電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)總布置設(shè)計(jì)分析

李瀟杰

摘 要：隨著環(huán)保和能源形勢的不斷嚴(yán)峻，電動(dòng)汽車越來越成為研究的主流，而電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)布置，很大程度上決定了一輛電動(dòng)汽車的整體水平，本文主要研究動(dòng)力系統(tǒng)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及總布置設(shè)計(jì)分析，尋求更優(yōu)的動(dòng)力系統(tǒng)方式。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；系統(tǒng)布置；設(shè)計(jì)分析

1 電動(dòng)汽車概況

燃油車的電動(dòng)化勢是未來發(fā)展的大趨勢，相較于與傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車有其明顯的優(yōu)勢也還存在著一些問題，具有很大的研究意義和發(fā)展前景。

1.1 電動(dòng)汽車與燃油車的區(qū)別

燃油車與電動(dòng)汽車最大的區(qū)別在于能源供應(yīng)和動(dòng)力系統(tǒng)兩方面。燃油車主要以石油產(chǎn)品作為動(dòng)力源，電動(dòng)汽車則依靠蓄電池作為能源。

在動(dòng)力系統(tǒng)方面，傳統(tǒng)燃油車由發(fā)動(dòng)機(jī)總成、變速箱總成和油箱構(gòu)成，在電動(dòng)汽車上電機(jī)取代了發(fā)動(dòng)機(jī)，電控系統(tǒng)取代了變速箱，電池則取代了油箱。

1.2 電動(dòng)汽車的優(yōu)勢及不足

（1）電動(dòng)依靠電作為主要能源，比之燃油具有相當(dāng)大的價(jià)格優(yōu)勢。

（2）電動(dòng)汽車最突出的優(yōu)勢是節(jié)能環(huán)保，由于依靠電池作為驅(qū)動(dòng)，不再需要使用燃料。電動(dòng)汽車對于保護(hù)環(huán)境有著巨大幫助，尾氣排放量幾乎為零。

（3）由于電動(dòng)汽車的普及程度并不高，充電樁的缺乏使電動(dòng)汽車充電難的問題突出。與傳統(tǒng)燃油車加油只需幾分鐘相比，電動(dòng)汽車充電慢的問題更為突出

（4）電動(dòng)汽車的電池續(xù)航性能依舊是主要的技術(shù)缺陷，續(xù)航里程短的問題也亟需解決。

2 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)主要有三部分：電機(jī)、電池、電控。

2.1 電池

目前，大部分電動(dòng)汽車主要使用磷酸鐵鋰電池，它有著容量大、高溫性能好、重量輕等優(yōu)勢，但成本相對較高，能量密度、高低溫性能差。三元鋰電池作為未來的發(fā)展趨勢，其低溫放電性能較好，能量密度高，充電效率高，安全性能好。電動(dòng)汽車的電池以電池包的形式布置在汽車底盤下方。

2.2 電機(jī)

電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，要使電動(dòng)汽車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量小、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋等特性[1]。

電機(jī)按工作原理可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，電動(dòng)汽車廣泛使用的是三相交流電機(jī)。在三相電動(dòng)機(jī)中放置三個(gè)線圈，它們在空間位置上互相差120度角，在磁場中以相同速度旋轉(zhuǎn)，線圈中會(huì)感應(yīng)出三個(gè)頻率相同的感應(yīng)電動(dòng)勢，從而產(chǎn)生電流。

交流感應(yīng)電機(jī)具有效率高、重量輕、可靠性高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但控制復(fù)雜。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流感應(yīng)電機(jī)技術(shù)日益成熟，交流感應(yīng)電機(jī)的控制難題將一一得到解決，成本也將逐漸下降[2]。

2.3 電控

電機(jī)控制器通過從動(dòng)力電池組中獲得電能，提供給電動(dòng)機(jī)，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足整車的要求。電控分為硬件和軟件，硬件主要如控制器，在我國其成本相對較高。軟件則主要指電控系統(tǒng)的算法，需要在輸入和輸出中建立相關(guān)的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，它直接決定了一輛電動(dòng)汽車的成功與否。

3 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布置

3.1 動(dòng)力系統(tǒng)布置原則

通過合理的設(shè)計(jì)布置，提高空間利用率，防止運(yùn)動(dòng)干涉，各部件間互不干擾。

電動(dòng)汽車布置一般分上下兩層，上層放置更換頻率較高的部件，下層則放置容易損壞的部分，如差速器。為了節(jié)省成本，通常將動(dòng)力電池，電池管理系統(tǒng)、電池轉(zhuǎn)化模塊和小電瓶布置在一起。

（1）車輛布置中需要留出足夠的運(yùn)動(dòng)空間，各部分間預(yù)留一定間隙。

（2）留出一定熱害間隙，利于汽車散熱防止電池過燙。

（3）需要一定的離地間隙且較傳統(tǒng)汽車離地間隙要求更高。

（4）考慮傳動(dòng)軸夾角，夾角越大承受作用力越大，傳動(dòng)效率也越低，壽命越短。

（5）設(shè)計(jì)中要考慮到碰撞安全，留出一定的吸能空間。

（6）在布置過程中還應(yīng)降成本問題計(jì)算在內(nèi)，合理地簡化布置（如冷卻管路）至關(guān)重要。

3.2 動(dòng)力系統(tǒng)布置步驟

（1）調(diào)查研究：對于消費(fèi)群體進(jìn)行調(diào)查研究，對產(chǎn)品進(jìn)行可行性分析。

（2）總體方案設(shè)計(jì)：確定電動(dòng)汽車類型及其驅(qū)動(dòng)方式。

（3）繪制總布置草圖：在這一過程中，完成對整車尺寸的設(shè)計(jì)，合理布置電動(dòng)汽車電機(jī)、電池和控制系統(tǒng)的排布及確定整車的性能參數(shù)。目前總布置設(shè)計(jì)大多采用數(shù)字化的三維設(shè)計(jì)。

（4）繪制車身布置圖：根據(jù)汽車尺寸設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師勾畫出汽車外形的具體形象。

（5）編寫設(shè)計(jì)任務(wù)書

（6）汽車總布置設(shè)計(jì)

（7）總成設(shè)計(jì)

（8）試制試驗(yàn)和定型；按照設(shè)計(jì)做出產(chǎn)品模型，確定最后設(shè)計(jì)效果，之后便可以正式投入成產(chǎn)。

3.3 電機(jī)的布置方法

動(dòng)力系統(tǒng)布置方法可以分為四種：

（1）傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式：驅(qū)動(dòng)方式相較于普通的燃油車并沒有過多的改變，結(jié)構(gòu)依舊復(fù)雜，空間利用率低，質(zhì)量較大，通常使用前置后驅(qū)。

（2）集成式驅(qū)動(dòng)方式：通過電機(jī)與減速器與差速器的組合，更利于轉(zhuǎn)向控制，平衡車身重量。在原有車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，稍加改動(dòng)，即可推廣。集成式驅(qū)動(dòng)方式是大部分主流車型采用的設(shè)計(jì)方式。前置前驅(qū)的設(shè)計(jì)可以避免因碰撞而導(dǎo)致電池燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）雙電動(dòng)機(jī)式驅(qū)動(dòng)方式：兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速器分別驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)車輪，適用于中大型客車。優(yōu)勢在于兩個(gè)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，不需要差速器直接通過電控來轉(zhuǎn)向。

（4）輪轂式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：將電機(jī)安裝在輪轂側(cè)，省去了傳動(dòng)裝置[3]。這種驅(qū)動(dòng)方式具有高度集成化，動(dòng)力輸出路徑短，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是未來的發(fā)展趨勢。但其缺點(diǎn)也很明顯，不能提供很大的扭矩，因此沒有很大的動(dòng)力輸出，目前只能應(yīng)用于小型電動(dòng)汽車。

3.4 電池的布置

電動(dòng)汽車的電池以電池包的形式排布，電池包放置需滿足整車安裝空間的要求，其安裝位置則要考慮沖擊、振動(dòng)、側(cè)翻等情況，箱體應(yīng)能承受一定程度的沖擊力。車型不同，電池包安裝位置不一樣，一般放置在整車底部。

電車的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮安全性，要求有一定的散熱能力及充放電性能，防止電池溫度過高。另一方面也對電動(dòng)汽車的冷卻系統(tǒng)提出相應(yīng)要求。冷卻系統(tǒng)分為液冷和風(fēng)冷，風(fēng)冷通過加大物體表面積或加快空氣流通速率來實(shí)現(xiàn)冷卻，液冷則利用泵使散熱管中的冷卻液循環(huán)并進(jìn)行散熱。液冷相較于風(fēng)冷散熱更快，電動(dòng)汽車也普遍采用液冷。

此外，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為電池系統(tǒng)溫度的控制，其重要作用在于保障動(dòng)力電池組在高溫環(huán)境、低溫環(huán)境、高倍率放電工況等復(fù)雜嚴(yán)苛條件下功率輸出和使用壽命，乃至熱力安全性。因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能優(yōu)劣對于動(dòng)力電池功率輸出和使用壽命也至關(guān)重要[4]。

4 結(jié)語

電動(dòng)汽車在近年來的研發(fā)改進(jìn)下已有了巨大的提升，較之傳統(tǒng)燃油車在動(dòng)力，舒適程度及環(huán)保方面的優(yōu)勢將勢必在未來取代燃油車成為主要的出行方式。但不可否認(rèn)在現(xiàn)階段，電動(dòng)汽車仍有著一定的技術(shù)缺陷和基礎(chǔ)設(shè)施不完善等問題，如果它的續(xù)航里程短、充電速度慢等問題能夠得到有效解決，其推廣和普及將更進(jìn)一步。

在電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置方面，我相信隨著各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的不斷改進(jìn)發(fā)展，動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的不斷優(yōu)化，電動(dòng)汽車的性能將有巨大提升，能夠更好滿足人們的需求。電動(dòng)汽車在未來有著廣闊的發(fā)展空間，更為重要的是人們對于環(huán)境的關(guān)注程度逐漸提高，它也緊密切合人們對新型交通方式的期許，可以預(yù)見電動(dòng)汽車將會(huì)在市場上占有更大的比重。

參考文獻(xiàn)：

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[3]熊忠恕.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式比較[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（07）：178.

[4]譚禮忠.純電動(dòng)汽車鋰離子電池液冷熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].吉林大學(xué)，2018.