電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

許笑月，宋春華，韋興平，徐全，宋昌林

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610039）

電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

許笑月，宋春華，韋興平，徐全，宋昌林

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610039）

在電動汽車技術(shù)領(lǐng)域，每種類型的電動汽車都在能量密度、功率密度、燃料經(jīng)濟(jì)性、尺寸、重量、成本和安全性等各方面有其自身的優(yōu)勢和局限所在。所有的這些因素都嚴(yán)重受汽車自身的結(jié)構(gòu)和動力系統(tǒng)的影響。列舉了純電動汽車、混合動力電動汽車及燃料電池電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析其各自的性能特點、最優(yōu)工況及制約其大規(guī)模發(fā)展的主要因素。

電動汽車；結(jié)構(gòu)；動力系統(tǒng)

目前，隨著汽車數(shù)量的不斷增加，造成了空氣質(zhì)量的日益惡化和石油資源的漸趨匱乏。雖然發(fā)動機(jī)的電控技術(shù)和三元催化等排氣凈化技術(shù)的應(yīng)用使汽車的排放和油耗已下降到了很低的水平，但仍未能從根本上解決汽車排污和能源問題。因此，利用煤炭、水力等其它非石油資源驅(qū)動，并在使用中可實現(xiàn)零污染的電動汽車應(yīng)運而生。其中，電動汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是其成為節(jié)能環(huán)保汽車的基礎(chǔ)，只有擁有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，才能承載電動汽車重要電驅(qū)動元器件[1-2]。本文將著重分析以上幾類電動汽車的不同動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其利弊，為電動汽車的研究和開發(fā)提供參考與借鑒。

1 電動汽車基本構(gòu)造

電動汽車的組成主要包括:電力驅(qū)動控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)以及其他工作裝置等。其中，電力驅(qū)動控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，其作用在于將電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為汽車提供能量；機(jī)械傳動系統(tǒng)負(fù)責(zé)把電力驅(qū)動控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而成的機(jī)械能傳遞給汽車的驅(qū)動軸，無需離合、變速裝置，便可使電動機(jī)負(fù)載啟動[3]。

2 電動汽車動力系統(tǒng)

2.1 純電動汽車

純電動汽車以電動驅(qū)動器為能量源，以蓄電池取代內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)動機(jī)，通過一系列反應(yīng)將電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?jīng)電動機(jī)和控制器，把電能轉(zhuǎn)化為動能。其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 純電動汽車結(jié)構(gòu)圖

純電動汽車相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，具有更加靈活的結(jié)構(gòu)，可通過不同類型的電機(jī)的驅(qū)動使其具有不同的行駛性能，且可使用不同類型的儲能裝置，但由于其密度和尺寸并不同，也會影響到整車的體積和質(zhì)量。在純電動汽車中由于驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可通過電子控制器進(jìn)行控制，其變速系統(tǒng)的設(shè)計也有多種選擇。但純電動汽車也存在充電時間長，電池體積大，整車靈活性、續(xù)航能力及動態(tài)性能較差，充電站較少且設(shè)施不夠完善等缺點[4-6]。

2.2 混合動力電動汽車

2.2.1 串聯(lián)式混合動力電動汽車

串聯(lián)連接是混合動力汽車最簡單的一種連接形式，如圖2所示，將內(nèi)燃機(jī)和發(fā)動機(jī)機(jī)械連接，再通過控制器連接電動機(jī)和電化學(xué)電池。發(fā)電機(jī)將內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電能同時為電池充電或供應(yīng)給電動機(jī)。由燃料箱到控制器的能量流動是單向的，而從電池到電動機(jī)是雙向的[7-9]，內(nèi)燃機(jī)的啟停由電池的充電狀態(tài)控制。通過選擇內(nèi)燃機(jī)的最佳操作方式，可以實現(xiàn)更高的效率和更低的燃料消耗。

圖2 串聯(lián)式混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)圖

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的特點適用于市內(nèi)常見的頻繁起步、加速和低速運行，可使原動機(jī)保持在最佳工況點附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，并通過調(diào)整電動機(jī)和電池組的輸出來調(diào)整車速，從而使復(fù)雜工況下整車性能有所提高。但串聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，原動機(jī)作的功通過發(fā)動機(jī)、電池、控制器和電動機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)換中均有能量損失，燃油經(jīng)濟(jì)性并未真正得到提高。因此，該結(jié)構(gòu)主要用于城市公交及大客中，在轎車中十分少見。

2.2.2 并聯(lián)式混合動力電動汽車

在并聯(lián)式混合動力電動汽車中，內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)并聯(lián)連接，可單獨或同時將動力傳遞給車輪，如圖3所示。電動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)分別在低速和高速時獨自運行，可實現(xiàn)更高的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)單獨工作和再生制動的狀態(tài)下，電動機(jī)可作為發(fā)動機(jī)為電池充電。并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了單級能量轉(zhuǎn)換，提高了效率，降低了車輛的重量和成本，但是能量源的并聯(lián)耦合增加了控制的復(fù)雜性[8-9]。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)更適合汽車中、高速穩(wěn)定行駛。而在其它的行駛工況，由于發(fā)動機(jī)沒有在其最佳的工作區(qū)域內(nèi)運行，油耗和排污指標(biāo)較差。

圖3 并聯(lián)式混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 串并聯(lián)式混合動力電動汽車

該結(jié)構(gòu)引入一個額外的機(jī)械連接和發(fā)動機(jī)，如圖4所示，同時體現(xiàn)串聯(lián)及并聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。在該結(jié)構(gòu)中，最常用的是電力集成型和發(fā)動機(jī)集成型的操作方式。二者分別以電動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)為主要動力來源，其各部分組件的設(shè)計和尺寸也不同。二者除驅(qū)動模式以外的操作模式是近乎相同的，在驅(qū)動模式中，發(fā)動機(jī)集成型通過內(nèi)燃機(jī)單獨作用，推動車輪前進(jìn)，電力集成型中內(nèi)燃機(jī)可以輔助電動機(jī)共同作用[8-9]。該結(jié)構(gòu)由于添加了額外的電氣和機(jī)械部件，設(shè)計和控制更為復(fù)雜，體積更大，成本更高。

圖4 串并聯(lián)式混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 復(fù)合式混合動力電動汽車

目前為止所研究的串聯(lián)式、并聯(lián)式及串并聯(lián)式混合動力電動汽車均使用單軸推進(jìn)模式，而復(fù)合式混合動力汽車使用的是雙軸推進(jìn)模式。如圖5所示，前、后輪的車軸相互分離獨立驅(qū)動，之間沒有機(jī)械連接。發(fā)動機(jī)提供了雙向的能量流動，前、后輪分別獨立采用電力推進(jìn)或混合動力推進(jìn)的形式，通過行星齒輪裝置連接內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)和軸，使其無論使用電力推進(jìn)、混合動力推進(jìn)，還是兩者組合使用的方式，都具備良好的靈活性及可靠性，使車輛運行更加平穩(wěn)，全部四個輪子的再生制動也可以顯著提高系統(tǒng)的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。其與串并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于控制器被添加到電動機(jī)/發(fā)動機(jī)和電動機(jī)之間，使其更加可控和可靠。此外，全混合動力汽車可以低成本選用現(xiàn)有制造方法生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)、電池和電機(jī)。目前市面上在售的豐田的普銳斯，雷克薩斯LS600h，雷克薩斯CT200h和日產(chǎn)蒂諾等系列車型采用的均是復(fù)合式混合動力結(jié)構(gòu)[10-11]。

圖5 復(fù)合式混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)圖

2.3 燃料電池電動汽車

近年來，涵蓋了汽車、電氣和化學(xué)工程等學(xué)科研究的燃料電池汽車成為了研究熱門，結(jié)構(gòu)如圖6所示。燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不產(chǎn)生燃燒污染[9]。燃料電池產(chǎn)生的電能，直接為車輛提供能源而無需經(jīng)過存儲環(huán)節(jié)[12]。燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)在性能、重量、成本及清潔型等各個方面都可以與內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)行抗衡。燃料電池汽車從燃料電池到推進(jìn)單元的能量流動是單向的，多通過存儲介質(zhì)或再生制動來獲得[13]。最近對于燃料電池汽車的研究主要在進(jìn)一步改善燃料電池瞬態(tài)響應(yīng)能力，并在控制成本的同時改良?xì)錃庹{(diào)節(jié)裝置上[14]。

圖6 燃料電池電動汽車結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計涉及到機(jī)械、電氣、控制等多方面知識。結(jié)構(gòu)配置的選擇不僅要盡可能提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時還要考慮到汽車的各種運行工況，并兼顧發(fā)動機(jī)排放、電池壽命、駕駛性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求進(jìn)行綜合規(guī)劃。不同類型的電動汽車各方面性能和特性都有所不同，選用時應(yīng)從電動汽車本身特點出發(fā)，根據(jù)不同的使用要求，充分考慮各項性能參數(shù)，研究開發(fā)不同類型的電動汽車。比如:城市公交或出租汽車，可選用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)；若用于城市間巴士或主要用于長途客貨運的汽車，則并聯(lián)式的混合動力系統(tǒng)更為合適；家庭用車或用途比較復(fù)雜的其它車輛，則宜選用串并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。

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Analysis of Architecture and Propulsion System for Electric Vehicle

XU Xiao-yue，SONG Chun-hua，WEI Xing-ping，XU Quan，SONG Chang-lin
（School of Mechanical Engineering，Xihua University，Chengdu Sichuan 610039，China）

In Electric vehicle technology each kinds of vehicles have their own capability and limitation in terms of energy density，power density，fuel economy，size，weight，cost，safety，and so on.All these factors are heavily governed by the particular vehicle architecture and propulsion system configuration.This article lists the architecture and propulsion system of the pure electric vehicles，hybrid electric vehicles and fuel cell electric vehicle.And analysis of their own performance characteristics，the best working conditions，and the major factors that restrict their comprehensive development.

electric vehicle；architecture；propulsion system

U469.72

：A

：1672-545X（2017）01-0016-03

2016-10-28

許笑月（1991-），女，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向為機(jī)電控制理論。