电动汽车关键技术

四个组成部分

按照汽车构造来拆解,可以一辆汽车(包括燃油车和电动车)划分为四个基本组成部分:

  1. 底盘(传动系统、制动系统、转向系统、悬架系统)
  2. 车身(内饰、外饰、整车空间)
  3. 动力总成(发动机、变速器、电池、电动机)
  4. 电子电气设备(传感器、控制器、执行器)

电动汽车和燃油汽车最大的区别就在于底盘和动力总成,统称为动力系统。

“三电”系统

电动汽车技术的核心在于动力系统,包括电驱系统电池系统电控系统三个系统,简称为“三电”系统。

电驱系统

电驱系统也称为“电驱动系统”,包括驱动电机、传动机构和变换器等组成部分。

驱动电机(Motor)也称为“电动机”或“驱动电动机”,是把电能转换为机械能的装置,内部一般由定子和转子等结构组成。在电动汽车中,它的作用就是将存储在电池中的电能转换为机械能,为汽车行驶提供动力。

根据工作原理的不同,可分为直流电动机、交流电动机、同步电动机、异步电动机等多种电动机。目前市面上的电动汽车中,常用的是永磁同步电动机(国内车企常用)和三相异步电动机(特斯拉电动车)。

传动机构则是连接电动机和汽车主轴的机构,主要包括减速器和差速器两个部件。减速器是一种相对精密的机械,它的作用是降低电动机的转速,增加转矩。差速器的作用则是在汽车转弯时使两侧车轮转速不同。两者结合起来,可以调节电动机输出的转矩和转速,满足汽车行驶动力的要求。

变换器则包括逆变器(Inverter)和 DC/DC 变换器两个器件。逆变器的作用是将动力电池的直流输出转变为交流输出,以驱动交流电动机。DC/DC 变换器则用于直流高低压的转换,比如将动力电池的高压电(大于 400V)转换为低压电,为各种电子电气设备供电。

电池系统

对于电动汽车来说,电池系统是最复杂、成本最高的子系统,其核心就是储存电能的动力电池。由于锂离子电池技术成熟、商业化程度高,并且能量密度较高,可实现快速深度充放电。所以目前量产的动力电池均为锂离子电池。根据正极材料不同,锂离子电池可以分为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元锂电池等几种类型。目前,电动汽车通常采用的是磷酸铁锂和三元锂电池两种。

为了启动电动汽车,需要相当于数千倍的智能手机电量的巨大电量。因此,需要数十个乃至数千个电芯。虽然电动汽车种类不同,其组成也会存在细微差异,但是通常电动汽车电池由电芯(Cell)、电池模块(Module)、电池包(Pack)组成。

多个电芯以串联或并联的方式组成电池模块,多个电池模块再串联起来,为了安全有效地管理众多的电芯,将集成热管理系统、电池管理系统等部件,最终形成一个电池包。简单来说,电芯、模块、电池包是组成电池的单位。多个电芯组成模块,几个模块组成电池包。而电池最终以一个电池包的形态装入电动汽车。

单位 描述
电芯 也称为“电池单元”,是可以用来充电和放电的锂电池的基本单位。由正极、负极、隔离膜、电解液构成,通常封装成圆柱、方形或软包形式。
电池模块 为了保护电芯,避免外部冲击、热、振动等影响电芯正常工作,所以将一定数量的电芯联结在一起并放入一个框架中组成电池组件。
电池包 在电池模块上装配 BMS 电池管理系统、冷却系统等各种控制和保护系统制成,是装入电动汽车的电池系统的最终形态。

电控系统

电控系统包含三个子控制单元,分别是整车控制器(Vehicle Control Unit,VCU)、电池管理系统(Battery Management System,BMS)、驱动电机控制器(Motor Control Unit,MCU)。

  • 整车控制器(VCU):负责管理整个电动汽车,监控汽车的各种运行状态,接收驾驶员的操作指令,同时也是各个子系统的调控中枢。
  • 电池管理系统(BMS):负责管理动力电池,包括采集和监测电池系统的电压、电流、温度、剩余电量等数据,实时监测、分析和保护电池的安全。
  • 驱动电机控制器(MCU):接收整车控制器的行驶控制指令,控制电动机输出指定的转速和扭矩,从而改变车速和方向。

电控系统的大致框架如下图所示,在电控系统内部,各个子系统之间通过 CAN 总线等方式进行通信。

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