純電動汽車動力系統(tǒng)及驅(qū)動技術(shù)

1、純電動汽車動力系統(tǒng)及驅(qū)動技術(shù)一、電動汽車簡介及現(xiàn)狀電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛，電動汽車可分為三種:蓄電池式純電動車、燃料電池電動汽車和混合動力電動汽車。電動汽車歷史悠久，世界上的第一輛電動汽車于1834年誕生，比1886年問世的世界上第一輛內(nèi)燃機汽車還要早半個世紀。大力發(fā)展新能源汽車從而實現(xiàn)世界交通及能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為當代汽車行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要趨勢。和傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車盡管目前技術(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)展也得到世界各國政府的重視與支持。1.1 國

2、內(nèi)電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀我國的電動汽車研究大約開始于上個世紀60年代，自“八五”以來，通過大量人力、物力和財力在純電動汽車研究上的投入，正式把電動汽車的研究列入攻關(guān)計劃，并在在北京、杭州等城市開展了不同形式的小規(guī)模示范運行。2001年我國正式啟動了“十五”國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)，電動汽車被列入其中并投資數(shù)億，確立了以燃料電池汽車、混合動力汽車和純電動汽車為“三縱”，以多能源動力總成、驅(qū)動電機和動力蓄電池共性關(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:承擔電動大客車項目的有北方車輛廠和北京理工大學，承擔純電動轎車研發(fā)的是上海汽車、上海交通大學、天津汽車集團等。自2009年以來

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

4、種電動汽車的技術(shù)指標。二、各類電動汽車比較2.1 純電動汽車純電動汽車(Electric Vehicle)，一種僅采用動力電池作為儲能動力裝置的汽車。動力電池通過功率變換裝置為驅(qū)動電機提供電能，使得驅(qū)動電機工作運轉(zhuǎn)，驅(qū)動電機經(jīng)傳動系統(tǒng)帶動車輪旋轉(zhuǎn)，從而推動汽車前進或后退。相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，驅(qū)動電機具有較寬的調(diào)速范圍，并且驅(qū)動電機的低速恒轉(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。純電動汽車結(jié)構(gòu)簡單、能量利用率高、噪音低、零排放，可解決汽車給人類帶來的能源危機和環(huán)境污染問題。2.2 混合動力汽車將傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動系統(tǒng)和可重復(fù)充電的電能儲存系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)有機結(jié)合在一起的汽車，即混

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

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

7、電機、控制器、變速器、減速器、和驅(qū)動輪等組成。電動汽車動力系統(tǒng)的工作過程:控制器接受并整合來自檔位、剎車、油門(即加速踏板)的信號，然后傳遞給電機來控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等從而來滿足汽車在不同的行駛路況下的要求。因此電動汽車的動力系統(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汽車的動力性能。3.2 純電動車動力系統(tǒng)的布置方案1）傳統(tǒng)驅(qū)動模式圖3-1 傳統(tǒng)驅(qū)動模式1-電動機;2-離合器;3-變速器;4-傳動軸;5-驅(qū)動橋;6-轉(zhuǎn)向器該模式在傳統(tǒng)內(nèi)燃機的基礎(chǔ)上將電動機代替發(fā)動機，同時還是采用內(nèi)燃機汽車的傳動系統(tǒng)，包括離合器、變速器、傳動軸和驅(qū)動橋等。見圖3-1所示，這種形式的電動汽車也可以將

8、電機做出前置、后置等驅(qū)動模式。它的工作原理也和傳統(tǒng)的汽車類似，主要由離合器來控制動力的傳遞。2）電動機驅(qū)動橋組合式圖3-2 電動機驅(qū)動橋組合式1-轉(zhuǎn)向器;2-電動機驅(qū)動橋組合式驅(qū)動系統(tǒng)這種模式就是使電動機輸出軸直接與減速齒輪以及差速器相連，也就是使電機、驅(qū)動橋、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)、傳動效率高、安裝簡單的特點，但這也就要求電機性能和控制器的控制質(zhì)量相應(yīng)的提高。3）輪轂電機式圖3-3 輪轂電機式1-轉(zhuǎn)向器;2-輪轂電機這種模式把驅(qū)動電機放在汽車車輪里面，這種模式也有好幾種布置方式，如兩前輪驅(qū)動、兩后輪驅(qū)動、或者四輪全驅(qū)動等。不管哪種

9、方式，這種輪轂電動機式大大的縮短了動力的傳遞路徑，另外也節(jié)省了大量的空間來做其它部件的布置。通過控制器獨立的控制調(diào)節(jié)功能，使各個電動機達到電子差速度的目的。4）電動機驅(qū)動橋整體式圖3-4 電機驅(qū)動橋整體式1-轉(zhuǎn)向器;2-電動機驅(qū)動橋整體式驅(qū)動系統(tǒng)這種方式可分為同軸式和雙聯(lián)式兩種。同軸式是電動機有一個特制的空心軸,電機的動力輸出軸處聯(lián)結(jié)減速齒輪和差速器,再由差速器帶動左半軸和通過電機空心軸的右半軸來達到驅(qū)動車輪的目的。雙聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)則是有左右兩個電動機直接通過半軸聯(lián)結(jié)驅(qū)動輪,兩臺電動機之間則通過一個電控的差速器來控制。四、驅(qū)動技術(shù)純電動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H車展

10、中也種類繁多，各式各樣。然而，純電動汽車驅(qū)動系統(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 純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的基本框圖純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要包括儲能部件、驅(qū)動電機及主控制器、傳動系統(tǒng)及車輪三部分。儲能部件主要由蓄電池、超級電容等部件組成，該部件通過充電器與外部電源相連，實現(xiàn)對純電動汽車充電的功能。主控制器的功能是根據(jù)駕駛員的操作意圖和驅(qū)動系統(tǒng)的運行狀況，對驅(qū)動電機發(fā)出相應(yīng)的指令調(diào)控轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動電機的功能則是將儲能部件的電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種驅(qū)動裝置。驅(qū)動電機通過傳動系統(tǒng)將轉(zhuǎn)矩傳遞給車輪，實現(xiàn)機械能在純電動汽車中的傳遞。純電動汽車在正常行駛過程中，駕駛員根據(jù)道路環(huán)境及車輛的運行狀態(tài)操作純電動汽車中的加速踏板，加速踏板將駕駛員的駕駛意圖以電壓信號的形式傳遞給純電動汽車的主控制器?；诩铀偬ぐ宓碾妷盒盘柡头答伒能囁傩盘枺骺刂破鞲鶕?jù)控制策略調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號（PWM）的占空比，調(diào)節(jié)后的 PWM 信號控制功率變換器（IGBT）的通斷時間實現(xiàn)驅(qū)動電機的調(diào)控。驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩通過機械傳遞裝置傳遞給車輪，實現(xiàn)對純電動汽車車速的控制。過程如下：圖4-2 純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)框圖五、總結(jié)我國純電動汽車技術(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