电动汽车结构

陈清泉《现代电动汽车技术》 电动汽车的结构 前言： 相比于燃油汽车，电动汽车最大的结构特点是灵活性。 原因 1 电动汽车的能量传输依靠柔性电线，由此，电动汽车各部件结构相当灵活。 2 不同的电动机会大大影响汽车的质量，尺寸，形状 3 不同的储能装置也会大大影响汽车的质量，尺寸，形状 4 感应式或者接触式充电机作为能源补充装置也会大大影响汽车的质量，尺寸，形状 正文： 问题 1 电动汽车的基本结构 电动汽车系统可分为三个子系统组成 ｛1｝ 电力驱动系统： （1）电控单元（2）功率转换器 （3）电动机（4） 机械传动装置（5） 驱动车轮 ｛2｝ 主能源系统： （1）主电源 （2）能源管理系统（3） 充电系统 ｛3｝ 辅助控制系统： （1）动力转向（2）温度控制（3）辅助动力供给 上述电动汽车系统的执行细节： 从制动踏板和加速踏板输入信号， 电子控制器发出相应 的控制指令控制功率转换器的功率装置的通断， 功率转换器的作用是调节电动机和电源之间 的功率流。当电动汽车制动时，再生制动产生的动能被电源吸收， 此时功率流的方向为负方 向。 能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量吸收， 能量管理系统和充电器一同 控制充电并检测电源使用情况。 辅助动力系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并提供 相应的动力，这种辅助系统主要保证动力转向（保证方向盘的动力） ，空调，制动等等装置 的动力。 现代电动汽车多采用三相交流感应电动机，其功率转换器采用脉宽调制逆变器，机械 传动装置采用固定速比的减速器，变速器或差速器。 问题 2 电动汽车系统三个子系统的典型结构 第一个子系统----电驱动的结构形式 不同的的电驱动形式决定了电动汽车的类型，下面介绍6 种电驱动。 【1】第一种电驱动 此种电驱动是发动机前置，前轮驱动燃油车发展而来的，它由电动机 离合器 齿轮箱 差速 器组成， 其中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 具有具有不同速比的齿轮机构 （驾驶员可选择不同的变速比来传输力矩， 低速档时，车轮具 有大力矩低转速； 高速挡， 车轮具有小力矩高转速。 汽车在转弯时， 内侧车轮的转弯半径小， 外侧车轮的转弯半径大，差速器来控制内外车轮有不同的转速） 。 【2】第二种电驱动 使用固定速比的减速器，去掉离合器，可减少机械传动装置的质量，体积。如图，它是由电 动机，固定速比的减速器和差速器的电驱动系统。 此种车没有离合器，所以无法提供理想的 转矩、转速配合特性，所以不适合于发动机的燃油汽车。 【3】第三种电驱动 它于第一种相类似，它把电动机，固定速比减速器和差速器集成为一个整体， 两根半轴联接 驱动车轮，这种结构在小型电动汽车上应用最为普遍。 【4】第四种电驱动 此结构采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮， 每个电动机的转速可以独 立调节控制，便于实现电子速差。所以，此电动车不必用机械差速器。 【5】第五种电驱动 电动机装在车轮里，称为轮毅电动机，可缩短电动机到车轮的距离。 为了将电动机转速减低 到理想车轮转速，可采用固定减速比的行星齿轮变速器， 它能提供大的减速比， 且输入和输 出可布置在同一条轴线上。 【6】第六种电驱动 这是另一种轮毅电动机结构， 它采用了低速外转子电动机， 彻底去掉了机械减速齿轮箱， 电 动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上， 车轮转速和电动汽车的车速完全取决于电动汽车的 转速控制。 *对轮毅电动机的补充介绍* 将驱动电机直接装在车轮上， 缩短或去掉电动机与车轮之间的机械传递装置， 这主要取 决于是高速内转子电动机还是低速外转子电动机。 高速内转子电动机体积小， 质量轻，成本 低，但需要增加变速装置。而低速外转子电动机结构简单，无需变速装置，但它体积大，质 量大，成本高。两者各有优缺点。 （1）若采用高速内转子电动机，必须装固定速比的减速器来降低车速。一般采用高减 速的行星齿轮减速装置， 安装在电动机输出轴和车轮轮缘之间， 这种电动机设计的工作转速 约为 10000r/min，目的是为了获得更高的功率密度。电动机的最高转速主要受线圈损失、 摩 擦损失、变速机构的承受能力等等因素影响。所选的行星齿轮机构的速比是10：1，而车速 的转速范围降为 0---1000r/min。 （2）若采用低速外转子电动机，则可以完全去掉变速装置，不需要减速装置。 如图显示了这两种内置轮式电动机的结构， 采用的都是永磁无刷电动机， 由于具有显著 的高功率密度的特点，因此更加吸引人。 补充：第一个子系统中的差速装置 【1】机械差速器 差速器是传统车辆的标准件， 电动汽车也采用了这种技术， 汽车转弯时，外侧车轮的 转弯半径比内侧车轮的大， 需要利用差速器来调整两侧车轮的转速。 如图，显示了典型机械 差速器的结构，差速器的行星齿轮绕各自的轴旋转，从而使两个半轴有不同转速。 对于电动汽车， 若采用两轮或四轮驱动， 可以使用电子差速器， 不再需要机械差速器。 电子差速器的质量轻、体积小。电动汽车如果是单电动机驱动就需要机械差速器， 如果是多 电动机驱动就要使用电子差速器。 电子差速器器的优点是体积小， 质量轻，可提供精确电子控制； 缺点是增加了电动机 和功率转换器， 增加了成本。 而且在不同条件下实现对两个电动机精确控制的可靠性还需要 进一步的发展。 现在的解决办法是使用 3 个微处理器的电子控制器， 其中两个分别控制左右 两个电动机，另一个用于控制与协调，通过监测器来监视彼此的工作情况来改善可靠性。 第二个子系统----储能系统的结构形式。 储能形式有 6 种基本形式。 （注意：电动汽车用蓄电池，燃料电池，电容器，飞轮等作 为能源，其中电容器和飞轮不能单独作为能源，因为他们的能量比有限。 ） 【1】第一种储能形式 这种是电动汽车所独有的以蓄电池为动力源的结构， 蓄电池应该集中在车尾部或者底盘下面。 所选用蓄电池应该能提供足够的能量比和功率比， 并且在车辆制动时能回收再生制动能。 其 蓄电池的能量比和功率比会影响汽车的行驶里程， 其功率比影响汽车的加速性能和爬坡能力。 【2】第二种储能形式 有时一种蓄电池不能满足能量比和功率比， 可以采用两种不用蓄电池， 一种来提供高的能量 比，另一种提供高的功率比。 这种结构分离了能量比和功率比， 而且可利用一个蓄电池回收 汽车下坡和制动时产生的能量。 【3】第三种储能形式 可以添加燃料电池，作为小型发电装置，燃料电池利用可逆电解过程，利用H2 和 O2 产生 水和电能，氢气可以储存在车载氢气罐中， 氧气可直接取自空气。 燃料电池可以提供高的能 量比但不能回收下坡和再生制动的能量， 因此最好于一种高功率比且能高效回收下坡及再生 制动能量的蓄电池结合在一起使用。 【4】第四种储能形式 燃料电池所需的氢气不仅可由压缩氢气、 液态氢、金属氢化物储存。还可以由常温液态燃料 如甲醇或汽油随车产生。 上图是一个带小型重整器的电动汽车的结构简图， 燃料电池所需氢 气由重整器随车产生。 【5】第五种储能形式 当使用蓄电池与超级电容器进行混合时， 所选的蓄电池必须能提供高能量比， 因为超级电容 器本身比蓄电池有更高的功率比和更高的回收再生制动能量的能力。 由于用