电动汽车设计之整车低压工作原理介绍

张红涛，孙 佳，张 玲

（长安汽车股份有限公司 北京研究院，北京 100195）

电动汽车设计之整车低压工作原理介绍

张红涛，孙 佳，张 玲

（长安汽车股份有限公司 北京研究院，北京 100195）

随着近年来出现的 “电动汽车热”现象，电动汽车已经受到了广泛的关注。本文从整车工作原理方面着手，将电动汽车的基本构成及其电路原理进行介绍，使读者可以更能清晰明了地了解电动汽车的构造，为初级入门者提供电动汽车低压原理设计的思路。

电动汽车；低压电器；原理设计

随着地球变暖、石油能源紧缺、自然环境日渐恶化等等一系列现实问题的凸显，如何使用低排放、低污染的清洁能源是亟待解决的问题。汽车的销量以每年10%～20%的需求速度增长，汽车这个吃油大户无疑会被推到风口浪尖上，因此，汽车行业也在积极探寻新的能源。纯电动汽车有着环保、零排放、油耗低、运行成本低等优势，因此逐渐成为人们热捧的对象。同时，各国都相继颁布了针对电动汽车的各种政策支持，因此，各车企都在积极开发纯电动汽车。

如果按照全新的车型来进行开发，整个研发周期一般会达到38乃至45个月，等生产出来的时候，整个行业已经是日新月异的下一代了，不能够满足行业和车企的周期要求。因此，如何能够尽快拿出研制成果是非常重要的，而电气系统的设计是汽油车改制电动汽车至关重要的一环。下文简单介绍纯电动汽车与常规汽油部件的主要区别，以此来阐述电气原理及其实现方式。

1 电动汽车专用部件简述

1.1 电动汽车设计综述

常规汽油车是通过发动机燃油喷射系统，将汽油和空气混合后爆炸的能量转换为扭矩来驱动汽车前进；而纯电动汽车则靠的是一个直流或交流电动机，通过电机将电能转化为扭矩来驱动汽车前进。

常规汽油车的能量来源是汽油，而纯电动汽车通常是由动力电池等储能装置进行电能释放作为行驶能量来源 （目前适用的电压平台一般以300～600V居多，以下以330V为例）。动力电池将高压直流电源源不断地输送出来，经过转换器将高压的直流电转换为适合驱动电机的直流或交流电，从而驱动车辆前进。

同样，因为没有了发动机，所以原本在发动机轮系上带动的发电机、压缩机、助力转向油泵等部件就需要进行相应的替换。替代发电机给低压蓄电池充电的部件是一个直流转换装置，它可以将动力电池输出的高压直流电源转换为12V的低压直流电 （以下均以12V为例），从而给低压蓄电池充电，同时作为整车所有低压用电器的电源。压缩机没有了皮带轮的驱动，也就从皮带驱动转化为使用高压电来驱动的电动压缩机。转向方面，目前大部分汽油车上在使用的都是液压助力转向装置，但使用电动转向泵辅助转向的电动助力转向器在现在的很多汽油车上也都配备，在没有了机械助力转向油泵的时候，自然也就选择了电动助力转向。

1.2 电动汽车专用部件及相关功能

1.2.1 行车专用部件

1）动力电池 电动汽车的核心在于整车所有部件的能量源泉是电能，那么整车的核心部件就是动力电池。动力电池功能是存储电能，在需要时可以输出电能，为整车所有用电部件提供电能，进而转化为整车需要的各种形式的能量。目前行业内使用的动力电池一般为铁系锂电池和三元锂电池。动力电池因其尺寸较大，一般都布置在地板下面或者行李厢内，如图1所示。

图1 电动汽车行车专用部件布置图

为了达到正常的电能使用，动力电池内部设置有BMS，也就是动力电池管理系统。BMS需要同时监控电池包内部各电池模组的电压、电流、温度等电池的工作状态参数，通过这些参数来判定目前的电池状态允许充电、放电的功率等，同时将这些参数通过CAN信息发送给整车控制器。

2）电机控制器及驱动电机 如果说汽油车的动力源是发动机，那么电动汽车行驶的动力源应该是驱动电机了，驱动电机通过将电能转化为机械能，从而驱动车辆行驶。驱动电机内部也有逻辑定义，可以接收不同的转速使能等信号，同时将电机状态信号反馈给电机控制器。

目前使用较多的是交流异步电机或永磁同步电机，工作电压一般为交流144～600V。为了让电机在合适的电压下工作，就需要有一个转换装置，将动力电池输出的高压电转换成适合电机工作的电压平台，也就是从高压直流1变化为高压直流2或高压交流电。电机的工作需要一个控制的部件，同时还需要对电机反馈的信号进行处理，监控电机实际运行状态、温度等。因此，这部分综合起来作为一个整体部件，也就是电机控制器。

纯电动轿车的电机控制器和驱动电机一般布置在机舱内，为前置前驱，如图1所示。但微车或客车的电机控制器和驱动电机一般都是底盘下方。综合来说，都是距离驱动轴比较近的位置。

3）整车控制器 汽油车控制发动机工作的关键部件就是发动机管理系统ECU，电动汽车没有了发动机，但增加的是电机、电机控制器等相应的设备，同样需要有用来控制驱动电机和电机控制器以及将动力系统和整车之间的信号关联起来的部件，那就是整车控制器VCU。整车控制器会接收整车的车速、制动踏板状态、油门踏板状态、整车剩余电量、整车工作电流、工作部件等信息，综合来判定并驱动行车所需要的部件进行工作。

4）直流变换器 没有了发电机，就需要新增一个部件作为整车低压部件的能量来源并给12V蓄电池充电。直流变换器DCDC就是具备了此功能的一个部件，它将动力电池输出的高压直流电转换成为可供蓄电池充电和整车低压用电器使用的低压12V直流电源。

作为一个智能化直流变换器，可以同时对整车的用电量进行监控。当行驶路况较差从而导致整车用电器工作较多的时候，DCDC会进行较大功率的转换；当行驶路况较好的时候，整车用电器使用功率较小，DCDC可以进行较小功率的转换。因此，DCDC具备可以进行智能化功率转换的优势，防止定功率转换造成的电量不够或电量浪费。

5）充电装置 动力电池能量的补充，一般有2种方式：一种是通过交流充电桩及车载充电机进行小倍率电流持续充注；另一种是通过直流充电桩对动力电池进行大倍率电流短时充注。

小倍率电流充注就是一般所说的慢充，使用普通家庭用的交流220V电源进行。整车需要配备一个充电机，将家用交流220V转换成为动力电池所需的330 V直流电压，这样才能给动力电池充电，慢充的时间一般为8h左右。

大倍率电流短时充注就是一般所说的快充。在各电动汽车推广的城市都会建造电动汽车专用充电站，利用充电站的充电桩给电动汽车充电一般使用2C～3C（电池以1h充满电量所需的电流）的速度充电，一般情况下只需要0.5h即可充满车辆整个动力电池的80%。快充直接从充电桩连接到动力电池，不通过整车其他部件。

6）其他配套部件 包括电子换挡器，电子油门，组合仪表。

电子换挡器：电动汽车使用的驱动电机本身具有双向旋转功能，即可实现前、后驱动且转速可调范围较大，也就不需要手动变速器进行换挡调速和转换前进与后退。电动汽车使用电子换挡器，可直接将所需要的信号发送给整车控制器，整车控制器就会来控制电机的正转、反转或转速变换。

电子油门：没有了发动机，也就不存在使用油门拉线控制进气量等的开度，只需将需要的油门信号发给整车控制器，整车控制器控制电机的转速大小即可。

组合仪表：因为纯电动汽车和常规汽油车有一些区别，因此在显示方面也有相应的区分，这就产生了电动汽车专用的组合仪表。电动汽车专用的组合仪表在传统汽车信号显示的基础上，又增加了系统准备就绪、电压、电流、荷电状态、动力电池断开、系统故障、动力电池故障、动力电池充电、充电线连接等电动汽车专用信号。针对电动汽车专用的仪表显示，在GB／T 4094.2—2005《电动汽车操纵件、指示器及信号装置的标志》和GB／T 19836—2005《电动汽车用仪表》中，国家已经有了相应的标准来规定。因为电动汽车新增信号较多，且许多信号都在整车控制器监控中，因此一般采用CAN网络接口的形式，这样可以保证传输信息多样化的同时，还能保证信息的准确性。

1.2.2 制动专用部件

汽油车状态下，制动系统的工作方式为：通过将进气歧管处产生的真空连接到真空助力器上，从而对整车的制动提供助力。但电动汽车没有了进气歧管，真空度从哪儿来？于是要增加一个抽真空用的电动真空泵，真空泵通过抽吸制动系统内部空气，来达到对驾驶员踩制动时的一个助力。为了保证整个助力系统的正常工作，需要由一个传感器来实时检测制动系统的真空度，保证制动系统一直在合适的压力范围内工作。当制动系统内部真空度超出整车的压力范围时，及时对驾驶员进行提醒。同时为了保证真空泵失效的情况下，驾驶员仍然可以进行紧急的基础制动，系统上会使用一个真空罐，在真空泵停止工作时，保证驾驶员仍然可以进行5～6次制动的真空用量。制动专用部件布置如图2所示。

图2 制动专用部件布置图

1.2.3 空调冷却专用部件

1.2.3.1 空调部件

图3为电动汽车空调系统部件布置图。

图3 电动汽车空调系统部件布置图

1）制冷系统 纯电动汽车与传统汽油车制冷系统相比，简单来说，只有压缩机进行了变化。汽油车的压缩机一般都在发动机轮系上，由发动机曲轴皮带轮带动压缩机工作。但纯电动汽车没有了发动机轮系，那么压缩机就要由整车的动力源——动力电池来驱动压缩机工作，也就是电动压缩机。因为压缩机需要的功率较大，一般都在4～6kW／h，因此更适用于使用高压电进行驱动，一般是连接在动力电池的输出电源上进行工作。

2）采暖系统 目前，乘用车驾驶室内的采暖都是通过将发动机的余热引入到驾驶室的暖风芯体里，当风通过时，通过热交换来对驾驶舱进行采暖。电动汽车没有了发动机余热带来的冷却液热量，需要单独的部件对乘员舱进行加热。目前常规的有2种：①风暖，采用风暖的PTC对整车的更改较小，投入成本低，也比较容易实现，但因为风暖电加热器要直接安装在冷暖一体机内部，与塑料壳体近距离接触，如果过热，可能存在着火等危险，存在安全隐患；②水暖，需要单独的部件将冷却液加热，从而在冷却液通过暖风芯体的时候通过热交换将室内鼓风机的风进行加热，进而带入驾驶室内，这样便可以对驾驶室进行加热。水暖式采暖还需要一个暖风水泵来促进冷却液进行流动。

1.2.3.2 冷却系统

因为电动汽车增加的一些部件 （如驱动电机、电机控制器、DCDC、充电机等）是使用高压电进行工作，在工作过程中会产生热量，为了让部件在稳定的温度范围内工作，需要给这些部件进行降温，目前的降温方式有风冷和水冷2种方式。风冷对出风口附近部件的布置有一定的要求。水冷就需要在部件内部增加冷却用的水道，同时需要增加冷却液的流动动力，也就是水泵。通过管路将所有需要水冷的部件进行连接，水泵驱动冷却液流动经过所有部件，从而对各部件进行冷却。电动汽车冷却系统部件布置如图4所示。

图4 电动汽车冷却系统部件布置图

1.2.3.3 电池热管理

电池在充放电过程中会产生热量，产热的速率一般与以下有关：电池的化学成分和结构，荷电的初始状态和终止状态，电池的初始温度，充电和放电的速率和模式。电池产生的热量如果不能及时散出去，就会影响电池的可放电功率；同时，如果电池温度过低，也会导致电池的放电能力下降。目前在产的纯电动汽车中，动力电池系统的热管理尚属少见，如长安逸动-纯电动、北汽E150等都是让动力电池通过自然风冷却，这种情况会使电动汽车的使用地域受到一定的限制。只有少量的纯电动汽车有动力电池的热管理系统，如长安的E30、三菱I-MIEV等，这种热管理系统的存在，使得纯电动汽车的使用地域更广，使用条件更宽泛，电池的寿命更长。

1.2.4 转向专用部件

目前配置较高的轿车都已经配备了EPS系统，将其改制成电动汽车时，可以直接更换为EPS，见图5。但EPS需要布置在转向盘转向柱上，同时需要的空间也较大，在很多车型上不能适配，因此就要使用EHPS，见图6。使用一个电子油泵代替原来依托于发动机轮系的机械泵，使用12V电源可以实现转向油的压缩。这种方案的使用，对整车零部件改动较小，所有的管路、转向柱、油管等都不需要重新开发，可以大大缩短开发周期。

图5 EPS布置示意图

图6 EHPS连接布置图

1.2.5 主动安全专用部件

1）行人警示蜂鸣器 电动汽车在运行时，由于运行声音小，路边行人会因为无法听到行车声音可能会造成意外的人身伤害。因此中国于2012年颁布实施了GBT_28382—2012《纯电动乘用车技术条件》，规定要求车辆在设计时应考虑车辆起动、车速低于20km／h时，能够给车外人员发出适当的提示性声响，行人警示蜂鸣器由此而产生。

目前使用较多的行人警示器一般有以下2种：①单一声音行人警示器，此种行人警示器就是简单的由以前的发声喇叭转变而来，接通电源以后即可发出类似 “滴滴”的规则响声，如图7所示；②可变声音行人警示器，此部件通过结合整车的实时行车状态 （加速、减速）等情况，可以发出模拟声音，如发动机声音或任何指定的音乐，更凸显人性化设计，如图8所示。

图7 单一声音行人警示器

图8 可变声音行人警示器

2）远程监控系统 针对电动汽车运行的安全性考虑，各地 （如北京、上海、广州等电动汽车示范运行城市）纷纷发布地方标准，要求电动汽车要具备远程监测能力。具有对整车、动力电池、驱动电机等进行实时监测的设施和能力，监测数据应实时发送至各地新能源小客车综合服务与管理平台，确保车辆安全运行。因此，各车企的纯电动汽车会有配备远程监控系统，整车的实时运行数据通过CAN信号发送给远程监控系统，同时在远程监控系统内配备2G／3G流量卡，通过通信服务商的网络发送到各地的电动汽车管理平台。

至此，纯电动汽车工作方式已经分析完毕，相关的专用部件及其功能汇总见表1。

表1 纯电动汽车专用部件

2 电动汽车专用部件原理及其控制方式

电动汽车虽然增加了很多专用部件，但整体上来说，都是根据电能转化为各自系统需要使用的能量，下文根据不同系统的功能来阐述相关电气原理及实现方式。

2.1 行车专用部件

从图9可以看出，在整车工作的原理中，高压动力的源泉是动力电池。动力电池将高压电输入给电机控制器，电机控制器转化后输入给驱动电机，进而转化成为扭矩来驱动汽车；而整车低压部件的电源都来自12V蓄电池，12V蓄电池的充电靠的是直流变换器将动力电池输入过来的高压直流电转换成为12V低压直流电。

图9 电动汽车行车专用部件工作逻辑图

整车控制器是整个动力系统控制的中心枢纽，整车所有高压部件和部分低压部件的运行都要通过整车控制器。整车控制器在运行时，接收整车部件的油门信号、挡位信号、制动信号、车速等信息，并结合动力系统的剩余SOC、动力电池电压、整车运行状态等信息，综合判断目前车辆合适的工作模式，并进行车辆行驶所需的必要信号输出。

2.2 制动专用部件

从图10可以看出，整个制动系统中，整车控制器接收整车电源挡位、制动信号、压力传感器信号等信息。整车控制器控制继电器导通，从而使真空泵工作。从逻辑上分析，整车控制器控制继电器工作的前提就是接收到压力传感器的真空度信号，分析出真空度不足或者需要制动时，将控制真空泵工作。同时为了在真空泵失效的情况下提前预警，从继电器开关下游并联一个回路至整车控制器，当真空泵需要工作但整车控制器未检测到真空泵接通到正极电源，或者制动系统内的真空度严重不足，不足以支持驾驶员继续行车的时候，那么整车控制器会通过组合仪表上的警告指示灯，来提示驾驶员制动系统存在故障。

图10 电动汽车制动专用部件工作逻辑图

2.3 空调冷却专用部件

1）制冷系统 制冷系统的电路原理见图11。热管理模块是整个系统的控制中心，电动压缩机是代替机械式压缩机作为制冷系统的心脏，同时还要使用其他一些与原车通用的部件，如冷暖一体机、压力传感器等。热管理模块通过收集压力传感器信号和空调面板发过来的AC请求，从而来控制压缩机的启动与停止。当制冷系统开启时，热管理模块同时启动散热风扇为冷凝器增加强制散热功能。

图11 电动汽车空调冷却部件工作逻辑图

2）采暖系统 这里主要阐述的是水暖式采暖系统。没有了发动机余热作为暖风的热源，使用的是电加热器来对冷却液进行加热。在被加热的冷却液通过暖风芯体时，经过热交换来对室内空气进行加热。暖风水泵为水暖式采暖系统提供冷却液流动的动力，而在暖风管路上增加一个水温传感器来对冷却液温度进行读取，以便更好地控制采暖系统的开启、关闭与功率调节。

3）冷却系统 电动汽车的冷却系统与汽油车实现原理类似，都是将冷却液通过流经各工作部件时将部件的温度带走，再在散热器中通过风冷将温度散出冷却系统。电动汽车没有了发动机上的水泵，替代的是电动水泵。电动水泵驱动整个冷却系统内的冷却液流动。为了更好地对系统的温度进行监控和完成冷却目标，各高压部件需将各自的部件内部温度通过CAN信号发送给整车控制器，再转发到热管理模块上，同时在冷却管路上也设计冷却液水温传感器来读取冷却液温度。热管理模块综合这些冷却液温度信息来判断冷却系统实时状态，并开展针对性的冷却措施。热管理模块可以控制冷却水泵在不同的温度下以不同的功率进行旋转，也可以控制散热风扇以高／低速工作或不开启风扇。

2.4 转向专用部件

EPS与EHPS的区别：EHPS与传统的助力转向系统很类似，都是通过助力转向油的油压来对用户的转向提供助力，只是把原来的机械油泵置换为电子油泵，整个系统的其他与汽油车基本相同；而EPS与传统汽油车的区别在于，EPS采用电机直接作用在转向管柱上，使用电机的扭矩作为对用户的转向助力来源，同时EPS将扭矩传感器、电机等部件集成在一体，集成性高，减少了多部件组合的各种隐患。

如图12所示，EPS通过CAN线接收实时车速、高压上电状态等信号，同时结合EPS本身自带的扭矩传感器来收集转向管柱的转向角度信号，通过控制EPS自带的EPS电机来对用户进行助力。而EHPS是将实时车速、高压上电状态、转向角度等信号通过CAN线输入到EHPS泵上，通过对泵的调节来实现对用户转向力的调节，如图13所示。

图12 EPS转向部件工作逻辑图

图13 EHPS转向部件工作逻辑图

2.5 主动安全专用部件

1）行人警示蜂鸣器

行人警示蜂鸣器的控制原理一般有2种方式：①通过整车上的某控制器来控制蜂鸣器的发声；②行人警示蜂鸣器本身自带车速判定逻辑。

单一声音蜂鸣器的工作电路一般如图14所示。发声器功率较小且车内其他控制器可以具备功率输出功能的时候，可以由车内其他控制器来控制发声；如果车内控制器无功率输出功能，则需要通过控制继电器来实现发声器的控制。此种蜂鸣器的发声器是简单的类似电喇叭的部件，通电即可发出固定声音。

图14 单一声音蜂鸣器工作逻辑图

模拟声音蜂鸣器的工作电路相当于将上述情况的控制器与发声器结合在一起的部件，不过为了发出不同模拟的声音，需要将发声器确定为一个扬声器类部件。蜂鸣器本身自带逻辑判断能力，且可以在行人警示蜂鸣器内部具有可刷写功能，将预先设置好的音频文件刷写入控制器内部，在车速不同时，可发出不同的声响。如图15所示。

2）远程监控系统

图15 模拟声音蜂鸣器工作逻辑图

远程监控系统的作用就是收集整车实时运行状态相关数据，通过网络信号发送到系统后台。如图16所示，远程监控系统受整车使能控制，在需要工作时才会开启，同时，远程监控系统通过整车CAN网络收集电动车相关运行数据，如车速、动力电池电压、电机转速、油门状态、制动状态等信号，然后通过2G／3G网络通信模块发送到系统后台。

图16 远程监控系统

3 结论及建议

电动汽车是一项新兴技术，中国的电动汽车市场刚刚起步，在以后的汽车工业发展中占领的地位将越来越高。由于电动汽车相较于传统汽车的特殊性和危险性，也就要求在研发设计时要更加严谨，以避免设计问题造成的危险。

［1］ GB／T 19596—2004，电动汽车术语［S］.

［2］ GB／T 28382—2012，纯电动乘用车技术条件［S］.

［3］ GB／T19836—2005，电动汽车用仪表［S］.

［4］ DB 44／T 1199—2013，电动汽车远程监控系统基本要求［S］.

［5］ DB 11／Z 993.1—2013，电动汽车远程服务与管理系统技术规范 第1部分：总则［S］.

（编辑 杨 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

张红涛 （1983-），男，工程师，主要从事整车原理设计及线束设计相关工作；孙佳 （1983-），男，工程师，主要从事纯电动车辆电驱动系统设计集成相关工作；张玲 （1981-），女，工程师，主要从事整车热管理领域系统设计及开发工作。