2.1　纯电动汽车构型方案与特点

相比于其他类型的新能源汽车，纯电动汽车完全依靠存储在动力电池中的电能驱动行驶，不会产生传统汽车排放的CO、HC以及NOx等污染物，是公认的未来理想的交通工具。纯电动汽车的基本结构包括三个子系统，即电力驱动子系统、能源子系统和辅助子系统，如图2-1所示。

电力驱动子系统的功能是通过控制器电路与制动踏板和加速踏板相连，将制动踏板和加速踏板信号输入到控制器，以获得驾驶员的驾驶意图；通过控制电动机驱动车辆并且进行制动能量回收。

能源子系统的功能是对驱动系统及辅助子系统供能，保证汽车上各元件有稳定的能量来源；当动力电池能量不足时，能够对动力电池进行充电，以及时补充车辆的能量。

同传统汽车一样，电动汽车也配备有助力转向、空调、音响等系统，不同的是这些系统完全利用存储在动力电池中的电能，辅助子系统的作用就是完成助力转向、车内空调温度调节及夜间照明等功能。

不同子系统又可分为不同的部分，就驱动子系统而言，又可分为电气和机械两大系统。其中电气系统包括电动机、功率变换器和电子控制器等子系统；机械系统的组成主要包括变速装置和车轮等。电力驱动子系统的电气与机械系统有着多种组合方式，其基本布置方式通常可分为机械驱动布置方式、电动机-驱动桥组合式、电动机-驱动桥整体式和轮毂电机分散式四种。

纯电动汽车的结构形式，对能量的传动效率和整车布置的合理性会产生直接影响。为使纯电动汽车具有良好的运行特性，其布置形式需满足以下几点要求。

①驱动电机应具有合适的转矩和转速的变化范围，以满足纯电动汽车在各种循环工况行驶时的牵引力需要；此外，传动系统各部件的安装要紧凑、协调，以减少传动系统占用的空间，并降低车辆行驶时传动系统的振动和噪声。

②能够满足某些特殊工况下的行驶需求，例如能实现倒退行驶，两侧驱动轮可以实现差速行驶以满足汽车转弯要求，以及必要时能够中断动力传递等。

③系统的传递效率要尽可能高，通过传动装置传递给驱动车轮的能量损失少，从而尽可能提高纯电动续驶里程。

④具有足够的可靠性，当汽车遭遇到外界干扰或发生故障时，车辆应能保证行驶安全。

⑤具有一定的舒适性，汽车在保证以上各种要求的同时应能达到良好的乘坐舒适性。

本节将对当前纯电动汽车常用的布置方式结构特点及应用情况予以介绍。

2.1.1　机械驱动布置方式

机械驱动布置方式是指在纯电动汽车中，电机通过机械方式驱动汽车行驶。这一布置方式是在保持传统汽车传动系统基本结构不变的基础上，用电机替换传统汽车的内燃机，其驱动系统的整体结构与传统燃油汽车的区别很小。图2-2所示为这种布置方式的基本原理。电动机输出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。机械驱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，驾驶员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。这种构型纯电动汽车的变速器可相应简化，挡位数一般有两个就够了，不需要像传统汽车上变速器一样设置多个挡位，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。这种构型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，这也就降低了电机效率高的优点，但有利于研发人员集中精力进行电机及其控制系统的开发，所以早期的纯电动汽车开发常采用这种布置方式。

这一构型的纯电动汽车同传统汽车结构之间最大的差异就是汽车的动力源不同。传统汽车由内燃机消耗燃油产生动力驱动汽车，汽车行驶所需的全部能量及附件消耗的能量都来自内燃机内部所消耗燃料的化学能；而这一构型的纯电动汽车所消耗的能量是存储在动力电池内的电能。在设计机械驱动布置构型的纯电动汽车时，主要的工作就是电机的选择和控制系统的研发。传统汽车研发中，一般以汽车的预期最高车速、最大爬坡度以及汽车的比功率来确定动力源的最大功率，这一方法在此仍然适用。在设计中需要注意的就是电机特性和发动机特性的不同，所以，在此有必要对两者进行对比分析。

理想车辆动力装置的运行特性，应满足在全车速范围内为恒功率输出，转矩随车速为双曲线形变化；另外，为了满足汽车加速、爬坡等场合的动力要求，要求低速时提供大的牵引力，如图2-3所示。图2-4为某一发动机的实际运行特性。可以看出，随着转速n的增加，发动机的输出转矩Ttq会先增加后减少，发动机输出转矩在中间转速附近达到最大，此时的燃油消耗率be也比较小；在某一高转速下，发动机的输出功率会达到最大值，当转速进一步增加，由于转矩的迅速减少导致了输出功率也减少。与理想车辆动力装置特性曲线相比，发动机的运行特性曲线相对平滑。因此，为了改善其特性，传统汽车中需要通过变速器变换挡位使车辆的牵引特性接近理想的运行特性。对驱动电机而言，转速从零到基速过程中，输出转矩为常值，当转速超过基速后，输出功率为常值，由图2-5可以看出，电机的运行特性和车辆理想驱动装置的运行特性比较接近，所以可以采用单挡或者两挡传动装置，甚至可以不用变速器。

图2-3～图2-5中，n、Ttq、Pe分别表示转速、输出转矩和输出功率，vb为与电机基速对应的车速；va为电动汽车起步加速达到的某一车速。

2.1.2　电动机-驱动桥组合式

在机械驱动布置方式的结构基础之上进一步简化，可以得到电动机-驱动桥组合式构型，如图2-6所示。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，同时还使整车机械系统的质量和体积得到缩小，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，从而提高电动机利用效率。这种驱动系统布置形式即在驱动电机端盖的输出轴处加装主减速器和差速器等，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。

纯电动汽车的驱动元件——电动机具有比较宽的调速范围。此外，由前面内容可知，电动机的输出特性曲线与车辆行驶时所要求的理想驱动特性曲线比较接近，电动机-驱动桥组合驱动布置方式能够充分利用驱动电机的这一优点。这一构型的传动系统采用固定速比的减速器、差速器和半轴等较少的机械传动零部件来传递电机的驱动转矩，使动力传动系统得到简化，因此能够有效地扩大汽车动力电池的布置空间和汽车的乘坐空间。除此之外，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。按照传统汽车的驱动模式，可以有驱动电机前置前驱（FF）或驱动电机后置后驱（RR）两种方式。

2.1.3　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，同时可以节省很多的空间，其结构原理如图2-7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2-8和图2-9所示。

如图2-8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，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。

图2-9所示为双联式驱动系统的基本结构（也称双电机驱动系统）。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换向，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得到更好的灵活性，而且可以方便地引入ASR（Acceleration Slip Regulation）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，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，才有可能把电动汽车的优势充分地体现出来。

同样，电动机-驱动桥整体式驱动系统在汽车上的布局也有电动机前置前驱（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。

2.1.4　轮毂电机分散式

在电动机-驱动桥整体式基础上更进一步地简化机械驱动系统、减少机械传动零件，便可得到轮毂电机分散式构型。这一驱动方式就是把驱动电机安装在电动汽车的车轮轮毂中，电动机输出转矩直接带动驱动轮旋转，从而实现汽车的驱动。图2-10所示为这种布置方式的结构原理。通过和前面的几种构型对比可以看出，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，轮毂电机分散式纯电动汽车，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、行李箱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。采用轮毂电机分散式的动力系统必须要解决的问题就是如何保证车辆行驶的方向稳定性，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，要求该驱动电机体积较小。关于轮毂电机的结构，将在第7章进行详细介绍，在此不再赘述。

轮毂电机分散式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电动车，该车的两个前轮就装有轮毂电机。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，而电动汽车则在很大程度上放缓了发展的脚步，轮毂电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，对轮毂电机分散式纯电动汽车进行了大量的研究。香港中文大学开发了四轮驱动/四轮转向的多方向运动车，通过控制四个车轮的驱动和转向实现了原地转向和横向移动，重点研究了利用电机效率图优化四轮驱动力矩分配的控制策略以达到节能的目的，并取得了良好的效果。

吉林大学对四轮独立驱动电动汽车进行了大量的研究，也取得了一定的成果。吉林大学仿真与控制国家重点实验室开发了全线控四轮轮毂电机独立转向/独立驱动电动汽车，研究了线控四轮独立驱动电动汽车集成控制方法。上海交通大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学等高校在轮毂电机和电驱动轮开发与产品化方面也进行了大量研究工作。目前，日产的FEV、福特的Ecostar都采用了轮毂电机分散布置方式，通用公司也称将在它的电动汽车和混合动力汽车上采用这样的布置方式。轮毂电机分散式是未来纯电动汽车驱动系统布置方式的发展趋势。

2.1.5　小结

纯电动汽车是公认的未来理想的交通工具，其显著优势就是能够实现真正意义上的零排放、零污染。与传统汽车消耗不可再生能源相比，纯电动汽车的能源来源广泛，其所使用的电能不仅可以来自于煤炭等不可再生能源，还可来自于风能、太阳能、水能以及核能，所以不存在纯电动汽车电能供给危机问题。但是，由于目前电池技术限制和充放电问题，纯电动汽车在性能上还不能和传统汽车相抗衡。一旦这些技术瓶颈得到有效解决，纯电动汽车势必会快速替代传统汽车而成为最为普遍的交通工具。本节介绍了纯电动汽车的几种构型方案，以期读者对纯电动汽车有一个清楚的认识，具体包括机械驱动布置方式、电动机-驱动桥组合式、电动机-驱动桥整体式和轮毂电机分散式。