第一節　電動汽車與燃油汽車的結構原理差異

一、電動汽車的獨特特點

與燃油汽車相比，電動汽車的結構特點是靈活，這種靈活性源于電動汽車具有的以下幾個特點：

①能量傳遞方式不同　電動汽車的能量主要是通過柔性的電纜電線而不是通過剛性聯軸器和轉軸傳遞的。因此，電動汽車各部件的布置具有很大的靈活性。

②電動汽車驅動系統的布置不同　獨立的四輪驅動系統和輪轂電動機驅動系統等會使系統結構區別很大，采用不同類型的驅動電動機也會影響電動汽車的重量、尺寸和形狀。

③儲能裝置不同　不同類型的儲能裝置也會對電動汽車的結構、重量、尺寸和形狀產生影響。不同的補充能源裝置需要不同的硬件和機構，例如動力電池可通過感應式和接觸式的充電動機充電，或者采用替換動力電池的方式，再對替換下來的動力電池進行集中充電。

如圖1-1所示，電動汽車系統可分為三個子系統：電驅動子系統、能源子系統和輔助控制子系統。其中，電驅動子系統由電子控制器、功率轉換器、電動機、機械傳動裝置和驅動車輪組成；能源子系統由主電源、能量管理系統和充電系統構成；輔助控制子系統具有動力轉向、溫度控制和輔助動力供給等功能。

根據從制動踏板和加速踏板輸入的信號，電子控制器發出相應的控制指令來控制功率轉換器中功率裝置的通斷，功率轉換器的功能是調節電動機和電源之間的功率流。當電動汽車制動時，再生制動的動能被電源吸收，此時功率流的方向要反向。能量管理系統和電控系統一起控制再生制動及其能量的回收，能量管理系統和充電動機一同控制充電并監測電源的使用情況。輔助動力供給系統供給電動汽車輔助系統不同等級的電壓并提供必要的動力，它主要給動力轉向、空調、制動及其他輔助裝置提供動力。除了從制動踏板和加速踏板給電動汽車輸入信號外，轉向盤輸入也是一個很重要的輸入信號，助力轉向系統根據轉向盤的角位置來決定汽車能否靈活地轉向。

二、電驅動系統的結構形式

依托于傳統內燃汽車，采用驅動電動機替代原有的內燃機，可形成最為簡單的電動汽車電驅動系統。如圖1-2所示，電驅動系統一般由驅動電動機、離合器、齒輪箱和差速器組成，這是電動汽車傳動系統布置的常規形式。在此種形式中，傳統內燃機被一組動力電池和一臺驅動電動機所代替，離合器、變速器和差速器的布置形式與傳統內燃機車輛的布置形式一致。其中的離合器和變速器也可以被自動變速器所代替，差速器的功能是通過機械傳動使車輛曲線行駛時兩側車輪能夠在不同速度下行駛。

由于驅動電動機能夠在較長的速度范圍內提供相對恒定的功率，因此多級變速器可以被一個固定速比減速器所代替，并且離合器也可以省去，即無變速器，其傳動形式如圖1-3所示。這種傳動系統一方面可以節省機械傳動結構的重量和體積；另一方面可以減少由于換擋所帶來的控制難度。

第三種傳動形式與第二種傳動形式類似，但是驅動電動機、固定速比減速器和差速器被進一步整合為一體，布置在驅動軸上，如圖1-4所示，整個驅動傳動系統被大大簡化和集成化。從再生制動的角度出發，這種傳動形式可以很容易地實現電能從車輪到電動機的回收（驅動輪以外的動能通過制動轉化為熱能），所以有利于全輪驅動。因為沒有傳動裝置，所以運轉更加容易，但是這樣的布置形式要求有低速大轉矩、速度變化范圍大的電動機，同時增加了電動機和逆變器的容量。

如圖1-5所示，在第三種傳動形式的基礎上，差速器被兩個獨立的牽引電動機所代替。每個牽引電動機單獨完成一側車輪的驅動任務，即無機械差速器的傳動形式。在車輛進行曲線行駛時，兩側的電動機就會分別工作在不同的速度下。圖1-6顯示的為雙電動機驅動模式下的底盤結構。前軸兩個半橋上分別用一個電動機驅動一側車輪的行駛，但是控制難度較大。圖1-6所示為雙驅動電動機驅動橋結構，驅動電動機置于兩側，分別控制、驅動兩側車輪。這種驅動橋間沒有大型的差速器橋包，因此可以降低質心。

為了進一步簡化驅動系統，牽引電動機與車輪之間取消了傳統的傳動軸，由驅動電動機直接驅動車輪前進，如圖1-7（a）所示。同時一個單排的行星齒輪用來減小轉速和增大轉矩，以滿足不同工況的功率要求。單排行星齒輪可以提供良好的減速比和線性的輸入輸出特性。

在完全舍棄驅動電動機和驅動輪之間的機械傳動裝置之后，輪轂電動機的外轉子直接接在驅動輪上，驅動電動機轉速控制與車輪轉速控制融為一體，構成了所謂的雙輪轂電動機，使車速控制變得簡單。然而，這種分布方式需要驅動電動機提供更高的轉矩來啟動和加速車輛，如圖1-7（b）所示。輪轂驅動電動機的安裝位置如圖1-8所示。

三、儲能裝置的結構形式

動力電池系統是純電動汽車能量的唯一來源，是混合動力汽車、燃料電池汽車的主要能量來源。因此，在電動汽車能源裝置布置形式上可以分為兩類。圖1-9（a）所示為電動汽車儲能裝置最常見的結構形式——動力電池系統作為唯一能量源為電動汽車提供動力。該結構的儲能及控制相對簡單。設計者可根據整車設計需要合理安排儲能裝置的位置和容量，但對動力電池的要求比較苛刻，一般按照電動汽車的功能和使用工況要求，選擇比能量和比功率較高的動力電池來保障整車的續駛里程、加速性和爬坡能力。

為了解決一種動力電池不能同時滿足對比能量和比功率要求的問題，有些電動汽車同時采用了兩種不同的動力電池，其中一種能提供高比能量（如能量型鋰離子電池、鋅空氣電池）；另外一種提供高比功率（如功率型鋰離子電池、超級電容器）。圖1-9（b）所示為采用兩種電池作為混合能量源的結構。這種結構不僅滿足了對比能量和比功率的要求，而且在電動汽車的制動能量回收方面起到了較為顯著的效果。除此以外，目前還可以利用燃料電池、超級電容器和飛輪等共同作為電動汽車的新型儲能裝置，共同提高電動汽車的續駛里程或者整車的動力性能。

四、電氣設備的結構

電動汽車電氣設備主要包括蓄電池、發電動機、照明燈具、儀表、音響裝置、刮水器等。

1.蓄電池

蓄電池的作用是供給起動機和電動機用電。為了滿足電動汽車對高電壓的需求，電動汽車通常是以多個12V或24V的電池串、并聯形成的動力電池組作為動力源，動力電池組的電壓是155～400V，以周期性的充電來補充電能。動力電池組是電動汽車的關鍵裝備，它儲存的電能及其自身的重量和體積對純電動汽車的性能起決定性影響。

動力電池組在電動汽車上占據極大一部分有效的裝載空間，在布置上有相當大的難度，一般有集中布置和分散布置兩種形式。通用公司的EV-1使用的Delco電池組，采用集中式布置形式，動力電池組的支架是T形架（圖1-10）。T形架裝在車輛的地板下面及后備廂下面的車架上，動力電池組固定在T形架上，有良好的穩定性，它從車輛的尾部安裝。在T形架上裝有動力電池組的通風系統、電線保護套等，用自動和手動斷路器在車輛停車及車輛出現故障時切斷電源，確保高壓電路的安全。

新一代沃藍達所采用的電池由LG公司提供，由96組共192個串聯電池組成。每一個電池組件具有自己的固定框架以及溫度調節裝置，整個96組電池呈字母“T”形分布（圖1-11）在車身中軸線以及后排座椅下方，以盡量減少對于車內空間的使用。因而整個電池組設置有3個逆變器。通過電化學裝置的重新設計，新一代沃藍達所采用的動力電池在質量上減少了13kg，并且增加了容量。

2.燈具和儀表

燈具和儀表是提供照明并且顯示電動汽車狀態的部件組合。如圖1-12所示，儀表通常提供蓄電池電壓顯示、整車速度顯示、行駛狀態顯示、燈具狀態顯示等，智能型儀表還可以顯示整車各電氣部件的故障情況。

五、能量回收系統

能量回收系統（圖1-13）的作用是在電動汽車滑行（或制動）時，可以將滑行時的慣性機械能轉化為電能，并將其存儲在電容器中或為動力蓄電池充電，在使用時可快速將能量釋放。