电动汽车动力系统结构分析

许笑月，宋春华，韦兴平，徐全，宋昌林

（西华大学机械工程学院，四川成都610039）

电动汽车动力系统结构分析

许笑月，宋春华，韦兴平，徐全，宋昌林

（西华大学机械工程学院，四川成都610039）

在电动汽车技术领域，每种类型的电动汽车都在能量密度、功率密度、燃料经济性、尺寸、重量、成本和安全性等各方面有其自身的优势和局限所在。所有的这些因素都严重受汽车自身的结构和动力系统的影响。列举了纯电动汽车、混合动力电动汽车及燃料电池电动汽车的动力系统结构，分析其各自的性能特点、最优工况及制约其大规模发展的主要因素。

电动汽车；结构；动力系统

目前，随着汽车数量的不断增加，造成了空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏。虽然发动机的电控技术和三元催化等排气净化技术的应用使汽车的排放和油耗已下降到了很低的水平，但仍未能从根本上解决汽车排污和能源问题。因此，利用煤炭、水力等其它非石油资源驱动，并在使用中可实现零污染的电动汽车应运而生。其中，电动汽车的内部结构是其成为节能环保汽车的基础，只有拥有适当的结构，才能承载电动汽车重要电驱动元器件[1-2]。本文将着重分析以上几类电动汽车的不同动力系统结构及其利弊，为电动汽车的研究和开发提供参考与借鉴。

1 电动汽车基本构造

电动汽车的组成主要包括:电力驱动控制系统、机械传动系统、储能系统、充电系统以及其他工作装置等。其中，电力驱动控制系统是电动汽车的核心，其作用在于将电源输出的电能转化为机械能，为汽车提供能量；机械传动系统负责把电力驱动控制系统转化而成的机械能传递给汽车的驱动轴，无需离合、变速装置，便可使电动机负载启动[3]。

2 电动汽车动力系统

2.1 纯电动汽车

纯电动汽车以电动驱动器为能量源，以蓄电池取代内燃机汽车的发动机，通过一系列反应将电池的化学能转变为电能，经电动机和控制器，把电能转化为动能。其动力系统结构简图如图1所示。

图1 纯电动汽车结构图

纯电动汽车相比于传统内燃机汽车，具有更加灵活的结构，可通过不同类型的电机的驱动使其具有不同的行驶性能，且可使用不同类型的储能装置，但由于其密度和尺寸并不同，也会影响到整车的体积和质量。在纯电动汽车中由于驱动电动机的转矩和转速可通过电子控制器进行控制，其变速系统的设计也有多种选择。但纯电动汽车也存在充电时间长，电池体积大，整车灵活性、续航能力及动态性能较差，充电站较少且设施不够完善等缺点[4-6]。

2.2 混合动力电动汽车

2.2.1 串联式混合动力电动汽车

串联连接是混合动力汽车最简单的一种连接形式，如图2所示，将内燃机和发动机机械连接，再通过控制器连接电动机和电化学电池。发电机将内燃机的机械功率转换成电能同时为电池充电或供应给电动机。由燃料箱到控制器的能量流动是单向的，而从电池到电动机是双向的[7-9]，内燃机的启停由电池的充电状态控制。通过选择内燃机的最佳操作方式，可以实现更高的效率和更低的燃料消耗。

图2 串联式混合动力电动汽车结构图

串联式结构的特点适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行，可使原动机保持在最佳工况点附近稳定运转，并通过调整电动机和电池组的输出来调整车速，从而使复杂工况下整车性能有所提高。但串联式结构中，原动机作的功通过发动机、电池、控制器和电动机的连续转换中均有能量损失，燃油经济性并未真正得到提高。因此，该结构主要用于城市公交及大客中，在轿车中十分少见。

2.2.2 并联式混合动力电动汽车

在并联式混合动力电动汽车中，内燃机和电动机并联连接，可单独或同时将动力传递给车轮，如图3所示。电动机和内燃机分别在低速和高速时独自运行，可实现更高的效率和燃油经济性。当内燃机单独工作和再生制动的状态下，电动机可作为发动机为电池充电。并联结构实现了单级能量转换，提高了效率，降低了车辆的重量和成本，但是能量源的并联耦合增加了控制的复杂性[8-9]。并联式结构更适合汽车中、高速稳定行驶。而在其它的行驶工况，由于发动机没有在其最佳的工作区域内运行，油耗和排污指标较差。

图3 并联式混合动力电动汽车结构图

2.2.3 串并联式混合动力电动汽车

该结构引入一个额外的机械连接和发动机，如图4所示，同时体现串联及并联结构的优势。在该结构中，最常用的是电力集成型和发动机集成型的操作方式。二者分别以电动机和内燃机为主要动力来源，其各部分组件的设计和尺寸也不同。二者除驱动模式以外的操作模式是近乎相同的，在驱动模式中，发动机集成型通过内燃机单独作用，推动车轮前进，电力集成型中内燃机可以辅助电动机共同作用[8-9]。该结构由于添加了额外的电气和机械部件，设计和控制更为复杂，体积更大，成本更高。

图4 串并联式混合动力电动汽车结构图

2.2.4 复合式混合动力电动汽车

目前为止所研究的串联式、并联式及串并联式混合动力电动汽车均使用单轴推进模式，而复合式混合动力汽车使用的是双轴推进模式。如图5所示，前、后轮的车轴相互分离独立驱动，之间没有机械连接。发动机提供了双向的能量流动，前、后轮分别独立采用电力推进或混合动力推进的形式，通过行星齿轮装置连接内燃机、电动机和轴，使其无论使用电力推进、混合动力推进，还是两者组合使用的方式，都具备良好的灵活性及可靠性，使车辆运行更加平稳，全部四个轮子的再生制动也可以显著提高系统的效率和燃油经济性。其与串并联式结构的主要区别在于控制器被添加到电动机/发动机和电动机之间，使其更加可控和可靠。此外，全混合动力汽车可以低成本选用现有制造方法生产的发动机、电池和电机。目前市面上在售的丰田的普锐斯，雷克萨斯LS600h，雷克萨斯CT200h和日产蒂诺等系列车型采用的均是复合式混合动力结构[10-11]。

图5 复合式混合动力电动汽车结构图

2.3 燃料电池电动汽车

近年来，涵盖了汽车、电气和化学工程等学科研究的燃料电池汽车成为了研究热门，结构如图6所示。燃料电池直接将化学能转化为电能，不产生燃烧污染[9]。燃料电池产生的电能，直接为车辆提供能源而无需经过存储环节[12]。燃料电池的推进系统在性能、重量、成本及清洁型等各个方面都可以与内燃机汽车进行抗衡。燃料电池汽车从燃料电池到推进单元的能量流动是单向的，多通过存储介质或再生制动来获得[13]。最近对于燃料电池汽车的研究主要在进一步改善燃料电池瞬态响应能力，并在控制成本的同时改良氢气调节装置上[14]。

图6 燃料电池电动汽车结构图

3 结束语

电动汽车动力系统设计涉及到机械、电气、控制等多方面知识。结构配置的选择不仅要尽可能提高整车的燃油经济性，同时还要考虑到汽车的各种运行工况，并兼顾发动机排放、电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求进行综合规划。不同类型的电动汽车各方面性能和特性都有所不同，选用时应从电动汽车本身特点出发，根据不同的使用要求，充分考虑各项性能参数，研究开发不同类型的电动汽车。比如:城市公交或出租汽车，可选用串联式混合动力系统；若用于城市间巴士或主要用于长途客货运的汽车，则并联式的混合动力系统更为合适；家庭用车或用途比较复杂的其它车辆，则宜选用串并联式混合动力系统。

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Analysis of Architecture and Propulsion System for Electric Vehicle

XU Xiao-yue，SONG Chun-hua，WEI Xing-ping，XU Quan，SONG Chang-lin
（School of Mechanical Engineering，Xihua University，Chengdu Sichuan 610039，China）

In Electric vehicle technology each kinds of vehicles have their own capability and limitation in terms of energy density，power density，fuel economy，size，weight，cost，safety，and so on.All these factors are heavily governed by the particular vehicle architecture and propulsion system configuration.This article lists the architecture and propulsion system of the pure electric vehicles，hybrid electric vehicles and fuel cell electric vehicle.And analysis of their own performance characteristics，the best working conditions，and the major factors that restrict their comprehensive development.

electric vehicle；architecture；propulsion system

U469.72

：A

：1672-545X（2017）01-0016-03

2016-10-28

许笑月（1991-），女，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向为机电控制理论。