電動汽車動力系統結構分析

許笑月，宋春華，韋興平，徐全，宋昌林

（西華大學機械工程學院，四川成都610039）

電動汽車動力系統結構分析

許笑月，宋春華，韋興平，徐全，宋昌林

（西華大學機械工程學院，四川成都610039）

在電動汽車技術領域，每種類型的電動汽車都在能量密度、功率密度、燃料經濟性、尺寸、重量、成本和安全性等各方面有其自身的優勢和局限所在。所有的這些因素都嚴重受汽車自身的結構和動力系統的影響。列舉了純電動汽車、混合動力電動汽車及燃料電池電動汽車的動力系統結構，分析其各自的性能特點、最優工況及制約其大規模發展的主要因素。

電動汽車；結構；動力系統

目前，隨著汽車數量的不斷增加，造成了空氣質量的日益惡化和石油資源的漸趨匱乏。雖然發動機的電控技術和三元催化等排氣凈化技術的應用使汽車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排污和能源問題。因此，利用煤炭、水力等其它非石油資源驅動，并在使用中可實現零污染的電動汽車應運而生。其中，電動汽車的內部結構是其成為節能環保汽車的基礎，只有擁有適當的結構，才能承載電動汽車重要電驅動元器件[1-2]。本文將著重分析以上幾類電動汽車的不同動力系統結構及其利弊，為電動汽車的研究和開發提供參考與借鑒。

1 電動汽車基本構造

電動汽車的組成主要包括:電力驅動控制系統、機械傳動系統、儲能系統、充電系統以及其他工作裝置等。其中，電力驅動控制系統是電動汽車的核心，其作用在于將電源輸出的電能轉化為機械能，為汽車提供能量；機械傳動系統負責把電力驅動控制系統轉化而成的機械能傳遞給汽車的驅動軸，無需離合、變速裝置，便可使電動機負載啟動[3]。

2 電動汽車動力系統

2.1 純電動汽車

純電動汽車以電動驅動器為能量源，以蓄電池取代內燃機汽車的發動機，通過一系列反應將電池的化學能轉變為電能，經電動機和控制器，把電能轉化為動能。其動力系統結構簡圖如圖1所示。

圖1 純電動汽車結構圖

純電動汽車相比于傳統內燃機汽車，具有更加靈活的結構，可通過不同類型的電機的驅動使其具有不同的行駛性能，且可使用不同類型的儲能裝置，但由于其密度和尺寸并不同，也會影響到整車的體積和質量。在純電動汽車中由于驅動電動機的轉矩和轉速可通過電子控制器進行控制，其變速系統的設計也有多種選擇。但純電動汽車也存在充電時間長，電池體積大，整車靈活性、續航能力及動態性能較差，充電站較少且設施不夠完善等缺點[4-6]。

2.2 混合動力電動汽車

2.2.1 串聯式混合動力電動汽車

串聯連接是混合動力汽車最簡單的一種連接形式，如圖2所示，將內燃機和發動機機械連接，再通過控制器連接電動機和電化學電池。發電機將內燃機的機械功率轉換成電能同時為電池充電或供應給電動機。由燃料箱到控制器的能量流動是單向的，而從電池到電動機是雙向的[7-9]，內燃機的啟停由電池的充電狀態控制。通過選擇內燃機的最佳操作方式，可以實現更高的效率和更低的燃料消耗。

圖2 串聯式混合動力電動汽車結構圖

串聯式結構的特點適用于市內常見的頻繁起步、加速和低速運行，可使原動機保持在最佳工況點附近穩定運轉，并通過調整電動機和電池組的輸出來調整車速，從而使復雜工況下整車性能有所提高。但串聯式結構中，原動機作的功通過發動機、電池、控制器和電動機的連續轉換中均有能量損失，燃油經濟性并未真正得到提高。因此，該結構主要用于城市公交及大客中，在轎車中十分少見。

2.2.2 并聯式混合動力電動汽車

在并聯式混合動力電動汽車中，內燃機和電動機并聯連接，可單獨或同時將動力傳遞給車輪，如圖3所示。電動機和內燃機分別在低速和高速時獨自運行，可實現更高的效率和燃油經濟性。當內燃機單獨工作和再生制動的狀態下，電動機可作為發動機為電池充電。并聯結構實現了單級能量轉換，提高了效率，降低了車輛的重量和成本，但是能量源的并聯耦合增加了控制的復雜性[8-9]。并聯式結構更適合汽車中、高速穩定行駛。而在其它的行駛工況，由于發動機沒有在其最佳的工作區域內運行，油耗和排污指標較差。

圖3 并聯式混合動力電動汽車結構圖

2.2.3 串并聯式混合動力電動汽車

該結構引入一個額外的機械連接和發動機，如圖4所示，同時體現串聯及并聯結構的優勢。在該結構中，最常用的是電力集成型和發動機集成型的操作方式。二者分別以電動機和內燃機為主要動力來源，其各部分組件的設計和尺寸也不同。二者除驅動模式以外的操作模式是近乎相同的，在驅動模式中，發動機集成型通過內燃機單獨作用，推動車輪前進，電力集成型中內燃機可以輔助電動機共同作用[8-9]。該結構由于添加了額外的電氣和機械部件，設計和控制更為復雜，體積更大，成本更高。

圖4 串并聯式混合動力電動汽車結構圖

2.2.4 復合式混合動力電動汽車

目前為止所研究的串聯式、并聯式及串并聯式混合動力電動汽車均使用單軸推進模式，而復合式混合動力汽車使用的是雙軸推進模式。如圖5所示，前、后輪的車軸相互分離獨立驅動，之間沒有機械連接。發動機提供了雙向的能量流動，前、后輪分別獨立采用電力推進或混合動力推進的形式，通過行星齒輪裝置連接內燃機、電動機和軸，使其無論使用電力推進、混合動力推進，還是兩者組合使用的方式，都具備良好的靈活性及可靠性，使車輛運行更加平穩，全部四個輪子的再生制動也可以顯著提高系統的效率和燃油經濟性。其與串并聯式結構的主要區別在于控制器被添加到電動機/發動機和電動機之間，使其更加可控和可靠。此外，全混合動力汽車可以低成本選用現有制造方法生產的發動機、電池和電機。目前市面上在售的豐田的普銳斯，雷克薩斯LS600h，雷克薩斯CT200h和日產蒂諾等系列車型采用的均是復合式混合動力結構[10-11]。

圖5 復合式混合動力電動汽車結構圖

2.3 燃料電池電動汽車

近年來，涵蓋了汽車、電氣和化學工程等學科研究的燃料電池汽車成為了研究熱門，結構如圖6所示。燃料電池直接將化學能轉化為電能，不產生燃燒污染[9]。燃料電池產生的電能，直接為車輛提供能源而無需經過存儲環節[12]。燃料電池的推進系統在性能、重量、成本及清潔型等各個方面都可以與內燃機汽車進行抗衡。燃料電池汽車從燃料電池到推進單元的能量流動是單向的，多通過存儲介質或再生制動來獲得[13]。最近對于燃料電池汽車的研究主要在進一步改善燃料電池瞬態響應能力，并在控制成本的同時改良氫氣調節裝置上[14]。

圖6 燃料電池電動汽車結構圖

3 結束語

電動汽車動力系統設計涉及到機械、電氣、控制等多方面知識。結構配置的選擇不僅要盡可能提高整車的燃油經濟性，同時還要考慮到汽車的各種運行工況，并兼顧發動機排放、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行綜合規劃。不同類型的電動汽車各方面性能和特性都有所不同，選用時應從電動汽車本身特點出發，根據不同的使用要求，充分考慮各項性能參數，研究開發不同類型的電動汽車。比如:城市公交或出租汽車，可選用串聯式混合動力系統；若用于城市間巴士或主要用于長途客貨運的汽車，則并聯式的混合動力系統更為合適；家庭用車或用途比較復雜的其它車輛，則宜選用串并聯式混合動力系統。

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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，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向為機電控制理論。