1、 第二章第二章 電動汽車構造與原理電動汽車構造與原理o第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理o第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理o第三節第三節 燃料電池電動汽車構造與原理燃料電池電動汽車構造與原理第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 一一 純電動汽車的驅動結構純電動汽車的驅動結構 由于純電動汽車是單純用蓄電池作為驅動能源的汽車，采用合理的驅動結構布局來充分發揮電動機驅動的優勢是尤其重要的。電動汽車的驅動結構布局目前主要四種基本典型結構：傳統的驅動模式、電動機一驅動橋組合式驅動方式、電動機一驅動橋整體式驅動方式、輪轂電機分散驅動方

2、式。 第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 電動機驅動與發動機相比有兩大技術優勢：電動機驅動與發動機相比有兩大技術優勢： 1）由于發動機能高效產生轉矩時的轉速被限制在一個較窄的范圍內，為此需通過龐大而復雜的變速機構來適應這一特性。而電動機可以在相當寬廣的速度范圍內高效地產生轉矩，電機現代控制理論已使直接轉矩控制技術得到越來越多的應用，數控機床伺服驅動早已對此作了驗證，并且調速性能指標(可達l：20000)遠高于汽車行駛要求。 2）電動機實現轉矩的快速響應性指標要比發動機高出兩個數量級，若發動機的動態響應時間是500ms，則電動機只為5ms。由于按常規來說，電氣執行的響應速度都

3、要比機械機構快幾個數量級，因此隨著計算機電子技術的發展，用先進的電氣控制來取代笨重、龐大而響應滯后的部分機械、液壓裝置已成為技術進步發展的必然趨勢。它不但使各項性能指標大大提高，也將使制造成本降低。由于電氣元器件在研發初期的成本和性能都可能會暫不盡人意，但一旦研制完善后就將隨其批量的增加而得到大幅改善。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 1 傳統驅動模式傳統驅動模式 如圖a所示，它是從傳統汽車的驅動模式演變而成，即由電動機替代發動機仍采用內燃機汽車的傳動系統，包括離合器、變速器、傳動軸和驅動橋等總成。與傳統汽車類似，也有電動機前置、驅動橋前置(F-F)，電動機前置、驅動橋后

4、置(F-R)等各種驅動模式。其結構復雜，效率低，沒能充分發揮電動機驅動的優勢。 其工作原理也類同于傳統汽車，由離合器用來切斷或接通電動機到車輪之間傳遞動力的機械裝置，變速器是一套具有不同速比的齒輪機構，駕駛員按需要來選擇不同的檔位，即使得低速時，車輪獲得大轉矩低轉速；而在高速時，車輪獲得小力矩高轉速。由于采用了調速電動機，其變速器可相應簡化，檔位數一般有兩個就夠了，倒檔也可利用電動機的正反轉來實現。驅動橋內的機械式差速器使得汽車在轉彎時，左右車輪以不同的轉速行駛。這種模式主要用于早期的電動汽車，省去了較多的設計，也適于對原有汽車的改造。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 2

5、 電動機電動機-驅動橋組合式驅動方式驅動橋組合式驅動方式 如圖b所示，即在電動機端蓋的輸出軸處加裝減速齒輪和差速器等，電動機、減速器、驅動橋的軸互相平行，一起組合成一個驅動整體。它通過固定速比的減速器來放大電動機的輸出轉矩，但沒有可選的變速檔位，也就省掉了離合器。這種機械傳動機構緊湊，傳動效率較高，便于安裝。但對電動機的調速要求較高。按傳統汽車的驅動模式來說，它可以有電動機前置、驅動橋前置(FF)或電動機后置、驅動橋后置(RR)兩種方式。它具有良好的通用性和互換性，便于在現有的汽車底盤上安裝，使用、維修也較方便。 1一電動機 2一減速齒輪 3一差速器齒輪 4一傳動齒輪箱外殼第一節第一節 純電動

6、汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 3 電動機電動機-驅動橋整體式驅動方式驅動橋整體式驅動方式 如圖c所示，其整體式驅動系統有同軸式和雙聯式兩種。 1)同軸式驅動系統的電動機軸是一種特殊制造的空心軸，在電動機左端輸出軸處的裝置有減速齒輪和差速器，再由差速器帶動左右半軸，左半軸直接帶動，而右半軸通過電動機的空心軸來帶動。 2) 雙聯式驅動系統由左右兩臺永磁電動機直接通過半軸帶動車輪，左右兩臺電動機由中間的電控差速器控制。 所以汽車轉彎時，前一種采用機械式差速器；后一種由電控式差速器來實現。同樣，它在汽車上的布局有電動機前置、驅動橋前置(F-F)和電動機后置、驅動橋后置(R-R)兩種驅動模式。該電

7、動機驅動橋構成的機電一體化整體式驅動系統，具有結構更緊湊，傳動效率高，重量輕、體積小，并具有良好的通用性和互換性。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 4 輪轂電機分散驅動方式輪轂電機分散驅動方式 如圖d所示，輪轂式電機直接裝在汽車車輪里，它主要有兩種結構： 一種是內定子外轉子結構，其外轉子直接安裝在車輪的輪緣上。由于不通過機械減速，通常要求電動機為低速力矩電動機； 另一種就用一般的內轉子外定子結構，其轉子作為輸出軸與固定減速比的行星齒輪變速器的太陽輪相連，而車輪輪轂通常與其齒圈連接，它能提供較大的減速比，來放大其輸出轉矩。 采用輪轂電機驅動可大大縮短從電動機到驅動車輪的傳遞

8、路徑，不僅能騰出大量的有效空間便于總體布局，而且對于前一種內定子外轉子結構，也大大提高了對車輪的動態響應控制性能。每臺電動機的轉速可獨立調節控制調節控制，便于實現電子差速電子差速。既省去了機械差速器，也有利于提高汽車轉彎時的操控性。輪轂電機分散驅動在汽車上的布置方式可以有：雙前輪驅動、雙后輪驅動和4wD(4 wheel drive )前后四輪驅動幾種模式，輪轂式電動機分散驅動方式應是未來電動汽車驅動的發展方向。 第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 二 純電動汽車的結構原理 純電動汽車的結構主要由電力驅動控制系統、汽車底盤、車身以及各種輔助裝置等部分組成。除了電力驅動控制系統

9、，其他部分的功能及其結構組成基本與傳統汽車類同，不過有些部件根據所選的驅動方式不同，已被簡化或省去了。 電力驅動控制系統既決定了整個純電動汽車的結構組成及其性能特征，也是電動汽車的核心，它相當于傳統汽車中的發動機與其他功能以機電一體化方式相結合，這也是區別于傳統內燃機汽車的最大不同點。 1 電力驅動控制系統電力驅動控制系統 電力驅動控制系統的組成與工作原理如圖所示，按工作原理可劃分為車載電源模塊、電力驅動主模塊和輔助模塊三大部分。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 1） 車載電源模塊車載電源模塊 車載電源模塊主要由蓄電池電源、能源管理系統和充電控制器三部分組成。 （1 1）

10、蓄電池電源）蓄電池電源 蓄電池是純電動汽車的唯一能源，它除了供給汽車驅動行駛所需的電能外，也是供應汽車上各種輔助裝置的工作電源。蓄電池在車上安裝前需要通過串并聯的方式組合成所要求的電壓等級，由于電動機驅動所需的等級電壓往往與輔助裝置的電壓要求不一致，輔助裝置所要求的一般為12V或24V的低壓電源，而電動機驅動一般要求為高壓電源，并且所采用的電動機類型不同，其要求的電壓等級也不同。為滿足該要求，可以用多個12V或24V的蓄電池串聯成96384V高壓直流電池組，再通過DcDc轉換器供給所需的不同電壓。也可按所需要求的電壓等級，直接由蓄電池組合成不同電壓等級的電池組，不過這樣會給充電和能源管理帶來相

11、應的麻煩。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 （2） 能源管理系統能源管理系統 能源管理系統是對電動汽車系統能量轉換裝置的工作能量進行協調、分配和控制的軟硬件系統。 能源管理系統與電力驅動主模塊的中央控制單元配合一起控制發電回饋，使在電動汽車降速制動和下坡滑行時進行能量回收，從而有效地利用能源，提高電動汽車的續程能力。 能源管理系統還需與充電控制器一同控制充電。 為提高蓄電池性能的穩定性和延長使用壽命，需要實時監控電源的使用情況，對蓄電池的溫度、電解液濃度、蓄電池內阻、電池端電壓、當前電池剩余電量、放電時間、放電電流或放電深度等蓄電池狀態參數進行檢測，并按蓄電池對環境溫度的

12、要求進行調溫控制，通過限流控制避免蓄電池過充、放電，對有關參數進行顯示和報警，其信號流向輔助模塊的駕駛室顯示操縱臺，以便駕駛員隨時掌握并配合其操作，按需要及時對蓄電池充電并進行維護保養。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 （3) 充電控制器充電控制器 充電控制器是把供電電網的交流電轉換為相應電壓的直流電，對蓄電池充電并按要求控制其充電電流。充電器開始時為恒流充電階段。當電池電壓上升到一定值時，充電器進入恒壓充電階段，輸出電壓維持在相應值，充電器進入恒壓充電階段后，電流逐漸減小。還有采用脈沖式電流進行快速充電。 2 2） 電力驅動主模塊電力驅動主模塊 該主模塊主要由中央控制單

13、元、驅動控制器、電動機、機械傳動裝置等組成。為適應駕駛員的傳統操縱習慣，電動汽車仍保留了加速踏板、制動踏板及有關操縱手柄或按鈕等。不過在電動汽車上是將加速踏板、制動踏板的機械位移量轉換為相應的電信號，輸入到中央控制單元來對汽車的行駛實行控制。對于檔位變速桿為遵循駕駛員的傳統習慣，一般仍需保留，同樣除了傳統的驅動模式外也就只有前進、空檔、倒退三個檔位，并且以開關信號傳輸到中央控制單元來對汽車進行前進、停車、倒車控制。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理（1) 1) 中央控制單元中央控制單元 中央控制單元不僅是電力驅動主模塊的控制中心，也要對整輛電動汽車的控制起到協調作用。它根據

14、加速踏板與制動踏板的輸入信號，向驅動控制器發出相應的控制指令，對電動機進行起動、加速、減速、制動控制。在電動汽車減速和下坡滑行時，中央控制器配合車載電源模塊的能源管理系統進行發電回饋，即使蓄電池反向充電。 對于與汽車行駛狀況有關的速度、功率、電壓、電流及有關故障診斷等信息還需傳輸到輔助模塊的駕駛室顯示操縱臺進行相應的數字或模擬顯示，也可采用液晶屏幕顯示來提高其信息量。 另外，如驅動采用輪轂電機分散驅動方式，當汽車轉彎時，中央控制器也需與輔助模塊的動力轉向單元配合，即控制左右輪轂電機來實行電子差速轉向。 為減少電動汽車各個控制部分間的硬件連線，提高可靠性，現代汽車控制系統已較多地采用了微機多CP

15、U總線控制方式，特別是對于采用輪轂電機進行4WD前后四輪驅動控制的模式，更需要運用總線控制技術，來簡化電動汽車內部線路的布局，提高其可靠性，也便于故障診斷和維修，并且采用該模塊化結構，一旦技術成熟其成本也將隨批量的增加而大幅下降。 第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理（2) 2) 驅動控制器驅動控制器 驅動控制器功能是按中央控制單元的指令和電動機的速度、電流反饋信號，對電動機的速度、驅動轉矩和旋轉方向進行控制。 驅動控制器與電動機必須配套使用，目前對電動機的調速主要采用調壓、調頻等方式，這主要取決于所選用的驅動電動機類型。 由于蓄電池以直流電方式供電，所以對直流電動機主要是通

16、過DCDC轉換器進行調壓調速控制； 對于交流電動機需通過DCAC轉換器進行調頻調壓矢量控制； 對于磁阻電動機是通過控制其脈沖頻率來進行調速。 當汽車倒車行駛時，需通過驅動控制器使電動機反轉來驅動車輪反向行駛。 當電動汽車處于減速和下坡滑行時，驅動控制器使電機運行于發電狀態，電機利用其慣性發電，將電能通過驅動控制器回饋給蓄電池，所以驅動控制器與蓄電池電源的電能流向是雙向的。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 （3) 3) 電機電機 電機在電動汽車中被要求承擔著電動和發電的雙重功能，即在正常行駛時發揮其主要的電動機功能，將電能轉化為機械旋轉能；而在減速和下坡滑行時又被要求進行發

17、電，將車輪的慣性動能轉換為電能。 對電機的選型一定要根據其負載特性來選，由對汽車行駛時的特性分析可知汽車在起步和上坡時要求有較大的起動轉矩和相當的短時過載能力，并有較寬的調速范圍和理想的調速特性，即在起動低速時為恒轉矩輸出，在高速時為恒功率輸出。 電機與驅動控制器所組成的驅動系統是電動汽車中最為關鍵的部件，電動汽車的運行性能主要取決于驅動系統的類型和性能，它直接影響著汽車的各項性能指標，如汽車在各工況下的行駛速度、加速與爬坡性能以及能源轉換效率。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理（4) 4) 機械傳動裝置機械傳動裝置 電動汽車傳動裝置的作用是將電動機的驅動轉矩傳輸給汽車的驅

18、動軸，從而帶動汽車車輪行駛。由于電動機本身就具有較好的調速特性，其變速機構可被大大簡化，較多的是為放大電動機的輸出轉矩僅采用一種固定的減速裝置。又因為電動機可帶負載直接起動，即省去了傳統內燃機汽車的離合器。由于電動機可以容易地實現正反向旋轉，所以也無需通過變速器中的倒檔齒輪組來實現倒車。對電動機在車架上合理布局，即可省去傳動軸、萬向節等傳動鏈。當采用輪轂式電動機分散驅動方式時，又可以省去傳統汽車的驅動橋、機械差速器、半軸等一切傳動部件，所以該驅動方式也可被稱為“零傳動”方式。 3） 輔助模塊輔助模塊 輔助模塊包括輔助動力源、動力轉向單元、駕駛室顯示操縱臺和各種輔助裝置等。各個裝置的功能與傳統汽

19、車上的基本類同，其結構原理按電動汽車的特點有所區別。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 （1 1） 輔助動力源輔助動力源 輔助動力源是供給電動汽車其他各種輔助裝置所需的動力電源，一般為12V或24V的直流低壓電源，它主要給動力轉向、制動力調節控制、照明、空調、電動窗門等各種輔助裝置提供所需的能源。 （2) 2) 動力轉向單元動力轉向單元 轉向裝置是為實現汽車的轉彎而設置的，它由方向盤、轉向器、轉向機構和轉向輪等組成。作用在方向盤上的控制力，通過轉向器和轉向機構使轉向輪偏轉一定的角度，實現汽車的轉向。 為提高駕駛員的操控性，現代汽車都采用了動力轉向，較理想的是采用電子控制動力

20、轉向系EPS，它要有電控液力轉向系和電控電動轉向系兩類。對于純電動汽車較適于選用電控電動轉向系。 多數汽車為前輪轉向，而工業用電動叉車常采用后輪轉向，為提高汽車轉向時的操縱穩定性和機動性，較理想的是采用四輪轉向系統。 對于采用輪轂式電動機分散驅動的電動汽車，由于電機控制響應速度的提高，可更容易地實現四輪電子差速轉向控制。 另外，為配合轉彎時左右兩側車輪有相應的差速要求，還須同時控制電子差速器協調工作。 第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 （3) 3) 駕駛室顯示操縱臺駕駛室顯示操縱臺 它類同于傳統汽車駕駛室的儀表盤，不過其功能根據電動汽車驅動的控制特點有所增減，其信息指示更

21、多地選用數字或液晶屏幕顯示。它與前述電力驅動主模塊中的中央控制單元結合，用計算機進行控制。萬向電動汽車有限公司已為此研發了純電動汽車專用的數字化電控系統，它是以CAN總線、嵌入式技術為核心的數字化整車電控系統，GPS集成到車載信息系統，提升電動汽車檔次。 （4) 4) 輔助裝置輔助裝置 電動汽車的輔助裝置主要有照明、各種聲光信號裝置、車載音響設備、空調、刮水器、風窗除霜清洗器、電動門窗、電控玻璃升降器、電控后視鏡調節器、電動座椅調節器、車身安全防護裝置控制器等。它們主要是為提高汽車的操控性、舒適性、安全性而設置的，有些是必要的，有些是可選用的。與傳統汽車一樣，大都有成熟的專用配件供應。不過選用

22、時應考慮到純電動汽車能源不富裕的特點，特別是空調所消耗的能量比較大，應盡可能從節能方面考慮。另外，對于有些裝置可用液壓或電動兩種方式來控制的，一般選用電動控制的較為方便。第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理2 2 汽車底盤汽車底盤 汽車底盤是整個汽車的基體，不僅起著支承蓄電池、電動機、驅動控制器、汽車車身、空調及各種輔助裝置的作用，同時也將電動機的動力進行傳遞和分配，并按駕駛員的意志(加速、減速、轉向、制動等)行駛。 按傳統汽車的歸類或敘述習慣，汽車底盤應包括傳動系、行駛系、轉向系和制動系四大系統。 對于純電動汽車其傳動系根據所選驅動方式不同，不少被簡化或干脆省掉。 行駛系包

23、括車橋、車架、懸架、車輪與輪胎，其中：1）車橋如采用輪轂電機驅動也就省去了；2）車架是整個汽車的裝配基體，其作用主要是支承連接汽車的各零部件，承受來自車內和車外的各種載荷；3）懸架是車架(或車身)與車輪(或車橋)之間的一切傳力連接裝置的總稱，它主要由彈性元件、減振器和導向機構等組成。它與充氣輪胎一起緩和不平路面對車輛的沖擊振動；4）車輪主要由輪輞、輪輻等組成，其內部還需安裝制動器，并還可能要安裝輪轂電機，所以結構會很緊湊；為減小電動汽車行駛時的滾動阻力，輪胎要求采用子午線輪胎較好。 第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 轉向系包括轉向操縱機構、轉向器、轉向傳動機構等，它按能源

24、不同被分為機械轉向系和動力轉向系兩大類，機械轉向系與傳統汽車的完全一致，動力轉向系前已簡單說明。 制動系由供能裝置、控制裝置、傳動裝置、制動器四個基本部分組成，按其功用不同被分為行車制動系、駐車制動系、應急制動系和輔助制動系等，對于電動汽車由于可利用電機實現再生制動進行能量回收，并且還可利用電磁吸力實現電磁制動，因此隨著技術的發展其制動系也將會有較大的變化。 3 車身與純電動汽車總體布局的特點車身與純電動汽車總體布局的特點 汽車車身主要由車身本體、開啟件(各種門、窗、行李箱和車頂蓋等)、各種座椅、內外飾附件和安全保護裝置(保險杠、安全帶、安全氣囊等)組成。 針對純電動汽車能源少的特點，對汽車車

25、身的外形造型應盡可能縮小其迎風面積來降低空氣阻力，并采用輕型高強度材料來減輕汽車自身的重量。 對車內的各個部件的布局也相當重要，由于電動汽車動能的傳遞主要是通過柔性的電纜，即減少了大量用剛性的機械件連接部件的動能傳遞，因此電動汽車各部件的布置具有較大的靈活性，并且蓄電池組也可分散布置，作為配重物來布局。 第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 純電動汽車各個部件的總體布局的原則是：符合車輛動力學對汽車重心位置的要求，并盡可能降低車輛質心高度。特別是對于采用輪轂電機驅動實現“零傳動”方式的電動汽車，不僅去掉了發動機、冷卻水系統、排氣消聲系統和油箱等相應的輔助裝置，還省去了變速箱、

26、驅動橋及所有傳動鏈，既減輕了汽車自重，也留出了許多空間，其結構可以說發生了脫胎換骨的變化。車輛的整個結構布局需重新設計全面考慮各種因素。 另外，由于增加了許多蓄電池的重量，對于安裝蓄電池部位的車架強度必須有所考慮，同時為了方便蓄電池的充電、維護、更換，對蓄電池安裝方法和位置也要考慮其方便性，對環境溫度有要求的蓄電池還需考慮散熱空間及調溫控制，并為確保安全還需采取密封等預防措施，以防車輛發生撞擊事故時，電解液不會泄漏傷及人身，并有防火等措施。 第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理三 電動汽車能源的復合利用 能量不富裕是純電動汽車的最大弊端，因此如何與其他能源有機地復合利用，來改

27、善其加速性能和續駛里程，是提高純電動汽車實用化的有效途徑之一。太陽能、風能在純電動汽車上被應用，既發揮了蓄電池這一可逆儲能裝置的優勢，又彌補了純電動汽車能量不富裕的缺陷，即使兩者揚長避短、優勢互補。 1 太陽能電動汽車太陽能電動汽車 由于太陽光時續時斷的不穩定性，太陽能發電系統通常除了太陽能電池板，還需控制器、蓄電池組、逆變器等組合而成。而對于純電動汽車除了太陽能電池板，其余裝置本身都已具備即可兼用，對其控制器按太陽能電池板工作原理和控制要求需略作改進。 太陽能電池板(Solar Panel) 主要有單晶體硅電池板、多晶體硅電池板、非晶硅電池板和多元化合物太陽電池等。其中單晶硅的效率較高，用得

28、也較多，其價格按功率來算，如通常25cm125cm的單晶硅電池為23w左右，目前價格約為2030元/w。隨著太陽能電池板的更多應用和其制造工藝的進一步完善，其價格必會下降，致使更適于普及推廣。而太陽能電池板的使用壽命一般是20年以上，即是蓄電池壽命的好幾倍。 第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理 一輛純電動汽車加上太陽能發電功能，其成本也就主要是增加了太陽能電池板的價格。如轎車的車頂面積按18m。算，就目前的價格需要增加50008000元成本，能獲得約266w的太陽能發電功率。按汽車空氣動力學為減小空氣流的影響，該太陽能電池板最好能定做成與汽車頂部弧形類似的形狀，它既可兼作車

29、頂用，又能起到極好的隔熱效果，特別是在夏天烈日下行駛時，該隔熱板將使車內的空調能耗減少約40。純電動汽車輔加太陽能發電功能，除了補充能源外，對其蓄電池還有獨特的修復功能，由于其連續不斷地給電池補充電能，可以防止和清除電池極板硫化，恢復電池容量，有效地延長電池使用壽命。 并且利用太陽能發電對其蓄電池充電在汽車行駛或停車時都可進行，有效利用日照期間不僅可及時補充能源增加續駛里程，還將節約一定的能耗費。據了解，國內已有廠家在研發太陽能電動汽車，并也有相應的專利技術。 第一節第一節 純電動汽車構造與原理純電動汽車構造與原理2 風能電動汽車風能電動汽車 風能發電與太陽能一樣是一種清潔可再生能源，由于不需

30、要燃料、沒有污染、運行成本低，不存在資源枯竭問題，現在越來越受到世界各國的重視，目前主要存在效率低、造價高、有待技術上更多的改進等問題。 一般風力發電機的結構主要由葉片、機頭、尾翼、轉體等組成，其機頭實際是帶增速機構的發電機。工作原理是由葉片接受風力并帶動機頭轉為電能，尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能，轉體使整個葉片與機頭機構能靈活地隨尾翼的調整方向而轉動。 風能要在汽車上得到利用，其風力發電機的結構也需作相應改進，據了解國內已有好幾項風能電動汽車的技術專利，結構有滾筒式螺旋風力發電、螺旋槳式風葉輪發電、半球及半柱型風葉輪發電等幾種形式。 對于汽車在行駛過程中要想同時使用風能可能

31、還會有所爭議，因為在汽車上(一般在車頂部位)固定安裝了前述風力接收裝置，按汽車空氣動力學，除了增加車輛行駛的氣動阻力外，還會對其側傾力矩、俯仰力矩、橫擺力矩產生相應變化，影響汽車的行駛穩定性。 第二章 電動汽車構造與原理第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理一一 HEV的定義及優點的定義及優點1 1 混合動力電動汽車的定義混合動力電動汽車的定義 參考國際能源組織(IEA)的有關文獻，曾對混合動力車輛作出定義，能量與功率傳送路線具有如下特點的車輛稱為混合動力車輛： 1) 傳送到車輪推進車輛運動的能量，至少來自兩種不同的能量轉換裝置(例如內燃機、燃氣渦輪、斯特林發動機、

32、電機、液壓馬達、燃料電池)。 2) 這些轉換裝置至少要從兩種不同的能量儲存裝置(例如燃油箱、蓄電池、飛輪、超級電容、高壓儲氫罐等)吸取能量。 3) 從儲能裝置流向車輪的這些通道，至少有一條是可逆的(既可放出能量，也可吸收能量)，并至少還有一條是不可逆的。 4) 如果可逆的儲能裝置供應的是電能時，則稱為混合動力電動車。 按其定義，通過不同的組合方式，可以想象出各種各樣的混合動力電動汽車。但目前所推出的基本是“油一電”混合動力電動汽車，其不可逆儲能裝置是內燃機，可逆儲能裝置即為蓄電池。它使兩者優勢互補，避免了內燃機在怠速及制動工況下能量的損耗、排污增大和純蓄電池能量不富裕的缺陷。 第二節第二節 混

33、合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理2 混合動力驅動的節能潛力混合動力驅動的節能潛力 增加一套蓄電池+電機的可逆儲能系統，即可使發動機許多損耗的能量被回收或綜合利用，歸納如下幾點： 1) 通過與另一套可逆儲能系統配合的綜合利用，用兩種方法來大大減少或消除發動機的怠速工作狀態。其一是發動機在怠速空轉工況下的能量可被即時利用起來，即帶動電機發電把能量傳輸到蓄電池儲存起來。或者在某些工況下，如遇到紅燈等情況需怠速停車時，可通過控制系統把發動機關掉，消除發動機怠速運轉，而由另一套儲能裝置(蓄電池)為空調、車燈等提供輔助能源。 2) 車輛在減速制動時進行再生回饋。在城區街道行駛時，其制動消

34、耗的能量是高速公路的幾倍，并且該部分能量占已傳輸至車輪的動能46。 3) 汽車在下坡行駛時實現發電回饋。混合動力電動汽車即可利用該動能來發電，并同時起到牽制車輪飛速行駛的作用。 4) 由于同時使用了兩套能量轉換裝置，其發動機原有功率即可適當減小，有利于車載重量的減輕，不過由于增加了蓄電池和電機的重量，車載總的重量還是增加了。城市公交汽車采用混合動力電動汽車是較好的選擇。 第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理二二 HEV的分類及結構特點的分類及結構特點 1 HEV的分類 混合動力電動汽車按2008年頒布的混合動力電動汽車類型和定義征求意見稿有多種分類方法： 1）按動

35、力系統結構劃分主要有串聯、并聯、混聯三種形式； 2）按混合度劃分有微混合、輕度混合、中度混合、重度混合四種類型，它主要是依據電動機與內燃機的驅動功率搭配比例來定，規定前述四種的電動機峰值功率和發動機額定功率之比分別為5、515、1540、40； 3）按外接充電能力劃分，又有可外接充電和不可外接充電兩類，其中可外接充電型混合動力電動汽車(Plugin Hybrid：Electric Vehicle，PH：EV)由于可利用電網適時補充車載能量，減少對石油的依賴和良好的環保效應，被認為是混合動力的重要發展方向，它要求具有純電動行駛模式的重度混合型； 4）按行駛模式的選擇方式又可劃分為有手動選擇功能和

36、無手動選擇功能兩種，其中行駛模式是指熱機模式、純電動模式和混合動力模式三種選擇功能； 5）按車輛用途即被劃分為乘用車、客車、貨車三類。第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理2 串聯式混合動力電動汽車串聯式混合動力電動汽車 串聯式混合動力電動汽車(Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV)的主要特征是車輛的驅動力只來源于電動機。SHEV驅動系統的三大動力總成：發動機、發電機和驅動電動機是以串聯的方式組成，其發動機不直接參與SHEV的驅動，它與發電機組合成只作電能供應的系統。按其驅動原理又可被分為兩種形式。 1) 蓄電池單向驅動電動機形式蓄

37、電池單向驅動電動機形式 其特點是驅動電動機只由蓄電池供給電能，發動機帶動發電機所發的電只供蓄電池充電。所以這種動力系統的蓄電池為其主要動力源，通常要求蓄電池容量較大。而發動機一發電機組僅為輔助動力源，其功率要求可較小，車輛行駛期間不足以維持蓄電池的荷電狀態，行駛后停車時可采用外接充電型(PHEV)利用電網充電或繼續由發動機帶動發電機充電。此種結構形式的供電模式(或電流流向)只有兩種：即在正常動力驅動行駛時只由動力電池組供電；而在滑行、下坡和減速制動時通過電機發電回饋向蓄電池反向充電。第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理2) 發電機或蓄電池雙向驅動電動機形式發電機或

38、蓄電池雙向驅動電動機形式 其驅動電動機既可從蓄電池獲得電能，也可由發電機直接提供。相對來說，這種動力系統的蓄電池容量可較小。它主要起補充峰值功率的作用并在起步、低速等少數行駛工況下使用。而發動機一發電機組的功率就要求較大，它在大多數行駛工況中直接向驅動電動機提供電能，即省去了經蓄電池轉換過程中的部分能量損失，并且發動機一發電機組還要適時為蓄電池補充能源，使車輛行駛期間能維持蓄電池的荷電狀態。在正常動力驅動行駛時就可有三種模式： 單獨由動力電池組供電，這可用在低速或平坦道路行駛時； 由發動機、發電機組供電，這一般用于起動、較高速行駛時； 動力電池組與發動機、發電機組共同供電，在起動、爬坡、高速行

39、駛時用。第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理3)3)工作原理工作原理 它們在車輛行駛中各部分的工作原理基本類同，其發動機始終在熱效率高排放低的最佳工況下運轉，由發動機帶動發電機均衡地發電。電能在控制器的調節下被充入蓄電池，再由蓄電池或直接供給轉換器電能，轉換器即為電機調速驅動器，轉換成所配電動機要求的直流、交流或脈沖相應的電流，驅動電動機按一定速度要求運轉。電動機通過帶減速與差速機構的驅動橋來帶動車輪行駛。 低負荷運轉時，發動機發出的功率超過驅動車輛的需要，多余的電能就儲存在蓄電池內。 在高負荷運轉時，對于發電機或蓄電池雙向驅動電動機的結構形式除了發電機發出的電能

40、外，電池組也可同時提供電能，而對于蓄電池單向驅動電動機的結構形式只能從蓄電池獲得電能。但兩種形式的最高輸出功率都要受到驅動電動機功率的限制。其中蓄電池組作為發電機與驅動電動機間的儲能裝置，其功能主要起到功率平衡作用。它也可采用諸如超級電容、飛輪電池等其他儲能裝置，不過如此對上述兩種結構形式的發動機-發電機組的要求又有所改變。 SHEV驅動系統所組成的發動機-發電機組、動力電池組和驅動電動機等部件在汽車底盤上的布置有較大的自由度，控制系統也較簡單。由于只有唯一的電動機驅動模式，對電動機的功率要求較高，其動力特性更趨近于EV。第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理 串聯

41、混合驅動電動汽車的加速度和最大車速，也受蓄電池的峰值功率密度和為電動機提供動力的發動機發電機組的功率限制。因此，設計串聯混合驅動系統應考慮的關鍵問題是電動機的最大轉矩和功率特性，以及發動機-發電機組的最大功率和可利用的電力范圍，對蓄電池的選擇還需考慮其容量應滿足汽車加速時電動機輸出功率的要求或者滿足汽車續駛里程對能量的需要。串聯混合驅動的主要優點是發動機可以在固定工況點工作，因此可以使發動機在有害排放物最低與效率最高的工況點工作，固定工況點運轉也便于排氣后處理裝置始終保持高凈化率。串聯混合驅動的主要缺點是總效率較低，這是因為發動機產生的機械能通過發電機轉換成電能，電能又由電動機轉換成機械能，每

42、種轉換過程都會有能量損失；串聯混合驅動的另一缺點是當需要在高速公路上行駛時，最大車速需要能產生相應的最大功率Pmax的電動機，由于上述能量轉換中的損失，就需要選擇其功率比Pmax還大得多的發動機，從而使電動汽車的重量較大。因此，串聯式混合動力車主要適于在城區以低速行駛的車輛，如此即可選用功率較小的電動機及發動機等，使得裝置的體積及重量并不會很大。如在公交汽車上應用，其裝置的空間布局也有較大的余地。 第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理3并聯式混合動力電動汽車并聯式混合動力電動汽車 (Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV) 并聯

43、式混合動力電動汽車的主要特征是車輛的驅動力可由電動機及發動機同時或單獨供給。PHEV驅動系統的兩大動力總成：發動機和電動發電機是以并聯的方式組成，即在較低負荷時單獨使用發動機或電動機作為動力源，而需要大功率時可以同時使用電動機和發動機作為動力源驅動汽車行駛。 PHEV較適合于經常在郊區和高速公路上行駛的車輛。按其驅動原理可分為兩種形式。1） 電磁離合器動力組合式電磁離合器動力組合式2) 動力組合器動力組合式動力組合器動力組合式 兩者的區別主要在于混合驅動時所采用的動力組合方式不同，前者是控制在發動機輸出軸端的電磁離合器進行動力組合，后者是由帶行星齒輪機構的動力組合器來進行動力組合的。第二節第二

44、節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理3 3）工作原理工作原理 它們的工作原理除了動力分配與組合不同，其他控制運行過程基本類同。下面以電磁離合器動力組合式為例，來闡述汽車在各個工況時的工作過程。 首先在發動機起動時，通過控制離合器的切換，電動發電機即可作為發動機的起動器帶動發動機快速起動。起動后發動機帶動電動發電機轉動，即利用發動機的部分動能轉換為電能，儲存到動力蓄電池組中，同時離合器也結合變速器端，通過驅動橋帶動車輪進行低負荷行駛。電動發電機對發動機的動力輸出起到平衡作用。當車輛加速或爬坡時，離合器只結合變速器端，同時由蓄電池組提供電能，電動發電機以電動機運行方式向驅動橋提

45、供動能，即形成發動機和電動機并聯驅動模式。當蓄電池儲能較充裕，并又在低負荷工況時，也可關閉發動機，僅由蓄電池組驅動電動機提供行駛動能。而在車輛滑行、下坡和降速制動時即可通過電動發電機發電回饋向蓄電池回輸能量。3/18/202233第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理4）動力組合器內的行星齒輪機構組成與原理）動力組合器內的行星齒輪機構組成與原理 行星齒輪機構包括中心齒輪(也稱太陽輪)、內齒圈和含行星齒輪的轉架三個基本構件。在這三個構件中，任意固定一件，其余兩件都可作為運動和動力的輸人或輸出構件。而當三個基本構件均不固定時，其中任意兩個構件也都可作為運動和動力的輸入件

46、或輸出件，這種傳動通常稱為差動行星傳動。因此，行星齒輪傳動具有傳動方式靈活、傳動比大、效率高、體積小等優點，并且通過齒輪的各種組合形式，可引出多種運動或動力的傳輸方式，以及多種傳動比要求。 其中發動機與中心齒輪連接，電動發電機與行星齒輪架相連，內齒圈通過減速齒輪連接驅動橋。 3/18/202234第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理 根據前述汽車運行中各種運動方式對動力傳輸的要求：可以采用行星齒輪架為主動輸入件，中心齒輪為從動輸出件，即用電動發電機作為發動機的起動器帶動發動機快速起動； 也可以采用中心齒輪為主動輸入件，內齒圈為從動輸出件，即用發動機帶動驅動橋運行；

47、 也可以采用行星齒輪架為主動輸入件，內齒圈為從動輸出件，即用電動發電機帶動驅動橋運行； 當車輛加速或爬坡時，發動機和電動機即以并聯驅動模式，通過動力組合器同時向驅動橋提供動能；當需要實行發電回饋時，又可采用內齒圈為主動輸入件，而行星齒輪架為從動輸出件，即把車輪的動能通過電動發電機回饋給蓄電池。具體應用時需根據發動機高效運行速度范圍、電機調速范圍、汽車行駛速度要求來選擇各傳動件的傳動比。 3/18/202235第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理4 混聯式混合動力電動汽車混聯式混合動力電動汽車(Combined Hybrid Electric Vehicle，CHE

48、V) 混聯式混合動力電動汽車(CHEV)的主要特征是同時具有串聯式和并聯式兩種驅動方式。CHEV是在綜合了SHEV和PHEV的結構特點而組成的，既可以在串聯混合模式下工作，也可以在并聯混合模式下工作。它與串聯式相比，主要增加了機械動力傳遞路線，而與并聯式相比它增加了電力驅動傳輸路線。即同時兼顧了串聯式和并聯式的優點，結構上保證了在各種復雜工況下可靈活采取串聯方式或并聯方式，以實現熱效率最高、污染量排放最低的目標。通常汽車在低速輕負荷運行時，驅動系統主要以串聯模式工作；而當汽車處于高速穩定行駛時，則以并聯工作模式為主。按其驅動原理量常被分為兩種形式。 a) 動力組合器動力組合式 b) 驅動輪動力

49、組合式， 3/18/202236第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理1) 動力組合器動力組合式動力組合器動力組合式 2) 驅動輪動力組合式驅動輪動力組合式 兩者的區別主要在于混合驅動時所采用動力組合方式不同，前者是采用如前所述的動力組合器進行動力組合，后者是在驅動輪處進行動力組合的，即采用了四輪驅動方式。從圖中可看出它們的共同特點是比并聯式多增加了一臺驅動電動機，因此系統的動力總成由發動機、發電電動機和驅動電動機三大部分組成。 3/18/202237第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理 CHEV系統的動力總成由于有發動機、發電電動機和

50、驅動電動機三部分，設計時其每部分的功率要求分別只需車輛驅動總功率的50左右，它與SHEV同樣也需由該三部分組成的動力總成相比，其功率、重量和體積都要小得多，使得車載自身重量即可降低，而其性能又可更完善，經濟性也更好。CHEV由于可組合成多種多樣的獨立驅動模式和混合驅動模式以供選擇，可使CHEV的節能最佳，有害氣體排放達到“超低污染”要求。CHEV可采取以發動機為基本驅動模式，如此即可減少類似SHEV在熱能電能機械能的轉換過程中的能量損耗，并且在能量過剩時，可通過發動機把動能轉換成電能儲存于蓄電池中，即能量轉換的綜合效率高于內燃機汽車；也可采用以驅動電動機為基本驅動模式，即可由電動機獨立驅動車輛

51、行駛，在車輛起步時發揮電動機低速大轉矩的特征，并實現“零排放”行駛。而在高速滿負荷行駛時，同樣可采用發動機與電動機并聯混合模式驅動。CHEV的最大缺點是多能源動力系統結構復雜，增加了各部件總體布置的難度，并且控制系統的復雜性也帶來了設計、調試、故障診斷和維修等一系列難度。 3/18/202238第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理三三 HEVHEV的能量管理與控制策略的能量管理與控制策略1 HEV1 HEV的能量管理的能量管理 混合動力電動汽車的能量管理是指：車輛在行駛過程的不同工況下，控制各組成部件(發動機、發電機、蓄電池、電動機和傳動裝置等)之間的能量流大小及

52、其流向。其目的是為了所設計的車輛具有： 1) 最佳的燃油經濟性和排放指標，這主要通過對發動機工作點及工作區域的優化設計，以及在各種復雜的行駛工況下，盡可能減小發動機工作的轉速波動和關起次數來實現。 2) 根據行駛工況對能量的需要，合理分配來自發動機和蓄電池的能量流。 3) 確保蓄電池有合適的荷電狀態(State 0f Charge，SOC)以及蓄電池電壓在安全的范圍內，使蓄電池有良好的使用壽命。能量管理的手段即為控制策略，它是混合動力電動汽車的控制核心。控制中需根據駕駛員意圖和行駛工況，協調各部件間的能量流來進行合理的動力分配，優化車載能源，提高整車經濟性，降低排放量，并在不犧牲整車性能的情況

53、下，實現兩者之間的折中優化。3/18/202239第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理 2 串聯式相應控制策略串聯式相應控制策略 串聯式混合動力汽車控制策略按控制性質可分為被動型和主動型兩類。被動型能量控制是在保證蓄電池和發動機工作于最佳工作區域條件下被動地滿足車輛功率需求的一種控制模式，它以提高能量流動效率為主要目的。而主動型能量控制是在注重提高汽車系統內部能量流動效率的同時，再根據行車環境主動減小車輛功率需求。 1) 開關型控制。開關型控制。它屬于被動型能量控制，主要用于串聯式中蓄電池單向驅動電動機的形式。為使蓄電池組工作于充放電性能良好的工作區，預先設定了其

54、荷電狀態SOC的最大值SOCmax與最小值SOCmin。其控制邏輯為：當蓄電池SOCSOCmin時，發動機開機并恒定地工作于效率最高點，驅動發電機向蓄電池充電；當蓄電池SOCSOCmax時，即關閉發動機。其優點是發動機的燃燒充分、排放量低，并且控制極其簡單。其缺點是發動機的起動和關閉會貫穿于整個出行過程，而導致其效率趨低，且蓄電池充放電也較頻繁。 3/18/202240第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理 2) 功率跟隨型控制。功率跟隨型控制。它也屬于被動型能量控制，主要用于串聯式中發電機或蓄電池雙向驅動電動機的形式。該控制策略要求由發動機全程跟蹤車輛功率需求，盡

55、可能由發電機的電能直接驅動電動機行駛，而蓄電池只起負荷調節作用，即只有在蓄電池SOCSOCmax時，并且僅由蓄電池提供的功率能滿足車輛需求的雙重條件下，發動機才停機或減速運行。這種策略的優點是蓄電池容量被減小到最小，并且蓄電池充放電次數的減少也使系統內部損失相應減少。其缺點是發動機必須在較大的負荷區域內運行，效率和排放也就不如開關型控制策略。 3) 3) 動態規劃法能量優化控制。動態規劃法能量優化控制。它屬于主動型能量控制，以汽車在給定的駕駛循環工況下最小油耗為優化目標，根據串聯式混合動力的能量流動特點建立適當的數學模型，按照時間順序把整個循環工況下的功率與效率以一定的時間間隔(如1s)分成若

56、干個時間片段，然后從最后一段狀態開始逆向遞推到初始段狀態為止，最后求出整個循環工況下發動機最優輸出功率序列。該方法只能用于特定的駕駛循環，即必須預先精確知道車輛的需求功率，因而不能用于在線控制，常用于離線優化，以幫助總結和提煉出能用于在線控制的能量管理策略。 3/18/202241第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理 4) 路線適應性控制。路線適應性控制。它也屬于主動型能量控制，主要用于有固定行駛路線和停靠站點的城市公交汽車上。即基于汽車加減速頻繁，路線固定，起動、停車時間已知的特點，在能量管理基本控制策略(開關型或功率跟隨型策略)的基礎上增加了兩個控制子策略：最

57、佳加速控制子策略和最佳減速制動控制子策略。最佳加速控制子策略是根據行車路線數據(整個路線預定的速度曲線和站點位置，結合實際車速等)幫助駕駛員發出當前工況下的最佳加速踏板請求信號。而最佳減速制動控制子策略僅根據車輛的停車信息來確定停車前的速度。以提高再生制動能量回收量。 5) 負荷預測型控制。負荷預測型控制。該控制策略是在基本控制策略(開關型或功率跟隨型策略)的基礎上添加一個車輛負荷預測器。預測器根據車輛運行工況預測車輛所需的驅動功率和蓄電池當前的SOC值，從而決定采用哪一種工作模式。該策略最大特征是提供了一種根據在線所預測的驅動功率參與系統能量管理，達到油耗最低、排放最低的目的，具有較好的可操

58、作性。但由于所預測的驅動功率是由已耗功率推測得到的，與車輛功率的即時需求值會有一定的偏差。 3/18/202242第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理3 并聯式相應控制策略并聯式相應控制策略 早先的控制策略是基于速度的控制，由于沒能充分發揮混合動力的優勢，現已基本不用。目前提出的控制策略基本上是基于轉矩或功率的控制，主要有下述四類： 1) 1) 基于規則的邏輯門限控制。基于規則的邏輯門限控制。該控制策略是基于工程師的經驗及其靜態能耗圖來制定的，因此其基本思想是根據發動機的靜態效率曲線圖，通過控制選定的幾個變量，如車輛需求功率、加速信號、電池SOC值等，并根據預先設

59、定的規則，判斷并選擇混合動力系統的工作模式，使車輛運行于高效區域，提高汽車的燃油經濟性。基于規則的邏輯門限控制策略的算法簡單、易于實現、具有較好的魯棒性。但由于沒考慮工況的動態變化，其動態的控制策略不是最佳的，而且一般只考慮燃油經濟性而不考慮其排放。3/18/202243第二節第二節 混合動力電動汽車構造與原理混合動力電動汽車構造與原理 2) 瞬時優化控制。瞬時優化控制。它是為了克服上述對動態控制策略的缺陷，新提出的一種也屬于實時控制的策略。它主要有等效燃油消耗最少控制和功率損失最小控制兩種。所謂等效燃油消耗最小控制是指在某一瞬時工況，將電動機消耗的電量折算成發動機提供相等能量所耗油量和其排放

60、量，再結合制動回收能量等，組成總的整車燃油消耗與排放模型，計算此模型的最小值，并選擇在此工況下最小值所對應的點來作為當前發動機的工作點。它綜合考慮了燃油消耗和排放，通過一組權值來描述各自的重要性，用戶可以根據自己的要求來設定其權值，從而在燃油消耗和排放之間獲得折中。如在排放法規較嚴格的地區，可適當提高排放的權值比重，放棄一點燃油經濟性；而排放法規較寬松的地區需注重燃油消耗時，則可適當提高燃油消耗的權值比重。此控制策略的缺點是需要大量的浮點運算，計算工作量大，并在計算過程中，由于需對未來行駛工況中的制動回收能量進行預估，還要為此建立一個較精確的預測模型，來對典型工況進行統計分析以及實時行車工況的