某型号新能源轿车的总体设计**

张歆伊，程 航 ，曾庆玺，郑再象，张友宏

（1.扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225000；2.扬州市职业大学机械工程学院，江苏 扬州 225000）

0 引言

近年来，环境污染、全球变暖等问题日益严峻，其中汽车尾气引发的问题在目前的环境问题中占比已经超过一半，成为环境治理的重点。随着汽车在人类生活中越来越普及，新能源的发展迫在眉睫，新能源汽车的设计研究也越来越重要[1-2]。

为此，各国政府纷纷出台政策，制定国家发展策略，以推动新能源汽车发展，其中最受关注的就是纯电动汽车[3]。自2009年起，大众、东芝两大公司就已经开始合作开发纯电动汽车的一些系统部件；美国政府投资几十亿美元，支持电池技术的研发，为纯电动车的普及进行了详细规划；英国政府更是投入了2.3亿英镑用于补贴购买纯电动汽车的人群，大力推进形成新能源汽车网络；而中国政府颁布的《中国制造2025》也为汽车行业指明了发展研究的方向[4]。

1 基本组成结构

新能源汽车在很多方面与传统的燃油车有实质性的区别，因此有些分系统的结构需要重新进行布局设计[5]。纯电动汽车的行驶过程中，能源供给系统将电池中储存的电能经电动机传递给驱动系统，再由驱动系统实现电能向机械能的转换，并配合使用辅助系统的各项功能以保证车辆的正常行驶，其中辅助系统的能量也从能源供给系统中获得，纯电动汽车基本组成结构如图1所示。

图1 纯电动汽车基本组成结构

1.1 动力驱动系统

作为纯电动汽车的核心系统之一，动力驱动系统通过各分系统保障汽车能够按照要求安全行驶。ECU（电子控制器）接收驾驶员发出的信号，将各种外界信号转化为电子信号，指挥控制各部件的工作；电机与传动系统将电能转化为机械能，并将汽车行驶所需要的扭矩传递到车轮，在满足最高车速需求的同时，也保证在爬坡时所需的大扭矩要求[6]。

1.2 能源供给系统

能源供给系统由能量管理系统、充电系统以及电池组等部分组成，与传统燃油车的燃油供给系统的功能相似，是纯电动汽车提供能量的部分[7]。能量管理系统采集整车各系统中输出的信息，监控管理能源供给系统的状态，如电池剩余电量、剩余里程数等；充电系统将交流电转变为直流电并储存在电池组中，然而目前的充电技术发展还不够完善，充电时间长，设备也十分缺乏；电池组是汽车以及各种附件的动力来源，目前的电池技术受到续航里程等的限制，也是电动汽车发展的瓶颈之一。

1.3 辅助系统

纯电动汽车的辅助系统构成与传统燃油车基本相似，包括转向系统以及各种汽车电器附件等。

2 关键部件选择

电池组和电动机是与传统燃油车区别最大，也是纯电动汽车中核心的部分，直接影响了汽车的动力性能以及续航里程，也是在设计纯电动汽车时的重点之一。

2.1 驱动电机

驱动电机需要满足汽车行驶过程中遇到的如起步、加速、减速、怠速、爬坡等各种工况，并且能够适应在几种工况中频繁地切换[8]。这就要求所选用的车载电动机既要拥有一定的短时过载能力，具有足够的扭矩，又要具备一定的调速范围，能够满足最高车速的行驶要求。一般情况下，车载电动机需要以基本速度的2~3倍运行，车载电动机转矩、功率外特性如图2所示。除此之外，工作效率也是需要考虑的一项重要指标。目前纯电动汽车面临的最大问题就是整车质量偏重，续航能力差，这就需要车载电动机在高效率运行的同时减轻自身的体积与重量，拥有好的可靠性，在恶劣的运行环境中依然具有较高的能量转化率。

图2 车载电动机转矩、功率外特性

目前来讲，电动汽车电机使用较多的有感应电机、磁阻同步电机、永磁同步电机以及无刷直流电机等，它们的优势和劣势都各不相同，需根据具体条件进行选择。

2.1.1 感应电机

市场上应用最广泛的类型就是感应电机，此类电动机结构简单，易于安装维护，调速范围很广，能够适应各种工况下的行驶条件。广为人知的电动汽车品牌特斯拉就将感应电动机装备在了某些车型中。

2.1.2 磁阻同步电机

磁阻同步电机体积较小，结构轻盈，是当前几种车载电机中经济性最好的一个，但是设计过程相对复杂，难度较高，以目前的技术设计出的机身振动以及噪声都很大，需要进一步改进。

2.1.3 永磁同步电机

永磁同步电机广泛应用于高端电动汽车，它的体积小、质量轻，工作效率高，乘客的乘坐舒适度也很高，但是制作难度大，成本较高，适用范围有限。

2.1.4 无刷直流电机

无刷直流电机相比其余三种车载电动机，价格较为低廉，制造维护简单，入门级别的电动汽车多用此配置。但此类型的电机尺寸较大，安装较为困难，增加了汽车重量，最重要的是它调速范围狭窄，难满足汽车在行驶过程中复杂工况的需求，因此适用范围也很有限。

综上所述，根据本研究的纯电动轿车性能要求，最合适的电机类型还是感应电机。

2.2 电池组

一般情况下电动汽车的电池组是由电池块串联或并联安装在汽车上的，需要足够的安装空间，而电池的选择还需要考虑要求的续航能力以及整车性能。其中，续航里程是在选取过程中影响最大的因素，这就要求车载电池的能量密度尽可能高，在减少车载质量与安装空间的同时，保证以高效率充放电。另外，车载电池需要适应恶劣的工作环境，便于维护，节省成本。目前市场上应用较多的有锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池等[9]。

2.2.1 锂离子电池

锂离子电池是应用最广泛的车载电池之一，拥有高达90%的放电效率，并且使用寿命长，安全性能好，制造成本处于中等水平。

2.2.2 铅酸电池

铅酸电池也是市场上车载电池的主流，价格低廉，制造简单，易于维护回收，但能量密度低，续航能力比较差，使用寿命较短。

2.2.3 镍氢电池

镍氢电池能量密度高、续航时间长，生产技术成熟，使用寿命长，但不利于回收，有较大的污染性，使用的限制性较大。综上所述，根据本研究的纯电动轿车性能要求，最合适的电池类型还是锂离子电池，价格适中，充放电效率高，也比较绿色环保。

3 驱动系统布置形式

3.1 影响因素

驱动系统的布置形式将对整车性能产生影响。

3.1.1 操控稳定性

需要合理分配轴荷，不能出现质量过于集中以及质心过多偏离的现象，正确的布置方法应该是后轴轴荷占55%左右。

3.1.2 传动效率

应尽量缩短传输距离，减少传动的环节，避免在传动环节中不必要的能量损失。同时，需要有良好的散热系统，避免电池运行环境恶劣，电机电池过热损坏设备，影响汽车正常行驶。

3.1.3 安全可靠性

电池组的数量较多，体积庞大，需要占用很大空间。电池组不能整体安装时，需要用导线连接，分散安装，零件之间不能互相干涉，如若发生短路或过压过流，容易引起车辆爆燃，此时的安全性能尤为重要。

3.2 布置形式

通过改变传动与电气系统的组合方式，驱动系统的布置形式有很多种，目前电动汽车市场上较为常用的有机械、机电集成、机电一体化等驱动布置形式[10]。

3.2.1 机械驱动布置形式

采用这种驱动布置形式的电动汽车基本是用传统燃油车的底盘改装而成的，驱动布置形式与传统燃油车基本一样，直接将油箱改为电池，发动机换成车载电动机，其余结构不变。这种布置形式成熟耐用，在早期发展过程中被广泛应用，布置形式如图3所示。

图3 机械驱动布置形式

3.2.2 机电集成驱动布置形式

机电集成驱动布置形式将差速器、电机、固定档变速器集成为一个系统，并且去除了离合器系统，结构紧凑，大大减轻了整车重量，节约了布置空间，布置形式如图4所示。

图4 机电集成驱动布置形式

3.2.3 机电一体化驱动布置形式

机电一体化驱动布置形式去除了差速器系统，采用了双电机系统来实现差速器功能，可以提高灵敏度，操作更加灵活机动，但是制作成本也随之而增加，布置形式如图5所示。

图5 机电一体化驱动布置形式

综上所述，根据本研究的纯电动轿车性能要求，将选择运用最为广泛的机械驱动布置形式，技术成熟可靠并且各项成本较低。

4 总结

本研究以三大核心系统为主，介绍了目前市面上新能源汽车的基本组成结构，将现在比较常见的几种电机、电池以及驱动系统布置形式的类型进行了分析比较，最终选定了感应电机作为车载电动机，锂离子电池作为电池组，机械驱动布置形式对驱动系统进行布置。不过单是解决几个核心系统问题并不能直接提高汽车的整体性能，本研究的结构布置总体设计，为后续对各部分零件的参数进行参数匹配计算打下了基础。