纯电动试验车与电驱动系统总结分析方案

纯电动实验车及其相关技术研究

1．电动车现状相关

电动汽车包括纯电动汽车EV、混合动力电动汽车HEV和燃料电池汽车FCEV三种类型，现有EV存在的主要问题：续驶里程有限、电池寿命太短、电池尺寸过大、重量过重、电动车价格昂贵、间接污染严重。EV的关键技术主要是电动机及其控制技术、电池技术、能源管理技术和车身轻量化技术。

2．电动车系统相关

普通燃油车改装成传电动汽车主要分为三个部分，即传动系的改制、制动系的改制和控制系统的改制。

传动系统改制为拆除发动机总成，包括空气供给及排气系统<如空气滤清器总成、排气管、消声器等）、燃油供给系统<燃油箱及进回油管），然后安装驱动电机及控制器。

制动系改制要考虑到制动系统装置的真空源来自于发动机进气歧管，拆除后缺乏真空源，必须加入真空泵和真空罐以及电源逆变器，出于安全考虑应加入真空不足报警装置。

电机冷却系统采用水冷却方式，必须加入相关冷却水循环系统及电动冷却风扇，风扇的接通与断开由安装在电机上的温控开关自动控制。

纯电动车所需电池较多，为了提高车辆利用率，可安装电池快速更换机械装置，在电池盒上装上机械式电连接器，更换时可自动对接，配合电池箱滑动轨道，可以轻便的完成更换工作。

3．电动机类型及其比较

电动汽车常用电动机主要有两大类：换向器电动机和无换向器电动机。

换向器直流电动机控制原理非常简单，但由于有换向器和电刷，使得可靠性较低且需要定期维护。

无换向器直流电动机具有高效率、高功率密度、低成本运行、更可开及免维护等性能。其中又包括感应电动机、永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、开关磁阻电动机和永磁混合电动机，对于目前常用电动机，采用数字评分法在六个方面的性能加以评价和比较：

我国有多家事业单位研发了不同型号的EV，其电机和整车主要性能如下表：

4．蓄电池的选型与与比较

电池是EV的核心技术，从EV的应用角度上讲起主要性能参数有两个：即比能量和比功率。而EV得普及应用要求电池具有高比能量、高比功率、使用寿命长和价格便宜四大条件。

比能量分为重量比能量和体积比能量，单位分别是Wh/kg和Wh/L。比功率也分为重量比功率和体积比功率两个参数，单位分别是W/kg和W/L。比能量反应的是电池容量的大小，直接影响汽车一次充电可行驶的里程数；比功率反应的是电池功率的大小，直接影响

汽车加速性能和爬坡性的好坏。

目前可用于电动汽车的电池主要有：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和锌-空气电池。

铅酸电池功能指标：比能量50Wh/kg<一次充电行程160km），比功率150W/kg，价格<150美元/kWh，循环充电次数>500次，快充性能50% 5min，80% 15min。

镍镉电池标称电压1.2V，比能量56Wh/kg，比功率225W/kg，循环充电次数2000次，寿命为7年，快速充电能力强。但初期投资高昂、标称电压低、记忆效应大、存在镉污染。

镍氢电池

锂离子电池是新型高能蓄电池，国内外相关产品参数对比如下：

深圳雷天绿色电动源有限公司成功研发出大功率、低成本的锂离子动力电池，顺利通过了国家电池权威检测机构的检测，11项指标全部合格，填补了国内空白。

锌-空气电池比能量180-230Wh/kg，能量密度达230Wh/L，电池容量不受放电强度和温度影响，能在-20℃-80℃温度范围内正常工作，安全性能好，无腐蚀作用，成本低回收利用方便，缺点是寿命短、比功率小、不能输出大电流及难以充电。

新概念电池飞轮电池，利用飞轮高速转动的动能转化为电能，飞轮在真空环境下运转，转速高达200000r/min，比能量可达150Wh/kg，比功率达5000-10000W/kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。美国已利用最新研制的飞轮电池成功改装一辆电动轿车，一次充电可行驶600km，由0到96km/h加速时间仅为6.5秒。

5．电池检测与电源管理

蓄电池工作状态主要指电池正常使用时的端电压、工作电流、温度和内阻4个参数的变化情况。所谓电池检测通常是指对前3个工作参数的检测。

影响电池寿命的因素有：充电电流、充电电压、放电深度、环境温度、充放电次数。针对这五个因素，一般有如下对策：充电器优化充电、控制放电深度、补偿环境温度、减少充放电次数、均浮充自动转换。

电池工作状态检测由电源<能源）管理系统BMS完成，电源管理系统从功能上可分为两个层面：底层完成数据采集，上层完成数据处理、分析与控制。中间通过通信管道进行数据交换和传输。

图5-1 电池管理系统框图

检测思路应遵循“局部集中、整体分布”的原则，即集中/分布式检测法，并用于电池检测系统的设计。

微型纯电动汽车电驱动系统基础研究

1．改装电动车相关工艺流程

图1-1 电动车改装相关工艺流程

2．电动汽车电气系统设计

图2-1 电气系统总体配置框图

整车以车辆管理单元

其控制流程如下驾驶员控制操纵装置<如踏板、钥匙）向VMU发出命令，VMU通过通讯网络系统接收控制命令并采集BMU、PMU、整车等的状态信息进行相应的处理和运算，然后发出操纵指令，BMU、PMU和车载仪表由通讯网络获得VMU操纵命令，执行命令并反馈信息至VMU。主电池经DC/DC变换器向VMU及原有车身电气系统<冷风暖风、助力转向、车灯、音响、喇叭和刮水器等）提供低压电。

纯电动汽车很多部分都由独立的电子控制器进行控制。为了将整个电动汽车内各系统

进行统一管理，实现数据共享和相互之间协同工作，我们采用总线进行数据传递。CAN网络是现场总线技术的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线。CAN网络原本是德国BOSCH公司为欧洲汽车市场所开发的。CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。在现代轿车的设计中，CAN总线被广泛的采用，奔驰、宝马、大众等汽车都采用了CAN总线进行控制器的联网。

3. 车辆管理单元

车辆管理单元是整车控制的核心，以整车的性能最优为目标，控制车辆的运行状态、能源分配，协调和发挥各部分的优势。其功能如下：

<1）汽车驱动控制功能根据驾驶员的要求以及相应的车辆运行状态、工况，计算驱动转矩，控制电机驱动控制系统满足工况要求。

<2）制动能量回馈控制根据制动踏板的开度、车辆行驶状态、电池管理系统的信息，确定制动模式和制动力矩。

<3）整车能量管理控制能量消耗，对蓄电池、辅助动力源和车载其他动力系统统一管理，提高整车能量利用率，增加续驶里程。

<4）故障诊断及保障提供安全和诊断服务，充电和驱动时的安全保障，故障的诊断监控车辆温度、冷却系统、车辆的运行状态监视主要设备的过电流、过电压、欠电压、过热，必要时切断主断路器。

<5）车辆状态监视通过通讯网络采集车辆状态信息，通过人机界面显示给司机。

<6）通讯管理整车通讯的主节点，接收来自电机驱动控制单元、电池管理系统、人机界面的所有信息，发送电机设定转速、设定力矩、正反转信息，各个部件的启动停止命令，车辆的工作模式和整车的运行状况等。

4．电驱动系统控制回路

图4-1 电驱动系统控制回路总体框图

图中BMU为电池管理系统；VMU为车辆管理单元；PMU为电机驱动管理单元；KA1为VMU电源继电器；KA2为PMU主接触器控制继电器；KA3为充电接触器控制继电器；KA4为PMU软上电继电器的控制继电器；KA5为PMU软上电继电器；KM1为PMU单元主接触器；KM2为充电接触器；R为软上电限流电阻；S1B为BMU电源开关；S1V为VMU开

关；SQ1为充电机接通信号行程；F开关为熔断器。

实现的控制如下

<1）初始化

开关S1V打到位置时，KA1继电器吸合，VMU电源接通。S1B开关接通电池管理系统上电。开关S1V打到2位置时，KA4继电器吸合，软上电继电器KA5吸合，蓄电池经限流电阻R为PMU上电，当PMU电压与电池组相等时，KA2吸合，PMU单元主接触器KM1接通，同时KA5断开，PMU上电完成。

<2）充电控制

当充电接通信号行程开关SQ1接通，VMU接到信号后发出充电指令，冲电接触器控制继电器KA3得电，接触器KM2接通，充电机向蓄电池组充电。将KA2、KA3设计成互锁电路，KA3得电同时其常闭触电打开，PMU主接触器断开，防止充电时车误走。

<3）行车控制

VMU采集加速踏板和制动踏板的开度信号，经过VMU的驱动控制策略和制动控制策略的计算得到转矩控制量，通过通讯接口传向PMU控制电机的转矩，实现对车辆运行的控制。

<4）状态监视、故障保护

VMU通过通讯网络与BMU、PMU、人机界面相连，实时显示车辆的状态信息。当电机驱动控制单元发生故障时，液晶显示屏上显示报警状态，通过按屏幕上的复位键C，可以使PMU进行系统复位。

5. 车辆管理单元软硬件构成

图5-1 控制系统信息流图

主控制器：

图5-2 嵌入式PLC原理框图人机界面：

图5-3 人机界面结构示意图管理单元软件构成：

图5-4 主程序流程图