電動汽車新技術

基本結構及其工作原理

傳統汽車底盤由傳動系、行駛系、轉向系和制動系四部分組成，底盤作用是支承、安裝汽車發動機及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，並接受發動機的動力，使汽車產生運動，保證正常行駛。

電動車的基本結構主要可分為三個子系統，即主能源系統（電動源）、電力驅動系統、能量管理系統。其中電力驅動系統又由電控系統、電機、機械傳動系統和驅動車輪等部分組成；主能源系統又由主電源和能量管理系統構成，能量管理系統是實現電源利用控制、能量再生、協調控制等功能的關鍵部件。電力驅動及控制系統是電動汽車的核心，也是區別於內燃機汽車的最大不同點。

電動汽車的工作原理：蓄電池——電流——電力調節器——電動機——動力傳動系統——驅動汽車行駛。純電動汽車，相對燃油汽車而言，主要差別（異）在於四大部件，驅動電機，調速控制器、動力電池、車載充電器。

能源供及系統

與內燃汽車相比，電動汽車的特點是結構靈活。內燃汽車的主要能源為汽油和柴油，而電動汽車是採用電力能源，由電動源和電動機驅動的，電力驅動及控制系統是電動汽車的核心，也是區別於內燃機汽車的最大不同點。傳統內燃汽車的能量是通過鋼性聯軸器和轉軸傳遞的，而電動車的能量是通過柔性的電線傳輸的。因此，電動汽車各部件的放置具有很大的靈活性。

傳動系統

變速傳動系統是電動車驅動子系統的一個重要部件，它指的是驅動電機轉軸和車輪之間的機械連接部分。對於傳統汽車來說，變速器是必要的部件，設計時主要考慮採用什麼類型的變速器。但對於電動汽車則不同，由於驅動電動機的轉矩和轉速完全可以由電子控制器進行全範圍的控制，因此變速系統的設計就可以有多種不同的選擇。既可用傳統的變速齒輪箱變速，還可以用電子驅動器控制電動機直接變速。究竟採用哪種方案，主要還應依據電動汽車的能量和經濟性，也涉及到電機和控制器的設計。

為了提高電動汽車的傳動效率，人們開發了電動汽車專用的電機和變速傳動一體化的兩速或三速自動傳動橋。先進的兩速電機/多速傳動橋將變速齒輪組與高速非同步電動機完全結合為一體，並且直接安裝在電動汽車驅動輪的驅動軸上，構成重量輕、體積小、效率高、結構緊湊和成本低廉的傳動系統。

動力系統

電動汽車經過近20年的快速發展，在能源動力系統方面形成了具特色的三大類動力系統結構技術特點。

純電動汽車、油電混合動力汽車和燃料電池汽車是目前電動汽車領域的三大種類，油電混合動力汽車目前被國內外各大汽車企業最早列入產業化計劃，並聯混合動力和混聯混合動力是被電動轎車廣泛採用的主流動力系統結構。近幾年，隨著儲能電池技術水平的飛速發展，以車載動力蓄電池提供電能驅動的純電動汽車得到快速發展，多個電機驅動的動力分散結構的純電動動力系統受到國內外研究機構的廣泛關注。以氫和氧通過電極反應轉換成電能驅動的燃料電池電動汽車，採用電-電混合動力結構，能量轉換效果比內燃機高2~3倍，是未來清潔能源汽車的重要發展方向之一。

底盤電子化、模塊化與智能化

電動汽車採用電力能源，電氣化技術對汽車結構性能的創新提供更多的可能性。底盤系統將逐步採用電動化執行部件，結構也會隨之發生革新，並將推動汽車模塊化、智能化的發展。

通用開發的電動汽車「AUTOnomy」[6]是一個典型的底盤與動力系統集成一體化的創新例子。該車車身與底盤分開，底盤與動力系統集成在一個「滑板」中，驅動系統和控制系統都設計在底盤上，採用了線控技術，使車輛操控系統、制動系統和其他車載系統都通過電子控制而非傳統機械方式來實現，車身與底盤僅通過軟體介面連接，全面實現了底盤的「電動化」。

電動汽車採用安裝在車輪內的電機直接驅動，可實現動力分散控制。與傳統的內燃機汽車和單一電機中央驅動的電動車輛相比，四輪驅動方式實現了各車輪的獨立分散驅動，各車輪均可實現制動能量回收，還可省去變速器、離合器、傳動軸等複雜的機械傳動裝置，傳動效率提高。

傳動系統

無論是串聯(燃料電池可視為特殊的串聯結構)、並聯、混聯式的混合動力車，還是由電池提供能量的純電動汽車，其動力裝置的布置往往在原發動機前艙布置的基礎上進行，并力求把相應的電氣裝置布置在前艙(如DC/AC、DC/DC等)，所以對部件小型化提出了更高的要求。此外，並聯或混聯式混合動力由於採用兩個以上的動力裝置，在布置上要求更為嚴格。豐田Prius的混聯結構堪稱小型化集成化的典範[4]。

與傳統的自動變速箱相比，電動汽車的自動變速傳動橋同樣包括有盤形和帶形離合器、星型齒輪、差速器、執行離合動作的液壓系統、潤滑油以及冷卻系統。自動變速傳動橋可以用微處理器實現轉軸的全電子控制。一個由停車、倒車、空檔、行駛以及從一檔構成的五檔選擇器為駕駛員提供了各種情況下駕駛的不同選擇。控制器將根據駕駛員所掛的檔位自動決定變速齒輪在哪一級變速檔上，並將適當的信號送到液壓控制系統以及執行變速控制。由於交流非同步電機的轉動慣性低並有理想的轉矩特性，使得控制變速橋進行平滑的自動變速變得更容易。

能源動力系統的智能化技術

能源系統、動力系統的電子化使得電動汽車體現出越來越強大的功能。但電動汽車能源動力系統的智能化還沒有引起充分的關注。一般將重點放在整車與動力系統的功能和穩態性能指標、可靠性等方面。研究表明，能源動力系統智能化技術對提高電動汽車經濟性、動力性、可靠性具有重要意義。

車用電機系統如非同步電機、永磁電機都具有非線性時變參數，特別在內部磁場、溫度變化時，電機參數會發生變化，對此類時變參數的在線辨識十分重要。自學習的電池管理系統可實時準確監測電池SOC狀態，並在運行中保護電池不受損傷，這對電池的壽命和安全具有重要意義。整車能量管理智能化技術的重點在於能量的優化分配和行車經濟性，即在正常行車(各部件正常工作)過程中，根據電池的SOC、SOH狀態確定剩餘里程，進而優化行車參數。整車智能化能量管理還須考慮各子系統和部件的非正常工作狀態，即當動力系統工作中出現各種故障時，及時判斷故障來源並提出合理的應對策略。

制動系統

電動汽車的制動裝置同其他汽車一樣，是為汽車減速或停車而設置的，通常由制動器及其操縱裝置組成。電動汽車將慣性能量通過傳動系統傳遞給電機，電機以發電方式工作，為動力電池充電，實現制動能量的再生利用。與此同時，產生的電機制動力矩又可通過傳動系統對驅動輪施加制動，產生制動力。

傳統的燃油汽車在制動時是將汽車的慣性能量通過制動器的磨擦轉化成熱能散發到周圍環境中去。

對於電動汽車而言。由於電機具有可逆性，即電動機在特定的條件下可以轉變成發電機運行，因此可以在制動時採用回饋制動的辦法，使電機運動在發電狀態，通過設計好的電力裝置將制動產生的回饋電流充人儲能裝置中，這樣就可以回收一部分可觀的慣性能量，提高電動汽車的續駛里程。

一般而言，再生髮電系統只能起到限制電動機轉子速度過高的作用，即不讓轉子的速度比同步速度高出很多，但無法使其限制到小於同步轉速。也就是說，再生髮電制動僅僅能起到穩定運行的作用，因此，在考慮設計再生制動發電的幾種使用場合時，應全面綜合統盤考慮剎車制動、下坡滑行、高速運行和減速支行等多種場合。電動汽車制動能量回饋發電系統原理如圖4所示。

未來電動汽車展望

電動汽車不同於傳統汽車的明顯特點是採用了新的能源動力系統，一方面使得電動汽車

在節能環保上發生了技術革命，另一方面電力驅動系統快速的轉矩響應特性也使主動安全技術和性能出現大的飛躍。汽車電子技術的發展和應用推動底盤向電動化、模塊化、智能化和集成化方向發展，為汽車安全性和舒適性提高提供不竭的源泉，同時也為車身輕量化和新材料的應用提供了新的設計思路。可以預見電動汽車將超出新型能源動力系統的本身的特點，在設計理念、方法、生產方式上出現新的革命。

設計理念的變革

電動汽車設計理念的變革主要體現在安全性的設計理念上。隨著底盤電子化、信息化技

術的發展，電動汽車主動安全控制的快速性，及整車智能化技術的發展都對傳統車身的安全性設計理念產生衝擊。

(1)智能技術的應用使汽車具有「仿人」功能。當潛在的碰撞事故(如行人-汽車碰撞、 汽車-汽車碰撞、汽車-障礙物碰撞等)發生前，電動汽車通過智能系統的認知功能預測各種潛在的危險狀態，並提前預警或自動調節運動軌跡，避免危險事故的發生，使駕乘安全性大大提高。

(2)制動系統的快速響應性可在碰撞發生時提高底盤的耐衝擊性能，例如碰撞發生時， 通過及時應用電動部件的快速響應，實現「軟碰撞」，有效降低碰撞帶來的危害程度。

(3)車身碰撞要求降低。碰撞安全性的設計理念和技術中採用了新的安全性思想，通過 車身吸收能量的方式被通過電動化的快速響應和智能化快速預測所代替。

汽車生產方式的改變與簡化

未來電動汽車最大特點將發生在結構的革新上。底盤動力裝置的一體化，將對傳統汽車

車身的核心結構產生大的衝擊。未來電動汽車的結構上，底盤一體化系統與車身系統的模塊化優勢將被充分發揮。

(1)底盤經過簡單的組件將動力系統集成為一體，集電池系統、電驅動系統及傳統底盤 部件為一體的新型底盤，將使底盤生產方式大大簡化。

(2)車身設計更為簡潔。傳統汽車的車身將可能不再如此複雜，原來下車身的功能由新 型底盤所替代，輕量化材料被應用於車身(如碳纖維、車用聚丙烯等)，模塊化車身在碰撞安全性方面要求降低，一個底盤系統配不同造型的車身有可能成為一種新的潮流。

(3)傳統汽車的複雜車身製造體系有可能被更為時尚的模塊化車身和集機電一體化底盤 製造體系取代。電子(電動)化的元素越來越多，模塊化組件生產方式將大力推廣和發展。

綜述

一般而論，電動汽車和燃油汽車同樣都是機動車，就外部性能而言，描述它們的數學和物理手段並無大異。因此，大多數的電動汽車參數都可以從發展成熟的燃油汽車體系中借鑒。但是，由於電動汽車的特殊性，它的蓄電池重量、效率、再生能量的利用效率等性能參數卻是傳統的內燃汽車所沒有的。

電動汽車除了新型能源動力系統替代原內燃機動力系統之外，未來的發展將越來越體現出不同於傳統汽車的特徵，這些特徵包括：(1)動力控制的快速響應；(2)動力分散的新型電力驅動方式；(3)新的車身安全性解決方案與輕量化技術應用；(4)底盤電動化、智能化和集成化。上述技術的發展和創新，必將大大增加汽車安全性和節能效果，進一步推動電動汽車安全性設計理念的變革，並簡化電動汽車的製造與生產方式。

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