1.2 新能源汽车结构

1.2.1 纯电动汽车

纯电动汽车结构如图1-13所示，纯电动汽车主要由动力电池组、BMS（Battery Management System）采集单元、BMS主控单元、高压配电盒、电池预热系统、车载充电机、DC/DC变换器与铅酸电池、电动空调系统、电机控制器（Motor Control Unit，MCU）与驱动电机、机械传动机构与TCU、整车控制器（Vehicle Control Unit，VCU）等组成。由于低压车身电器、电子助力转向机构等与传统燃油汽车中并无差异，因此图1-13中未显示。

1.动力电池组

动力电池组是整车的能量源，通常由多个三元锂离子动力电池、磷酸铁锂离子动力电池单体组成。多个单体通常先并联构成“电池模块”，以增大容量，多个“电池模块”再以串联形式连接，以提高电压。例如，在某车型中，动力电池组由45并90串共4050个三元锂离子动力电池单体组成，单体标称电压为3.7V、容量为2600mAh，所组成的动力电池组标称电压为333V、容量为117Ah。

2.BMS采集单元

由于动力电池组由多个串联的“电池模块”构成，不同“电池模块”的温度、内阻、初始荷电状态（State of Charge，SOC）的差异会导致在使用过程中“电池模块”间SOC和单体电压差异不断变大，进而降低动力电池组的实际使用效能。因此，必须通过BMS采集单元对“电池模块”的电压、温度和SOC等进行采集，以实时监测“电池模块”的工作状态，并进行单体均衡管理。

3.BMS主控单元

BMS主控单元是整个车辆储能系统的管理中心，其主要功能包括直流母线电压和电流采集、绝缘电阻检测、充电控制导引、高压配电管理、电池历史信息存储、总线通信，以及SOC、SOP（State of Power，功率状态）、SOH（State of Health，健康状态）等电池状态分析，过温、过流、过充等故障诊断及安全预警。通常将由动力电池组、BMS采集单元、BMS主控单元和高压配电盒组成的系统称为动力电池系统。

4.高压配电盒

高压配电盒是整车能量的分配中心，一般由直流母线正极继电器、直流母线负极继电器、预充电控制继电器、快充控制继电器、慢充控制继电器、电池预热控制继电器、电动空调控制继电器、DC/DC控制继电器、预充电阻及相关熔断器构成。高压配电盒接收BMS主控单元的相关控制指令，通过控制相关继电器实现对相应用电部分的供电控制。在一些车型中，高压配电盒控制由整车控制器完成。

5.电池预热系统

作为电化学储能装置，动力电池的性能与温度密切相关。在低温下，锂离子动力电池的充放电容量和功率大幅降低，内阻急剧增加，导致电动汽车出现续驶里程缩短、动力不足和充电困难等问题。另外，低温下电池负极的析锂现象更加明显，负极表面锂枝晶的生长引起电池寿命缩短并有潜在的安全隐患[10]。当动力电池温度低于设定阈值时，电池预热系统通过薄膜加热、液体加热等方式对动力电池进行预热，预热所需的电能通常源于动力电池组或充电桩。目前，也有部分学者探索通过对电池放电或在电池两端施加交流电，利用电池内阻直接加热电池，以及采用改变电池结构、在电池内部加入产热元件等内部加热方式实现电池预热[10]。

过高的温度也会影响动力电池的使用效能。当电池温度过高时，需要采用风冷、液冷等方式对电池降温。不过，散热风扇或循环泵均采用12V或24V低压电，因此图1-13中未显示。

6.车载充电机

车载充电机将从车辆慢充接口输入的单相交流电变换为与动力电池组电压等级相匹配的直流电，进而向动力电池组充电。车载充电机的功率通常为5kW左右。同时，车载充电机还需要根据相应的接口标准完成与慢充充电桩的控制导引，国家标准为《电动汽车传导充电系统》（GB/T 18487.x—2015）。

7.DC/DC变换器与铅酸电池

DC/DC变换器将高压配电盒输出的高压直流电变换为低压直流电，并采用恒压/恒流充电策略对12V或24V铅酸电池进行充电管理，进而为车身电器、电子助力转向、电子液压制动等低压用电设备及BMS和整车控制器供电。通常采用全桥推挽式隔离DC/DC变换器。

8.电动空调系统

电动空调系统与传统燃油汽车空调系统的原理基本相同。在传统燃油汽车中，发动机通过电磁离合器带动压缩机；而电动汽车采用电动压缩机，由动力电池提供直流电，并由电动压缩机控制器实现对电动压缩机的驱动与控制。

9.电机控制器与驱动电机

电机控制器与驱动电机是整车的动力中心。电机控制器是可以实现直流—交流逆变和交流—直流整流变换的电力电子装置，接受整车控制器的控制，将高压配电盒输出的直流电变换为频率、电压均可调的三相交流电，控制交流电机的转矩或转速。同时，在车辆制动时，电机控制器还控制电机产生相应的制动转矩，并将电机发出的电能回馈至动力电池组。用于车辆驱动的电机一般为三相永磁同步电机、三相异步电机或开关磁阻电机。

10.机械传动机构与TCU

转速n、转矩T与功率P满足

车辆牵引动力装置的理想运行特性是在全车速范围内为恒功率输出，由式（1-1）中的转速、转矩和功率的关系可知，其转矩应随车速呈双曲线变化。另外，由于车辆低速时应限制牵引动力装置的输出转矩，使其不超过轮胎与路面之间的最大附着力，因此车辆牵引动力装置的理想外特性变为低速恒转矩、高速恒功率，如图1-14所示[8]。

对于由FOC矢量电机控制器驱动的永磁同步电机，典型的电机外特性如图1-15所示。当转速低于基速时，磁通保持恒定，电压增至额定值，电机保持恒定转矩。当转速高于基速时，电压保持恒定，电机控制器通过弱磁实现转速的持续增大，电机保持恒功率输出，最大转矩随转速下降。可见，电机的典型外特性非常接近图1-14中的车辆牵引动力装置的理想外特性。因此，电动汽车的机械传动机构通常采用固定减速比的单挡传动装置[8]。变速箱控制单元（Transmission Control Unit，TCU）用于接收整车控制器或驾驶员的相关控制指令，控制变速箱处于驻车、倒车或行车状态。

需要指出的是，典型的内燃机外特性（节气门全开）如图1-16所示。其输出转矩通常从怠速开始缓慢增大，当达到中间转速时，输出最大转矩。进一步增大转速时，由于进气管损耗和机械摩擦增大等，输出转矩减小。可见，典型的内燃机外特性与图1-14中的车辆牵引动力装置的理想外特性相差较大。同时，由于内燃机存在怠速，必须采用多挡传动装置或无级变速器来改善其特性。

11.整车控制器

整车控制器是电动汽车动力系统的控制核心，负责对驾驶员输入的油门、制动、挡位及工作模式等信息进行解析。同时，根据动力电池SOC、车速、直流母线电压、直流母线电流等车辆状态信息，以及相应的能量管理策略，控制动力电池的输出功率及驱动电机的工作状态。此外，整车控制器通常还充当整车动力系统的CAN总线网关，负责BMS CAN总线、车载充电机CAN总线及充电桩CAN总线之间的数据转发。

纯电动汽车是我国发展新能源汽车的重点支持车型。虽然受限于动力电池的能量密度、充电时间、充电便捷性等因素，纯电动汽车尚不能满足消费者对理想新能源汽车的预期，但是其具有以下优点。

（1）作为二次能源，电能的来源较广，包括风力、光伏、核能、潮汐能等，纯电动汽车的推广应用可消耗清洁能源，避免了对石油资源的依赖，对于优化我国能源消费结构、降低碳排放具有战略意义。

（2）纯电动汽车可以作为储能设施，充分发挥夜间充电对电网的“削峰填谷”作用，促进夜间风电消纳，提高电网运行效率和可靠性。

（3）纯电动汽车结构简单，可避开内燃机、复杂传动机构等技术短板。同时，经过20多年的技术积累，我国已经在动力电池与管理系统、驱动电机与电力电子等核心技术方面积聚了足够的技术优势，可以实现纯电动汽车关键核心零部件的完全自主化。

（4）我国锂矿资源较丰富，可支持以锂离子电池为主要储能装置的纯电动汽车的大规模推广，避免关键资源受制于人。