電動汽車動力系統總布置設計分析

李瀟杰

摘 要：隨著環保和能源形勢的不斷嚴峻，電動汽車越來越成為研究的主流，而電動汽車的動力系統布置，很大程度上決定了一輛電動汽車的整體水平，本文主要研究動力系統各項關鍵技術及總布置設計分析，尋求更優的動力系統方式。

關鍵詞：電動汽車；系統布置；設計分析

1 電動汽車概況

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

1.1 電動汽車與燃油車的區別

燃油車與電動汽車最大的區別在于能源供應和動力系統兩方面。燃油車主要以石油產品作為動力源，電動汽車則依靠蓄電池作為能源。

在動力系統方面，傳統燃油車由發動機總成、變速箱總成和油箱構成，在電動汽車上電機取代了發動機，電控系統取代了變速箱，電池則取代了油箱。

1.2 電動汽車的優勢及不足

（1）電動依靠電作為主要能源，比之燃油具有相當大的價格優勢。

（2）電動汽車最突出的優勢是節能環保，由于依靠電池作為驅動，不再需要使用燃料。電動汽車對于保護環境有著巨大幫助，尾氣排放量幾乎為零。

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

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

2 電動汽車動力系統關鍵技術

電動汽車關鍵技術主要有三部分：電機、電池、電控。

2.1 電池

目前，大部分電動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

電動機與驅動系統是電動汽車的關鍵部件，要使電動汽車有良好的使用性能，驅動電機應具有調速范圍寬、轉速高、啟動轉矩大、體積小、質量小、效率高且有動態制動強和能量回饋等特性[1]。

電機按工作原理可分為直流電機和交流電機，電動汽車廣泛使用的是三相交流電機。在三相電動機中放置三個線圈，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，線圈中會感應出三個頻率相同的感應電動勢，從而產生電流。

交流感應電機具有效率高、重量輕、可靠性高、壽命長等優點，但控制復雜。隨著電力電子技術的發展，交流感應電機技術日益成熟，交流感應電機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

電機控制器通過從動力電池組中獲得電能，提供給電動機，使得電機的轉速和轉矩滿足整車的要求。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的算法，需要在輸入和輸出中建立相關的復雜數學模型，它直接決定了一輛電動汽車的成功與否。

3 動力系統的設計布置

3.1 動力系統布置原則

通過合理的設計布置，提高空間利用率，防止運動干涉，各部件間互不干擾。

電動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。為了節省成本，通常將動力電池，電池管理系統、電池轉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動空間，各部分間預留一定間隙。

（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汽車離地間隙要求更高。

（4）考慮傳動軸夾角，夾角越大承受作用力越大，傳動效率也越低，壽命越短。

（5）設計中要考慮到碰撞安全，留出一定的吸能空間。

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

3.2 動力系統布置步驟

（1）調查研究：對于消費群體進行調查研究，對產品進行可行性分析。

（2）總體方案設計：確定電動汽車類型及其驅動方式。

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

（4）繪制車身布置圖：根據汽車尺寸設計，設計師勾畫出汽車外形的具體形象。

（5）編寫設計任務書

（6）汽車總布置設計

（7）總成設計

（8）試制試驗和定型；按照設計做出產品模型，確定最后設計效果，之后便可以正式投入成產。

3.3 電機的布置方法

動力系統布置方法可以分為四種：

（1）傳統驅動方式：驅動方式相較于普通的燃油車并沒有過多的改變，結構依舊復雜，空間利用率低，質量較大，通常使用前置后驅。

（2）集成式驅動方式：通過電機與減速器與差速器的組合，更利于轉向控制，平衡車身重量。在原有車身結構的基礎上，稍加改動，即可推廣。集成式驅動方式是大部分主流車型采用的設計方式。前置前驅的設計可以避免因碰撞而導致電池燃燒的風險。

（3）雙電動機式驅動方式：兩個驅動電機通過減速器分別驅動左右兩側車輪，適用于中大型客車。優勢在于兩個電動機可以實現單獨控制，不需要差速器直接通過電控來轉向。

（4）輪轂式電動機驅動方式：將電機安裝在輪轂側，省去了傳動裝置[3]。這種驅動方式具有高度集成化，動力輸出路徑短，結構緊湊等優點，是未來的發展趨勢。但其缺點也很明顯，不能提供很大的扭矩，因此沒有很大的動力輸出，目前只能應用于小型電動汽車。

3.4 電池的布置

電動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、側翻等情況，箱體應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。

電車的設計應充分考慮安全性，要求有一定的散熱能力及充放電性能，防止電池溫度過高。另一方面也對電動汽車的冷卻系統提出相應要求。冷卻系統分為液冷和風冷，風冷通過加大物體表面積或加快空氣流通速率來實現冷卻，液冷則利用泵使散熱管中的冷卻液循環并進行散熱。液冷相較于風冷散熱更快，電動汽車也普遍采用液冷。

此外，電池熱管理系統作為電池系統溫度的控制，其重要作用在于保障動力電池組在高溫環境、低溫環境、高倍率放電工況等復雜嚴苛條件下功率輸出和使用壽命，乃至熱力安全性。因此，電池熱管理系統的性能優劣對于動力電池功率輸出和使用壽命也至關重要[4]。

4 結語

電動汽車在近年來的研發改進下已有了巨大的提升，較之傳統燃油車在動力，舒適程度及環保方面的優勢將勢必在未來取代燃油車成為主要的出行方式。但不可否認在現階段，電動汽車仍有著一定的技術缺陷和基礎設施不完善等問題，如果它的續航里程短、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一步。

在電動汽車動力系統布置方面，我相信隨著各項關鍵技術的不斷改進發展，動力系統參數匹配的不斷優化，電動汽車的性能將有巨大提升，能夠更好滿足人們的需求。電動汽車在未來有著廣闊的發展空間，更為重要的是人們對于環境的關注程度逐漸提高，它也緊密切合人們對新型交通方式的期許，可以預見電動汽車將會在市場上占有更大的比重。

參考文獻：

[1]曹秉剛，張傳偉，白志峰，李竟成.電動汽車技術進展和發展趨勢[J].西安交通大學學報，2004（01）：1-5.

[2]徐仕華.純電動汽車動力驅動系統與性能研究[D].南昌大學，2012.

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

[4]譚禮忠.純電動汽車鋰離子電池液冷熱管理系統設計研究[D].吉林大學，2018.