第一节　纯电动汽车总体认识

纯电动汽车有多种类型,每种类型的纯电动汽车各具特点。纯电动汽车相比内燃机汽车而言,主要差别体现在四大部件上,即驱动电机、调速控制器、动力电池及车载充电机。纯电动汽车的品质差异取决于这四大部件的品质,其价格高低也取决于这四大部件,纯电动汽车的用途也与四大部件的选用配置直接相关。

纯电动汽车使用者及从事汽车维修的技术人员应该做到能够通过阅读纯电动汽车用户手册(或维修手册),并借助对实车的观察分析,掌握所使用、维修的纯电动汽车类型、特点及总体结构,以便正确使用、维护或制订与实施之后的维修计划。

通过本节的学习,应该具备以下能力:

① 能够正确描述纯电动汽车的种类及各类型纯电动汽车的特点;

② 能够正确描述纯电动汽车的整体结构组成及各组成部分的功能;

③ 能够正确描述纯电动汽车的驱动原理;

④ 能够简单介绍纯电动汽车的发展历史;

⑤ 能够简单介绍国内外知名的纯电动汽车品牌;

⑥ 能够针对具体纯电动汽车,说明其类型、结构特点与工作原理;

⑦ 能够注意培养劳动保护、安全与环保和团队协作意识。

 一、纯电动汽车的种类

1.按驱动系统组成和布置形式分类

按照驱动系统的组成和布置形式,纯电动汽车分为机械传动型、无变速器型、无差速器型和电动轮型四种,如图1⁃1所示。

(1)机械传动型　机械传动型纯电动汽车的结构如图1⁃1(a)所示,它是以内燃机汽车发动机前置、后轮驱动的结构为基础发展而来的,保留了内燃机汽车的传动系统,不同之处是把内燃机换成了电动机。这种结构可以确保纯电动汽车的启动转矩及低速时的后备功率,对驱动电机要求低,因此,可选择功率较小的电动机。

电动机输出的转矩经过离合器传递到变速器,利用变速器进行减速增扭后,经传动轴传递到主减速器,然后经过差速器的差速作用后,由半轴将动力传输至驱动轮驱动汽车行驶。

机械传动布置形式的工作原理类似于传统汽车,离合器用来接通或在必要时切断驱动电机到车轮之间的动力传递;变速器是一套能够提供不同速比的齿轮机构,驾驶人按照驾驶需要来选择不同的挡位而达到不同的减速增扭作用,使车辆在低速时获得大转矩,而高速时获得小转矩;驱动桥内的机械式差速器可以实现汽车转弯时左右车轮以不同的转速行驶,这一点与传统汽车相同。

这种结构形式的纯电动汽车的变速器可相应简化,挡位数一般有2个就够了,不需要像传统汽车变速器那样需设置多个挡位,并且无需设置倒挡,而是利用驱动电机的反转实现倒退行驶,因此其变速器相对简单。这种结构形式保留了传统汽车的变速器、传动轴、后桥和半轴等传动部件,省去了较多的设计工作,控制也相对容易,适于在原有传统汽车上进行改造。但是,由于电动机至驱动轮之间的传动链较长,所以它的传动效率也相对较低。所以早期的纯电动汽车开发常采用这种布置方式。

(2)无变速器型　无变速器型纯电动汽车的一种结构如图1⁃1(b)所示,该结构的最大特点是取消了离合器和变速器,采用固定速比减速器,通过控制电动机来实现变速功能。这种结构的优点是机械传动装置的质量小、体积小,但对电动机的要求比较高,不仅要求电动机具有较高的启动转矩,而且要求电动机具有较大的后备功率,以保证纯电动汽车的起步、爬坡、加速等动力性能。

无变速器型纯电动汽车的另外一种结构如图1⁃1(c)所示,称为电机驱动桥型。其电动机和驱动桥有两种组合方式,即电动机⁃驱动桥组合式和电动机⁃驱动桥整体式。

① 电动机⁃驱动桥组合式。电动机⁃驱动桥组合式如图1⁃2所示,这也是目前纯电动汽车广泛采用的驱动系统布置方式。

同机械驱动布置方式相比,这一构型省掉了离合器和变速器,采用一个固定速比的减速器,使传动系统更加简化,传动效率得到提高,同时还缩小了整车机械系统的质量和体积,有利于整车布置。另外,减速器的使用还能够改善车辆行驶时电动机工作点的分布,从而提高电动机的利用效率。这种驱动系统布置形式是在驱动电机端盖的输出轴处加装减速器和差速器等,电动机、固定速比减速器、差速器一起组合成一个驱动整体,通过固定速比减速器的减速作用来放大驱动电机的输出转矩。这种布置形式的传动部分比较紧凑,效率较高,而且便于安装。

此构型还具有良好的通用性和互换性,便于在传统汽车底盘上安装、使用,维修也较方便。但这种布置形式对驱动电机的调速要求比较高,与机械驱动布置方式相比,此构型要求电动机在较窄速度范围内能够提供较大转矩。

② 电动机⁃驱动桥整体式。同电动机⁃驱动桥组合式相比,整体式驱动系统更进一步减少了动力传动系统的机械传动元件数量,因而使整个动力传动系统的传动效率进一步提高,同时可以节省很多空间,其结构原理如图1⁃3所示。

电动机⁃驱动桥整体式构型,已不再是在传统汽车驱动系统上进行改动,其结构与传统汽车存在很大差异,已形成了纯电动汽车所独有的驱动系统布置形式。这一构型便于采用电子集中控制,使汽车网络化和自动化控制的逐步实现成为可能。

电动机⁃驱动桥整体式驱动系统把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体,通过两根半轴驱动车轮,和发动机横向前置、前轮驱动的传统内燃机汽车的布置方式类似。根据电动机同驱动半轴的连接方式不同,电动机⁃驱动桥整体式驱动系统布置形式有同轴式和双联式两种,如图1⁃4和图1⁃5所示。

同轴式驱动系统的电动机轴是一种经过特殊制造的空心轴,在电动机一端输出轴处装有减速机构和差速器。半轴直接由差速器带动,其中一根半轴穿过电动机的空心轴驱动另一端的车轮。由于这一种构型采用机械式差速器,所以汽车转弯时和传统汽车类似,其控制比较简单。

双联式驱动系统也称双电动机驱动系统,这一构型的左右两侧车轮分别由两台电动机通过固定速比减速器直接驱动。这一结构取消了机械差速器,在左右两台电动机中间安装有电子差速器,利用电子差速实现汽车的转向,每台驱动电机的转速可以独立地调节控制。电子差速的一大突出优点是能使电动汽车具有更好的灵活性,而且可以方便地引入ASR控制,通过控制车轮的驱动转矩或驱动轮主动制动等措施提高汽车的通过性和在复杂路况上的动力性。另外,电子差速器还具有体积小、质量小的优点,在汽车转弯时可以通过精确的电子控制来提高纯电动汽车的性能。由于增加了驱动电机和功率转换器,双联式驱动系统使初始成本增加,结构也较为复杂。与同轴式驱动系统相比,在不同条件下对两台驱动电机进行精确控制的可靠性还需要进一步提高。这样的布置形式与前面的几种有着很大的不同,电动汽车的驱动系统布置形式发展到这一步时,才有可能把纯电动汽车的优势充分地体现出来。

电动机⁃驱动桥整体式驱动系统在汽车上的布局有电动机前置前驱(FF)和电动机后置后驱(RR)两种形式。整体式驱动系统具有结构紧凑、传动效率高、质量小、体积小、安装方便等优点,并具有良好的通用性和互换性,已在小型电动汽车上得到了应用。

(3)无差速器型　无差速器型纯电动汽车的结构如图1⁃1(d)所示,这种结构采用了两台电动机,通过固定速比减速器来分别驱动两个车轮,可以实现对每个电动机转速的独立调节。因此,当汽车转向时,可以通过电动机的电子控制系统控制两个车轮的差速,从而达到转向的要求。但是,这种结构的电动机控制系统相对来说比较复杂。

(4)电动轮型　电动轮型纯电动汽车也称为轮毂电动机分散型纯电动汽车,其中一种结构如图1⁃1(e)所示,这种结构是将电动机直接装在驱动轮内(也称轮毂电动机),可以进一步缩短电动机到驱动车轮之间的动力传递路径,减少能量在传动路径上的损失,但要实现纯电动汽车的正常工作,还需要添加一个速比较大的行星齿轮减速器,将电动机的转速降低到理想的转速以驱动车轮。

这种布置方式把电动机⁃驱动桥整体驱动布置方式中的半轴也取消掉了,其结构更为简洁、紧凑,整车质量更小。同传统汽车相比,轮毂电动机分散型纯电动汽车把传统汽车的机械动力传动系统所占空间完全释放出来,使动力电池、行李舱等有足够的布置空间。同时,它还可以对每台驱动电机进行独立控制,有利于提高车辆的转向灵活性和主动安全性,可以充分利用路面的附着力,便于引进电子控制技术。这种布置方式比上面介绍的各布置方式更能体现出电动汽车的优势。采用轮毂电动机分散型的动力系统必须要解决的问题就是如何保证车辆行驶方向的稳定性,同时,动力系统的驱动电机及其减速装置必须能够布置在有限的车轮空间内,这就要求该驱动电机体积较小。

电动轮型纯电动汽车的另一种结构如图1⁃1(f)所示,这种结构将低速外转子电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上,去掉了减速机构,因此电动机和驱动车轮之间没有任何机械传动装置,没有机械传动损失,能量的传递效率高,空间的利用率大。但是这种结构对电动机的性能要求较高,要求其具有很高的启动转矩和较大的后备功率,以确保车辆的可靠工作。

电动轮型纯电动汽车是当前的一大研究热点,但是这一构型并不是近年才出现的。早在1900年,保时捷公司就研制了名为洛纳德的前轮驱动双座纯电动汽车,该车的两个前轮就装有轮毂电动机。后来,由于内燃机汽车在续驶里程、动力性等方面都明显优于纯电动汽车,所以内燃机汽车成为主流,而纯电动汽车则在很大程度上放缓了发展的脚步,轮毂电动机电动汽车也因此没有继续研发下去,没有走向产业化。

目前,国内外的众多汽车生产厂商、高校、研究院等,对电动轮型纯电动汽车进行了大量的研究。

2.按车载电源数不同分类

按车载电源数不同,纯电动汽车可以分为单电源型纯电动汽车和多电源型纯电动汽车两种。

(1)单电源型　在单电源型纯电动汽车上,主要电源一般是动力电池,如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等,其动力传输路线如图1⁃6所示。单电源型纯电动汽车的结构较为简单,控制也比较简单,其主要缺点是主电源的瞬时输出功率容易受动力电池性能的影响,车辆制动能量的回馈效率也会受制于动力电池的最大可接受电流及其荷电状态。

(2)多电源型　多电源型纯电动汽车的电源一般由动力电池和储能装置联合构成,如图1⁃7所示。采用动力电池+超级电容或动力电池+飞轮电池的电源组合,可以降低对动力电池的容量、比能量、比功率等的要求。当汽车起步、加速、爬坡时,辅助储能装置(超级电容、飞轮电池)可短时间内输出大功率,协助动力电池供电,使汽车的动力性提高;当汽车制动时,则利用辅助储能装置接受大电流充电,提高制动能量回馈效率。

3.按用途不同分类

按照用途不同,纯电动汽车主要分为纯电动轿车、纯电动货车和纯电动客车等。

(1)纯电动轿车　纯电动轿车是目前最常见的纯电动汽车。除了一些概念车,纯电动轿车已经批量生产,并已经进入市场。

(2)纯电动货车　纯电动货车就是主要用来运送货物的纯电动汽车。用作公路运输的纯电动货车目前还比较少见,而在矿山、工地及一些特殊场地,则早已出现了一些大吨位的纯电动载货汽车。

(3)纯电动客车　纯电动客车是一种以载客为目的的纯电动汽车。纯电动大客车多用作公共汽车。

除上述三种外,纯电动汽车还有一种称为纯电动微型汽车。纯电动微型汽车有载客式、载货式及其他用途式。这类纯电动汽车的特点是体积小,车速低,一般最高车速在50~60km/h,行驶里程较短,成本低。