纯电动试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 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（MH-Ni）比能量为 80-100Wh/kg，比功率 150-200W/kg，充电时间6min，充 电次数 600 次，成本150 美元/kWh，工作温度-30-65。日本松下公司不但开发了纯电动汽 车用的 EV 型电池组，还开发了汽油机-电池混合动力的 HEV 高功率镍氢电池，丰田公司 1997 年 12 月全世界第一次批量生产的 EV-Prius 混合动力电动车就使用了 HHR650D 型电池。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（VMU）作为主控制单元，以电机驱动控制单元（PMU） 、电池 管理系统（BMU）及相关控制电器作为从控制单元，以电动机和蓄电池组作为控制对象。 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