純電動汽車結構與原理介紹

◆文/山東 焦建剛

純電動汽車結構與原理介紹

◆文/山東 焦建剛

焦建剛 (本刊編委會委員)

現任濟南魯鷹豐田汽車銷售服務有限公司總工程師，山東交通學院客座教授；曾任博世山東培訓基地主任。對當代汽車故障診斷以及電子控制系統波形有較深入的研究，著有《現代汽車電子控制系統波形分析》一書。

一、新能源汽車的定義及發展概況

2009年7月1日，我國正式實施了《新能源汽車生產企業及產品準入管理規則》，其明確指出：新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源(或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置)，綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。新能源汽車包括電動汽車、氣體燃料汽車、生物燃料汽車、氫燃料汽車等。

目前我國已建立起了電動汽車“三縱三橫”(燃料電池汽車、混合動力汽車、純電動車三種整車技術為“三縱”，多能源動力總成系統、驅動電動機、動力電池三種關鍵技術為“三橫”)的研發布局。

截止到2015年底，全球純電動汽車產量為52.3萬輛，我國達到了產量33萬輛、銷量34萬輛的成績(圖1)。2016年1-6月份，我國新能源汽車產量已經達到17.7萬輛，全年產量預計將達到70萬輛。

我國預計2020年初步建成以市場為導向、企業為主體、產學研用緊密結合的新能源汽車產業體系。自主新能源汽車年銷量突破200萬輛，累計產銷量達到500萬輛，市場份額達到70%以上；打造明星車型，進入全球銷量排名前10，新能源客車實現規模化出口，整車平均故障間隔里程達到20 000km；動力電池、驅動電機等關鍵系統達到國際先進水平，在國內市場占有率達到80%。

至2025年，我國預計形成自主可控完整的產業鏈，與國際先進水平同步的新能源汽車年銷量300萬輛，自主新能源汽車市場份額達到80%以上；產品技術水平與國際同步，擁有2家在全球銷量進入前10的一流整車企業，海外銷售占總銷量的10%；制氫、加氫等配套基礎設施基本完善，燃料電池汽車實現區域小規模運行。

圖1 2015年世界新能源汽車銷量排名

二、電動汽車的定義

純電動汽車是完全由可充電電池(如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池)提供動力源，以電動機為驅動系統的汽車(圖2)。其動力系統主要由動力電池、驅動電動機組成，從電網取電或更換蓄電池獲得電能。

電動汽車最早的歷史可以追溯到19世紀后期，在1881年8-11月巴黎舉行的國際電器展覽會上，展出了法國人古斯塔夫·特魯夫研制的電動三輪車，這是世界上第一輛電動車輛，它采用多次性鉛酸充電電池和直流電動機，可以實際操作使用，這輛車的誕生具有劃時代的意義。

在接下來的1882年，英國的威廉·愛德華·阿頓和約翰·培里也合作研制了一輛電動三輪車，車的速度是4.4km/h。三位先驅的努力使得在燃油汽車尚未問世之前，電動汽車已經誕生，此后電動車輛在歐美等國家迅速興起。

圖2 純電動汽車系統簡圖

在汽車的發展過程中，用蒸汽機驅動的蒸汽機汽車、由蓄電池和電動機組合驅動的電動汽車以及利用石油做燃料的內燃機車曾經同時被使用，之后蒸汽機汽車首先退出，電動汽車經歷了3個發展時期延續應用到今天，而內燃機汽車成為主流。

1895-1905年是早期電動汽車發展的黃金時代，這一時期的電動車輛代表了車輛技術的精華。1900年電動車輛的發展達到了成功的頂點，1912年達到了電動汽車生產的頂峰。

此后由于石油的大量開采和內燃機的種種優越性，電動汽車逐漸銷聲匿跡。直到20世紀70年代石油危機的爆發，給世界各國政界一次不小的打擊，人們開始考慮替代石油的其他能源，包括風能、太陽能、電能等可再生能源。因此從政治經濟方面考慮，電動汽車迎來了又一個發展機遇，又一次被人矚目。

三、純電動汽車的結構

傳統內燃機汽車主要由發動機、底盤、車身、電氣設備四大部分組成。純電動汽車與傳統汽車相比，取消了發動機，傳動機構發生了改變，根據驅動方式不同，部分部件已經簡化或者取消，增加了電源系統和驅動電機等新機構。由于以上系統功能的改變，純電動汽車改由新的四大部分組成：電力驅動控制系統、底盤、車身、輔助系統。

典型電動汽車組成如圖3所示。主要包括電源系統、驅動電機系統、整車控制器和輔助系統等。動力電池輸出電能，通過電機控制器驅動電機運轉產生動力，再通過減速機構，將動力傳給驅動車輪，使電動汽車行駛。

一般來說，如果把電動汽車看成是一個大系統，則該系統主要由電力驅動子系統、電源子系統和輔助子系統組成。圖3中雙線表示機械連接；粗線表示電氣連接；細線表示控制信號連接；線上的箭頭表示電功率或控制信號的傳輸方向。來自加速踏板的信號輸入電子控制器并通過控制功率變換器來調節電動機輸出的轉矩或轉速，電動機輸出的轉矩通過汽車傳動系統驅動車輪轉動。充電器通過汽車的充電接口向蓄電池充電。在汽車行駛時，蓄電池經功率變換器向電動機供電。當電動汽車采用電制動時，驅動電動機運行在發電狀態，將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電，并延長電動汽車的續駛里程。

1.電源系統

電源系統(圖4)主要包括動力電池、電池管理系統、車載充電機及輔助動力源等。動力電池是電動汽車的動力源，是能量的存儲裝置。目前的純電動汽車以鋰離子蓄電池為主(包括磷酸鐵鋰離子蓄電池、三元鋰離子蓄電池等)。電池管理系統實時監控動力電池的使用情況，對動力電池的端電壓、內阻、溫度、蓄電池電解液濃度、電池剩余電量、放電時間、放電電流或放電深度等動力蓄電池狀態參數進行檢測，并按動力電池對環境溫度的要求進行調溫控制，通過限流控制避免動力蓄電池過充、過放電，對有關參數進行顯示和報警，其信號流向輔助系統，并在組合儀表上顯示相關信息，以便駕駛員隨時掌握車輛信息。車載充電機是把電網供電制式轉換為對動力電池充電要求的制式，即把交流電(220V或380V)轉換為相應電壓(240～410V)的直流電。并按要求控制其充電電流(家庭充電一般為10或16A)。輔助動力源一般為12V或24V的直流低壓電源，它主要給動力轉向、制動力調節控制、照明、空調、電動車窗等各種輔助用電裝置提供所需的能源。

圖3 整車控制原理圖

圖4 電源系統

2.驅動電機系統

電力驅動子系統(以下簡稱驅動系統，如圖5)是電動汽車的核心，也是區別于內燃機汽車的最大不同點。一般地，驅動系統由電子控制器、功率變換器、驅動電動機、機械傳動裝置和車輪等部分構成。驅動系統的功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉化為車輪的動能進而推進汽車行駛，并能夠在汽車減速制動或者下坡時，實現再生制動。

圖5 驅動電機系統

驅動電動機的作用是將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置驅動或直接驅動車輪。早期電動汽車上廣泛采用直流串激電動機，這種電動機具有“軟”的機械特性，與汽車的行駛特性非常適應。但直流電動機由于存在換向火花、比功率較小、效率較低和維護保養工作量大等缺點，隨著電動機技術和電動機控制技術的發展，正在逐漸被直流無刷電動機(BCDM)、開關磁阻電動機(SRM)和交流異步電動機所取代。

3．整車控制器

整車控制器是電機系統的控制中心。它對所有的輸入信號進行處理，并將電機控制系統運行狀態的信息發送給整車控制器。根據駕駛員輸入的加速踏板和制動踏板的信號，向電機控制器發出相應的控制指令，對電機進行啟動、加速、減速、制動控制。在純電動汽車減速和下坡滑行時，整車控制器配合電源系統的電池管理系統進行發電反饋，使動力蓄電池反向充電。整車控制器還對動力蓄電池充放電過程進行控制。對于與汽車行駛狀況有關的速度、功率、電壓、電流等信息傳輸到車載信息顯示系統進行相應的數字或模擬顯示。

電機控制器內含功能診斷電路。當診斷出現異常時，它將會激活一個錯誤代碼，發送給整車控制器。電機控制系統使用了以下傳感器來提供電機的工作信息。

電流傳感器：用以檢測電機工作的實際電流(包括母線電流、三相交流電流)；

電壓傳感器：用以檢測供給電機控制器工作的實際電壓(包括高壓電池電壓、蓄電池電壓)；

溫度傳感器：用以檢測電機控制系統的工作溫度(包括模塊溫度、電機控制器溫度)。

4.輔助系統

輔助系統(圖6)包括車載信息顯示系統、動力轉向系統、導航系統、空調、照明及除霜裝置、刮水器和收音機等，借助這些輔助設備來提高汽車的操縱性和成員的舒適性。

圖6 輔助系統圖

四、純電動汽車驅動系統布置形式

常見純電動汽車驅動形式有圖7所示的六種類型。圖7(a)～圖7(c)為電動機中央驅動，圖7(d)為雙電動機電動輪驅動，圖7(e)、圖7(f)為輪轂電動機驅動。

其中圖7(a)為電動機中央驅動形式，直接借用了內燃機汽車的驅動方案，由發動機前置前驅發展而來，由電動機、離合器、變速器和差速器組成。用電驅動裝置替代了內燃機，通過離合器將電動機動力與驅動輪進行連接或動力切斷，變速器提供不同的傳動比以變更轉速—功率(轉矩)曲線匹配載荷的需求，差速器實現轉彎時兩車輪不同車速的行駛。

圖7(b)為電動機中央驅動形式，由電動機、固定速比減速器和差速器等構成。在這種驅動系統中，利用電動機在大范圍轉速變化中具有恒功率的特性，采用固定速比減速器，由于沒有離合器和變速器，因此可以減少機械傳動裝置的體積和質量。

圖7(c)為另一種電動機中央驅動形式，它與前輪驅動、橫向前置發動機的燃油汽車的布置形式相似，將電動機、固定速比減速器和差速器集成一體，兩根半軸連接兩個驅動車輪，這種布置形式在小型電動汽車上應用最普遍。

圖7(d)為雙電動機電動輪驅動方式，機械差速器被兩個牽引電動機所代替，兩個電動機分別驅動各自車輪，轉彎時通過電子差速控制以不同車速行駛，省掉了機械差速器。

圖7(e)為輪轂電動機驅動方式，電動機和固定速比的行星齒輪減速器安裝在車輪里面，沒有傳動軸和差速器，從而簡化了傳動系統。但是這種方式需要兩個或四個電動機，其控制電路也比較復雜，這種驅動方式在重型電動汽車上有較廣泛的應用。

圖7(f)為另一種輪轂電動機驅動方式，舍棄電動機與驅動輪之間的機械傳動裝置，采用低速外轉子電動機直接驅動車輪，電動機轉速控制等價于輪速控制，要求電動機在加速、起動時具高轉矩特性。

圖7 驅動布置形式圖

五、純電動汽車的特點

1.純電動汽車的優點

(1)零排放：純電動汽車使用電能，在行駛中無廢氣排出，不污染環境。

(2)能源效率高：電動汽車的能源效率已超過汽油機汽車，特別是在城市中運行，電動汽車工具適宜。電動汽車停止時不消耗電量，在制動過程中，電機可以自動轉換為發電機，實現制動減速時能量的再利用。

(3)結構簡單：因使用單一的電能源，省去了發動機、變速器、油箱、冷卻和排氣系統等。

(4)噪聲低：電動汽車無內燃機產生的噪聲，電機噪聲也比內燃機小。(5)節約能源 ：電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴。

2.純電動汽車的缺點

(1)續駛里程短、使用成本高：目前蓄電池單位重量儲存的能量太少，又未形成經濟規模，電動汽車的電池成本較高。至于使用成本，有些使用價格比燃油汽車價格高，有些價格則僅為燃油汽車價格的1/3 ，這主要取決于電池的壽命及當地的油、電價格。

(2)安全性：鋰離子蓄電池的安全性有待進一步提高。

(3)配套不完善 ：充電配套設施不完善，需要加大配套設施基礎設施的建設。