纯电动汽车学习入门(一)—纯电动汽车概述(上)

◆文/北京 李玉茂

李玉茂 (本刊编委会委员、特约编辑)

中国汽车工程学会认证资深工程师、中国汽车工程学会汽车应用与服务分会特聘专家，从事汽车维修工作40余年，在大众车系电控系统故障诊断领域经验丰富。现任北京市工业技师学院汽车技术应用系顾问，清华大学、北京理工大学师资培训基地汽车专业专家。

一、纯电动汽车的4种电压

燃油汽车只有一种12V电压，纯电动汽车有4种电压。

1.12V直流电压

燃油汽车的电源包括蓄电池和发电机，是为全车电器电子设备供电的。纯电动汽车为全车12V设备供电的是蓄电池和DCDC(直流电压转换器)。电动汽车与燃油车一样仍采用铅酸蓄电池，有些电动汽车采用磷酸铁锂蓄电池，如图1所示，该电池单体电压为3.2V，采用4PNS(4串N并)，电压在12.8～14.4V。DC-DC将直流高压电转换成给12V蓄电池充电的电压。

图1 12V电源的变化

2.220V交流电压

交流充电桩或住宅插座与慢充枪、慢充口与充电机之间的慢充电缆是220V交流电，如图2所示。电力变压器次级三相绕组，引出相线记作“U、V、W”，两条相线之间是线电压380V。三相绕组的集结点称中性点N，引出的线称零线，记作“N”，相线与零线之间是相电压220V。中性点N通过钢缆埋入大地，同时引出一条线称保护地线。金属外壳的用电设备必须使用三孔插座，左插孔为零线“N”，右插孔为火线“L”，中间插孔为保护地线“PE”。车身与保护地线连接，当连接慢充枪后，如果“L”线与车身存在短路故障，熔断器立即熔断，防止车身带电，避免人身触电。

图2 220V交流电

3.直流高压

直流充电桩与快充枪、快充口与高压盒、高压盒与其他高压部件之间的橘黄色电缆，为直流高压电，如图3所示。不同车型的直流高压电在300～700V之间，电压越高越能减小传输电线的横截面积，从而减小重量和体积，但给安全性带来不利，必须提高电线和设备的绝缘能力。

图3 直流高压电

4.三相交流高压

电机控制器与驱动电机之间是三相交流电，如图4所示，U相为红色，V相为绿色，W相为黄色。电机控制器将高压直流电逆变成三相交流电，供给三相交流同步电机。电机控制器通过改变交流电的频率控制电机转速，通过改变相序变换电机转动方向，从而控制车速和行驶方向。电机控制器内设有电流传感器测量三相电流，不测量三相电压。

图4 三相交流电

二、高压电IT网络

纯电动汽车高压电均采用IT网络，第1位“I”表示高电压与车身绝缘，第2位“T”表示高压设备外壳连接车身。优点：如图5所示，高压电正极如与设备外壳发生短路故障，人体触摸设备外壳，因无电流回路不会触电。

图5 高压电的IT网络

如高压正极与设备A外壳短路，高压负极与设备B外壳短路，当人体同时触摸设备A和设备B时，则人体构成电流回路遭到触电，如图6所示。纯电动车的各个高压设备外壳均用电缆连接，称作等电位线，当高压正极与高压负极同时出现短路故障时，熔断器立刻熔断。

图6 等电位线

必须保证各高压设备的等电位线连接可靠，如若等电位线发生断路故障，则人员有触电危险，如图7所示。

图7 等电位线断路故障

三、高压电绝缘措施

1.关闭点火开关后，VCU执行下电程序，动力电池的高压正和高压负继电器自动断开，高压下电。

2.高压正、高压负电缆为单线制或双线制，外皮为橘黄色。

3.高压电部件外壳装有等电位线，亦称均衡线，作用是避免出现接触电压。

4.高压插头和连接器都有防接触措施。

5.动力电池中间装有维修开关，维修开关中装有快速熔断器。

6.采用电绝缘式DC-DC转换器，保证高压电不会与12V电直接连接。

7.高压部件内的电容器，当高压下电后会自动放电。

8.高压元件插头有高低压互锁线，如插头未连接，高压不会上电；如运行中插头脱开，高压立即下电。

9.对高压元件采用绝缘监控，实时监测高压正、高压负与车身搭铁之间的电阻值，如异常高压立即下电。

10.当高压电系统出现故障或车辆发生碰撞事故时，高压立即下电。

四、高压电系统

1.主要组成

纯电动汽车设有“大三电”，即动力电池、电动机、电机控制器；设有“小三电”，即高压盒、充电机、DC-DC。也有观点认为电机控制器、高压盒、充电机、DC-DC集成在一起称作电力电子集成模块PEU，“小三电”应是电动压缩机、加热器PTC、电动转向助力。

电机控制器、高压盒、充电机、DC-DC可以分体，如图8所示。可以将后三者集成称高压配电盒PDU，如图9所示。可以将四者集成称PEU，如图10所示。还有其他集成方式，例如充电机与DC-DC集成，因各厂家设计思路不同而集成方式不同。

图8 分体式

图9 三合一PDU

图10 四合一PEU

分体式的优点是更换成本低，缺点是部件多、相互间的连接线多。集成式的优点是体积小、质量轻，缺点是更换成本高。分体式便于初学，所以我们学习从分体式入手，为便于学习记忆，本篇文章说成“大三电”“小五电”，如图11所示。红色字是“大三电”，蓝色字是“小五电”，红色箭头是动力电池放电，黄色箭头是动力电池充电。

图11 大三电与小五电

2.大三电

(1)动力电池

如图12所示，作用如同燃油车的燃油箱，主要采用三元锂或磷酸铁锂电池。不同车型的电压为300～700V，能量为30～70kWh。动力电池的电能来源有慢充、快充、动能回收。动力电池箱由电池包、BMS(电池管理系统)、辅助元件、外壳组成。

图12 动力电池箱

(2)驱动电机

如图13所示，作用如同燃油车的发动机，但具有动能回收功能，大多采用三相交流同步电机，装有旋变传感器。也有采用三相交流异步电机的。

图13 驱动电机

(3)电机控制器

如图14所示，作用是将直流高压电逆变成三相交流高压电，并调整频率，主要由IGBT(绝缘栅双极型晶管体)和控制主板组成。

图14 电机控制器

3.小五电

(1)高压盒

如图15所示，亦称高压分配盒、高压控制盒，作用是分配高压电，如同12V系统的继电器盒。内部设有快充高压正、高压负继电器，有些车高压盒内部设有PTC控制器。

图15 高压盒

(2)充电机

如图16所示，作用是为动力电池充电，内部有整流器，输入的是交流220V，输出是直流高压电。

图16 充电机

(3)DC-DC

DC-DC如图17所示，作用如同燃油车的发电机，为全车低压电设备供电和为12V蓄电池充电。

图17 DC-DC

(4)电动压缩机

如图18所示，燃油车由发动机传动皮带驱动制冷压缩机，电动车采用与压缩机集成的高压直流电机或三相交流电机驱动压缩机。

图18 电动压缩机与控制器

(5)PTC

如图19所示，PTC的全称是正温度系数热敏电阻，即加热器，作用是为驾驶室供热，图中是空气加热器，还有一种是水加热器。

图19 PTC

4.高压电缆

高压电缆分为单线制和双线制，前者用于大功率高压设备，后者用于小功率及辅助高压设备，如电动压缩机、PTC。单线制高压电缆的结构如图20所示，铜导线外面包有绝缘层和屏蔽层，插头采用不同的机械连接结构。双线制高压电缆结构如图21所示。

图20 单线制高压电联

图21 双线制高压电缆

(1)慢充电缆，如图22所示，由慢充口至充电机，输送220V交流电。

图22 慢充电缆

(2)快充电缆，如图23所示，由快充口至高压盒，输送直流高压电。

图23 快充电缆

(3)高压盒至电机控制器电缆，如图24所示，输送直流高压电。

图24 高压盒至电机控制器电缆

(4)电机控制器至电机电缆，如图25所示，输送三相交流变频高压电。

图25 电机控制器至驱动电机电缆

(5)高压附件电缆，如图26所示，高压盒通过高压附件电缆分别连接充电机、DC-DC、电动压缩机、PTC。

图26 高压附件电缆

(未完待续)