电动汽车构造与电驱动原理设计

电动汽车的总体结构与传统汽车基本上是一致的，只是在动力驱动系统、能源系统等关键部件上有着很大的区别。传统汽车一般采用内燃机作为车辆的唯一动力源，通过传动系将动力输出到车辆的驱动轮上。而电动汽车可以采用电驱动系统，或者电驱动与内燃机的混合系统作为车辆动力源，同时，在采用电驱动系统时，根据驱动系统特点和车辆特点可以采用单个、两个或者多个驱动系统来驱动车辆。因此，动力传输路线相对于传统汽车而言会更加灵活。

传统汽车一般由发动机、底盘、车身和电气设备四个基本部分组成，其中发动机是唯一动力源。底盘的作用是支撑、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶。底盘由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统四部分组成。车身安装在底盘的车架上，供驾驶人、旅客乘坐或装载货物。轿车、客车的车身一般是整体结构，货车车身一般是由驾驶室和货箱两部分组成。汽车车身结构主要包括：车身壳体（白车身）、车门、车窗、车前钣制件、车身内外装饰件和车身附件、座椅以及通风、暖气、冷气、空气调节装置等。在货车和专用汽车上还包括车厢和其他装备。电气设备由电源和用电设备两大部分组成。电源包括蓄电池和发电机；用电设备包括发动机的起动系统、汽油机的点火系统和其他用电装置。

尽管大多数的电动汽车参数是从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴的，但电动汽车的结构、性能与技术参数有它独有的特点。电动汽车系统可分为四个子系统：机械子系统、电驱动子系统、信息子系统（负责整车通信，结构中未标出）和辅助控制子系统，如图2-1所示。

机械子系统由底盘和车身、驱动装置、变速器以及电源箱体组成，与之相关的因素包括道路特性、防撞性、汽车的内部空间、装配时间、适用性以及价格。

电驱动子系统由动力网、电驱动系统和能源系统组成，与之相关的因素有安全、规则、标准、效率、可靠性、质量以及价格。其中电驱动系统由电控单元、功率转换器和驱动电机等组成；电控单元发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电机和电源之间的功率流，能源系统中的能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况，辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力。

图2-1 电动汽车的基本结构

驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮。早期，电动汽车上广泛采用直流串励电机系统，这种驱动电机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常适应。但直流电机由于有存在换向火花、比功率较小、效率较低，维护保养工作量大等缺点，随着电机技术和电机控制技术的发展，正在逐渐被直流无刷电机、永磁同步电机、开关磁阻电机和交流异步电机所取代。(https://www.daowen.com)

电控单元即电机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电机的电压或电流，完成电机的驱动转矩和旋转方向的控制。在早期的电动汽车上，直流电机的调速采用串接电阻或改变电机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗并使电机的结构复杂，现在已很少采用。目前，电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变直流电机的端电压，控制电机的电流，来实现电机的无级调速。在电力电子技术的不断发展中，晶闸管斩波调速也逐渐被其他电力晶体管（如GTO、BTR、IGBT、MOSFET等）斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，正成为必然的趋势。在驱动电机的转向变换控制中，直流电机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电机的转向变换，这使得控制电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电机驱动时，电机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可使控制电路简化。此外，采用交流电机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。

电动汽车用的功率转换器可用于DC-DC转换和DC-AC转换。DC-DC转换器又称直流斩波器，用于直流电机驱动系统。两象限直流斩波器能把蓄电池的直流电压转换为可变的直流电压，并能将再生制动能量进行反向转换。DC-AC转换器通常称为逆变器，用于交流电机驱动系统，它将蓄电池的直流电转换为频率和电压均可调的交流电。电动汽车一般只使用电压输入式逆变器，因为其结构简单且又能进行双向能量转换。

电动汽车传动装置的作用是将驱动电机的驱动转矩传给汽车的驱动轴。因为电机可以带负载起动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器，并且驱动电机的转向可以通过电路控制实现变换，因此，电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档装置。当采用电机无级调速控制时，电动汽车可以省去传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省去传统内燃机汽车传动系统的差速器。

电源系统包括电源、充电器和能量管理系统等。电源为电动汽车的驱动电机提供电能，驱动电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮。电源是目前制约电动汽车发展的主要因素，电动汽车的电源应该具有高比能量和高比功率等性能，以满足其动力性和续驶里程的要求。其中，比能量定义为单位质量的电池（或动力电池组）所能输出的能量，单位为W·h/kg或kW·h/kg；比功率为单位质量的电池所具有电能的功率，单位为W/kg或kW/kg。另外，还应具有与汽车使用寿命相当的循环寿命、效率高、成本低和免维护等特点。早期电动汽车上应用最广泛的电源是铅蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅蓄电池由于比能量较低、充电速度较慢、污染大，逐渐被其他蓄电池所取代。目前正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等。这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景，尤其是性价比高的磷酸铁锂电池的问世，为电池成本的下降和性能的提高奠定了坚实的技术基础。能量管理系统主要负责监测电源的使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。

信息子系统用于处理驾驶人的意愿，监控汽车的运行以及电源、电机、控制器和充电器的状态，相关的影响因素有通信网络、数据处理的算法以及和通信相关的故障诊断。

辅助控制子系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航系统、空调器、照明及除霜装置、刮水器、收音机、VCD和音响等。这些辅助设备可以提高汽车的操纵性和乘客的舒适性。