◆文/山東 焦建剛

純電動汽車結(jié)構(gòu)與原理介紹

◆文/山東 焦建剛

焦建剛 (本刊編委會委員)

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

一、新能源汽車的定義及發(fā)展概況

2009年7月1日，我國正式實施了《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理規(guī)則》，其明確指出：新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源(或使用常規(guī)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(qū)動方面的先進技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)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(shù)為“三縱”，多能源動力總成系統(tǒng)、驅(qū)動電動機、動力電池三種關(guān)鍵技術(shù)為“三橫”)的研發(fā)布局。

截止到2015年底，全球純電動汽車產(chǎn)量為52.3萬輛，我國達到了產(chǎn)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(chǎn)量已經(jīng)達到17.7萬輛，全年產(chǎn)量預(yù)計將達到70萬輛。

我國預(yù)計2020年初步建成以市場為導(dǎo)向、企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合的新能源汽車產(chǎn)業(yè)體系。自主新能源汽車年銷量突破200萬輛，累計產(chǎn)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(xiàn)規(guī)?；隹?，整車平均故障間隔里程達到20 000km；動力電池、驅(qū)動電機等關(guān)鍵系統(tǒng)達到國際先進水平，在國內(nèi)市場占有率達到80%。

至2025年，我國預(yù)計形成自主可控完整的產(chǎn)業(yè)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(chǎn)品技術(shù)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(yè)，海外銷售占總銷量的10%；制氫、加氫等配套基礎(chǔ)設(shè)施基本完善，燃料電池汽車實現(xiàn)區(qū)域小規(guī)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(qū)動系統(tǒng)的汽車(圖2)。其動力系統(tǒng)主要由動力電池、驅(qū)動電動機組成，從電網(wǎng)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(qū)的努力使得在燃油汽車尚未問世之前，電動汽車已經(jīng)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(tǒng)簡圖

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

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

此后由于石油的大量開采和內(nèi)燃機的種種優(yōu)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(fā)，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(jīng)濟方面考慮，電動汽車迎來了又一個發(fā)展機遇，又一次被人矚目。

三、純電動汽車的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車主要由發(fā)動機、底盤、車身、電氣設(shè)備四大部分組成。純電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比，取消了發(fā)動機，傳動機構(gòu)發(fā)生了改變，根據(jù)驅(qū)動方式不同，部分部件已經(jīng)簡化或者取消，增加了電源系統(tǒng)和驅(qū)動電機等新機構(gòu)。由于以上系統(tǒng)功能的改變，純電動汽車改由新的四大部分組成：電力驅(qū)動控制系統(tǒng)、底盤、車身、輔助系統(tǒng)。

典型電動汽車組成如圖3所示。主要包括電源系統(tǒng)、驅(qū)動電機系統(tǒng)、整車控制器和輔助系統(tǒng)等。動力電池輸出電能，通過電機控制器驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力，再通過減速機構(gòu)，將動力傳給驅(qū)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(tǒng)，則該系統(tǒng)主要由電力驅(qū)動子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)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(diào)節(jié)電動機輸出的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩通過汽車傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)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(jīng)功率變換器向電動機供電。當電動汽車采用電制動時，驅(qū)動電動機運行在發(fā)電狀態(tài)，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(xù)駛里程。

1.電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)(圖4)主要包括動力電池、電池管理系統(tǒng)、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(tǒng)實時監(jiān)控動力電池的使用情況，對動力電池的端電壓、內(nèi)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(tài)參數(shù)進行檢測，并按動力電池對環(huán)境溫度的要求進行調(diào)溫控制，通過限流控制避免動力蓄電池過充、過放電，對有關(guān)參數(shù)進行顯示和報警，其信號流向輔助系統(tǒng)，并在組合儀表上顯示相關(guān)信息，以便駕駛員隨時掌握車輛信息。車載充電機是把電網(wǎng)供電制式轉(zhuǎn)換為對動力電池充電要求的制式，即把交流電(220V或380V)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(zhuǎn)向、制動力調(diào)節(jié)控制、照明、空調(diào)、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(tǒng)

2.驅(qū)動電機系統(tǒng)

電力驅(qū)動子系統(tǒng)(以下簡稱驅(qū)動系統(tǒng)，如圖5)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機汽車的最大不同點。一般地，驅(qū)動系統(tǒng)由電子控制器、功率變換器、驅(qū)動電動機、機械傳動裝置和車輪等部分構(gòu)成。驅(qū)動系統(tǒng)的功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)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(xiàn)再生制動。

圖5 驅(qū)動電機系統(tǒng)

驅(qū)動電動機的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機械能，通過傳動裝置驅(qū)動或直接驅(qū)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(yīng)。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(yǎng)工作量大等缺點，隨著電動機技術(shù)和電動機控制技術(shù)的發(fā)展，正在逐漸被直流無刷電動機(BCDM)、開關(guān)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(tǒng)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(tǒng)運行狀態(tài)的信息發(fā)送給整車控制器。根據(jù)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(fā)出相應(yīng)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(tǒng)的電池管理系統(tǒng)進行發(fā)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(guān)的速度、功率、電壓、電流等信息傳輸?shù)杰囕d信息顯示系統(tǒng)進行相應(yīng)的數(shù)字或模擬顯示。

電機控制器內(nèi)含功能診斷電路。當診斷出現(xiàn)異常時，它將會激活一個錯誤代碼，發(fā)送給整車控制器。電機控制系統(tǒng)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(tǒng)的工作溫度(包括模塊溫度、電機控制器溫度)。

4.輔助系統(tǒng)

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

圖6 輔助系統(tǒng)圖

四、純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)布置形式

常見純電動汽車驅(qū)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(qū)動，圖7(d)為雙電動機電動輪驅(qū)動，圖7(e)、圖7(f)為輪轂電動機驅(qū)動。

其中圖7(a)為電動機中央驅(qū)動形式，直接借用了內(nèi)燃機汽車的驅(qū)動方案，由發(fā)動機前置前驅(qū)發(fā)展而來，由電動機、離合器、變速器和差速器組成。用電驅(qū)動裝置替代了內(nèi)燃機，通過離合器將電動機動力與驅(qū)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(zhuǎn)速—功率(轉(zhuǎn)矩)曲線匹配載荷的需求，差速器實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時兩車輪不同車速的行駛。

圖7(b)為電動機中央驅(qū)動形式，由電動機、固定速比減速器和差速器等構(gòu)成。在這種驅(qū)動系統(tǒng)中，利用電動機在大范圍轉(zhuǎn)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(zhì)量。

圖7(c)為另一種電動機中央驅(qū)動形式，它與前輪驅(qū)動、橫向前置發(fā)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(qū)動車輪，這種布置形式在小型電動汽車上應(yīng)用最普遍。

圖7(d)為雙電動機電動輪驅(qū)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(qū)動各自車輪，轉(zhuǎn)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(qū)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(tǒng)。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(fù)雜，這種驅(qū)動方式在重型電動汽車上有較廣泛的應(yīng)用。

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

圖7 驅(qū)動布置形式圖

五、純電動汽車的特點

1.純電動汽車的優(yōu)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(huán)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(zhuǎn)換為發(fā)電機，實現(xiàn)制動減速時能量的再利用。

(3)結(jié)構(gòu)簡單：因使用單一的電能源，省去了發(fā)動機、變速器、油箱、冷卻和排氣系統(tǒng)等。

(4)噪聲低：電動汽車無內(nèi)燃機產(chǎn)生的噪聲，電機噪聲也比內(nèi)燃機小。(5)節(jié)約能源 ：電動汽車的應(yīng)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(xù)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(jīng)濟規(guī)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?shù)氐挠?、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(shè)施不完善，需要加大配套設(shè)施基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。