任務一 純電動汽車類型、運行模式與結構特征識別

情境導入

情境描述

作為汽車行業從業人員，你需要為一位客戶介紹吉利帝豪純電動汽車與傳統燃油汽車相比的優勢，你能正確介紹嗎？

情境提示

純電動汽車不再有傳統的內燃機，能源由動力電池提供，因此其類型、結構特征以及運行模式，都與傳統汽車不一樣。

學習目標

知識目標

1.能描述新能源汽車的類型。

2.能描述純電動汽車的類型。

3.能描述純電動汽車的工作過程與運行模式。

4.能描述純電動汽車的結構特征。

技能目標

1.能識別純電動汽車的類型。

2.能識別純電動汽車的結構。

3.能進行純電動汽車維修開關拆卸與安裝。

一 基本知識

1.新能源汽車的類型

根據動力系統獲取能源的方式，汽車可以分為以下類型（圖1-1-1）。

類型一 燃油汽車：通過傳統內燃機驅動的汽車，全部的動力能源都來自內燃機輸出。采用的燃料是汽油或柴油。

類型二 替代燃料汽車：在內燃機基礎上研發以替代燃料技術為主的替代燃料汽車，如燃氣類汽車、醇類汽車、氫氣汽車等。

類型三 電動汽車：以電力驅動技術為主的電動汽車。電動汽車從動力結構的角度可以分為純電動汽車、混合動力汽車，同時也包括燃料電池汽車及其他類型的電動汽車，如太陽能汽車和超級電容汽車等。對于將燃料電池汽車、太陽能汽車和超級電容汽車歸類到電動汽車類型中，主要原因在于此類汽車的能源最終都是轉換成電力形式，通過電機驅動車輛的。

根據國家對新能源汽車的定義，只有純電動汽車（包括太陽能汽車、超級電容汽車）、插電式混合動力（包括增程式）汽車和燃料電池汽車才屬于新能源汽車，其他類型則屬于節能汽車、清潔能源汽車的范疇。

根據目前市場的實際情況，大部分新能源汽車屬于純電動汽車或油、電類型混合動力汽車，因此以下的內容在沒有特別說明的情況下，所述的新能源汽車即為上述兩種類型。

2.純電動汽車的類型

純電動汽車（Battery Electric Vehicle，簡稱BEV或EV），指全部采用電力驅動的汽車，由動力電池提供電能，利用驅動電機來驅動車輛。圖1-1-2是帝豪EV450純電動汽車前機艙圖片及主要動力參數，與傳統燃油車輛有明顯的區別。

目前市場上有多種類型的純電動汽車，下面根據純電動汽車的動力源和動力布置方式進行分類。

（1）根據純電動汽車的動力源分類

純電動汽車的動力傳輸目前有單一車載動力電池和輔助動力源兩種類型。

1）用單一車載動力電池作為動力源的純電動汽車

該類型純電動汽車只裝置了動力電池作為動力源，其動力傳輸系統如圖1-1-3所示。

2）裝有輔助動力源的純電動汽車

用單一動力電池作為動力源的純電動汽車，會存在電池的效率較低，電池組的質量和體積較大等缺點。因此，在某些純電動汽車上增加輔助動力源，如超級電容器、慣性儲能飛輪或太陽能等，由此改善純電動汽車續駛里程。裝有輔助動力源的純電動汽車動力傳輸系統如圖1-1-4所示。

目前市場上的純電動車輛主要采用的是單一動力電池的方式，例如典型的北汽新能源純電動汽車系列、比亞迪e5/e6、榮威e50、吉利帝豪EV300/EV450等車型。

（2）根據純電動汽車的動力布置形式分類

純電動汽車根據驅動電機與驅動車軸之間的連接關系，主要有以下3種布置形式。

1）替代內燃機布置

如圖1-1-5所示，替代內燃機布置形式只是將內燃機換成電機，仍然保留了離合器、變速器和驅動橋部分。這種布置可以提高純電動汽車的起動轉矩，增加低速時的后備功率。

2）電機齒輪機構集成布置

如圖1-1-6所示，電機齒輪機構集成布置形式取消了離合器和變速器，但保留減速差速機構，由1臺電機驅動兩車輪旋轉，可以是前驅，也可以是后驅。它的優點是可以繼續沿用當前內燃機汽車中的動力傳動裝置，只需要一組電機和逆變器。這種方式對電機的要求較高，不僅要求電機具有較高的起動轉矩，而且要求具有較大的后備功率，以保證純電動汽車的起動、爬坡、加速超車等動力性。

3）輪轂電機布置

如圖1-1-7所示，輪轂電機布置形式是將電機直接裝到驅動軸上，直接由電機實現變速和差速轉換。這種傳動方式同樣對電機有較高的要求，要求有大的起動轉矩和后備功率，同時不僅要求控制系統有較高的控制精度，而且要具備良好的可靠性，從而保證純電動汽車行駛的安全、平穩。

目前，市場上的純電動汽車主要采用的是電機齒輪機構集成動力布置形式，其驅動系統結構如圖1-1-8所示。

3.純電動汽車的工作過程與運行模式

（1）純電動汽車的工作過程

傳統汽車驅動車輛是依靠內燃機做功，通過變速器調節輸出動力的傳動比與方向，再通過傳動軸和車輪實現驅動車輛。而純電動汽車用電驅動系統替代了傳統汽車的內燃機和變速器，依靠動力電池、逆變器和帶驅動電機的變速驅動單元實現車輛的驅動。

純電動汽車能夠實現在不同路況環境下，快速反應并順利驅動車輛，不僅是依靠幾個驅動部件來完成的，整個驅動系統還需要一套完善的控制模塊，即整車控制器（VCU）、驅動電機控制器（MCU，與逆變器集成一體）和動力電池管理系統（BMS），這三個控制器是純電動汽車的核心技術，對整車的動力性、經濟性、可靠性和安全性等有著重要影響。

純電動汽車的主控模塊是整車控制器VCU。純電動汽車運行時，VCU讀取換檔信息（PRND）及制動開關信號，根據加速踏板的位置信號，發送給逆變器控制電機功率、運轉方向的輸出。VCU不間斷利用各個傳感器采集車輛狀態，計算并輸出期望的轉矩。

如圖1-1-9所示，當駕駛人踩下加速踏板時，整車控制器VCU控制動力電池輸出電能，然后通過控制逆變器驅動電機運轉，電機輸出的轉矩經齒輪機構帶動車輪前進或后退。

如圖1-1-10所示，純電動汽車運行過程中的能量流動主要有以下兩個路徑：

1）驅動車輛時的能量流動

驅動時，來自動力電池的能量通過高壓配電箱（BDU）、逆變器，再進入電機變速單元實現車輛驅動。

另外，整車控制器VCU還會同時協調動力電池管理系統、熱管理系統和儀表顯示等輔助功能。動力電池的管理系統BMS隨時監測電池的運行狀態，并及時傳送給VCU，VCU結合這些狀態信息及當前的功率輸出需求，來平衡高壓電能功率器件的使用，并將信息通過儀表顯示給駕駛人。例如，VCU持續計算剩余的電池能量和當前的駕駛模式，根據車輛剩余的可用電能，車輛通常也會采取相應的提示和限制措施。圖1-1-11給出了儀表顯示動力電池能量狀態的方法。

2）制動減速時的能量回收

制動或車輛減速時，變速單元內的驅動電機將變成發電機，將能量通過逆變器、BDU傳回動力電池，為電池充電。

注意：當ABS被激活或者ABS出故障的時候，整車控制器VCU將關閉能量回收功能。

（2）純電動汽車的運行模式

純電動汽車運行時，由VCU采集加速踏板和檔位狀態信息，來判斷駕駛人的駕駛意圖，并結合動力系統部件狀態，協調動力驅動系統輸出動力。另外，VCU還會同時協調動力電池、熱交換系統的運行，并實現儀表顯示等輔助功能。

1）加速前進

整車控制器VCU讀取換檔PRND信息及制動開關信號，根據加速踏板的位置信號，發送信號給逆變器，控制電機功率、轉動方向的輸出。

注意：當外部充電線連接在車上時，系統將禁止車輛移動。

2）減速與制動

滑行或者減速的時候，整車控制器VCU能夠進行制動能量的回收。制動能量通過驅動電機轉換為電能儲存到動力電池中。

注意：當ABS被激活或者ABS故障的時候，VCU將關閉該功能。

3）運行中的動力模式管理

整車控制器VCU不間斷利用各個傳感器采集車輛狀態，計算并輸出期望的轉矩。

動力電池的BMS隨時檢測動力電池的運行狀態，并及時傳送給VCU，VCU結合這些狀態信息及當前的功率輸出需求，來平衡高壓電能功率器件的使用，并通過儀表顯示給駕駛人。如圖1-1-12所示。

4.純電動汽車的結構特征

純電動汽車的基礎仍然是汽車，只是驅動車輛的能源形式變了。

與傳統汽車相比，純電動汽車具備以下結構特征。

特征一：保留了傳統汽車的大部分部件，如車身、燈光、底盤等。外形的結構與傳統汽車基本一致，為了迎合時代的潮流，新能源汽車外形設計通常比較“時尚”。圖1-1-13所示是特斯拉純電動汽車的外形，圖1-1-14是吉利帝豪EV450純電動汽車的外形。

特征二：改變了驅動車輛的動力形式。純電動汽車采用了動力電池加電機及驅動單元的方式，取代了傳統汽車的內燃機和變速器。

純電動汽車行駛的動力全部依靠驅動電機（簡稱電機或電動機），電機的驅動電能來自動力電池（也稱動力蓄電池、高壓電池包等）。如圖1-1-15所示，純電動汽車的驅動系統上不再有傳統汽車的內燃機和變速器了，取而代之的是位于車輛后部或底部的動力電池，以及位于原內燃機位置的一個帶有電機的變速驅動單元，同時也包含控制電機的逆變器（驅動電機控制器）及其他高壓部件。

特征三：因為驅動系統和運行模式的改變，部分輔助系統也相應地做了改變。例如，空調與暖風系統、低壓電源系統以及補充能源的形式等。

以下介紹純電動汽車在結構上與傳統燃油汽車的區別。

（1）外觀標識

純電動汽車通常在車身上標識有EV等字樣，這是最“直接”的識別方式，如圖1-1-16所示。

（2）銘牌參數

除了與傳統汽車基本一致的車輛識別碼（VIN碼）外，純電動汽車銘牌上都會注明動力電池、驅動電機相關的技術信息。圖1-1-17是帝豪EV450純電動汽車的銘牌。

（3）高壓電纜

純電動汽車使用高壓電，需要高壓電纜（或稱高壓導線）向各高壓部件輸送高壓電，連接高壓電器部件之間的電纜都屬于高壓電纜。高壓電纜的外部絕緣層顏色采用標準的橙色。高壓電纜及電纜之間的插接器需要滿足國家高壓電器安全標準。同時，由于高壓部件之間電流很大，所以采用的電纜直徑都在5mm以上。圖1-1-18是高壓電纜及插接器。

（4）充電口

純電動汽車和插電式混合動力汽車，需要通過外部充電的方式來獲取電能，因此可以通過充電口（通常位于傳統汽車加油口或車標位置）這個特征進行判別。

圖1-1-19所示的是正在充電的吉利帝豪EV450純電動汽車，圖1-1-20所示的是EV450車型的充電口。

（5）動力電池

動力電池是純電動汽車唯一的動力源，混合動力汽車輔助的動力源。

圖1-1-21所示的是動力電池結構示意圖。動力電池由BMS進行控制，在向全車提供電能的同時，還對動力電池進行電量計算評估、安全監測、充放電控制、漏電監測，以及控制電池的電量平衡。

（6）變速驅動單元及驅動電機

變速驅動單元是新能源汽車，特別是純電動汽車動力輸出的關鍵部件，內部主要包括驅動電機和減速齒輪機構。驅動電機將電能轉換為機械能來實現驅動車輛。對于前驅的車輛，變速驅動單元安裝在前機艙內，后驅車輛則安裝在底盤后部。

圖1-1-22所示的是純電動汽車變速驅動單元的結構，在其內部可以看到驅動電機和連接電機轉子的齒輪機構。此外，更明顯的是變速驅動單元的上方還連接有逆變器（驅動電機控制器）的三根橙色高壓電纜。圖1-1-23是吉利帝豪純電動汽車驅動電機及技術參數。

（7）逆變器/驅動電機控制器

逆變器是變速驅動單元的主控部件，通常位于變速驅動單元的上部。逆變器一端連接來自動力電池的高壓電纜（兩條），另一端連接驅動電機的三相交流電纜（三條），主要用于將來自動力電池的直流電轉換為可用于驅動電機的三相交流電，同時在車輛減速制動能量回收時，用來將電機產生的交流電轉換成直流電，反饋給動力電池充電。大多數車輛將逆變器與電機控制單元集成在一起，稱“驅動電機控制器”，實現逆變器的功能和控制電機的運轉。

圖1-1-24所示的是帝豪EV300車型驅動電機控制器的外形圖。

（8）DC/DC變換器

傳統燃油汽車是通過發動機帶動發電機為12V蓄電池充電，并為車載電器提供工作電源的。純電動汽車不再設計有發電機，動力電池的高壓電通過DC/DC變換器變換為12V低壓電源，為12V蓄電池充電，并為常規的車載電器提供工作電源。常規的車載電器部件包括燈光、中控門鎖、信息娛樂系統、電動門窗等。

圖1-1-25是純電動汽車高壓和12V低壓電源系統的變換過程。

DC/DC變換器通常安裝在前機艙內，將動力電池的高壓直流電轉換為低壓12V直流電。有的車型（如比亞迪e6）的DC/DC變換器包含空調驅動器功能，接收空調控制器（控制單元）的信息來為空調壓縮機和暖風加熱器PTC提供電源。也有的車型（如比亞迪e5）將DC/DC變換器和其他高壓部件，如車載充電器、驅動電機控制器集成一體。

如圖1-1-26所示，比亞迪e6前機艙左側的是DC/DC變換器（與空調驅動器集成一體），右側是驅動電機控制器。

圖1-1-27所示為帝豪EV300 DC/DC變換器（集成于電機控制器內）。

（9）高壓配電箱

在純電動汽車應用中，一般將動力電池與驅動電機逆變器之間的高壓配電箱單元稱為BDU(Battery Disconnecting Unit)，也有公司將其稱為“高壓控制盒”等。BDU是整車高壓配電裝置，主要作用是高壓電源的分配、接通、斷開。純電動汽車在運行時，動力電池輸出的電能主要去向有五個方向。

動力電池→BDU→逆變器：為驅動電機提供電能，并接收制動能量回收電能；

動力電池→BDU→高壓壓縮機：為車載空調系統提供制冷電能；

動力電池→BDU→DC/DC變換器：為車輛低壓電器提供電源和為12V蓄電池充電；

動力電池→BDU→PTC暖風加熱器：為車載暖風系統提供加熱電能；

外部220V電源→車載充電機→BDU→動力電池：使用外部220V電源為動力電池充電。

BDU的電能分配單元內部主要是繼電器和控制電路，由車輛動力系統控制模塊（包括整車控制器VCU和BMS），根據點火開關或充電需求，控制對應繼電器的接通和斷開。圖1-1-28所示為帝豪EV300高壓配電箱BDU的外形和內部結構。

（10）整車控制器

整車控制器（簡稱VCU或VCM）通常安裝在前機艙或駕駛室內（圖1-1-29）。VCU是全車動力系統的主控制模塊，是實現整車控制決策的核心，類似于傳統汽車動力系統控制模塊PCM的功能。VCU通過采集變速器檔位、加速踏板、制動踏板等位置信號來判斷駕駛人的駕駛意圖；通過監測車輛狀態（車速、溫度等）信息，由VCU判斷處理后，向動力系統、動力電池系統發送控制命令，同時控制車輛其他系統的運行。

（11）漏電傳感器

漏電傳感器主要用于監測動力電池與車身的漏電電流。圖1-1-30所示為比亞迪e6的漏電傳感器。有的車型，如帝豪EV300的漏電傳感器位于動力電池內部。

（12）維修開關

維修開關是電動車輛（包括純電動和混合動力汽車）中一種常用的手動操作設備，用于直接斷開車輛中的高壓電，以保證能安全地對車輛進行維修檢查工作。圖1-1-31所示為帝豪EV300的維修開關。

（13）空調與暖風系統

純電動汽車和大部分混合動力汽車的空調采用電動方式（高電壓）來驅動壓縮機，區別于傳統汽車通過內燃機曲軸傳動帶驅動形式，但空調的制冷原理與傳統車輛相同，如圖1-1-32所示。

在供暖實現的形式上，由于沒有了內燃機70℃以上的熱量來源，驅動電機產生的熱能也達不到合適溫度，純電動汽車通常是利用電加熱的方式來產生暖風。電加熱的方式有兩種，一種是通過高壓電加熱類似傳統空調與暖風系統中的冷卻液，再經過循環為暖風水箱提供熱量；另一種是直接通過高壓電驅動PTC(Positive Temperature Coefficient的縮寫，意思是正溫度系數，溫度越高電阻越大，泛指正溫度系數很大的半導體材料或元器件)加熱器，來加熱經過蒸發箱的空氣，實現供暖，如圖1-1-33所示。

（14）制動系統

純電動汽車的液壓制動系統與傳統燃油汽車基本組成結構區別不大，但是純電動汽車液壓制動的輔助助力不再有來自內燃機的真空源，為保證制動安全，通常需要單獨設計一個電動真空系統來為真空助力器提供真空源。圖1-1-34所示為電動真空制動系統結構示意圖。

（15）轉向系統

由于純電動汽車不能通過內燃機來驅動液壓助力轉向泵的方式，來實現液壓轉向助力，因此純電動汽車都采用電動助力轉向系統，即在原機械轉向系統基礎上安裝一個電機，作為轉向的輔助動力。轉向系統電機從車輛電源系統（通常是42V）獲取電能。圖1-1-35所示為電動轉向機構結構示意圖。

（16）組合儀表

與傳統汽車相比，純電動汽車的組合儀表減少了各種指針，而用純液晶顯示屏代替，在顯示的內容上面，有行車信息顯示區域、車速表、續駛里程以及各種指示燈、警告燈等。中間顯示車速和行車信息，儀表的兩側，取消了發動機轉數和燃油表指針，換成了電機功率和剩余電量（SOC）。圖1-1-36所示為純電動汽車的組合儀表。

（17）高壓電控總成

早期的純電動汽車與高壓相關的部件都是獨立設計的（圖1-1-37所示為北汽E150EV前機艙部件位置），隨著技術的發展，新能源汽車生產廠家紛紛將高壓部件集成為一體。如圖1-1-38所示，北汽新能源從2016年以后生產的純電動汽車，已將DC/DC變換器、高壓控制盒（即BDU）、車載充電機集成到一個部件——PDU（動力控制總成）中，由PDU完成上述三個部件的功能。

如圖1-1-39所示，比亞迪e5將驅動電機控制器（逆變器）、高壓配電箱、DC/DC變換器、車載充電機“四合一”設計，稱“高壓電控總成”，功能如下：

1）控制高壓交/直流電雙向逆變，驅動電機運轉，實現充、放電功能（即驅動電機控制器、車載充電機）。

2）實現高壓直流電轉化低壓直流電，為整車低壓電器系統供電（即DC/DC變換器）。

3）實現整車高壓回路配電功能以及漏電檢測功能（即高壓配電箱和漏電傳感器）。

4）直流充電升降壓功能。

5）車載局域網CAN通信、故障處理記錄、在線編程以及自檢等功能。

如圖1-1-40所示，帝豪EV450采用將驅動電機控制器（逆變器）、DC/DC變換器集成在一體，高壓配電箱、車載充電機集成一體的設計。

二 基本技能

1.純電動汽車類型與結構的識別

參照前文“基本知識”的內容，識別純電動汽車的類型，以及純電動汽車與傳統汽車在結構上的區別。

2.純電動汽車維修開關拆卸與安裝

下面以吉利帝豪EV300/EV450為例，介紹維修開關的拆卸與安裝程序，其他車型和部件請參照原廠維修手冊及相關資料。

（1）拆卸程序

1）打開前機艙蓋，并斷開低壓蓄電池負極電纜。

2）如圖1-1-41所示，打開儲物盒蓋板。

3）如圖1-1-42所示，拆卸儲物盒。取下儲物盒后，即可看到橙色的維修開關。

4）如圖1-1-43所示，用拇指按住維修開關把手卡扣，其余手指按住把手，當把手由水平位置到垂直位置時，向上垂直拔出維修開關插頭。取下整個維修開關，并妥善放置。

5）如圖1-1-44所示，關閉儲物盒蓋板。

注意：防止異物落入維修開關插座，以免造成維修開關短路。

提示：拆卸維修開關后，請采用萬用表再次確認需拆卸的高壓部件不再有高壓電。

（2）安裝程序

1）如圖1-1-45所示，打開儲物盒蓋板。

2）如圖1-1-46所示，連接維修開關。維修開關插頭垂直對準插座輕按，如受到阻力則旋轉插頭180°再輕輕向下按，然后使把手卡口卡到位或聽到輕微“咔嚓”聲。

3）如圖1-1-47所示，安裝儲物盒。

4）如圖1-1-48所示，關閉儲物盒蓋板。

5）連接低壓蓄電池負極，并關閉前機艙蓋。