on Electric Vehicle Design

ZHANG Hong-tao，SUN Jia，ZHANG Ling
（Beijing R＆D Center，Changan Automobile Co.，Ltd.，Beijing，100195 China）

With increasing popularity of electric car in recent years，electric vehicle has been widely concerned by the public.Beginning with vehicle working principles，this paper introduces electric car basic structure and circuit principals；Depicts a clear view of electric vehicle structure，and provides ideas of low-voltage principle design for beginners.

electric vehicles；low-voltage electrics；designing principle

U469.72

A

1003－8639（2016）10－0004－07

2016-02-19

張紅濤 （1983-），男，工程師，主要從事整車原理設計及線束設計相關工作；孫佳 （1983-），男，工程師，主要從事純電動車輛電驅動系統設計集成相關工作；張玲 （1981-），女，工程師，主要從事整車熱管理領域系統設計及開發工作。