第一節(jié)　純電動汽車總體認識

純電動汽車有多種類型,每種類型的純電動汽車各具特點。純電動汽車相比內燃機汽車而言,主要差別體現在四大部件上,即驅動電機、調速控制器、動力電池及車載充電機。純電動汽車的品質差異取決于這四大部件的品質,其價格高低也取決于這四大部件,純電動汽車的用途也與四大部件的選用配置直接相關。

純電動汽車使用者及從事汽車維修的技術人員應該做到能夠通過閱讀純電動汽車用戶手冊(或維修手冊),并借助對實車的觀察分析,掌握所使用、維修的純電動汽車類型、特點及總體結構,以便正確使用、維護或制訂與實施之后的維修計劃。

通過本節(jié)的學習,應該具備以下能力:

① 能夠正確描述純電動汽車的種類及各類型純電動汽車的特點;

② 能夠正確描述純電動汽車的整體結構組成及各組成部分的功能;

③ 能夠正確描述純電動汽車的驅動原理;

④ 能夠簡單介紹純電動汽車的發(fā)展歷史;

⑤ 能夠簡單介紹國內外知名的純電動汽車品牌;

⑥ 能夠針對具體純電動汽車,說明其類型、結構特點與工作原理;

⑦ 能夠注意培養(yǎng)勞動保護、安全與環(huán)保和團隊協(xié)作意識。

?一、純電動汽車的種類

1.按驅動系統(tǒng)組成和布置形式分類

按照驅動系統(tǒng)的組成和布置形式,純電動汽車分為機械傳動型、無變速器型、無差速器型和電動輪型四種,如圖1?1所示。

(1)機械傳動型　機械傳動型純電動汽車的結構如圖1?1(a)所示,它是以內燃機汽車發(fā)動機前置、后輪驅動的結構為基礎發(fā)展而來的,保留了內燃機汽車的傳動系統(tǒng),不同之處是把內燃機換成了電動機。這種結構可以確保純電動汽車的啟動轉矩及低速時的后備功率,對驅動電機要求低,因此,可選擇功率較小的電動機。

電動機輸出的轉矩經過離合器傳遞到變速器,利用變速器進行減速增扭后,經傳動軸傳遞到主減速器,然后經過差速器的差速作用后,由半軸將動力傳輸至驅動輪驅動汽車行駛。

機械傳動布置形式的工作原理類似于傳統(tǒng)汽車,離合器用來接通或在必要時切斷驅動電機到車輪之間的動力傳遞;變速器是一套能夠提供不同速比的齒輪機構,駕駛人按照駕駛需要來選擇不同的擋位而達到不同的減速增扭作用,使車輛在低速時獲得大轉矩,而高速時獲得小轉矩;驅動橋內的機械式差速器可以實現汽車轉彎時左右車輪以不同的轉速行駛,這一點與傳統(tǒng)汽車相同。

這種結構形式的純電動汽車的變速器可相應簡化,擋位數一般有2個就夠了,不需要像傳統(tǒng)汽車變速器那樣需設置多個擋位,并且無需設置倒擋,而是利用驅動電機的反轉實現倒退行駛,因此其變速器相對簡單。這種結構形式保留了傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動軸、后橋和半軸等傳動部件,省去了較多的設計工作,控制也相對容易,適于在原有傳統(tǒng)汽車上進行改造。但是,由于電動機至驅動輪之間的傳動鏈較長,所以它的傳動效率也相對較低。所以早期的純電動汽車開發(fā)常采用這種布置方式。

(2)無變速器型　無變速器型純電動汽車的一種結構如圖1?1(b)所示,該結構的最大特點是取消了離合器和變速器,采用固定速比減速器,通過控制電動機來實現變速功能。這種結構的優(yōu)點是機械傳動裝置的質量小、體積小,但對電動機的要求比較高,不僅要求電動機具有較高的啟動轉矩,而且要求電動機具有較大的后備功率,以保證純電動汽車的起步、爬坡、加速等動力性能。

無變速器型純電動汽車的另外一種結構如圖1?1(c)所示,稱為電機驅動橋型。其電動機和驅動橋有兩種組合方式,即電動機?驅動橋組合式和電動機?驅動橋整體式。

① 電動機?驅動橋組合式。電動機?驅動橋組合式如圖1?2所示,這也是目前純電動汽車廣泛采用的驅動系統(tǒng)布置方式。

同機械驅動布置方式相比,這一構型省掉了離合器和變速器,采用一個固定速比的減速器,使傳動系統(tǒng)更加簡化,傳動效率得到提高,同時還縮小了整車機械系統(tǒng)的質量和體積,有利于整車布置。另外,減速器的使用還能夠改善車輛行駛時電動機工作點的分布,從而提高電動機的利用效率。這種驅動系統(tǒng)布置形式是在驅動電機端蓋的輸出軸處加裝減速器和差速器等,電動機、固定速比減速器、差速器一起組合成一個驅動整體,通過固定速比減速器的減速作用來放大驅動電機的輸出轉矩。這種布置形式的傳動部分比較緊湊,效率較高,而且便于安裝。

此構型還具有良好的通用性和互換性,便于在傳統(tǒng)汽車底盤上安裝、使用,維修也較方便。但這種布置形式對驅動電機的調速要求比較高,與機械驅動布置方式相比,此構型要求電動機在較窄速度范圍內能夠提供較大轉矩。

② 電動機?驅動橋整體式。同電動機?驅動橋組合式相比,整體式驅動系統(tǒng)更進一步減少了動力傳動系統(tǒng)的機械傳動元件數量,因而使整個動力傳動系統(tǒng)的傳動效率進一步提高,同時可以節(jié)省很多空間,其結構原理如圖1?3所示。

電動機?驅動橋整體式構型,已不再是在傳統(tǒng)汽車驅動系統(tǒng)上進行改動,其結構與傳統(tǒng)汽車存在很大差異,已形成了純電動汽車所獨有的驅動系統(tǒng)布置形式。這一構型便于采用電子集中控制,使汽車網絡化和自動化控制的逐步實現成為可能。

電動機?驅動橋整體式驅動系統(tǒng)把電動機、固定速比減速器和差速器集成為一個整體,通過兩根半軸驅動車輪,和發(fā)動機橫向前置、前輪驅動的傳統(tǒng)內燃機汽車的布置方式類似。根據電動機同驅動半軸的連接方式不同,電動機?驅動橋整體式驅動系統(tǒng)布置形式有同軸式和雙聯(lián)式兩種,如圖1?4和圖1?5所示。

同軸式驅動系統(tǒng)的電動機軸是一種經過特殊制造的空心軸,在電動機一端輸出軸處裝有減速機構和差速器。半軸直接由差速器帶動,其中一根半軸穿過電動機的空心軸驅動另一端的車輪。由于這一種構型采用機械式差速器,所以汽車轉彎時和傳統(tǒng)汽車類似,其控制比較簡單。

雙聯(lián)式驅動系統(tǒng)也稱雙電動機驅動系統(tǒng),這一構型的左右兩側車輪分別由兩臺電動機通過固定速比減速器直接驅動。這一結構取消了機械差速器,在左右兩臺電動機中間安裝有電子差速器,利用電子差速實現汽車的轉向,每臺驅動電機的轉速可以獨立地調節(jié)控制。電子差速的一大突出優(yōu)點是能使電動汽車具有更好的靈活性,而且可以方便地引入ASR控制,通過控制車輪的驅動轉矩或驅動輪主動制動等措施提高汽車的通過性和在復雜路況上的動力性。另外,電子差速器還具有體積小、質量小的優(yōu)點,在汽車轉彎時可以通過精確的電子控制來提高純電動汽車的性能。由于增加了驅動電機和功率轉換器,雙聯(lián)式驅動系統(tǒng)使初始成本增加,結構也較為復雜。與同軸式驅動系統(tǒng)相比,在不同條件下對兩臺驅動電機進行精確控制的可靠性還需要進一步提高。這樣的布置形式與前面的幾種有著很大的不同,電動汽車的驅動系統(tǒng)布置形式發(fā)展到這一步時,才有可能把純電動汽車的優(yōu)勢充分地體現出來。

電動機?驅動橋整體式驅動系統(tǒng)在汽車上的布局有電動機前置前驅(FF)和電動機后置后驅(RR)兩種形式。整體式驅動系統(tǒng)具有結構緊湊、傳動效率高、質量小、體積小、安裝方便等優(yōu)點,并具有良好的通用性和互換性,已在小型電動汽車上得到了應用。

(3)無差速器型　無差速器型純電動汽車的結構如圖1?1(d)所示,這種結構采用了兩臺電動機,通過固定速比減速器來分別驅動兩個車輪,可以實現對每個電動機轉速的獨立調節(jié)。因此,當汽車轉向時,可以通過電動機的電子控制系統(tǒng)控制兩個車輪的差速,從而達到轉向的要求。但是,這種結構的電動機控制系統(tǒng)相對來說比較復雜。

(4)電動輪型　電動輪型純電動汽車也稱為輪轂電動機分散型純電動汽車,其中一種結構如圖1?1(e)所示,這種結構是將電動機直接裝在驅動輪內(也稱輪轂電動機),可以進一步縮短電動機到驅動車輪之間的動力傳遞路徑,減少能量在傳動路徑上的損失,但要實現純電動汽車的正常工作,還需要添加一個速比較大的行星齒輪減速器,將電動機的轉速降低到理想的轉速以驅動車輪。

這種布置方式把電動機?驅動橋整體驅動布置方式中的半軸也取消掉了,其結構更為簡潔、緊湊,整車質量更小。同傳統(tǒng)汽車相比,輪轂電動機分散型純電動汽車把傳統(tǒng)汽車的機械動力傳動系統(tǒng)所占空間完全釋放出來,使動力電池、行李艙等有足夠的布置空間。同時,它還可以對每臺驅動電機進行獨立控制,有利于提高車輛的轉向靈活性和主動安全性,可以充分利用路面的附著力,便于引進電子控制技術。這種布置方式比上面介紹的各布置方式更能體現出電動汽車的優(yōu)勢。采用輪轂電動機分散型的動力系統(tǒng)必須要解決的問題就是如何保證車輛行駛方向的穩(wěn)定性,同時,動力系統(tǒng)的驅動電機及其減速裝置必須能夠布置在有限的車輪空間內,這就要求該驅動電機體積較小。

電動輪型純電動汽車的另一種結構如圖1?1(f)所示,這種結構將低速外轉子電動機的外轉子直接安裝在車輪的輪緣上,去掉了減速機構,因此電動機和驅動車輪之間沒有任何機械傳動裝置,沒有機械傳動損失,能量的傳遞效率高,空間的利用率大。但是這種結構對電動機的性能要求較高,要求其具有很高的啟動轉矩和較大的后備功率,以確保車輛的可靠工作。

電動輪型純電動汽車是當前的一大研究熱點,但是這一構型并不是近年才出現的。早在1900年,保時捷公司就研制了名為洛納德的前輪驅動雙座純電動汽車,該車的兩個前輪就裝有輪轂電動機。后來,由于內燃機汽車在續(xù)駛里程、動力性等方面都明顯優(yōu)于純電動汽車,所以內燃機汽車成為主流,而純電動汽車則在很大程度上放緩了發(fā)展的腳步,輪轂電動機電動汽車也因此沒有繼續(xù)研發(fā)下去,沒有走向產業(yè)化。

目前,國內外的眾多汽車生產廠商、高校、研究院等,對電動輪型純電動汽車進行了大量的研究。

2.按車載電源數不同分類

按車載電源數不同,純電動汽車可以分為單電源型純電動汽車和多電源型純電動汽車兩種。

(1)單電源型　在單電源型純電動汽車上,主要電源一般是動力電池,如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等,其動力傳輸路線如圖1?6所示。單電源型純電動汽車的結構較為簡單,控制也比較簡單,其主要缺點是主電源的瞬時輸出功率容易受動力電池性能的影響,車輛制動能量的回饋效率也會受制于動力電池的最大可接受電流及其荷電狀態(tài)。

(2)多電源型　多電源型純電動汽車的電源一般由動力電池和儲能裝置聯(lián)合構成,如圖1?7所示。采用動力電池+超級電容或動力電池+飛輪電池的電源組合,可以降低對動力電池的容量、比能量、比功率等的要求。當汽車起步、加速、爬坡時,輔助儲能裝置(超級電容、飛輪電池)可短時間內輸出大功率,協(xié)助動力電池供電,使汽車的動力性提高;當汽車制動時,則利用輔助儲能裝置接受大電流充電,提高制動能量回饋效率。

3.按用途不同分類

按照用途不同,純電動汽車主要分為純電動轎車、純電動貨車和純電動客車等。

(1)純電動轎車　純電動轎車是目前最常見的純電動汽車。除了一些概念車,純電動轎車已經批量生產,并已經進入市場。

(2)純電動貨車　純電動貨車就是主要用來運送貨物的純電動汽車。用作公路運輸的純電動貨車目前還比較少見,而在礦山、工地及一些特殊場地,則早已出現了一些大噸位的純電動載貨汽車。

(3)純電動客車　純電動客車是一種以載客為目的的純電動汽車。純電動大客車多用作公共汽車。

除上述三種外,純電動汽車還有一種稱為純電動微型汽車。純電動微型汽車有載客式、載貨式及其他用途式。這類純電動汽車的特點是體積小,車速低,一般最高車速在50~60km/h,行駛里程較短,成本低。