我国电动车现状及发展趋势 第三章 电动车的组成结构
今天，电力在人们的生活中已得到广泛应用，因此，用电力驱动车辆被认为是最自然不过的事情了。但是，在很多人的眼里，电动车既神秘又有很强的吸引力。实际上，电动车是机械、电力、磁力和化学定律巧妙结合的产物，现代电动车更是集机、电、化、光各学科领域中最新技术于一体，是汽车、电力拖动、电子、智能控制、电化学、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新科技成果的集成产物。从广义来看，电动车还不仅仅是一部机动车辆，而且是涉及交通、能源、汽车工业、电力部门、环境保护、政治、经济等诸多方面的一个全新的领域。
高性能的电动车通常是根据现代电动车系统理论专门设计制造的。为了提高电动车的性能，必须对电动车的结构和参数进行系统的分析研究。
3.1 电动车基本结构
如图3-1所示，电动车的基本结构系统可分为3个子系统，即电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统又由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成(如图3-2)；主能源子系统由主电源和能量管理系统构成，能量管理系统是实现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件；而辅助控制子系统主要是为电动车提供控制电源，具有辅助电源的控制、动力转向、充电控制、空气调节等功能[15]。
图3-1 电动车的基本结构
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图3-2 电动车电力驱动子系统
与燃油汽车相比，电动车的特点是结构灵活。燃油汽车的能量是通过刚性联轴器和转轴传递的，而电动车的能量则基本上是通过柔性的电线传输的，因此，电动车各部件的放置具有很大的灵活性。与传统燃油汽车的发动机不同，电动车的电动机具有很大的灵活性。不同类型的电动机，像直流电动机、交流电动机、轮式电动机等等都可以作为电动车的驱动电机，并直接导致电动车不同的行驶性能。不同类型的储能装置，例如不同的蓄电池、燃料电池、超大电容器和高速飞轮等也都会影响电动车的重量、体积、尺寸，进而影响电动车的性能。这些不同的选择，赋予了电动车的设计者很大的灵活性。
变速传动系统是电动车驱动子系统的一个重要部件，它指的是驱动电机转轴和车轮之间的机械连接部分。对于传统汽车来说，变速箱是必要的部件，设计时主要考虑的是采用什么类型的变速器。但对于电动车则不同，由于驱动电动机的转矩和转速完全可以用电子控制器进行全范围的控制，因此变速系统的设计就可以有多种不同的选择。既可用传统的齿轮变速箱变速，也可用先进的自动变速传动桥变速，还可以用电子驱动器控制电动机直接变速。究竟采用哪种方案，主要依据电动车的能量和经济性，也涉及到电机和控制器的设计。采用齿轮变速箱的主要优缺点有：
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我国电动车现状及发展趋势 (1) 带有多级变速齿轮箱的传动系统可以显著地减小驱动电机和控制器的额定容量、体积和重量；
(2) 使用齿轮箱，驱动系统能够在电动车的转速/转矩要求范围内达到高效和优化地运行；
(3) 能够在较宽的范围内达到制动能量的再生回馈； (4) 手动变速具有技术成熟、能量效率高的优点； (5) 齿轮箱的使用可能会增加电动车的重量和体积；
(6) 由于齿轮箱的效率问题，例如传统的自动变速箱的效率通常只有75％~85%使用齿轮箱变速会降低驱动系统的总效率[16]。
传统的带有脚踏离合器的手动变速方式因为结构简单，技术成熟，效率较高，而被早期的改装电动车大量采用，但是这种变速器的缺点是体积和重量都较大。传统的自动变速器因为附加损耗很大，重量大，最大转速受限制等缺点而很少直接使用在电动车中。
为了提高电动车的传动效率，人们开发了电动车专用的电机和变速传动一体化的两速或三速自动传动桥。这种传动桥将变速齿轮组与高速异步电动机完全结合为一体，并且直接安装在电动车驱动轮的驱动轴上，构成重量轻、体积小、效率高、结构紧凑和成本低廉的传动系统。
与传统的自动变速箱相比，电动车的自动变速传动桥同样包括有盘形和带形离合器、行星齿轮、差速器、执行离合动作的液压系统、润滑油以及冷却剂等等。
自动变速传动桥可以用微处理器实现转轴的全电子控制。一个由停车、倒车、空档、行驶以及一档构成的五档选择器为驾驶员提供了各种驾驶情况下的不同选择。控制器将根据驾驶员所挂的档位自动地决定变速齿轮在哪一级变速档上，并将适当的信号送到液压控制系统以执行变速控制。由于交流异步电机的转动惯量低并有理想的转矩特性，使得控制变速桥进行平滑的自动变速变得更加容易。
采用不同的动力驱动方式和不同的能源系统可以构成不同结构形式的电动车。 (1) 带有多级变速齿轮箱的电动车
早期的许多电动车是由燃油汽车改装而成的。这种电动车只是将汽车的引擎和油箱替换成电动机和蓄电池，而保留燃油汽车的离合器、变速齿轮箱和差速器等机械部件。对于燃油汽车而言，变速齿轮箱是必不可少的部件，因为汽车的转矩特性完全依
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我国电动车现状及发展趋势 赖于多级变速齿轮的调节。对于一般的轿车，通常采用4级或5级变速。在变速时，通过离合器连接或切断发动机到车轮的功率流。对于改装电动车，由于离合器、变速箱这类机械部件本身业已存在，采用多级变速驱动是最简单的方法。通常这类改装电动车的性能直接取决于蓄电池，由于目前蓄电池的能量密度远低于汽油，因此改装电动车难以获得很高的性能。 (2)采用固定减速比的电动车
采用固定减速比的转矩转速驱动特性。随着电动机控制性能的改善，电动机驱动具有相当大的控制灵活性和理想的转矩转速特性，完全可以满足机动车的驱动性能要求。因而，用一个固定速比的减速箱取代汽车中的离合器和变速箱已成为可能，从而可以大大减轻电动车的自重，提高能量传输效率并降低电动车的成本。现代电动车大都采用这种结构。
(3)采用电动轮驱动的电动车
如果将驱动电动机直接安装在车轮中，可以使电动车的结构变得更加紧凑，进而进一步缩小电动车的体积减轻其重量，提高传输效率并降低成本。左图显示一种采用永磁电动机的电动轮驱动的电动车结构。这种结构采用低速外转子电机，彻底取代了笨重的减速齿轮箱，使得电动车的车速控制完全取决于电动机的转速控制。这种结构的优点是取消了传动齿轮箱，其代价是低速电机的体积、重量和成本通常比较高。采用电动轮驱动的电动车通常采用两轮或四轮驱动。 (4)单电机或多电机驱动
汽车在转弯时，由于内外侧车轮的转弯半径不同，必须调整两侧车轮的速度，实行差速，以使得汽车可以平稳行驶。对于传统的燃油汽车，无论是前轮驱动或是后轮驱动，机械式差速器是必备的部件。而对于电动车，如果采用双电机或者四电机驱动，由于每个电机的转速可以有效地独立调节控制，实现电子差速。在这种情况下，电动车可以不用机械差速器。
电子差速器的优点是体积小、重量轻又可以实行精确的电子控制，提高电动车的性能。然而目前普及电子差速器的障碍在于它的可靠性以及进一步降低成本。如果电动车采用的是单电机驱动，则必须装有机械差速器。就目前的技术发展来看，带机械差速器的单电机驱动系统仍占主导地位，是电动车驱动的主流形式。而采用电子差速的多电机系统也在进一步的发展之中，两者孰优孰劣，目前还没有定论。
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我国电动车现状及发展趋势 (5)能源系统对电动车结构的影响
除了电力驱动系统对电动车结构的影响之外，不同的能源系统，如各种蓄电池、燃料电池、高速飞轮及超大电容器等不同的储能手段，都能构成不同的电动车结构，对电动车的性能产生很大的影响[17]。
3.2 电动车参数
一般来说，电动车和燃油汽车同样都是机动车，就外部性能而言，描述它们的数学和物理手段并无大异。因此，大多数的电动车参数都可以从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴，但是由于电动车的特殊性，她的蓄电重量、效率、再生能量的利用效率等性能参数却是传统的燃油汽车所没有的。
3.2.1 重量和体积参数
电动车的重量是重要的性能参数，因为它们直接影响到电动车的行驶里程和行驶性能。电动车的重量定义如下： (1) 自重——不包括载重的电动车重量； (2) 毛重——包括载重的电动车重量； (3) 载重——乘客和货物的总重量； (4) 惯性重量——自重加标准的载重量；
(5) 最大重量——电动车在得以安全行驶条件下的最大毛重； (6) 驱动系统重量——电动车整个驱动系统的重量； (7) 蓄电池重量——电动车车载蓄电池的重量。
电动车的体积参数与传统汽车类似，主要是： (1) 车体尺寸——车体的长、宽、高；
(2) 前部面积——车体的前部等效面积，将直接影响电动车的空气阻力系数； (3) 座位容积——车内允许的乘客数量；
(4) 货物容积——车内允许的货物容积。
3.2.2 力参数
机动车行驶要克服的阻力称为道路负载，道路负载Fl主要由空气阻力Fd轮胎滚动阻力Fr和爬坡阻力Fc等三个分量构成，如图2.7所示。它的数学表达式为：
Fl= Fd + Fr + Fc
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