基本結(jié)構(gòu)及其工作原理

傳統(tǒng)汽車底盤由傳動(dòng)系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系四部分組成，底盤作用是支承、安裝汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，使汽車產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，保證正常行駛。

電動(dòng)車的基本結(jié)構(gòu)主要可分為三個(gè)子系統(tǒng)，即主能源系統(tǒng)（電動(dòng)源）、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)。其中電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又由電控系統(tǒng)、電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)車輪等部分組成；主能源系統(tǒng)又由主電源和能量管理系統(tǒng)構(gòu)成，能量管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電源利用控制、能量再生、協(xié)調(diào)控制等功能的關(guān)鍵部件。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。

電動(dòng)汽車的工作原理：蓄電池——電流——電力調(diào)節(jié)器——電動(dòng)機(jī)——?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)——驅(qū)動(dòng)汽車行駛。

純電動(dòng)汽車，相對燃油汽車而言，主要差別（異）在于四大部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)速控制器、動(dòng)力電池、車載充電器。

能源供及系統(tǒng)

與內(nèi)燃汽車相比，電動(dòng)汽車的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活。內(nèi)燃汽車的主要能源為汽油和柴油，而電動(dòng)汽車是采用電力能源，由電動(dòng)源和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車的能量是通過鋼性聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸傳遞的，而電動(dòng)車的能量是通過柔性的電線傳輸?shù)摹Ｒ虼耍妱?dòng)汽車各部件的放置具有很大的靈活性。

傳動(dòng)系統(tǒng)

變速傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，它指的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸和車輪之間的機(jī)械連接部分。對于傳統(tǒng)汽車來說，變速器是必要的部件，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮采用什么類型的變速器。但對于電動(dòng)汽車則不同，由于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速完全可以由電子控制器進(jìn)行全范圍的控制，因此變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就可以有多種不同的選擇。既可用傳統(tǒng)的變速齒輪箱變速，還可以用電子驅(qū)動(dòng)器控制電動(dòng)機(jī)直接變速。究竟采用哪種方案，主要還應(yīng)依據(jù)電動(dòng)汽車的能量和經(jīng)濟(jì)性，也涉及到電機(jī)和控制器的設(shè)計(jì)。

為了提高電動(dòng)汽車的傳動(dòng)效率，人們開發(fā)了電動(dòng)汽車專用的電機(jī)和變速傳動(dòng)一體化的兩速或三速自動(dòng)傳動(dòng)橋。先進(jìn)的兩速電機(jī)/多速傳動(dòng)橋?qū)⒆兯冽X輪組與高速異步電動(dòng)機(jī)完全結(jié)合為一體，并且直接安裝在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)軸上，構(gòu)成重量輕、體積小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和成本低廉的傳動(dòng)系統(tǒng)。

動(dòng)力系統(tǒng)

電動(dòng)汽車經(jīng)過近20年的快速發(fā)展，在能源動(dòng)力系統(tǒng)方面形成了具特色的三大類動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)。

純電動(dòng)汽車、油電混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車是目前電動(dòng)汽車領(lǐng)域的三大種類，油電混合動(dòng)力汽車目前被國內(nèi)外各大汽車企業(yè)最早列入產(chǎn)業(yè)化計(jì)劃，并聯(lián)混合動(dòng)力和混聯(lián)混合動(dòng)力是被電動(dòng)轎車廣泛采用的主流動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。近幾年，隨著儲能電池技術(shù)水平的飛速發(fā)展，以車載動(dòng)力蓄電池提供電能驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車得到快速發(fā)展，多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力分散結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)受到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。以氫和氧通過電極反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能驅(qū)動(dòng)的燃料電池電動(dòng)汽車，采用電-電混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)，能量轉(zhuǎn)換效果比內(nèi)燃機(jī)高2~3倍，是未來清潔能源汽車的重要發(fā)展方向之一。

底盤電子化、模塊化與智能化

電動(dòng)汽車采用電力能源，電氣化技術(shù)對汽車結(jié)構(gòu)性能的創(chuàng)新提供更多的可能性。底盤系統(tǒng)將逐步采用電動(dòng)化執(zhí)行部件，結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生革新，并將推動(dòng)汽車模塊化、智能化的發(fā)展。

通用開發(fā)的電動(dòng)汽車“AUTOnomy”[6]是一個(gè)典型的底盤與動(dòng)力系統(tǒng)集成一體化的創(chuàng)新例子。該車車身與底盤分開，底盤與動(dòng)力系統(tǒng)集成在一個(gè)“滑板”中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都設(shè)計(jì)在底盤上，采用了線控技術(shù)，使車輛操控系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和其他車載系統(tǒng)都通過電子控制而非傳統(tǒng)機(jī)械方式來實(shí)現(xiàn)，車身與底盤僅通過軟件接口連接，全面實(shí)現(xiàn)了底盤的“電動(dòng)化”。

電動(dòng)汽車采用安裝在車輪內(nèi)的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分散控制。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車和單一電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛相比，四輪驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了各車輪的獨(dú)立分散驅(qū)動(dòng)，各車輪均可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，還可省去變速器、離合器、傳動(dòng)軸等復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)效率提高。

傳動(dòng)系統(tǒng)

無論是串聯(lián)(燃料電池可視為特殊的串聯(lián)結(jié)構(gòu))、并聯(lián)、混聯(lián)式的混合動(dòng)力車，還是由電池提供能量的純電動(dòng)汽車，其動(dòng)力裝置的布置往往在原發(fā)動(dòng)機(jī)前艙布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行，并力求把相應(yīng)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，并聯(lián)或混聯(lián)式混合動(dòng)力由于采用兩個(gè)以上的動(dòng)力裝置，在布置上要求更為嚴(yán)格。豐田Prius的混聯(lián)結(jié)構(gòu)堪稱小型化集成化的典范[4]。

與傳統(tǒng)的自動(dòng)變速箱相比，電動(dòng)汽車的自動(dòng)變速傳動(dòng)橋同樣包括有盤形和帶形離合器、星型齒輪、差速器、執(zhí)行離合動(dòng)作的液壓系統(tǒng)、潤滑油以及冷卻系統(tǒng)。自動(dòng)變速傳動(dòng)橋可以用微處理器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的全電子控制。一個(gè)由停車、倒車、空檔、行駛以及從一檔構(gòu)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(jù)駕駛員所掛的檔位自動(dòng)決定變速齒輪在哪一級變速檔上，并將適當(dāng)?shù)男盘査偷揭簤嚎刂葡到y(tǒng)以及執(zhí)行變速控制。由于交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性低并有理想的轉(zhuǎn)矩特性，使得控制變速橋進(jìn)行平滑的自動(dòng)變速變得更容易。

能源動(dòng)力系統(tǒng)的智能化技術(shù)

能源系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)的電子化使得電動(dòng)汽車體現(xiàn)出越來越強(qiáng)大的功能。但電動(dòng)汽車能源動(dòng)力系統(tǒng)的智能化還沒有引起充分的關(guān)注。一般將重點(diǎn)放在整車與動(dòng)力系統(tǒng)的功能和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)、可靠性等方面。研究表明，能源動(dòng)力系統(tǒng)智能化技術(shù)對提高電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性具有重要意義。

車用電機(jī)系統(tǒng)如異步電機(jī)、永磁電機(jī)都具有非線性時(shí)變參數(shù)，特別在內(nèi)部磁場、溫度變化時(shí)，電機(jī)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，對此類時(shí)變參數(shù)的在線辨識十分重要。自學(xué)習(xí)的電池管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測電池SOC狀態(tài)，并在運(yùn)行中保護(hù)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(shù)的重點(diǎn)在于能量的優(yōu)化分配和行車經(jīng)濟(jì)性，即在正常行車(各部件正常工作)過程中，根據(jù)電池的SOC、SOH狀態(tài)確定剩余里程，進(jìn)而優(yōu)化行車參數(shù)。整車智能化能量管理還須考慮各子系統(tǒng)和部件的非正常工作狀態(tài)，即當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)工作中出現(xiàn)各種故障時(shí)，及時(shí)判斷故障來源并提出合理的應(yīng)對策略。

制動(dòng)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車的制動(dòng)裝置同其他汽車一樣，是為汽車減速或停車而設(shè)置的，通常由制動(dòng)器及其操縱裝置組成。電動(dòng)汽車將慣性能量通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給電機(jī)，電機(jī)以發(fā)電方式工作，為動(dòng)力電池充電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的再生利用。與此同時(shí)，產(chǎn)生的電機(jī)制動(dòng)力矩又可通過傳動(dòng)系統(tǒng)對驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)，產(chǎn)生制動(dòng)力。

傳統(tǒng)的燃油汽車在制動(dòng)時(shí)是將汽車的慣性能量通過制動(dòng)器的磨擦轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)到周圍環(huán)境中去。

對于電動(dòng)汽車而言。由于電機(jī)具有可逆性，即電動(dòng)機(jī)在特定的條件下可以轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)運(yùn)行，因此可以在制動(dòng)時(shí)采用回饋制動(dòng)的辦法，使電機(jī)運(yùn)動(dòng)在發(fā)電狀態(tài)，通過設(shè)計(jì)好的電力裝置將制動(dòng)產(chǎn)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(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

一般而言，再生發(fā)電系統(tǒng)只能起到限制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度過高的作用，即不讓轉(zhuǎn)子的速度比同步速度高出很多，但無法使其限制到小于同步轉(zhuǎn)速。也就是說，再生發(fā)電制動(dòng)僅僅能起到穩(wěn)定運(yùn)行的作用，因此，在考慮設(shè)計(jì)再生制動(dòng)發(fā)電的幾種使用場合時(shí)，應(yīng)全面綜合統(tǒng)盤考慮剎車制動(dòng)、下坡滑行、高速運(yùn)行和減速支行等多種場合。電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回饋發(fā)電系統(tǒng)原理如圖4所示。

未來電動(dòng)汽車展望

電動(dòng)汽車不同于傳統(tǒng)汽車的明顯特點(diǎn)是采用了新的能源動(dòng)力系統(tǒng)，一方面使得電動(dòng)汽車在節(jié)能環(huán)保上發(fā)生了技術(shù)革命，另一方面電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性也使主動(dòng)安全技術(shù)和性能出現(xiàn)大的飛躍。汽車電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推動(dòng)底盤向電動(dòng)化、模塊化、智能化和集成化方向發(fā)展，為汽車安全性和舒適性提高提供不竭的源泉，同時(shí)也為車身輕量化和新材料的應(yīng)用提供了新的設(shè)計(jì)思路。可以預(yù)見電動(dòng)汽車將超出新型能源動(dòng)力系統(tǒng)的本身的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)理念、方法、生產(chǎn)方式上出現(xiàn)新的革命。

設(shè)計(jì)理念的變革

電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)理念的變革主要體現(xiàn)在安全性的設(shè)計(jì)理念上。隨著底盤電子化、信息化技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車主動(dòng)安全控制的快速性，及整車智能化技術(shù)的發(fā)展都對傳統(tǒng)車身的安全性設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生沖擊。

(1)智能技術(shù)的應(yīng)用使汽車具有“仿人”功能。當(dāng)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(fā)生前，電動(dòng)汽車通過智能系統(tǒng)的認(rèn)知功能預(yù)測各種潛在的危險(xiǎn)狀態(tài)，并提前預(yù)警或自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生，使駕乘安全性大大提高。

(2)制動(dòng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)性可在碰撞發(fā)生時(shí)提高底盤的耐沖擊性能，例如碰撞發(fā)生時(shí)，

通過及時(shí)應(yīng)用電動(dòng)部件的快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“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(shè)計(jì)理念和技術(shù)中采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(dòng)化的快速響應(yīng)和智能化快速預(yù)測所代替。

汽車生產(chǎn)方式的改變與簡化

未來電動(dòng)汽車最大特點(diǎn)將發(fā)生在結(jié)構(gòu)的革新上。底盤動(dòng)力裝置的一體化，將對傳統(tǒng)汽車車身的核心結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的沖擊。未來電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)上，底盤一體化系統(tǒng)與車身系統(tǒng)的模塊化優(yōu)勢將被充分發(fā)揮。

(1)底盤經(jīng)過簡單的組件將動(dòng)力系統(tǒng)集成為一體，集電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及傳統(tǒng)底盤

部件為一體的新型底盤，將使底盤生產(chǎn)方式大大簡化。

(2)車身設(shè)計(jì)更為簡潔。傳統(tǒng)汽車的車身將可能不再如此復(fù)雜，原來下車身的功能由新

型底盤所替代，輕量化材料被應(yīng)用于車身(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(gè)底盤系統(tǒng)配不同造型的車身有可能成為一種新的潮流。

(3)傳統(tǒng)汽車的復(fù)雜車身制造體系有可能被更為時(shí)尚的模塊化車身和集機(jī)電一體化底盤

制造體系取代。電子(電動(dòng))化的元素越來越多，模塊化組件生產(chǎn)方式將大力推廣和發(fā)展。

綜述

一般而論，電動(dòng)汽車和燃油汽車同樣都是機(jī)動(dòng)車，就外部性能而言，描述它們的數(shù)學(xué)和物理手段并無大異。因此，大多數(shù)的電動(dòng)汽車參數(shù)都可以從發(fā)展成熟的燃油汽車體系中借鑒。但是，由于電動(dòng)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(shù)卻是傳統(tǒng)的內(nèi)燃汽車所沒有的。

電動(dòng)汽車除了新型能源動(dòng)力系統(tǒng)替代原內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)之外，未來的發(fā)展將越來越體現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)汽車的特征，這些特征包括：(1)動(dòng)力控制的快速響應(yīng)；(2)動(dòng)力分散的新型電力驅(qū)動(dòng)方式；(3)新的車身安全性解決方案與輕量化技術(shù)應(yīng)用；(4)底盤電動(dòng)化、智能化和集成化。上述技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，必將大大增加汽車安全性和節(jié)能效果，進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車安全性設(shè)計(jì)理念的變革，并簡化電動(dòng)汽車的制造與生產(chǎn)方式。