2.1　純電動汽車構型方案與特點

相比于其他類型的新能源汽車，純電動汽車完全依靠存儲在動力電池中的電能驅動行駛，不會產生傳統汽車排放的CO、HC以及NOx等污染物，是公認的未來理想的交通工具。純電動汽車的基本結構包括三個子系統，即電力驅動子系統、能源子系統和輔助子系統，如圖2-1所示。

電力驅動子系統的功能是通過控制器電路與制動踏板和加速踏板相連，將制動踏板和加速踏板信號輸入到控制器，以獲得駕駛員的駕駛意圖；通過控制電動機驅動車輛并且進行制動能量回收。

能源子系統的功能是對驅動系統及輔助子系統供能，保證汽車上各元件有穩定的能量來源；當動力電池能量不足時，能夠對動力電池進行充電，以及時補充車輛的能量。

同傳統汽車一樣，電動汽車也配備有助力轉向、空調、音響等系統，不同的是這些系統完全利用存儲在動力電池中的電能，輔助子系統的作用就是完成助力轉向、車內空調溫度調節及夜間照明等功能。

不同子系統又可分為不同的部分，就驅動子系統而言，又可分為電氣和機械兩大系統。其中電氣系統包括電動機、功率變換器和電子控制器等子系統；機械系統的組成主要包括變速裝置和車輪等。電力驅動子系統的電氣與機械系統有著多種組合方式，其基本布置方式通常可分為機械驅動布置方式、電動機-驅動橋組合式、電動機-驅動橋整體式和輪轂電機分散式四種。

純電動汽車的結構形式，對能量的傳動效率和整車布置的合理性會產生直接影響。為使純電動汽車具有良好的運行特性，其布置形式需滿足以下幾點要求。

①驅動電機應具有合適的轉矩和轉速的變化范圍，以滿足純電動汽車在各種循環工況行駛時的牽引力需要；此外，傳動系統各部件的安裝要緊湊、協調，以減少傳動系統占用的空間，并降低車輛行駛時傳動系統的振動和噪聲。

②能夠滿足某些特殊工況下的行駛需求，例如能實現倒退行駛，兩側驅動輪可以實現差速行駛以滿足汽車轉彎要求，以及必要時能夠中斷動力傳遞等。

③系統的傳遞效率要盡可能高，通過傳動裝置傳遞給驅動車輪的能量損失少，從而盡可能提高純電動續駛里程。

④具有足夠的可靠性，當汽車遭遇到外界干擾或發生故障時，車輛應能保證行駛安全。

⑤具有一定的舒適性，汽車在保證以上各種要求的同時應能達到良好的乘坐舒適性。

本節將對當前純電動汽車常用的布置方式結構特點及應用情況予以介紹。

2.1.1　機械驅動布置方式

機械驅動布置方式是指在純電動汽車中，電機通過機械方式驅動汽車行駛。這一布置方式是在保持傳統汽車傳動系統基本結構不變的基礎上，用電機替換傳統汽車的內燃機，其驅動系統的整體結構與傳統燃油汽車的區別很小。圖2-2所示為這種布置方式的基本原理。電動機輸出轉矩經過離合器傳遞到變速器，利用變速器進行減速增扭后，經傳動軸傳遞到主減速器，然后經過差速器的差速作用后，由半軸將動力傳輸至驅動輪驅動汽車行駛。機械驅動布置形式的工作原理類似于傳統汽車，離合器用來接通或在必要時切斷驅動電機到車輪之間的動力傳遞；變速器是一套能夠提供不同速比的齒輪機構，駕駛員按照駕駛需要來選擇不同的擋位而達到不同的減速增扭作用，使車輛在低速時獲得大轉矩，而高速時獲得小轉矩；驅動橋內的機械式差速器可以實現汽車轉彎時左右車輪以不同的轉速行駛，這一點與傳統汽車相同。這種構型純電動汽車的變速器可相應簡化，擋位數一般有兩個就夠了，不需要像傳統汽車上變速器一樣設置多個擋位，并且無需設置倒擋，而是利用驅動電機的反轉實現倒退行駛，因此其變速器相對簡單。這種構型保留了傳統汽車的變速器、傳動軸、后橋和半軸等傳動部件，省去了較多的設計工作，控制也相對容易，適于在原有傳統汽車上進行改造。但是，由于電動機至驅動輪之間的傳動鏈較長，所以它的傳動效率也相對較低，這也就降低了電機效率高的優點，但有利于研發人員集中精力進行電機及其控制系統的開發，所以早期的純電動汽車開發常采用這種布置方式。

這一構型的純電動汽車同傳統汽車結構之間最大的差異就是汽車的動力源不同。傳統汽車由內燃機消耗燃油產生動力驅動汽車，汽車行駛所需的全部能量及附件消耗的能量都來自內燃機內部所消耗燃料的化學能；而這一構型的純電動汽車所消耗的能量是存儲在動力電池內的電能。在設計機械驅動布置構型的純電動汽車時，主要的工作就是電機的選擇和控制系統的研發。傳統汽車研發中，一般以汽車的預期最高車速、最大爬坡度以及汽車的比功率來確定動力源的最大功率，這一方法在此仍然適用。在設計中需要注意的就是電機特性和發動機特性的不同，所以，在此有必要對兩者進行對比分析。

理想車輛動力裝置的運行特性，應滿足在全車速范圍內為恒功率輸出，轉矩隨車速為雙曲線形變化；另外，為了滿足汽車加速、爬坡等場合的動力要求，要求低速時提供大的牽引力，如圖2-3所示。圖2-4為某一發動機的實際運行特性。可以看出，隨著轉速n的增加，發動機的輸出轉矩Ttq會先增加后減少，發動機輸出轉矩在中間轉速附近達到最大，此時的燃油消耗率be也比較小；在某一高轉速下，發動機的輸出功率會達到最大值，當轉速進一步增加，由于轉矩的迅速減少導致了輸出功率也減少。與理想車輛動力裝置特性曲線相比，發動機的運行特性曲線相對平滑。因此，為了改善其特性，傳統汽車中需要通過變速器變換擋位使車輛的牽引特性接近理想的運行特性。對驅動電機而言，轉速從零到基速過程中，輸出轉矩為常值，當轉速超過基速后，輸出功率為常值，由圖2-5可以看出，電機的運行特性和車輛理想驅動裝置的運行特性比較接近，所以可以采用單擋或者兩擋傳動裝置，甚至可以不用變速器。

圖2-3～圖2-5中，n、Ttq、Pe分別表示轉速、輸出轉矩和輸出功率，vb為與電機基速對應的車速；va為電動汽車起步加速達到的某一車速。

2.1.2　電動機-驅動橋組合式

在機械驅動布置方式的結構基礎之上進一步簡化，可以得到電動機-驅動橋組合式構型，如圖2-6所示。同機械驅動布置方式相比，這一構型省掉了離合器和變速器，采用一個固定速比的減速器，使傳動系統更加簡化，傳動效率得到提高，同時還使整車機械系統的質量和體積得到縮小，有利于整車布置。另外，減速器的使用還能夠改善車輛行駛時電動機工作點的分布，從而提高電動機利用效率。這種驅動系統布置形式即在驅動電機端蓋的輸出軸處加裝主減速器和差速器等，電動機、固定速比減速器、差速器一起組合成一個驅動整體，通過固定速比的減速作用來放大驅動電機的輸出轉矩。這種布置形式的傳動部分比較緊湊，效率較高，而且便于安裝。

純電動汽車的驅動元件——電動機具有比較寬的調速范圍。此外，由前面內容可知，電動機的輸出特性曲線與車輛行駛時所要求的理想驅動特性曲線比較接近，電動機-驅動橋組合驅動布置方式能夠充分利用驅動電機的這一優點。這一構型的傳動系統采用固定速比的減速器、差速器和半軸等較少的機械傳動零部件來傳遞電機的驅動轉矩，使動力傳動系統得到簡化，因此能夠有效地擴大汽車動力電池的布置空間和汽車的乘坐空間。除此之外，此構型還具有良好的通用性和互換性，便于在傳統汽車底盤上安裝、使用，維修也較方便。但這種布置形式對驅動電機的調速要求比較高，與機械驅動布置方式相比，此構型要求電動機在較窄速度范圍內能夠提供較大轉矩。按照傳統汽車的驅動模式，可以有驅動電機前置前驅（FF）或驅動電機后置后驅（RR）兩種方式。

2.1.3　電動機-驅動橋整體式

同電動機-驅動橋組合式相比，整體式驅動系統更進一步減少了動力傳動系統的機械傳動元件數量，因而使整個動力傳動系統的傳動效率進一步提高，同時可以節省很多的空間，其結構原理如圖2-7所示。電動機-驅動橋整體式構型，已不再是在傳統汽車驅動系統上進行改動，其結構與傳統汽車存在很大差異，已形成了電動汽車所獨有的驅動系統布置形式。這一構型便于采用電子集中控制，使汽車網絡化和自動化控制的逐步實現成為可能。

電動機-驅動橋整體式把電動機、固定速比減速器和差速器集成為一個整體，通過兩根半軸驅動車輪，和發動機橫向前置——前輪驅動的傳統內燃機汽車的布置方式類似。根據電動機同驅動半軸的連接方式不同，電動機-驅動橋整體式驅動系統布置形式有同軸式和雙聯式兩種，如圖2-8和圖2-9所示。

如圖2-8所示，同軸式驅動系統的電動機軸是一種經過特殊制造的空心軸，在電動機一端輸出軸處裝有減速機構和差速器。半軸直接由差速器帶動，一根半軸穿過電動機的空心軸驅動另一端的車輪。由于這一種構型采用機械式差速器，所以汽車轉彎時和傳統汽車類似，其控制比較簡單。

圖2-9所示為雙聯式驅動系統的基本結構（也稱雙電機驅動系統）。這一構型的左右兩側車輪分別由兩臺電動機通過固定速比減速器直接驅動。這一結構取消了機械差速器，在左右兩臺電動機中間安裝有電子差速器，利用電子差速實現汽車的換向，每臺驅動電機的轉速可以獨立地調節控制。電子差速的一大突出優點是能使電動汽車得到更好的靈活性，而且可以方便地引入ASR（Acceleration Slip Regulation）控制，通過控制車輪的驅動轉矩或驅動輪主動制動等措施提高汽車的通過性和在復雜路況上的動力性。另外，電子差速器還具有體積小、質量小的優點，在汽車轉彎時可以通過精確的電子控制來提高純電動汽車的性能。由于增加了驅動電機和功率轉換器，使初始成本增加，結構也較為復雜。與同軸式驅動系統相比，在不同條件下對兩臺驅動電機進行精確控制的可靠性還需要進一步提高。這樣的布置形式與前面的幾種有著很大的不同，電動汽車的驅動系統布置形式發展到這一步時，才有可能把電動汽車的優勢充分地體現出來。

同樣，電動機-驅動橋整體式驅動系統在汽車上的布局也有電動機前置前驅（FF）和電動機后置后驅（RR）兩種形式。整體式驅動系統具有結構緊湊、傳動效率高、質量小、體積小、安裝方便等優點，并具有良好的通用性和互換性，已在小型電動汽車上得到了應用。

2.1.4　輪轂電機分散式

在電動機-驅動橋整體式基礎上更進一步地簡化機械驅動系統、減少機械傳動零件，便可得到輪轂電機分散式構型。這一驅動方式就是把驅動電機安裝在電動汽車的車輪輪轂中，電動機輸出轉矩直接帶動驅動輪旋轉，從而實現汽車的驅動。圖2-10所示為這種布置方式的結構原理。通過和前面的幾種構型對比可以看出，這種布置方式把電動機-驅動橋整體驅動布置方式中的半軸也取消掉了，其結構更為簡潔、緊湊，整車質量更小。同傳統汽車相比，輪轂電機分散式純電動汽車，把傳統汽車的機械動力傳動系統所占空間完全釋放出來，使動力電池、行李箱等有足夠的布置空間。同時，它還可以對每臺驅動電機進行獨立控制，有利于提高車輛的轉向靈活性和主動安全性，可以充分利用路面的附著力，便于引進電子控制技術。這種布置方式比上面介紹的各布置方式更能體現出電動汽車的優勢。采用輪轂電機分散式的動力系統必須要解決的問題就是如何保證車輛行駛的方向穩定性，同時，動力系統的驅動電機及其減速裝置，必須能夠布置在有限的車輪空間內，要求該驅動電機體積較小。關于輪轂電機的結構，將在第7章進行詳細介紹，在此不再贅述。

輪轂電機分散式純電動汽車是當前的一大研究熱點，但是這一構型并不是近年才出現的。早在1900年，保時捷公司就研制了名為洛納德的前輪驅動雙座電動車，該車的兩個前輪就裝有輪轂電機。后來由于內燃機汽車在續駛里程、動力性等方面都明顯優于純電動汽車，所以內燃機汽車成為主流，而電動汽車則在很大程度上放緩了發展的腳步，輪轂電機電動汽車也因此沒有繼續研發下去，沒有走向產業化。

目前，國內外的眾多汽車生產廠商、高校、研究院等，對輪轂電機分散式純電動汽車進行了大量的研究。香港中文大學開發了四輪驅動/四輪轉向的多方向運動車，通過控制四個車輪的驅動和轉向實現了原地轉向和橫向移動，重點研究了利用電機效率圖優化四輪驅動力矩分配的控制策略以達到節能的目的，并取得了良好的效果。

吉林大學對四輪獨立驅動電動汽車進行了大量的研究，也取得了一定的成果。吉林大學仿真與控制國家重點實驗室開發了全線控四輪輪轂電機獨立轉向/獨立驅動電動汽車，研究了線控四輪獨立驅動電動汽車集成控制方法。上海交通大學、哈爾濱工業大學、武漢理工大學等高校在輪轂電機和電驅動輪開發與產品化方面也進行了大量研究工作。目前，日產的FEV、福特的Ecostar都采用了輪轂電機分散布置方式，通用公司也稱將在它的電動汽車和混合動力汽車上采用這樣的布置方式。輪轂電機分散式是未來純電動汽車驅動系統布置方式的發展趨勢。

2.1.5　小結

純電動汽車是公認的未來理想的交通工具，其顯著優勢就是能夠實現真正意義上的零排放、零污染。與傳統汽車消耗不可再生能源相比，純電動汽車的能源來源廣泛，其所使用的電能不僅可以來自于煤炭等不可再生能源，還可來自于風能、太陽能、水能以及核能，所以不存在純電動汽車電能供給危機問題。但是，由于目前電池技術限制和充放電問題，純電動汽車在性能上還不能和傳統汽車相抗衡。一旦這些技術瓶頸得到有效解決，純電動汽車勢必會快速替代傳統汽車而成為最為普遍的交通工具。本節介紹了純電動汽車的幾種構型方案，以期讀者對純電動汽車有一個清楚的認識，具體包括機械驅動布置方式、電動機-驅動橋組合式、電動機-驅動橋整體式和輪轂電機分散式。