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第二章电动汽车构造与原理第一节纯电动汽车构造与原理第二节混合动力电动汽车构造与原理第三节燃料电池电动汽车构造与原理第一节纯电动汽车构造与原理一纯电动汽车的驱动结构由于纯电动汽车是单纯用蓄电池作为驱动能源的汽车，采用合理的驱动结构布局来充分发挥电动机驱动的优势是尤其重要的。电动汽车的驱动结构布局目前主要四种基本典型结构：传统的驱动模式、电动机一驱动桥组合式驱动方式、电动机一驱动桥整体式驱动方式、轮毂电机分散驱动方式。第一节纯电动汽车构造与原理电动机驱动与发动机相比有两大技术优势：1）由于发动机能高效产生转矩时的转速被限制在一个较窄的范围内，为此需通过庞大而复杂的变速机构来适应这一特性。而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效地产生转矩，电机现代控制理论已使直接转矩控制技术得到越来越多的应用，数控机床伺服驱动早已对此作了验证，并且调速性能指标(可达l：20000)远高于汽车行驶要求。2）电动机实现转矩的快速响应性指标要比发动机高出两个数量级，若发动机的动态响应时间是500ms，则电动机只为5ms。由于按常规来说，电气执行的响应速度都要比机械机构快几个数量级，因此随着计算机电子技术的发展，用先进的电气控制来取代笨重、庞大而响应滞后的部分机械、液压装置已成为技术进步发展的必然趋势。它不但使各项性能指标大大提高，也将使制造成本降低。由于电气元器件在研发初期的成本和性能都可能会暂不尽人意，但一旦研制完善后就将随其批量的增加而得到大幅改善。第一节纯电动汽车构造与原理1传统驱动模式如图a所示，它是从传统汽车的驱动模式演变而成，即由电动机替代发动机仍采用内燃机汽车的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成。与传统汽车类似，也有电动机前置、驱动桥前置(F-F)，电动机前置、驱动桥后置(F-R)等各种驱动模式。其结构复杂，效率低，没能充分发挥电动机驱动的优势。其工作原理也类同于传统汽车，由离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员按需要来选择不同的档位，即使得低速时，车轮获得大转矩低转速；而在高速时，车轮获得小力矩高转速。由于采用了调速电动机，其变速器可相应简化，档位数一般有两个就够了，倒档也可利用电动机的正反转来实现。驱动桥内的机械式差速器使得汽车在转弯时，左右车轮以不同的转速行驶。这种模式主要用于早期的电动汽车，省去了较多的设计，也适于对原有汽车的改造。第一节纯电动汽车构造与原理2电动机-驱动桥组合式驱动方式如图b所示，即在电动机端盖的输出轴处加装减速齿轮和差速器等，电动机、减速器、驱动桥的轴互相平行，一起组合成一个驱动整体。它通过固定速比的减速器来放大电动机的输出转矩，但没有可选的变速档位，也就省掉了离合器。这种机械传动机构紧凑，传动效率较高，便于安装。但对电动机的调速要求较高。按传统汽车的驱动模式来说，它可以有电动机前置、驱动桥前置(F．F)或电动机后置、驱动桥后置(R．R)两种方式。它具有良好的通用性和互换性，便于在现有的汽车底盘上安装，使用、维修也较方便。1一电动机2一减速齿轮3一差速器齿轮4一传动齿轮箱外壳第一节纯电动汽车构造与原理3电动机-驱动桥整体式驱动方式如图c所示，其整体式驱动系统有同轴式和双联式两种。1)同轴式驱动系统的电动机轴是一种特殊制造的空心轴，在电动机左端输出轴处的装置有减速齿轮和差速器，再由差速器带动左右半轴，左半轴直接带动，而右半轴通过电动机的空心轴来带动。2)双联式驱动系统由左右两台永磁电动机直接通过半轴带动车轮，左右两台电动机由中间的电控差速器控制。所以汽车转弯时，前一种采用机械式差速器；后一种由电控式差速器来实现。同样，它在汽车上的布局有电动机前置、驱动桥前置(F-F)和电动机后置、驱动桥后置(R-R)两种驱动模式。该电动机．驱动桥构成的机电一体化整体式驱动系统，具有结构更紧凑，传动效率高，重量轻、体积小，并具有良好的通用性和互换性。第一节纯电动汽车构造与原理4轮毂电机分散驱动方式如图d所示，轮毂式电机直接装在汽车车轮里，它主要有两种结构：一种是内定子外转子结构，其外转子直接安装在车轮的轮缘上。由于不通过机械减速，通常要求电动机为低速力矩电动机；另一种就用一般的内转子外定子结构，其转子作为输出轴与固定减速比的行星齿轮变速器的太阳轮相连，而车轮轮毂通常与其齿圈连接，它能提供较大的减速比，来放大其输出转矩。采用轮毂电机驱动可大大缩短从电动机到驱动车轮的传递路径，不仅能腾出大量的有效空间便于总体布局，而且对于前一种内定子外转子结构，也大大提高了对车轮的动态响应控制性能。每台电动机的转速可独立调节控制，便于实现电子差速。既省去了机械差速器，也有利于提高汽车转弯时的操控性。轮毂电机分散驱动在汽车上的布置方式可以有：双前轮驱动、双后轮驱动和4wD(4wheeldrive)前后四轮驱动几种模式，轮毂式电动机分散驱动方式应是未来电动汽车驱动的发展方向。第一节纯电动汽车构造与原理二纯电动汽车的结构原理纯电动汽车的结构主要由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分组成。除了电力驱动控制系统，其他部分的功能及其结构组成基本与传统汽车类同，不过有些部件根据所选的驱动方式不同，已被简化或省去了。电力驱动控制系统既决定了整个纯电动汽车的结构组成及其性能特征，也是电动汽车的核心，它相当于传统汽车中的发动机与其他功能以机电一体化方式相结合，这也是区别于传统内燃机汽车的最大不同点。1电力驱动控制系统电力驱动控制系统的组成与工作原理如图所示，按工作原理可划分为车载电源模块、电力驱动主模块和辅助模块三大部分。第一节纯电动汽车构造与原理1）车载电源模块车载电源模块主要由蓄电池电源、能源管理系统和充电控制器三部分组成。（1）蓄电池电源蓄电池是纯电动汽车的唯一能源，它除了供给汽车驱动行驶所需的电能外，也是供应汽车上各种辅助装置的工作电源。蓄电池在车上安装前需要通过串并联的方式组合成所要求的电压等级，由于电动机驱动所需的等级电压往往与辅助装置的电压要求不一致，辅助装置所要求的一般为12V或24V的低压电源，而电动机驱动一般要求为高压电源，并且所采用的电动机类型不同，其要求的电压等级也不同。为满足该要求，可以用多个12V或24V的蓄电池串联成96～384V高压直流电池组，再通过Dc／Dc转换器供给所需的不同电压。也可按所需要求的电压等级，直接由蓄电池组合成不同电压等级的电池组，不过这样会给充电和能源管理带来相应的麻烦。第一节纯电动汽车构造与原理（2）能源管理系统能源管理系统是对电动汽车系统能量转换装置的工作能量进行协调、分配和控制的软硬件系统。能源管理系统与电力驱动主模块的中央控制单元配合一起控制发电回馈，使在电动汽车降速制动和下坡滑行时进行能量回收，从而有效地利用能源，提高电动汽车的续程能力。能源管理系统还需与充电控制器一同控制充电。为提高蓄电池性能的稳定性和延长使用寿命，需要实时监控电源的使用情况，对蓄电池的温度、电解液浓度、蓄电池内阻、电池端电压、当前电池剩余电量、放电时间、放电电流或放电深度等蓄电池状态参数进行检测，并按蓄电池对环境温度的要求进行调温控制，通过限流控制避免蓄电池过充、放电，对有关参数进行显示和报警，其信号流向辅助模块的驾驶室显示操纵台，以便驾驶员随时掌握并配合其操作，按需要及时对蓄电池充电并进行维护保养。第一节纯电动汽车构造与原理（3)充电控制器充电控制器是把供电电网的交流电转换为相应电压的直流电，对蓄电池充电并按要求控制其充电电流。充电器开始时为恒流充电阶段。当电池电压上升到一定值时，充电器进入恒压充电阶段，输出电压维持在相应值，充电器进入恒压充电阶段后，电流逐渐减小。还有采用脉冲式电流进行快速充电。2）电力驱动主模块该主模块主要由中央控制单元、驱动控制器、电动机、机械传动装置等组成。为适应驾驶员的传统操纵习惯，电动汽车仍保留了加速踏板、制动踏板及有关操纵手柄或按钮等。不过在电动汽车上是将加速踏板、制动踏板的机械位移量转换为相应的电信号，输入到中央控制单元来对汽车的行驶实行控制。对于档位变速杆为遵循驾驶员的传统习惯，一般仍需保留，同样除了传统的驱动模式外也就只有前进、空档、倒退三个档位，并且以开关信号传输到中央控制单元来对汽车进行前进、停车、倒车控制。第一节纯电动汽车构造与原理（1)中央控制单元中央控制单元不仅是电力驱动主模块的控制中心，也要对整辆电动汽车的控制起到协调作用。它根据加速踏板与制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对电动机进行起动、加速、减速、制动控制。在电动汽车减速和下坡滑行时，中央控制器配合车载电源模块的能源管理系统进行发电回馈，即使蓄电池反向充电。对于与汽车行驶状况有关的速度、功率、电压、电流及有关故障诊断等信息还需传输到辅助模块的驾驶室显示操纵台进行相应的数字或模拟显示，也可采用液晶屏幕显示来提高其信息量。另外，如驱动采用轮毂电机分散驱动方式，当汽车转弯时，中央控制器也需与辅助模块的动力转向单元配合，即控制左右轮毂电机来实行电子差速转向。为减少电动汽车各个控制部分间的硬件连线，提高可靠性，现代汽车控制系统已较多地采用了微机多CPU总线控制方式，特别是对于采用轮毂电机进行4WD前后四轮驱动控制的模式，更需要运用总线控制技术，来简化电动汽车内部线路的布局，提高其可靠性，也便于故障诊断和维修，并且采用该模块化结构，一旦技术成熟其成本也将随批量的增加而大幅下降。第一节纯电动汽车构造与原理（2)驱动控制器驱动控制器功能是按中央控制单元的指令和电动机的速度、电流反馈信号，对电动机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。驱动控制器与电动机必须配套使用，目前对电动机的调速主要采用调压、调频等方式，这主要取决于所选用的驱动电动机类型。由于蓄电池以直流电方式供电，所以对直流电动机主要是通过DC／DC转换器进行调压调速控制；对于交流电动机需通过DC／AC转换器进行调频调压矢量控制；对于磁阻电动机是通过控制其脉冲频率来进行调速。当汽车倒车行驶时，需通过驱动控制器使电动机反转来驱动车轮反向行驶。当电动汽车处于减速和下坡滑行时，驱动控制器使电机运行于发电状态，电机利用其惯性发电，将电能通过驱动控制器回馈给蓄电池，所以驱动控制器与蓄电池电源的电能流向是双向的。第一节纯电动汽车构造与原理（3)电机电机在电动汽车中被要求承担着电动和发电的双重功能，即在正常行驶时发挥其主要的电动机功能，将电能转化为机械旋转能；而在减速和下坡滑行时又被要求进行发电，将车轮的惯性动能转换为电能。对电机的选型一定要根据其负载特性来选，由对汽车行驶时的特性分析可知汽车在起步和上坡时要求有较大的起动转矩和相当的短时过载能力，并有较宽的调速范围和理想的调速特性，即在起动低速时为恒转矩输出，在高速时为恒功率输出。电机与驱动控制器所组成的驱动系统是电动汽车中最为关键的部件，电动汽车的运行性能主要取决于驱动系统的类型和性能，它直接影响着汽车的各项性能指标，如汽车在各工况下的行驶速度、加速与爬坡性能以及能源转换效率。第一节纯电动汽车构造与原理（4)机械传动装置电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传输给汽车的驱动轴，从而带动汽车车轮行驶。由于电动机本身就具有较好的调速特性，其变速机构可被大大简化，较多的是为放大电动机的输出转矩仅采用一种固定的减速装置。又因为电动机可带负载直接起动，即省去了传统内燃机汽车的离合器。由于电动机可以容易地实现正反向旋转，所以也无需通过变速器中的倒档齿轮组来实现倒车。对电动机在车架上合理布局，即可省去传动轴、万向节等传动链。当采用轮毂式电动机分散驱动方式时，又可以省去传统汽车的驱动桥、机械差速器、半轴等一切传动部件，所以该驱动方式也可被称为“零传动”方式。3）辅助模块辅助模块包括辅助动力源、动力转向单元、驾驶室显示操纵台和各种辅助装置等。各个装置的功能与传统汽车上的基本类同，其结构原理按电动汽车的特点有所区别。第一节纯电动汽车构造与原理（1）辅助动力源辅助动力源是供给电动汽车其他各种辅助装置所需的动力电源，一般为12V或24V的直流低压电