第一节　电动汽车与燃油汽车的结构原理差异

一、电动汽车的独特特点

与燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活，这种灵活性源于电动汽车具有的以下几个特点：

①能量传递方式不同　电动汽车的能量主要是通过柔性的电缆电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递的。因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性。

②电动汽车驱动系统的布置不同　独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动系统等会使系统结构区别很大，采用不同类型的驱动电动机也会影响电动汽车的重量、尺寸和形状。

③储能装置不同　不同类型的储能装置也会对电动汽车的结构、重量、尺寸和形状产生影响。不同的补充能源装置需要不同的硬件和机构，例如动力电池可通过感应式和接触式的充电动机充电，或者采用替换动力电池的方式，再对替换下来的动力电池进行集中充电。

如图1-1所示，电动汽车系统可分为三个子系统：电驱动子系统、能源子系统和辅助控制子系统。其中，电驱动子系统由电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；能源子系统由主电源、能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。

根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器中功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电动机一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘输入也是一个很重要的输入信号，助力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车能否灵活地转向。

二、电驱动系统的结构形式

依托于传统内燃汽车，采用驱动电动机替代原有的内燃机，可形成最为简单的电动汽车电驱动系统。如图1-2所示，电驱动系统一般由驱动电动机、离合器、齿轮箱和差速器组成，这是电动汽车传动系统布置的常规形式。在此种形式中，传统内燃机被一组动力电池和一台驱动电动机所代替，离合器、变速器和差速器的布置形式与传统内燃机车辆的布置形式一致。其中的离合器和变速器也可以被自动变速器所代替，差速器的功能是通过机械传动使车辆曲线行驶时两侧车轮能够在不同速度下行驶。

由于驱动电动机能够在较长的速度范围内提供相对恒定的功率，因此多级变速器可以被一个固定速比减速器所代替，并且离合器也可以省去，即无变速器，其传动形式如图1-3所示。这种传动系统一方面可以节省机械传动结构的重量和体积；另一方面可以减少由于换挡所带来的控制难度。

第三种传动形式与第二种传动形式类似，但是驱动电动机、固定速比减速器和差速器被进一步整合为一体，布置在驱动轴上，如图1-4所示，整个驱动传动系统被大大简化和集成化。从再生制动的角度出发，这种传动形式可以很容易地实现电能从车轮到电动机的回收（驱动轮以外的动能通过制动转化为热能），所以有利于全轮驱动。因为没有传动装置，所以运转更加容易，但是这样的布置形式要求有低速大转矩、速度变化范围大的电动机，同时增加了电动机和逆变器的容量。

如图1-5所示，在第三种传动形式的基础上，差速器被两个独立的牵引电动机所代替。每个牵引电动机单独完成一侧车轮的驱动任务，即无机械差速器的传动形式。在车辆进行曲线行驶时，两侧的电动机就会分别工作在不同的速度下。图1-6显示的为双电动机驱动模式下的底盘结构。前轴两个半桥上分别用一个电动机驱动一侧车轮的行驶，但是控制难度较大。图1-6所示为双驱动电动机驱动桥结构，驱动电动机置于两侧，分别控制、驱动两侧车轮。这种驱动桥间没有大型的差速器桥包，因此可以降低质心。

为了进一步简化驱动系统，牵引电动机与车轮之间取消了传统的传动轴，由驱动电动机直接驱动车轮前进，如图1-7（a）所示。同时一个单排的行星齿轮用来减小转速和增大转矩，以满足不同工况的功率要求。单排行星齿轮可以提供良好的减速比和线性的输入输出特性。

在完全舍弃驱动电动机和驱动轮之间的机械传动装置之后，轮毂电动机的外转子直接接在驱动轮上，驱动电动机转速控制与车轮转速控制融为一体，构成了所谓的双轮毂电动机，使车速控制变得简单。然而，这种分布方式需要驱动电动机提供更高的转矩来启动和加速车辆，如图1-7（b）所示。轮毂驱动电动机的安装位置如图1-8所示。

三、储能装置的结构形式

动力电池系统是纯电动汽车能量的唯一来源，是混合动力汽车、燃料电池汽车的主要能量来源。因此，在电动汽车能源装置布置形式上可以分为两类。图1-9（a）所示为电动汽车储能装置最常见的结构形式——动力电池系统作为唯一能量源为电动汽车提供动力。该结构的储能及控制相对简单。设计者可根据整车设计需要合理安排储能装置的位置和容量，但对动力电池的要求比较苛刻，一般按照电动汽车的功能和使用工况要求，选择比能量和比功率较高的动力电池来保障整车的续驶里程、加速性和爬坡能力。

为了解决一种动力电池不能同时满足对比能量和比功率要求的问题，有些电动汽车同时采用了两种不同的动力电池，其中一种能提供高比能量（如能量型锂离子电池、锌空气电池）；另外一种提供高比功率（如功率型锂离子电池、超级电容器）。图1-9（b）所示为采用两种电池作为混合能量源的结构。这种结构不仅满足了对比能量和比功率的要求，而且在电动汽车的制动能量回收方面起到了较为显著的效果。除此以外，目前还可以利用燃料电池、超级电容器和飞轮等共同作为电动汽车的新型储能装置，共同提高电动汽车的续驶里程或者整车的动力性能。

四、电气设备的结构

电动汽车电气设备主要包括蓄电池、发电动机、照明灯具、仪表、音响装置、刮水器等。

1.蓄电池

蓄电池的作用是供给起动机和电动机用电。为了满足电动汽车对高电压的需求，电动汽车通常是以多个12V或24V的电池串、并联形成的动力电池组作为动力源，动力电池组的电压是155～400V，以周期性的充电来补充电能。动力电池组是电动汽车的关键装备，它储存的电能及其自身的重量和体积对纯电动汽车的性能起决定性影响。

动力电池组在电动汽车上占据极大一部分有效的装载空间，在布置上有相当大的难度，一般有集中布置和分散布置两种形式。通用公司的EV-1使用的Delco电池组，采用集中式布置形式，动力电池组的支架是T形架（图1-10）。T形架装在车辆的地板下面及后备厢下面的车架上，动力电池组固定在T形架上，有良好的稳定性，它从车辆的尾部安装。在T形架上装有动力电池组的通风系统、电线保护套等，用自动和手动断路器在车辆停车及车辆出现故障时切断电源，确保高压电路的安全。

新一代沃蓝达所采用的电池由LG公司提供，由96组共192个串联电池组成。每一个电池组件具有自己的固定框架以及温度调节装置，整个96组电池呈字母“T”形分布（图1-11）在车身中轴线以及后排座椅下方，以尽量减少对于车内空间的使用。因而整个电池组设置有3个逆变器。通过电化学装置的重新设计，新一代沃蓝达所采用的动力电池在质量上减少了13kg，并且增加了容量。

2.灯具和仪表

灯具和仪表是提供照明并且显示电动汽车状态的部件组合。如图1-12所示，仪表通常提供蓄电池电压显示、整车速度显示、行驶状态显示、灯具状态显示等，智能型仪表还可以显示整车各电气部件的故障情况。

五、能量回收系统

能量回收系统（图1-13）的作用是在电动汽车滑行（或制动）时，可以将滑行时的惯性机械能转化为电能，并将其存储在电容器中或为动力蓄电池充电，在使用时可快速将能量释放。