电动汽车动力系统总布置设计分析

李潇杰

摘 要：随着环保和能源形势的不断严峻，电动汽车越来越成为研究的主流，而电动汽车的动力系统布置，很大程度上决定了一辆电动汽车的整体水平，本文主要研究动力系统各项关键技术及总布置设计分析，寻求更优的动力系统方式。

关键词：电动汽车；系统布置；设计分析

1 电动汽车概况

燃油车的电动化势是未来发展的大趋势，相较于与传统汽车，电动汽车有其明显的优势也还存在着一些问题，具有很大的研究意义和发展前景。

1.1 电动汽车与燃油车的区别

燃油车与电动汽车最大的区别在于能源供应和动力系统两方面。燃油车主要以石油产品作为动力源，电动汽车则依靠蓄电池作为能源。

在动力系统方面，传统燃油车由发动机总成、变速箱总成和油箱构成，在电动汽车上电机取代了发动机，电控系统取代了变速箱，电池则取代了油箱。

1.2 电动汽车的优势及不足

（1）电动依靠电作为主要能源，比之燃油具有相当大的价格优势。

（2）电动汽车最突出的优势是节能环保，由于依靠电池作为驱动，不再需要使用燃料。电动汽车对于保护环境有着巨大帮助，尾气排放量几乎为零。

（3）由于电动汽车的普及程度并不高，充电桩的缺乏使电动汽车充电难的问题突出。与传统燃油车加油只需几分钟相比，电动汽车充电慢的问题更为突出

（4）电动汽车的电池续航性能依旧是主要的技术缺陷，续航里程短的问题也亟需解决。

2 电动汽车动力系统关键技术

电动汽车关键技术主要有三部分：电机、电池、电控。

2.1 电池

目前，大部分电动汽车主要使用磷酸铁锂电池，它有着容量大、高温性能好、重量輕等优势，但成本相对较高，能量密度、高低温性能差。三元锂电池作为未来的发展趋势，其低温放电性能较好，能量密度高，充电效率高，安全性能好。电动汽车的电池以电池包的形式布置在汽车底盘下方。

2.2 电机

电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性[1]。

电机按工作原理可分为直流电机和交流电机，电动汽车广泛使用的是三相交流电机。在三相电动机中放置三个线圈，它们在空间位置上互相差120度角，在磁场中以相同速度旋转，线圈中会感应出三个频率相同的感应电动势，从而产生电流。

交流感应电机具有效率高、重量轻、可靠性高、寿命长等优点，但控制复杂。随着电力电子技术的发展，交流感应电机技术日益成熟，交流感应电机的控制难题将一一得到解决，成本也将逐渐下降[2]。

2.3 电控

电机控制器通过从动力电池组中获得电能，提供给电动机，使得电机的转速和转矩满足整车的要求。电控分为硬件和软件，硬件主要如控制器，在我国其成本相对较高。软件则主要指电控系统的算法，需要在输入和输出中建立相关的复杂数学模型，它直接决定了一辆电动汽车的成功与否。

3 动力系统的设计布置

3.1 动力系统布置原则

通过合理的设计布置，提高空间利用率，防止运动干涉，各部件间互不干扰。

电动汽车布置一般分上下两层，上层放置更换频率较高的部件，下层则放置容易损坏的部分，如差速器。为了节省成本，通常将动力电池，电池管理系统、电池转化模块和小电瓶布置在一起。

（1）车辆布置中需要留出足够的运动空间，各部分间预留一定间隙。

（2）留出一定热害间隙，利于汽车散热防止电池过烫。

（3）需要一定的离地间隙且较传统汽车离地间隙要求更高。

（4）考虑传动轴夹角，夹角越大承受作用力越大，传动效率也越低，寿命越短。

（5）设计中要考虑到碰撞安全，留出一定的吸能空间。

（6）在布置过程中还应降成本问题计算在内，合理地简化布置（如冷却管路）至关重要。

3.2 动力系统布置步骤

（1）调查研究：对于消费群体进行调查研究，对产品进行可行性分析。

（2）总体方案设计：确定电动汽车类型及其驱动方式。

（3）绘制总布置草图：在这一过程中，完成对整车尺寸的设计，合理布置电动汽车电机、电池和控制系统的排布及确定整车的性能参数。目前总布置设计大多采用数字化的三维设计。

（4）绘制车身布置图：根据汽车尺寸设计，设计师勾画出汽车外形的具体形象。

（5）编写设计任务书

（6）汽车总布置设计

（7）总成设计

（8）试制试验和定型；按照设计做出产品模型，确定最后设计效果，之后便可以正式投入成产。

3.3 电机的布置方法

动力系统布置方法可以分为四种：

（1）传统驱动方式：驱动方式相较于普通的燃油车并没有过多的改变，结构依旧复杂，空间利用率低，质量较大，通常使用前置后驱。

（2）集成式驱动方式：通过电机与减速器与差速器的组合，更利于转向控制，平衡车身重量。在原有车身结构的基础上，稍加改动，即可推广。集成式驱动方式是大部分主流车型采用的设计方式。前置前驱的设计可以避免因碰撞而导致电池燃烧的风险。

（3）双电动机式驱动方式：两个驱动电机通过减速器分别驱动左右两侧车轮，适用于中大型客车。优势在于两个电动机可以实现单独控制，不需要差速器直接通过电控来转向。

（4）轮毂式电动机驱动方式：将电机安装在轮毂侧，省去了传动装置[3]。这种驱动方式具有高度集成化，动力输出路径短，结构紧凑等优点，是未来的发展趋势。但其缺点也很明显，不能提供很大的扭矩，因此没有很大的动力输出，目前只能应用于小型电动汽车。

3.4 电池的布置

电动汽车的电池以电池包的形式排布，电池包放置需满足整车安装空间的要求，其安装位置则要考虑冲击、振动、侧翻等情况，箱体应能承受一定程度的冲击力。车型不同，电池包安装位置不一样，一般放置在整车底部。

电车的设计应充分考虑安全性，要求有一定的散热能力及充放电性能，防止电池温度过高。另一方面也对电动汽车的冷却系统提出相应要求。冷却系统分为液冷和风冷，风冷通过加大物体表面积或加快空气流通速率来实现冷却，液冷则利用泵使散热管中的冷却液循环并进行散热。液冷相较于风冷散热更快，电动汽车也普遍采用液冷。

此外，电池热管理系统作为电池系统温度的控制，其重要作用在于保障动力电池组在高温环境、低温环境、高倍率放电工况等复杂严苛条件下功率输出和使用寿命，乃至热力安全性。因此，电池热管理系统的性能优劣对于动力电池功率输出和使用寿命也至关重要[4]。

4 结语

电动汽车在近年来的研发改进下已有了巨大的提升，较之传统燃油车在动力，舒适程度及环保方面的优势将势必在未来取代燃油车成为主要的出行方式。但不可否认在现阶段，电动汽车仍有着一定的技术缺陷和基础设施不完善等问题，如果它的续航里程短、充电速度慢等问题能够得到有效解决，其推广和普及将更进一步。

在电动汽车动力系统布置方面，我相信随着各项关键技术的不断改进发展，动力系统参数匹配的不断优化，电动汽车的性能将有巨大提升，能够更好满足人们的需求。电动汽车在未来有着广阔的发展空间，更为重要的是人们对于环境的关注程度逐渐提高，它也紧密切合人们对新型交通方式的期许，可以预见电动汽车将会在市场上占有更大的比重。

参考文献：

[1]曹秉刚，张传伟，白志峰，李竟成.电动汽车技术进展和发展趋势[J].西安交通大学学报，2004（01）：1-5.

[2]徐仕华.纯电动汽车动力驱动系统与性能研究[D].南昌大学，2012.

[3]熊忠恕.电动汽车驱动方式比较[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（07）：178.

[4]谭礼忠.纯电动汽车锂离子电池液冷热管理系统设计研究[D].吉林大学，2018.