純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1、純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)一、電動(dòng)汽車簡(jiǎn)介及現(xiàn)狀電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛，電動(dòng)汽車可分為三種:蓄電池式純電動(dòng)車、燃料電池電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車歷史悠久，世界上的第一輛電動(dòng)汽車于1834年誕生，比1886年問世的世界上第一輛內(nèi)燃機(jī)汽車還要早半個(gè)世紀(jì)。大力發(fā)展新能源汽車從而實(shí)現(xiàn)世界交通及能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為當(dāng)代汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。和傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動(dòng)汽車盡管目前技術(shù)不太成熟，但憑借其能源效率高、環(huán)境污染小、能源多樣化的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然選擇，其發(fā)展也得到世界各國(guó)政府的重視與支持。1.1 國(guó)

2、內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)的電動(dòng)汽車研究大約開始于上個(gè)世紀(jì)60年代，自“八五”以來(lái)，通過大量人力、物力和財(cái)力在純電動(dòng)汽車研究上的投入，正式把電動(dòng)汽車的研究列入攻關(guān)計(jì)劃，并在在北京、杭州等城市開展了不同形式的小規(guī)模示范運(yùn)行。2001年我國(guó)正式啟動(dòng)了“十五”國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)，電動(dòng)汽車被列入其中并投資數(shù)億，確立了以燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車為“三縱”，以多能源動(dòng)力總成、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力蓄電池共性關(guān)鍵技術(shù)為“三橫”的“三縱三橫”研發(fā)布局川，具體分工如下:承擔(dān)電動(dòng)大客車項(xiàng)目的有北方車輛廠和北京理工大學(xué)，承擔(dān)純電動(dòng)轎車研發(fā)的是上海汽車、上海交通大學(xué)、天津汽車集團(tuán)等。自2009年以來(lái)

3、，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃、電動(dòng)汽車“十城千輛”項(xiàng)目，這表明在低碳經(jīng)濟(jì)的政策背景下，國(guó)家對(duì)于純電動(dòng)汽車的扶持力度正在不斷加大。1.2 國(guó)外電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀在電動(dòng)汽車的發(fā)展進(jìn)程中，各國(guó)和各地區(qū)都依據(jù)自己的國(guó)情和特點(diǎn)擇了不同的技術(shù)路線，而處在技術(shù)領(lǐng)先位置的仍然是日本、美國(guó)和歐洲，他們?cè)陔妱?dòng)汽車的車速、續(xù)駛里程、加速性能、動(dòng)力蓄電池、基礎(chǔ)設(shè)施等方面都有較大的優(yōu)勢(shì)。純電動(dòng)汽車已經(jīng)在歐洲各國(guó)中擁有大量的用戶，特別是在當(dāng)?shù)卣块T。但是由于沒有成功地解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程問題，商業(yè)化進(jìn)程緩慢。各大汽車廠商發(fā)展電動(dòng)汽車的熱情明顯不如日本和美國(guó)，所以其注意力更多地轉(zhuǎn)向了其它清潔能源車的開發(fā)。下表是國(guó)外幾

4、種電動(dòng)汽車的技術(shù)指標(biāo)。二、各類電動(dòng)汽車比較2.1 純電動(dòng)汽車純電動(dòng)汽車(Electric Vehicle)，一種僅采用動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能動(dòng)力裝置的汽車。動(dòng)力電池通過功率變換裝置為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能，使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)汽車前進(jìn)或后退。相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，并且驅(qū)動(dòng)電機(jī)的低速恒轉(zhuǎn)矩與高速恒功率特性可以更好地滿足汽車的起步、加速和高車速需求。純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高、噪音低、零排放，可解決汽車給人類帶來(lái)的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。2.2 混合動(dòng)力汽車將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和可重復(fù)充電的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起的汽車，即混

5、合驅(qū)動(dòng)汽車?；旌蟿?dòng)力汽車將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，具有更好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性;低負(fù)荷情況下可采用純電模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在一定程度上可以緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染。雖然其續(xù)駛里程可接近傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)m(xù)駛里程，但其長(zhǎng)距離高速行駛時(shí)基本并不能減少油耗。混合動(dòng)力汽車部分動(dòng)力源仍然由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)提供，可以減少汽車對(duì)石油的依賴和對(duì)環(huán)境的污染程度，無(wú)法徹底地解決能源危機(jī)和環(huán)境污染，將限制其未來(lái)的發(fā)展。因此多數(shù)汽車企業(yè)將混合動(dòng)力汽車作為新能源汽車發(fā)展的過渡方案。2.3 燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池電動(dòng)汽車(Fuel Cell Electric Vehicle)，以氧氣等作為燃料，與大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)

6、生電流，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，從而驅(qū)動(dòng)汽車行駛。燃料電池電動(dòng)汽車電池能量通過氧氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)得到，其化學(xué)反應(yīng)過程并不涉及燃燒和熱機(jī)做功，且不會(huì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)人體無(wú)害，不會(huì)污染環(huán)境。燃料電池電動(dòng)汽車效率高、噪音低、無(wú)污染，被人們認(rèn)為是理想的新能源汽車。但是燃料電池在制造、使用及維護(hù)成本均很高，關(guān)鍵技術(shù)不夠成熟，可靠性低和運(yùn)行壽命低，所以無(wú)法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，市場(chǎng)化。三、純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)3.1 概述電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的燃油汽車的真正區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)。電動(dòng)汽車即為用電力驅(qū)動(dòng)車輪行駛的車輛。電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力傳遞路線是大體一致的，只是動(dòng)力傳遞的元件有很大區(qū)別。電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的主要有電池、

7、電機(jī)、控制器、變速器、減速器、和驅(qū)動(dòng)輪等組成。電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的工作過程:控制器接受并整合來(lái)自檔位、剎車、油門(即加速踏板)的信號(hào)，然后傳遞給電機(jī)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等從而來(lái)滿足汽車在不同的行駛路況下的要求。因此電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的組成部件的相互匹配和總體的布置方式將直接影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能。3.2 純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)的布置方案1）傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式圖3-1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式1-電動(dòng)機(jī);2-離合器;3-變速器;4-傳動(dòng)軸;5-驅(qū)動(dòng)橋;6-轉(zhuǎn)向器該模式在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上將電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)還是采用內(nèi)燃機(jī)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)，包括離合器、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等。見圖3-1所示，這種形式的電動(dòng)汽車也可以將

8、電機(jī)做出前置、后置等驅(qū)動(dòng)模式。它的工作原理也和傳統(tǒng)的汽車類似，主要由離合器來(lái)控制動(dòng)力的傳遞。2）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合式圖3-2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合式1-轉(zhuǎn)向器;2-電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋組合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這種模式就是使電動(dòng)機(jī)輸出軸直接與減速齒輪以及差速器相連，也就是使電機(jī)、驅(qū)動(dòng)橋、減速器的軸平行。這種結(jié)構(gòu)省去了離合器也沒有可以選擇的檔位，這種布置方式具有緊湊的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)效率高、安裝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但這也就要求電機(jī)性能和控制器的控制質(zhì)量相應(yīng)的提高。3）輪轂電機(jī)式圖3-3 輪轂電機(jī)式1-轉(zhuǎn)向器;2-輪轂電機(jī)這種模式把驅(qū)動(dòng)電機(jī)放在汽車車輪里面，這種模式也有好幾種布置方式，如兩前輪驅(qū)動(dòng)、兩后輪驅(qū)動(dòng)、或者四輪全驅(qū)動(dòng)等。不管哪種

9、方式，這種輪轂電動(dòng)機(jī)式大大的縮短了動(dòng)力的傳遞路徑，另外也節(jié)省了大量的空間來(lái)做其它部件的布置。通過控制器獨(dú)立的控制調(diào)節(jié)功能，使各個(gè)電動(dòng)機(jī)達(dá)到電子差速度的目的。4）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式圖3-4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式1-轉(zhuǎn)向器;2-電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋整體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這種方式可分為同軸式和雙聯(lián)式兩種。同軸式是電動(dòng)機(jī)有一個(gè)特制的空心軸,電機(jī)的動(dòng)力輸出軸處聯(lián)結(jié)減速齒輪和差速器,再由差速器帶動(dòng)左半軸和通過電機(jī)空心軸的右半軸來(lái)達(dá)到驅(qū)動(dòng)車輪的目的。雙聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則是有左右兩個(gè)電動(dòng)機(jī)直接通過半軸聯(lián)結(jié)驅(qū)動(dòng)輪,兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間則通過一個(gè)電控的差速器來(lái)控制。四、驅(qū)動(dòng)技術(shù)純電動(dòng)汽車目前在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，其外形在人們?nèi)粘Ｉ罴皣?guó)際車展

10、中也種類繁多，各式各樣。然而，純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部基本框架幾乎保持不變，其基本框架如下圖所示：圖4-1 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本框圖純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能部件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及主控制器、傳動(dòng)系統(tǒng)及車輪三部分。儲(chǔ)能部件主要由蓄電池、超級(jí)電容等部件組成，該部件通過充電器與外部電源相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)汽車充電的功能。主控制器的功能是根據(jù)駕駛員的操作意圖和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的指令調(diào)控轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能則是將儲(chǔ)能部件的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)矩傳遞給車輪，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能在純電動(dòng)汽車中的傳遞。純電動(dòng)汽車在正常行駛過程中，駕駛員根據(jù)道路環(huán)境及車輛的運(yùn)行狀態(tài)操作純電動(dòng)汽車中的加速踏板，加速踏板將駕駛員的駕駛意圖以電壓信號(hào)的形式傳遞給純電動(dòng)汽車的主控制器?；诩铀偬ぐ宓碾妷盒盘?hào)和反饋的車速信號(hào)，主控制器根據(jù)控制策略調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）的占空比，調(diào)節(jié)后的 PWM 信號(hào)控制功率變換器（IGBT）的通斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)控。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩通過機(jī)械傳遞裝置傳遞給車輪，實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)汽車車速的控制。過程如下：圖4-2 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖五、總結(jié)我國(guó)純電動(dòng)汽車技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備一定基礎(chǔ),隨著研發(fā)技術(shù)水平的不斷提升,經(jīng)濟(jì)性的改善使部分車型已經(jīng)小批量生產(chǎn),為產(chǎn)業(yè)化奠定良好基礎(chǔ)。電力供電和配套設(shè)施體系建設(shè)基本可以滿足純