電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

許笑月，宋春華，韋興平，徐全，宋昌林

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610039）

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

許笑月，宋春華，韋興平，徐全，宋昌林

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610039）

在電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域，每種類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)都在能量密度、功率密度、燃料經(jīng)濟(jì)性、尺寸、重量、成本和安全性等各方面有其自身的優(yōu)勢(shì)和局限所在。所有的這些因素都嚴(yán)重受汽車(chē)自身的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)的影響。列舉了純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)及燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析其各自的性能特點(diǎn)、最優(yōu)工況及制約其大規(guī)模發(fā)展的主要因素。

電動(dòng)汽車(chē)；結(jié)構(gòu)；動(dòng)力系統(tǒng)

目前，隨著汽車(chē)數(shù)量的不斷增加，造成了空氣質(zhì)量的日益惡化和石油資源的漸趨匱乏。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的電控技術(shù)和三元催化等排氣凈化技術(shù)的應(yīng)用使汽車(chē)的排放和油耗已下降到了很低的水平，但仍未能從根本上解決汽車(chē)排污和能源問(wèn)題。因此，利用煤炭、水力等其它非石油資源驅(qū)動(dòng)，并在使用中可實(shí)現(xiàn)零污染的電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)運(yùn)而生。其中，電動(dòng)汽車(chē)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是其成為節(jié)能環(huán)保汽車(chē)的基礎(chǔ)，只有擁有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，才能承載電動(dòng)汽車(chē)重要電驅(qū)動(dòng)元器件[1-2]。本文將著重分析以上幾類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的不同動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其利弊，為電動(dòng)汽車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)提供參考與借鑒。

1 電動(dòng)汽車(chē)基本構(gòu)造

電動(dòng)汽車(chē)的組成主要包括:電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)以及其他工作裝置等。其中，電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的核心，其作用在于將電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為汽車(chē)提供能量；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)把電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而成的機(jī)械能傳遞給汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)軸，無(wú)需離合、變速裝置，便可使電動(dòng)機(jī)負(fù)載啟動(dòng)[3]。

2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)

2.1 純電動(dòng)汽車(chē)

純電動(dòng)汽車(chē)以電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器為能量源，以蓄電池取代內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)一系列反應(yīng)將電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?jīng)電動(dòng)機(jī)和控制器，把電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)圖

純電動(dòng)汽車(chē)相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，具有更加靈活的結(jié)構(gòu)，可通過(guò)不同類(lèi)型的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使其具有不同的行駛性能，且可使用不同類(lèi)型的儲(chǔ)能裝置，但由于其密度和尺寸并不同，也會(huì)影響到整車(chē)的體積和質(zhì)量。在純電動(dòng)汽車(chē)中由于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可通過(guò)電子控制器進(jìn)行控制，其變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有多種選擇。但純電動(dòng)汽車(chē)也存在充電時(shí)間長(zhǎng)，電池體積大，整車(chē)靈活性、續(xù)航能力及動(dòng)態(tài)性能較差，充電站較少且設(shè)施不夠完善等缺點(diǎn)[4-6]。

2.2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)

2.2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)

串聯(lián)連接是混合動(dòng)力汽車(chē)最簡(jiǎn)單的一種連接形式，如圖2所示，將內(nèi)燃機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械連接，再通過(guò)控制器連接電動(dòng)機(jī)和電化學(xué)電池。發(fā)電機(jī)將內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電能同時(shí)為電池充電或供應(yīng)給電動(dòng)機(jī)。由燃料箱到控制器的能量流動(dòng)是單向的，而從電池到電動(dòng)機(jī)是雙向的[7-9]，內(nèi)燃機(jī)的啟停由電池的充電狀態(tài)控制。通過(guò)選擇內(nèi)燃機(jī)的最佳操作方式，可以實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的燃料消耗。

圖2 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)圖

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)適用于市內(nèi)常見(jiàn)的頻繁起步、加速和低速運(yùn)行，可使原動(dòng)機(jī)保持在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)和電池組的輸出來(lái)調(diào)整車(chē)速，從而使復(fù)雜工況下整車(chē)性能有所提高。但串聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，原動(dòng)機(jī)作的功通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、控制器和電動(dòng)機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)換中均有能量損失，燃油經(jīng)濟(jì)性并未真正得到提高。因此，該結(jié)構(gòu)主要用于城市公交及大客中，在轎車(chē)中十分少見(jiàn)。

2.2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)

在并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中，內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)并聯(lián)連接，可單獨(dú)或同時(shí)將動(dòng)力傳遞給車(chē)輪，如圖3所示。電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)分別在低速和高速時(shí)獨(dú)自運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)更高的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)工作和再生制動(dòng)的狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)可作為發(fā)動(dòng)機(jī)為電池充電。并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單級(jí)能量轉(zhuǎn)換，提高了效率，降低了車(chē)輛的重量和成本，但是能量源的并聯(lián)耦合增加了控制的復(fù)雜性[8-9]。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)更適合汽車(chē)中、高速穩(wěn)定行駛。而在其它的行駛工況，由于發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有在其最佳的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，油耗和排污指標(biāo)較差。

圖3 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 串并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)

該結(jié)構(gòu)引入一個(gè)額外的機(jī)械連接和發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖4所示，同時(shí)體現(xiàn)串聯(lián)及并聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。在該結(jié)構(gòu)中，最常用的是電力集成型和發(fā)動(dòng)機(jī)集成型的操作方式。二者分別以電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)為主要?jiǎng)恿?lái)源，其各部分組件的設(shè)計(jì)和尺寸也不同。二者除驅(qū)動(dòng)模式以外的操作模式是近乎相同的，在驅(qū)動(dòng)模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)集成型通過(guò)內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)作用，推動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)，電力集成型中內(nèi)燃機(jī)可以輔助電動(dòng)機(jī)共同作用[8-9]。該結(jié)構(gòu)由于添加了額外的電氣和機(jī)械部件，設(shè)計(jì)和控制更為復(fù)雜，體積更大，成本更高。

圖4 串并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 復(fù)合式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)

目前為止所研究的串聯(lián)式、并聯(lián)式及串并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)均使用單軸推進(jìn)模式，而復(fù)合式混合動(dòng)力汽車(chē)使用的是雙軸推進(jìn)模式。如圖5所示，前、后輪的車(chē)軸相互分離獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，之間沒(méi)有機(jī)械連接。發(fā)動(dòng)機(jī)提供了雙向的能量流動(dòng)，前、后輪分別獨(dú)立采用電力推進(jìn)或混合動(dòng)力推進(jìn)的形式，通過(guò)行星齒輪裝置連接內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)和軸，使其無(wú)論使用電力推進(jìn)、混合動(dòng)力推進(jìn)，還是兩者組合使用的方式，都具備良好的靈活性及可靠性，使車(chē)輛運(yùn)行更加平穩(wěn)，全部四個(gè)輪子的再生制動(dòng)也可以顯著提高系統(tǒng)的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。其與串并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于控制器被添加到電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間，使其更加可控和可靠。此外，全混合動(dòng)力汽車(chē)可以低成本選用現(xiàn)有制造方法生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)、電池和電機(jī)。目前市面上在售的豐田的普銳斯，雷克薩斯LS600h，雷克薩斯CT200h和日產(chǎn)蒂諾等系列車(chē)型采用的均是復(fù)合式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)[10-11]。

圖5 復(fù)合式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)圖

2.3 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)

近年來(lái)，涵蓋了汽車(chē)、電氣和化學(xué)工程等學(xué)科研究的燃料電池汽車(chē)成為了研究熱門(mén)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不產(chǎn)生燃燒污染[9]。燃料電池產(chǎn)生的電能，直接為車(chē)輛提供能源而無(wú)需經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)[12]。燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)在性能、重量、成本及清潔型等各個(gè)方面都可以與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)進(jìn)行抗衡。燃料電池汽車(chē)從燃料電池到推進(jìn)單元的能量流動(dòng)是單向的，多通過(guò)存儲(chǔ)介質(zhì)或再生制動(dòng)來(lái)獲得[13]。最近對(duì)于燃料電池汽車(chē)的研究主要在進(jìn)一步改善燃料電池瞬態(tài)響應(yīng)能力，并在控制成本的同時(shí)改良?xì)錃庹{(diào)節(jié)裝置上[14]。

圖6 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及到機(jī)械、電氣、控制等多方面知識(shí)。結(jié)構(gòu)配置的選擇不僅要盡可能提高整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還要考慮到汽車(chē)的各種運(yùn)行工況，并兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)排放、電池壽命、駕駛性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求進(jìn)行綜合規(guī)劃。不同類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)各方面性能和特性都有所不同，選用時(shí)應(yīng)從電動(dòng)汽車(chē)本身特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)不同的使用要求，充分考慮各項(xiàng)性能參數(shù)，研究開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)。比如:城市公交或出租汽車(chē)，可選用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)；若用于城市間巴士或主要用于長(zhǎng)途客貨運(yùn)的汽車(chē)，則并聯(lián)式的混合動(dòng)力系統(tǒng)更為合適；家庭用車(chē)或用途比較復(fù)雜的其它車(chē)輛，則宜選用串并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。

[1]周成軍，沈嶸楓，周新年，等．電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化研究進(jìn)展[J]．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2012，40（11）：14-18．

[2]Seyed M，Rezvanizaniani，Liu Z，et al.Vehicle（EV）safety and mobility.[J].Journal of Power Sources，2014（256）：110-124.

[3]楊陽(yáng)．電動(dòng)汽車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析[J]．上海汽車(chē)，2014（2）：3-7．

[4]李建，梁剛，劉?。冸妱?dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用探討[J]．裝備制造技術(shù)，2011（1）：108-109，117．

[5]Boulanger A，Chu A，Maxx S，Waltz D.Vehicle electrifica tion:status and issues[J].Proceedings of the IEEE，2011，99（6）：1116-1138.

[6]張翔．純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器進(jìn)展[J]．汽車(chē)電器，2011（2）：1-5．

[7]葛郢漢．混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)與控制策略分析[J]．內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2011（1）：54-57．

[8]Boulanger A，Chu A，Maxx S，et al．Vehicle Electrification: Status and Issues[J].Proceedings of the IEEE，2011，99（6）：1116-1138.

[9]Seyed M，Zongchang L，Yan C，et al．Vehicle（EV）safety and mobility[J].Journal of Power Sources，2014（256）：110-124.

[10]王斌，徐俊，曹秉剛，等．一種新型電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)及其功率分配策略[J]．汽車(chē)工程，2015，37（9）：1053-1058，1052．

[11]李娜，黃梅．不同類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)接入后電力系統(tǒng)的諧波分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（1）：170-174．

[12]Wang F，Peng C．The development of an exchangeable PEMFC power module for electric vehicles[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2014（39）：3855-3857．

[13]吳志力.電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].浙江電力，2012（8）：6-9，78.

[14]杜劍東，吳濤，等.國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)戰(zhàn)略及充換電業(yè)務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].華中電力，2012，25（1）：96-102.

Analysis of Architecture and Propulsion System for Electric Vehicle

XU Xiao-yue，SONG Chun-hua，WEI Xing-ping，XU Quan，SONG Chang-lin
（School of Mechanical Engineering，Xihua University，Chengdu Sichuan 610039，China）

In Electric vehicle technology each kinds of vehicles have their own capability and limitation in terms of energy density，power density，fuel economy，size，weight，cost，safety，and so on.All these factors are heavily governed by the particular vehicle architecture and propulsion system configuration.This article lists the architecture and propulsion system of the pure electric vehicles，hybrid electric vehicles and fuel cell electric vehicle.And analysis of their own performance characteristics，the best working conditions，and the major factors that restrict their comprehensive development.

electric vehicle；architecture；propulsion system

U469.72

：A

：1672-545X（2017）01-0016-03

2016-10-28

許笑月（1991-），女，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制理論。