纯电动汽车---驱动形式及应用

2024年1月9日发(作者：丰田皇冠suv价格)

纯电动汽车---驱动形式及应用

1.1概述

纯电动汽车迄今还没有一个公认的统一定义，一般的理解是由车载能源(动力电池或超级电容)作为动力源，或者由车载能源和电网共同作为能量来源，驱动电机运转，推动汽车行驶的一种新能源汽车。

纯电动汽车具有以下的特点：

(1)无污染，噪声低

纯电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有“零污染”的美称。纯电动汽车电机的噪声也较内燃机小。

(2)能源利用效率高，使用成本低

研究表明，电动汽车的能源效率已超过内燃机汽车，特别是在城市运行时，汽车频繁起停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。

电动汽车停车时不消耗电量，在制动过程中，电机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用，使用成本低。

(3)简单可靠、使用维修方便

纯电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转，传动部件少，运行可靠，维修保养工作量少。

(4)平抑电网的峰谷差

纯电动汽车可在夜间利用电网的富余电能进行充电，用电高峰时还可向电网回馈电能，对电网起到“削峰填谷”的作用，有利于电网的高效利用和电压稳定。

按照动力驱动形式的不同，纯电动汽车可以分为集中驱动式纯电动汽车和分布驱动式纯电动汽车两大类。其中分布驱动式纯电动汽车包括轮边电机驱动式和轮毂电机驱动式。

1.2集中式驱动系统及应用

集中式驱动系统是在传统汽车的基础上改装而来的，具有结构简单、电机控制维修简单等优点。具体可以分为传统集中驱动系统、无变速器集中驱动系统和集成式集中驱动系统三种驱动系统。

1.传统集中驱动系统

早期的纯电动汽车多是在传统汽车的基础上改装的，利用驱动电机代替内燃机，离合器、变速器和差速器的布置形式与传统内燃机车辆的布置形式一致。

2011年上市的东南菱悦V3-EV手动档汽车，就是一款典型的使用传统集中驱动系统的汽车。该车采用前置前驱形式，驱动电机的最大功率为50kW，最大转矩为180N·m，配备高性能的磷酸铁锂电池，最高时速可达120km/h，最大续驶里程达160km。

2.无变速器集中驱动系统

由于驱动电机能够在较宽的速度范围内提供相对恒定的功率，无变速器集中驱动系统是用一个固定速比的减速器替代传统集中驱动系统中的多级变速器，同时省去离合器，即发展成无变速器的传动形式。这种传动系统一方面可以节省机械传动结构的重量和体积，另一方面可以减少由于换档所带来的控制难度。

3.集成式集中驱动系统

集成式集中驱动系统与无变速器集中驱动系统类似，但是驱动电机、固定速比减速器和差速器被进一步整合为一体，布置在驱动轴上，整个驱动传动系统被大大简化和集成化。但是这样的布置形式要求有低速大转矩、速度变化范围大的电机。

丰田汽车公司的RAV4EV电动汽车采用专用的一体化即集成式集中驱动系统，第一代产品(在1997年推出)采用镍氢电池作为动力，第二代产品是由丰田与美国特斯拉汽车公司合作研发的一款纯电动汽车。电机采用永磁同步电机，最大输出功率为50kW，最大转速为4600r/min，减速齿轮减速比为1:9.45。动力方面，第二代丰田RAV4EV的纯电动系统是由美国特斯拉汽车公司提供的，其锂离子电池组的最大容量为30kW?h。用家庭插座(220V)一次充满电用时约8h，在满电情况下，丰田RAV4EV可续驶161km。

1.3轮边电机驱动系统及应用

集中式驱动系统继承了传统燃油车的传动装置，传动效率较低。相比集中式驱动系统轮边驱动系统具有结构紧湊、质量小、传动效率高等优点，从而增加了纯电动汽车的动力性及续驶里程等。

1.轮边减速式驱动系统

轮边减速式驱动系统是在集中式驱动系统的基础上，差速器被两个独立的牵引电机所代替，即轮边驱动无差速器的传动形式，减速器依然保留，每个牵引电机单独完成一侧车轮的驱动任务。在车辆进行曲线行驶时，两侧的电机分别工作在不同的转速下。

日本明电舍公司研发的轮边电机减速式驱动系统，采用永磁同步电机，外形尺寸为270mm×350mm×270mm，质量为40kg(电机质量为22kg)，额定功率为4kW，最大功率为5.5kW，最大转矩为100 N·m，最高转速为12000r/min。

2.轮边直连式驱动系统

轮边直连式驱动系统是用一个单排的行星轮代替轮边减速式驱动系统中的减速器，凭其能提供良好的减速比和线性的输入输出特性，从而达到减小转速和增大转矩的目的。

2010年比亚迪公司生产的K9纯电动客车就采用轮边直连式驱动系统，车身长12m，整车续驶里程达到300km，燃料消耗成本不到同类燃油车的1/3。

1.4轮毂电机驱动系统及应用

轮毂电机驱动系统是将电机直接安装于车轮内，可以有效改善轮边电机驱动系统带来的电机与独立悬架在有限空间内的布置困难、纯电动汽车底部的空气阻力大及通过性差等缺点。另外轮毂电机驱动系统不仅省略了大量传动部件，而且可以实现多种复杂的驱动方式。

轮毂电机驱动系统包括内转子轮毂电机驱动系统和外转子轮毂电机驱动系统。

1.外转子轮毂电机驱动系统

外转子轮毂驱动系统是将外转子电机直接安装在车轮的轮辋内，中间无须采用减速机构直接驱动车轮转动，从而带动汽车行驶。此系统具有结构紧凑、效率较高、比功率高、响应速度快等优点。

纯电动汽车在起步及加速时需要较大的转矩，即安装在电动轮中的外转子轮毂电机在这些行驶模式下必须能提供大转矩，以满足整车的动力性;外转子轮毂电机驱动系统中未采用中间减速机构，为了使汽车能够有较好的动力性，外转子轮毂电机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围。

由于外转子轮毂电机工作产生一定的冲击和振动，还要求车轮轮辋和车轮支承必须坚固、可靠。同时由于非簧载质量加大，要保证车辆的舒适性，要求对悬架系统弹性元件和阻尼元件进行优化设计。电机输出转矩和功率也受到车轮尺寸的限制，系统成本高。

米其林电动轮为外转子轮毂电机驱动系统。2008年巴黎车展上安装主动车轮的米其林电动车Will，该车车身长2.5m、四座，0~30km/h的加速时间为2.8s，续驶里程为120km，整车总质量为600kg，最高车速为90km/h。

2.内转子轮毂电机驱动系统

外转子轮毂电机虽然有各种优点，但起步及加速时需要较大转矩，为获得较好动力性，不得不增加电机的体积和质量，非簧载质量加大，而车轮轮辋空间有限，造成布置困难及行驶稳定性的一些问题。而内转子轮毂驱动系统则可以在一定程度上解决这些问题。

内转子轮毂驱动系统是将内转子电机装在车轮的轮辋内，且带有减速机构。这种驱动系统允许电机在高速下运行，可采用普通的内转子高速电机，电机的最高转速可以设计在4000~20000r/min之间，可以获得较高的比功率，而对电机的其他性能没有特殊要求。内转子电机的输出轴通过减速机构与车轮驱动轴连接，使电机轴承不直接承受车轮与路面的载荷作用，改善了轴承的工作条件；减速机构采用固定速比行星轮减速器，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，起到减速和增矩的作用，从而保证电动汽车在低速时能够获得足够大的转矩，同时也解决了在车轮尺寸有限的情况下由电机性能引起的电机尺寸大而难以布置的问题。

2012年上市的日本KAZ轮毂驱动纯电动汽车，它使用高性能内转子轮毂电机驱动系统，该电机的峰值功率为14kW，每个内转子电机配置一个减速比为1:4.558的减速齿轮，可以使KAZ牌电动汽车的百公里加速时间仅为8s，装配为4×4的驱动模式，前轮采用盘式制动器，后轮采用鼓式制动器。

能源形式及应用

按提供能源形式的不同，纯电动汽车一般可以分为电池单独驱动式纯电动汽车、超级电容单独驱动式纯电动汽车、复合电源驱动式纯电动汽车和双源驱动式纯电动汽车四种。

2.1电池单独驱动式纯电动汽车

电池单独驱动式纯电动汽车是指以车载储能系统一电池，作为驱动电机的唯一能量来源以驱动车辆

行驶的纯电动汽车。

1.电池单独驱动式纯电动汽车概述

电池单独驱动式纯电动汽车驱动系统由动力电池、控制器、电驱动装置等几部分组成。

电池单独驱动式纯电动汽车中电池作为唯一的能量源，在汽车正常行驶时，驾驶人操作加速踏板，控制器根据整车的控制算法得出驱动电机的需求功率，从而使唯一动力源电池提供相应的功率以满足行驶需求。在制动时，驾驶人操作制动踏板，电机处于发电状态，电池回收制动能量。

2.电池单独驱动式纯电动汽车特点

电池单独驱动式纯电动汽车的结构及控制系统比较简单，维护、使用成本较低，能够实现零排放。电池不能接受大电流充放电，能量回收的效率较低，充电时间长、续驶里程短，电池的比能量、比功率相对较低，致使纯电动汽车不能满足各种行驶工况。电池单独驱动的汽车主要用于城市内上下班及城市家庭用车等短距离的情况。

要使纯电动汽车满足人们对续驶里程的要求，动力电池需要的重量和体积都很大，所以动力电池的布置也是一个影响纯电动汽车性能发挥的重要因素。

因为汽车前舱正碰时变形过大，存在安全隐患，所以底盘区域成为动力电池的主要布置区域。考虑驾驶舱和行李箱的有效空间、整车质心、前后桥轴荷分配，同时需要考虑动力电池包结构条件、内部电气部件的工作条件及布置区域间的相互连接。

3.典型应用案例

电池单独驱动的纯电动汽车受限于其电池的功率，能量密度等问题，主要适用于短距离用车。特斯拉Roadster纯电动汽车即为该类型汽车，采用的是锂离子电池。

2008年下线的特斯拉Roadster，其最大功率为215kW；最大转矩为397N·m:最高时速为201km/h；0~100kmh加速只需3.9s。该车的动力电池由6831个锂离子单元组成的锂离子动力电池组提供电力，用原厂的快速充电器充满电量仅需要3.5h，满电情况下在高速公路上可以拥有394km的超强续驶能力

2.2超级电容单独驱动式纯电动汽车

电池单独驱动式纯电动汽车，频繁地大电流充放电使电池的寿命更短，在制动能量回收时，由于电池不能接受大电流，而使能量回收的效率较低。而且电池的比功率较小，不能满足纯电动汽车各种行驶工况。超级电容纯电动汽车可大电流充放电、充电时间短，能够弥补电池单独驱动式纯电动汽车的这种不足。

1.超级电容单独驱动式纯电动汽车概述

超级电容单独驱动式纯电动汽车是指车载储能系统是超级电容。超级电容是驱动电机的唯一能量来源，从而驱动车辆行驶的纯电动汽车。

超级电容单独驱动式纯电动汽车驱动系统由超级电容、控制器、电驱动装置等几部分组成。

超级电容单独驱动式纯电动汽车中电容作为唯一的能量源，在汽车正常行驶时，驾驶人操作加速踏板，控制器根据整车的控制算法得出驱动电机的需求功率，从而使唯一动力源电容提供相应的功率以满足行驶需求。在制动时，驾驶人操作制动踏板，电机处于发电状态，电容回收制动能量。

与同样尺寸的电池相比，超级电容所能储存的能量小于动力电池组，但超级电容的功率性能却优于电池，因为超级电容可以高速率充放电，尖峰电流仅受内阻和超级电容大小的限制。采用超级电容作为动力源的纯电动汽车是较好的方案。

2.超级电容单独驱动式纯电动汽车的特点

超级电容单独驱动式纯电动汽车具有如下特点:无毒性、无污染、结构简单、质量小、体积小、免维护；超级电容纯电动汽车最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，远小于电池纯电动汽车的充电时间；超级电容在充放电过程中没有发生电化学反应，远比动力电池组的充放电循环寿命长，可达500000次，而动力电池组的充放电寿命很难超过100次；超级电容纯电动汽车可以在较宽的温度范围内正常工作(-40~70℃)，而电池纯电动汽车很难在高温特别是低温环境下工作；超级电容工作过程中没有运动部件，维护工作少。因此超级电容纯电动汽车的可靠性高。

超级电容能量密度小，充电一次只能跑很短的路程，所以以超级电容单独驱动的纯电动汽车一般用在固定线路的公交车上。但它的充电速度快，充完就可以继续行驶。跟动力电池相比这一点要好很多，动力电池充一次电要5~10h，所以只要在线路上合适的地方建立一个超级电容单独驱动式纯电动公交车充电站就可以了，而投资建设一个这样的充电站的费用比建一个加油站小得多。

3.典型应用案例

上海奥威超级电容单独驱动式纯电动客车，该车于2006年8月28日在上海11路实现大规模商业化运营，该线路全长5.27km，建立充电站亭10个，该客车采用新一代沪版高能量超级电容，客车的耗电量为1.4kw·h/km，车速达到80km/h，充满一次电可以连续行驶8km，充电时间为90s。

2.3复合电源驱动式纯电动汽车

电池的功率密度较低，电池单独作为纯电动汽车的动力源有续驶里程短、电池寿命有限等问题。超级电容的能量密度较低，超级电容单独作为纯电动汽车的动力源也有续驶里程等问题。因此两种都不是纯电动汽车理想的动力源。

解决上述矛盾最好的方法就是设法将电源系统的功率需求和能量需求解耦，对这两个指标的设计相分离。由于超级电容和动力电池分别具有较高的功率型指标和能量型指标，因此很自然地考虑将这两种已经成熟的储能元件加以组合，构成复合能源系统。

用复合电源来延长电池寿命、解决能量密度等问题是非常有效的方法。复合电源的思想接近于混合动力汽车的设计初衷，目的也是解决类似“大马拉小车”的问题。

1.复合电源驱动式纯电动汽车概述

复合电源驱动式纯电动汽车是将高比功率的超级电容与高比能量的电池复合使用，从而满足当前车辆对电源高能量密度和高功率密度的双重要求，并通过合理的功率分配策略，提高纯电动汽车整车性能。

复合电源驱动式纯电动汽车驱动系统由动力电池、超级电容、DC/DC变换器、控制器、电驱动装置等几部分组成。

超级电容与电池连接的拓扑结构可以有多种，在此介绍超级电容通过双向DC/DC变换器串联后与电池并联的拓扑结构。

通过特定的控制算法使两种元件发挥各自优势，满足纯电动汽车在能量和功率方面的要求。在加速或者爬坡的工况下，超级电容和电池同时提供能量，供整车发挥最大的动力性在正常行驶低负荷工况下，主要由电池提供能量驱动纯电动汽车行驶；在制动工况下，制动时产生的瞬间大电流由超级电容回收，超级电容的荷电状态(SOC)达到一定限值时，剩余能量由电池回收或超级电容与电池同时回收制动能量，以避免大电流给电池带来的损伤。

2.复合电源驱动式纯电动汽车特点

在结构设计上，复合电源系统将纯电动车辆对能量和功率的需求解耦，增加了系统设计自由度。利用高功率型储能元件和高能量型储能元件分别满足纯电动车辆对功率和能量的需求。动力电池提供平均功率需求，由超级电容提供加速、爬坡和制动能量再生时的峰值功率补偿和吸收，发挥超级电容功率快速响应的特点，提高纯电动汽车的能量利用率。

在结构成本上，由于超级电容提供峰值功率补偿，电池可以根据能量要求设计，能够采用小容量的动力电池，缩减了电池组规模以降低成本。同时，较为稳定的工作电流为设计更高效的电池提供了条件。

在结构可靠性上，降低了单一电源结构出现故障后纯电动汽车无法行驶的风险，采用复合电源系统，如果其中一个储能部件发生故障纯电动汽车还具有一定的续驶能力。

3.典型应用案例

北京理工大学与北方华德尼奥普兰客车股份有限公司于2006年共同研制出了纯电动旅游客车“BFC6110-EV”。该车使用锂离子电池、超级电容储能系统以及先进的多能源控制系统、交流驱动系统。

2.4双源驱动式纯电动客车

城市无轨电车虽然实现了纯电动行驶，零排放、零污染，但是城市无轨电车的线网约束了交通便利性，影响城市的市容。双源驱动式纯电动客车可以短程脱离线网行驶，在线网运行下又可以使电池组完成充电，有效解决了上述问题。

1.双源驱动式纯电动客车概述

双源驱动式纯电动客车是指既能够利用本身携带的“大辫子”使用电车线网电能驱动车辆行驶，在脱离电车线网时又能够运用车载电源驱动车辆行驶的纯电动客车。

双源驱动式纯电动客车驱动系统由动力电池、线网、控制器、电驱动装置等几部分组成。

双源驱动式纯电动客车在网行驶时利用电网提供行驶所需要的能量驱动车辆行驶，此时如果电池SOC低于一定限值，则还可以在线充电；在脱离电网时，能够利用车载电源(一般为电池)驱动车辆行驶。

双源驱动式纯电动客车的机动性有了很大的提高，主要解决在城市发展中，因城市布局、道路的调

整和改造建设导致局部无轨电车线网拆除，使无轨有网电车无法运营带来机动性差的问题。另外，双源驱动式纯电动客车还改善了纯电动汽车的续驶里程短的问题，是短期内理想的城市公共交通工具。

2.双源驱动式纯电动客车特点

与无轨有网电车相比，双源无轨电车具有很大的灵活性，例如在无轨有网电车发生故障后，后方的无轨电车无法绕行，从而导致交通阻塞，采用双源无轨电车，电车就可脱离电网利用车载电源驱动车辆行驶。

与纯电动公交车相比，双源无轨电车运营成本低。双源无轨电车配有容量更小的电池且依旧可以延续使用原城市无轨电车的电网驱动车辆，也能实现在网充电，避免了电池的过度使用，有效延长了电池的寿命。

双源快充纯电动客车资源利用率高，充分利用已有线网，可以实现“多线路运行、共享网线充电”，通过动力电池不同容量的模块化配置以及智能在线快充管理，提高了网线利用率。动力电池挂网智能快速充电，大大节约了基础设施用地，有效扩大了纯电动客车的运营规模。

3.典型应用案例

宇通双源驱动式纯电动公交车，该车脱离线网后可以行驶60km以上，连接网线行驶10km，就可脱离线网行驶5km以上。2010~2014年6月，宇通已分别在广州和济南累计投放了231台双源驱动式纯电动公交车，市场反应良好。宇通双源快充纯电动客车通过进行集电器捕捉系统自动化设计，实施整车的综合能量管理优化和全铝车身等轻量化材料的普遍应用等，大幅提高了节能效果。

3.1动力性

1.最高车速

①1km最高车速：指电动汽车能够往返各持续行驶1km 以上距离的最高车速的平均值。

②30min最高车速：指电动汽车能够持续行驶 30min 以上的最高平均车速。

2.最大爬坡度

坡道起步能力应在有一定坡度角的道路上进行。该坡度角应近似于制造厂技术条件规定的最大爬坡度对应的角。实际坡度和厂定坡度之差，应通过增减质量来调整。

3.加速时间

不同车辆的加速性能要求不同，一般加速性能有0~50km/h加速性能和50~80km/h加速性能两个参数。

3.2经济性

纯电动汽车经济性有两个重要评价指标：能量消耗率和续驶里程。

1.能量消耗率

电动汽车经过规定的试验循环后对动力电池组重新充电至试验前的容量，从电网上得到的电能除以行驶里程所得的值。