[科普]电动汽车结构与性能简述

[科普]电动汽车结构与性能简述
电动汽车(EV)采用电动机为牵引装置，并应用化学蓄电池组、燃料电池组、超级电容器组和/或飞轮组为其相应的能源。

电动汽车具有胜过传统内燃机车辆(ICEV)的许多优点，例如零排放、高效率、与石油无关以及安静、平稳地运行。

电动汽车和内燃机车辆的运行与基本原理如同第2章中的描述，两者是类似的。

然而，两者之间有一些差异，例如，汽油箱对应于蓄电池组、内燃机对应于电动机的应用以及互异的传动装置的要求。

本章将聚焦于动力系设计的方法，并研究包含牵引电动机和能量存储等关键组件。

4.1电动汽车的结构
以前，从现有的内燃机车辆变换为电动汽车，主要是应用电动机驱动装置和蓄电池组件替代内燃机和燃油箱，而保留所有其他组件，如图4-1所示。

但诸如其重型的重量、较低的灵活性以及车辆性能下降等缺陷已导致这类型式电动汽车的逐渐消失。

基于新颖的本体及其结构设计，现代电动汽车已确立其应有的地位。

它满足只有电动汽车才有的结构要求，并利用了电驱动的名副其实的灵活性。

现代电驱动系概念性地示于图4-2中。

该电驱动系由三个主要的子系统组成:电动机驱动、能源和辅助子系统。

电动机驱动子系统由车
辆控制器、电力电子变换器、电动机、机械传动装置和驱动轮组成；能源子系统包含能源、能量管理单元和能量的燃料供给单元；辅助子系统由功率控制单元、车内气候制单元和辅助电源组成。

基于来自加速和制动踏板的控制输入，车辆控制器向电力电子变换器给出正确的控制信号，变换器行使控制电动机与能源之间的功率流的功能。

起因于EV再生制动所导致的反向功率流，以及该再生能量可储存于能源之中，构成了有接收能量能力的能源。

大多数的EV蓄电池组、超级电容器组以及飞轮组都可容易地具有接收再生能量的能力。

能量管理单元与车辆控制器相配合，控制再生制动及其能量的回收，它也与能量的燃料供给单元一起控制燃料供给单元，并监控能源的使用性能。

辅助电源为所有的EV辅助设备，尤其是车内气候控制和功率控制单元，提供不同电压等级的所需功率。

由于在电驱动特性和能源方面的多样性，可有各种可能的EV结构形式，如图4-3所示
1)图4-3a表明了第一种可供选择的结构，其中电驱动装置替代了传统车辆驱动系的内燃机，它由电动机、离合器、变速器和差速器组成。

离合器和变箱可由自动传动装置予以替代，离合器用以将电动机的动力连接到驱动轮，或从驱动轮处脱开。

变速箱提供一组传动比，以变更转速一功率(转矩)曲线匹配载荷的需求(参见第2章)。

差速器是一种机械器件(通常是一组行星齿轮当车辆沿着弯曲的路径行驶时，它使两侧车轮以不同的转速驱动。

2)如图4-3b所示，借助于电动机在大范围转速变化中所具有的恒功率特性 (参见第2章)，可用固定档的齿轮传动装置替代多速变速箱，并缩减了对离合器的需要。

这一结构不仅减小了机械传动装置的尺寸和重量，而且由于不需要换档，故可简化驱动系的控制。

3)如图4-3c所示，类似于图4-3b中的驱动系，电动机、固定档的齿轮传动装置和差速器可进一步集成为单个组合件，而其两侧的轴连接两边的驱动轮。

整个驱动系由此得以进一步的简化和小型化。

4)在图4-3d中，机械差速器被两个牵引电动机所替代。

该两电动机分别驱动相应侧的车轮，并当车辆沿弯曲路径行驶时，两者以不同的转速运转。

5)如图43e所示，为进一步简化驱动系，牵引电动机可安置在车轮内。

这种配置是通常所说的轮式驱动。

一个薄型行星齿轮组可用以降低电动机转速，并增大电动机转矩。

该薄型行星齿轮组具有高减速比以及输入和输出轴纵向配置的优点。

6)如图4-3f所示，通过完全舍弃电动机和驱动轮之间任何的机械传动装置，应用于轮式驱动的低速外转子型电动机可直接连接至驱动轮。

此时，电动机的转速控制等价于轮速控制，即车速控制。

然而，这一配置要求电动机在车辆起动和加速运行时具有高转矩性能。

4.2电动汽车的性能
车辆的行驶性能通常由其加速时间、最高车速和爬坡能力予以评价。

在EV驱动系设计中，固有的电动机额定功率和传动装置参数是为满足性能技术要求首要考虑的问题。

所有这些参数设计基本上取决于牵引电动机的转速一功率(转矩)特性，已如第2章所述，并将在本章详述。

4.2.1牵引电动机的特性
变速电动机通常具有如图4-4所示的特性，在其低速区域(低于图4-4所标记的基速)，电动机具有恒转矩特性；在其高速区域(高于基速)，
电动机具有恒功率特性。

这一特性一般采用转速比x予以描述，该转速比x定义为其最高转速与其基速之比值。

在低速运行情况下，随着转速增高由电子变换器向电动机供电的电压升高，而磁通保持不变；在基速运行点处，电动机端电压到达电源电压；超过基速后，电动机端电压保持不变，而磁通衰减（随着转速增加呈双曲线下降），因此其转矩也随着转速增加呈双曲线形下降。

图4-5表明了一台具有不同转速比x(x=2、4和6)的60kW电动机的转速——转矩特性曲线。

显然，具有大范围恒功率区域的电动机，其最大转矩能显著提高，因此车辆的加速和爬坡性能得以改善，而传动装置也可简化。

但是，每种型式的电动机都有其固有的最高转速比的限值，例如，由于有永磁体，磁场难以衰减，因此永磁电动机具有小转速比x(<2)；开关磁阻电动机的转速比可达到x>6；异步电动机约为x=4。

4.2.2牵引力和传动装置要求
由牵引电动机在驱动轮上产生的牵引力和车速(m/s)可表达为
式中，Tm和Nm分别是电动机的输出转矩(Nm)和转速(r/min)；ig是传动装置的传动比；i0是传动链末端的传动比；nt是从电动机到驱动轮的全驱动线的效率；rd是驱动轮的半径。

多档或单档传动装置的应用主要取决于电动机的转速一转矩特性。

换句话说，在给定的电动机额定功率下，若其有大范围恒功率区，则单档传动装置将足以在低转速情况下产生高牵引力；否则，必须采用多档(多于两档)传动装置。

图4-6表明一辆配置有x=2的牵引电动机和三档传动装置的电动汽车(EV)，其牵引力随车速变化的特性。

其第
一档覆盖了a-b-c的的车速区间；第二档覆盖了d-e-f的车速区间；第三档覆盖了g-f-h的车速区间。

图4-7表明了配置有x=4的牵引电动机和两档传动装置的Ev牵引力的特性。

其第一档覆盖了a-b-c的车速区间；弟二档对应于d-e-f的车速区间。

图4-8表明了配置有x=6的牵引电动机和单档传动装置的EV牵引力的特性。

这三种设计具有同样的牵引力随车速变化的特性，因而对应的车辆将有同样的加速和爬坡性能。

4.2.3车辆性能
基本的车辆性能包含最高的巡航车速、爬坡能力和加速性能。

通过牵引力曲线与阻力曲线(滚动阻力加上空气阻力)的交点，如图4-6~图4-8所示，即可求得最高车速。

应该注意，在通常采用较大功率的牵引电动机或大传动比的某些设计中，并不存在这样的交点。

若如此，则最高车速(m/s)可由牵引电动机的最高转速求得，即
式中，Nn max是牵引电动机所提供的最高转速； Ig min是传动装置的最小传动比 (最高档)。

爬坡能力可由车辆的净牵引力求得，即Ft-net(Ft-net:=Ft-Fr-Fw)，如图4-6~图4-8所示。

在中速和高速情况下，爬坡能力小于低速时的爬坡能力。

对于给定车速的车辆可越过的最大坡度，其计算式如下
式中，Ft是驱动车轮上的牵引力；Fr是轮胎的滚动阻力；Fw是空
气阻力。

但是，在低速时，爬坡能力要大得多，基于式(4-4)的计算将产生显著误差，而应以下式替代之
式中，d=(Ft-Fw)//Mg，称为车辆的运行系数(参见第2章)；fr是滚动阻力系数。

车辆加速性能由车辆从低速V1(通常为零车速)加速到一较高车速(对轿言为10km/h)时所需的时间来评价。

对于轿车，加速性能比最高巡航车速和爬坡能力更为重要，因为是加速的需求，而不是最高巡航车速或爬坡能力决定了电动机驱动的额定功率。

参照式(2-58)和图2-28、图2-29，EV的加速时间可表达为
式中，Vb和Vf分别是图4-6~图4-8所示的基速和最终加速的车速；Pt是驱动轮上由对应于基速的牵引电动机所传递的牵引功率。

式(4-6)右边第一项与低于车辆基速的车速区间相对应；第二项则与超过车辆基速的车速区间相对应。

由式(4-6)得出其解析解是困难的，作为牵引功率的函数，忽略不计滚动阻力和空气阻力，可初始计算加速时间为
式中，转动惯量系数δ是常数。

牵引功率Pt可表达为
应注意，由式(4-8)所得的功率额定值仅为消耗于加速的功率。

为精确地求得额定牵引功率，应计及克服滚动阻力和空气阻力所消耗的功率。

在加速期间平均的牵引功率可表示为
参见图28和图229，车速v可通过时间t表示为
将式(4-10)代入式(49)，并积分可得
这样，在 t a 内，，将车车辆由零车速加速到车速Vf时所需的总牵引功率可最终得出为
式(4-12)表明，对应于给定的加速性能，低基速将导致校小的电动机额定功率的需求。

然而，额定功率下降率并不等同于基速的下降。

将式（4-12）对车速Vb微分，可得
图4-9表明了额定牵引功率和相对于车速减小的额定功率下降率(dPt/dVb)作为转速比x函数的一个实例。

在这一实例中，加速时间为10s；车辆的质量为1200kg；滚动阻力系数为0。

01；空气阻力系数为0。

3；且车辆迎风正面的面积为2m2。

由图显而易见，低x值(高Vb)在基速Vb方面减小，将导致所需额定功率的显著下降；但在高x 值(低V)情况下，例如x>5，该作用并非如此显著。

图4-10通过应用式 (4-6)和数值计算方法，给出了加速时间和距离对车速的关系。

本文节选自：《现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车——基本原理、理论和设计》（原书第2版），作者：（美）
Mehrdad Ehsani 等著，出版社：机械工业出版社。

2)；开关磁阻电动机的转速比可达到x>。