某型號(hào)新能源轎車的總體設(shè)計(jì)**

張歆伊，程 航 ，曾慶璽，鄭再象，張友宏

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

近年來，環(huán)境污染、全球變暖等問題日益嚴(yán)峻，其中汽車尾氣引發(fā)的問題在目前的環(huán)境問題中占比已經(jīng)超過一半，成為環(huán)境治理的重點(diǎn)。隨著汽車在人類生活中越來越普及，新能源的發(fā)展迫在眉睫，新能源汽車的設(shè)計(jì)研究也越來越重要[1-2]。

為此，各國(guó)政府紛紛出臺(tái)政策，制定國(guó)家發(fā)展策略，以推動(dòng)新能源汽車發(fā)展，其中最受關(guān)注的就是純電動(dòng)汽車[3]。自2009年起，大眾、東芝兩大公司就已經(jīng)開始合作開發(fā)純電動(dòng)汽車的一些系統(tǒng)部件；美國(guó)政府投資幾十億美元，支持電池技術(shù)的研發(fā)，為純電動(dòng)車的普及進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃；英國(guó)政府更是投入了2.3億英鎊用于補(bǔ)貼購(gòu)買純電動(dòng)汽車的人群，大力推進(jìn)形成新能源汽車網(wǎng)絡(luò)；而中國(guó)政府頒布的《中國(guó)制造2025》也為汽車行業(yè)指明了發(fā)展研究的方向[4]。

1 基本組成結(jié)構(gòu)

新能源汽車在很多方面與傳統(tǒng)的燃油車有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別，因此有些分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要重新進(jìn)行布局設(shè)計(jì)[5]。純電動(dòng)汽車的行駛過程中，能源供給系統(tǒng)將電池中儲(chǔ)存的電能經(jīng)電動(dòng)機(jī)傳遞給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，再由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，并配合使用輔助系統(tǒng)的各項(xiàng)功能以保證車輛的正常行駛，其中輔助系統(tǒng)的能量也從能源供給系統(tǒng)中獲得，純電動(dòng)汽車基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)汽車基本組成結(jié)構(gòu)

1.1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

作為純電動(dòng)汽車的核心系統(tǒng)之一，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過各分系統(tǒng)保障汽車能夠按照要求安全行駛。ECU（電子控制器）接收駕駛員發(fā)出的信號(hào)，將各種外界信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，指揮控制各部件的工作；電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并將汽車行駛所需要的扭矩傳遞到車輪，在滿足最高車速需求的同時(shí)，也保證在爬坡時(shí)所需的大扭矩要求[6]。

1.2 能源供給系統(tǒng)

能源供給系統(tǒng)由能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)以及電池組等部分組成，與傳統(tǒng)燃油車的燃油供給系統(tǒng)的功能相似，是純電動(dòng)汽車提供能量的部分[7]。能量管理系統(tǒng)采集整車各系統(tǒng)中輸出的信息，監(jiān)控管理能源供給系統(tǒng)的狀態(tài)，如電池剩余電量、剩余里程數(shù)等；充電系統(tǒng)將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姴?chǔ)存在電池組中，然而目前的充電技術(shù)發(fā)展還不夠完善，充電時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備也十分缺乏；電池組是汽車以及各種附件的動(dòng)力來源，目前的電池技術(shù)受到續(xù)航里程等的限制，也是電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸之一。

1.3 輔助系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車的輔助系統(tǒng)構(gòu)成與傳統(tǒng)燃油車基本相似，包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及各種汽車電器附件等。

2 關(guān)鍵部件選擇

電池組和電動(dòng)機(jī)是與傳統(tǒng)燃油車區(qū)別最大，也是純電動(dòng)汽車中核心的部分，直接影響了汽車的動(dòng)力性能以及續(xù)航里程，也是在設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車時(shí)的重點(diǎn)之一。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要滿足汽車行駛過程中遇到的如起步、加速、減速、怠速、爬坡等各種工況，并且能夠適應(yīng)在幾種工況中頻繁地切換[8]。這就要求所選用的車載電動(dòng)機(jī)既要擁有一定的短時(shí)過載能力，具有足夠的扭矩，又要具備一定的調(diào)速范圍，能夠滿足最高車速的行駛要求。一般情況下，車載電動(dòng)機(jī)需要以基本速度的2~3倍運(yùn)行，車載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率外特性如圖2所示。除此之外，工作效率也是需要考慮的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前純電動(dòng)汽車面臨的最大問題就是整車質(zhì)量偏重，續(xù)航能力差，這就需要車載電動(dòng)機(jī)在高效率運(yùn)行的同時(shí)減輕自身的體積與重量，擁有好的可靠性，在惡劣的運(yùn)行環(huán)境中依然具有較高的能量轉(zhuǎn)化率。

圖2 車載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率外特性

目前來講，電動(dòng)汽車電機(jī)使用較多的有感應(yīng)電機(jī)、磁阻同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)以及無刷直流電機(jī)等，它們的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)都各不相同，需根據(jù)具體條件進(jìn)行選擇。

2.1.1 感應(yīng)電機(jī)

市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的類型就是感應(yīng)電機(jī)，此類電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝維護(hù)，調(diào)速范圍很廣，能夠適應(yīng)各種工況下的行駛條件。廣為人知的電動(dòng)汽車品牌特斯拉就將感應(yīng)電動(dòng)機(jī)裝備在了某些車型中。

2.1.2 磁阻同步電機(jī)

磁阻同步電機(jī)體積較小，結(jié)構(gòu)輕盈，是當(dāng)前幾種車載電機(jī)中經(jīng)濟(jì)性最好的一個(gè)，但是設(shè)計(jì)過程相對(duì)復(fù)雜，難度較高，以目前的技術(shù)設(shè)計(jì)出的機(jī)身振動(dòng)以及噪聲都很大，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2.1.3 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于高端電動(dòng)汽車，它的體積小、質(zhì)量輕，工作效率高，乘客的乘坐舒適度也很高，但是制作難度大，成本較高，適用范圍有限。

2.1.4 無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)相比其余三種車載電動(dòng)機(jī)，價(jià)格較為低廉，制造維護(hù)簡(jiǎn)單，入門級(jí)別的電動(dòng)汽車多用此配置。但此類型的電機(jī)尺寸較大，安裝較為困難，增加了汽車重量，最重要的是它調(diào)速范圍狹窄，難滿足汽車在行駛過程中復(fù)雜工況的需求，因此適用范圍也很有限。

綜上所述，根據(jù)本研究的純電動(dòng)轎車性能要求，最合適的電機(jī)類型還是感應(yīng)電機(jī)。

2.2 電池組

一般情況下電動(dòng)汽車的電池組是由電池塊串聯(lián)或并聯(lián)安裝在汽車上的，需要足夠的安裝空間，而電池的選擇還需要考慮要求的續(xù)航能力以及整車性能。其中，續(xù)航里程是在選取過程中影響最大的因素，這就要求車載電池的能量密度盡可能高，在減少車載質(zhì)量與安裝空間的同時(shí)，保證以高效率充放電。另外，車載電池需要適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，便于維護(hù)，節(jié)省成本。目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的有鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池等[9]。

2.2.1 鋰離子電池

鋰離子電池是應(yīng)用最廣泛的車載電池之一，擁有高達(dá)90%的放電效率，并且使用壽命長(zhǎng)，安全性能好，制造成本處于中等水平。

2.2.2 鉛酸電池

鉛酸電池也是市場(chǎng)上車載電池的主流，價(jià)格低廉，制造簡(jiǎn)單，易于維護(hù)回收，但能量密度低，續(xù)航能力比較差，使用壽命較短。

2.2.3 鎳氫電池

鎳氫電池能量密度高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)技術(shù)成熟，使用壽命長(zhǎng)，但不利于回收，有較大的污染性，使用的限制性較大。綜上所述，根據(jù)本研究的純電動(dòng)轎車性能要求，最合適的電池類型還是鋰離子電池，價(jià)格適中，充放電效率高，也比較綠色環(huán)保。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置形式

3.1 影響因素

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置形式將對(duì)整車性能產(chǎn)生影響。

3.1.1 操控穩(wěn)定性

需要合理分配軸荷，不能出現(xiàn)質(zhì)量過于集中以及質(zhì)心過多偏離的現(xiàn)象，正確的布置方法應(yīng)該是后軸軸荷占55%左右。

3.1.2 傳動(dòng)效率

應(yīng)盡量縮短傳輸距離，減少傳動(dòng)的環(huán)節(jié)，避免在傳動(dòng)環(huán)節(jié)中不必要的能量損失。同時(shí)，需要有良好的散熱系統(tǒng)，避免電池運(yùn)行環(huán)境惡劣，電機(jī)電池過熱損壞設(shè)備，影響汽車正常行駛。

3.1.3 安全可靠性

電池組的數(shù)量較多，體積龐大，需要占用很大空間。電池組不能整體安裝時(shí)，需要用導(dǎo)線連接，分散安裝，零件之間不能互相干涉，如若發(fā)生短路或過壓過流，容易引起車輛爆燃，此時(shí)的安全性能尤為重要。

3.2 布置形式

通過改變傳動(dòng)與電氣系統(tǒng)的組合方式，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置形式有很多種，目前電動(dòng)汽車市場(chǎng)上較為常用的有機(jī)械、機(jī)電集成、機(jī)電一體化等驅(qū)動(dòng)布置形式[10]。

3.2.1 機(jī)械驅(qū)動(dòng)布置形式

采用這種驅(qū)動(dòng)布置形式的電動(dòng)汽車基本是用傳統(tǒng)燃油車的底盤改裝而成的，驅(qū)動(dòng)布置形式與傳統(tǒng)燃油車基本一樣，直接將油箱改為電池，發(fā)動(dòng)機(jī)換成車載電動(dòng)機(jī)，其余結(jié)構(gòu)不變。這種布置形式成熟耐用，在早期發(fā)展過程中被廣泛應(yīng)用，布置形式如圖3所示。

圖3 機(jī)械驅(qū)動(dòng)布置形式

3.2.2 機(jī)電集成驅(qū)動(dòng)布置形式

機(jī)電集成驅(qū)動(dòng)布置形式將差速器、電機(jī)、固定檔變速器集成為一個(gè)系統(tǒng)，并且去除了離合器系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，大大減輕了整車重量，節(jié)約了布置空間，布置形式如圖4所示。

圖4 機(jī)電集成驅(qū)動(dòng)布置形式

3.2.3 機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)布置形式

機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)布置形式去除了差速器系統(tǒng)，采用了雙電機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)差速器功能，可以提高靈敏度，操作更加靈活機(jī)動(dòng)，但是制作成本也隨之而增加，布置形式如圖5所示。

圖5 機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)布置形式

綜上所述，根據(jù)本研究的純電動(dòng)轎車性能要求，將選擇運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械驅(qū)動(dòng)布置形式，技術(shù)成熟可靠并且各項(xiàng)成本較低。

4 總結(jié)

本研究以三大核心系統(tǒng)為主，介紹了目前市面上新能源汽車的基本組成結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)在比較常見的幾種電機(jī)、電池以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置形式的類型進(jìn)行了分析比較，最終選定了感應(yīng)電機(jī)作為車載電動(dòng)機(jī)，鋰離子電池作為電池組，機(jī)械驅(qū)動(dòng)布置形式對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行布置。不過單是解決幾個(gè)核心系統(tǒng)問題并不能直接提高汽車的整體性能，本研究的結(jié)構(gòu)布置總體設(shè)計(jì)，為后續(xù)對(duì)各部分零件的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)匹配計(jì)算打下了基礎(chǔ)。