某型號新能源轎車的總體設計**

張歆伊，程 航 ，曾慶璽，鄭再象，張友宏

（1.揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225000；2.揚州市職業大學機械工程學院，江蘇 揚州 225000）

0 引言

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

為此，各國政府紛紛出臺政策，制定國家發展策略，以推動新能源汽車發展，其中最受關注的就是純電動汽車[3]。自2009年起，大眾、東芝兩大公司就已經開始合作開發純電動汽車的一些系統部件；美國政府投資幾十億美元，支持電池技術的研發，為純電動車的普及進行了詳細規劃；英國政府更是投入了2.3億英鎊用于補貼購買純電動汽車的人群，大力推進形成新能源汽車網絡；而中國政府頒布的《中國制造2025》也為汽車行業指明了發展研究的方向[4]。

1 基本組成結構

新能源汽車在很多方面與傳統的燃油車有實質性的區別，因此有些分系統的結構需要重新進行布局設計[5]。純電動汽車的行駛過程中，能源供給系統將電池中儲存的電能經電動機傳遞給驅動系統，再由驅動系統實現電能向機械能的轉換，并配合使用輔助系統的各項功能以保證車輛的正常行駛，其中輔助系統的能量也從能源供給系統中獲得，純電動汽車基本組成結構如圖1所示。

圖1 純電動汽車基本組成結構

1.1 動力驅動系統

作為純電動汽車的核心系統之一，動力驅動系統通過各分系統保障汽車能夠按照要求安全行駛。ECU（電子控制器）接收駕駛員發出的信號，將各種外界信號轉化為電子信號，指揮控制各部件的工作；電機與傳動系統將電能轉化為機械能，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，也保證在爬坡時所需的大扭矩要求[6]。

1.2 能源供給系統

能源供給系統由能量管理系統、充電系統以及電池組等部分組成，與傳統燃油車的燃油供給系統的功能相似，是純電動汽車提供能量的部分[7]。能量管理系統采集整車各系統中輸出的信息，監控管理能源供給系統的狀態，如電池剩余電量、剩余里程數等；充電系統將交流電轉變為直流電并儲存在電池組中，然而目前的充電技術發展還不夠完善，充電時間長，設備也十分缺乏；電池組是汽車以及各種附件的動力來源，目前的電池技術受到續航里程等的限制，也是電動汽車發展的瓶頸之一。

1.3 輔助系統

純電動汽車的輔助系統構成與傳統燃油車基本相似，包括轉向系統以及各種汽車電器附件等。

2 關鍵部件選擇

電池組和電動機是與傳統燃油車區別最大，也是純電動汽車中核心的部分，直接影響了汽車的動力性能以及續航里程，也是在設計純電動汽車時的重點之一。

2.1 驅動電機

驅動電機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，并且能夠適應在幾種工況中頻繁地切換[8]。這就要求所選用的車載電動機既要擁有一定的短時過載能力，具有足夠的扭矩，又要具備一定的調速范圍，能夠滿足最高車速的行駛要求。一般情況下，車載電動機需要以基本速度的2~3倍運行，車載電動機轉矩、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重要指標。目前純電動汽車面臨的最大問題就是整車質量偏重，續航能力差，這就需要車載電動機在高效率運行的同時減輕自身的體積與重量，擁有好的可靠性，在惡劣的運行環境中依然具有較高的能量轉化率。

圖2 車載電動機轉矩、功率外特性

目前來講，電動汽車電機使用較多的有感應電機、磁阻同步電機、永磁同步電機以及無刷直流電機等，它們的優勢和劣勢都各不相同，需根據具體條件進行選擇。

2.1.1 感應電機

市場上應用最廣泛的類型就是感應電機，此類電動機結構簡單，易于安裝維護，調速范圍很廣，能夠適應各種工況下的行駛條件。廣為人知的電動汽車品牌特斯拉就將感應電動機裝備在了某些車型中。

2.1.2 磁阻同步電機

磁阻同步電機體積較小，結構輕盈，是當前幾種車載電機中經濟性最好的一個，但是設計過程相對復雜，難度較高，以目前的技術設計出的機身振動以及噪聲都很大，需要進一步改進。

2.1.3 永磁同步電機

永磁同步電機廣泛應用于高端電動汽車，它的體積小、質量輕，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

無刷直流電機相比其余三種車載電動機，價格較為低廉，制造維護簡單，入門級別的電動汽車多用此配置。但此類型的電機尺寸較大，安裝較為困難，增加了汽車重量，最重要的是它調速范圍狹窄，難滿足汽車在行駛過程中復雜工況的需求，因此適用范圍也很有限。

綜上所述，根據本研究的純電動轎車性能要求，最合適的電機類型還是感應電機。

2.2 電池組

一般情況下電動汽車的電池組是由電池塊串聯或并聯安裝在汽車上的，需要足夠的安裝空間，而電池的選擇還需要考慮要求的續航能力以及整車性能。其中，續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，在減少車載質量與安裝空間的同時，保證以高效率充放電。另外，車載電池需要適應惡劣的工作環境，便于維護，節省成本。目前市場上應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

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

2.2.2 鉛酸電池

鉛酸電池也是市場上車載電池的主流，價格低廉，制造簡單，易于維護回收，但能量密度低，續航能力比較差，使用壽命較短。

2.2.3 鎳氫電池

鎳氫電池能量密度高、續航時間長，生產技術成熟，使用壽命長，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，根據本研究的純電動轎車性能要求，最合適的電池類型還是鋰離子電池，價格適中，充放電效率高，也比較綠色環保。

3 驅動系統布置形式

3.1 影響因素

驅動系統的布置形式將對整車性能產生影響。

3.1.1 操控穩定性

需要合理分配軸荷，不能出現質量過于集中以及質心過多偏離的現象，正確的布置方法應該是后軸軸荷占55%左右。

3.1.2 傳動效率

應盡量縮短傳輸距離，減少傳動的環節，避免在傳動環節中不必要的能量損失。同時，需要有良好的散熱系統，避免電池運行環境惡劣，電機電池過熱損壞設備，影響汽車正常行駛。

3.1.3 安全可靠性

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

3.2 布置形式

通過改變傳動與電氣系統的組合方式，驅動系統的布置形式有很多種，目前電動汽車市場上較為常用的有機械、機電集成、機電一體化等驅動布置形式[10]。

3.2.1 機械驅動布置形式

采用這種驅動布置形式的電動汽車基本是用傳統燃油車的底盤改裝而成的，驅動布置形式與傳統燃油車基本一樣，直接將油箱改為電池，發動機換成車載電動機，其余結構不變。這種布置形式成熟耐用，在早期發展過程中被廣泛應用，布置形式如圖3所示。

圖3 機械驅動布置形式

3.2.2 機電集成驅動布置形式

機電集成驅動布置形式將差速器、電機、固定檔變速器集成為一個系統，并且去除了離合器系統，結構緊湊，大大減輕了整車重量，節約了布置空間，布置形式如圖4所示。

圖4 機電集成驅動布置形式

3.2.3 機電一體化驅動布置形式

機電一體化驅動布置形式去除了差速器系統，采用了雙電機系統來實現差速器功能，可以提高靈敏度，操作更加靈活機動，但是制作成本也隨之而增加，布置形式如圖5所示。

圖5 機電一體化驅動布置形式

綜上所述，根據本研究的純電動轎車性能要求，將選擇運用最為廣泛的機械驅動布置形式，技術成熟可靠并且各項成本較低。

4 總結

本研究以三大核心系統為主，介紹了目前市面上新能源汽車的基本組成結構，將現在比較常見的幾種電機、電池以及驅動系統布置形式的類型進行了分析比較，最終選定了感應電機作為車載電動機，鋰離子電池作為電池組，機械驅動布置形式對驅動系統進行布置。不過單是解決幾個核心系統問題并不能直接提高汽車的整體性能，本研究的結構布置總體設計，為后續對各部分零件的參數進行參數匹配計算打下了基礎。