电动汽车技术

2024年1月9日发(作者：天津一汽丰田4s店一览表)

今后50年，世界人口将由60亿增加到1m亿，汽车数量将由7千万增加到2亿5千万。如果这些车辆都采用内燃机，那么所需的燃油从何而来?而其排出的废气又如何处置?那样我们的天空将永远是灰色的而不是蓝色的。因此我们必须开发清洁、高效、智能的交通车辆，才能使21世纪的交通可持续发展。

当今关于环保和能源的问题备受关注，为解决这些问题，电动汽车呈现出加速发展的趋势。从环保的角度来看，电动汽车是零排放的市区交通工具，即使计人发电厂增加的排气，总量上看，它也将使空气污染大大减少。从能源的角度来看，电动汽车将使能源的利用多元化(例如可使用各种再生能源)和高效化，达到能源的可靠、均衡和无污染地利用的目的。在改善交通安全和道路使用方面，电动汽车更容易实现智能化。电动汽车的发展将使集中考虑能源、环保和交通成为可能，而且，它对于促进高科技的发展、新兴工业的兴起以及经济的发展将产生深远的影响。

1.1电动汽车的发展历史

1834年，ThomasDavenport制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动，但只能行驶一小段距离。四年后RobertDavidson也制造了一辆用于电池驱动的电动汽车。1881年在法国巴黎街上出现了世界上第一辆以可充电电池为动力的电动汽车，它是法国工程师Gustave田rouve装配的以铅酸电池为动力的三轮车。1886年，FrankSprague设计生产了有轨电车。从此，电动汽车变得流行起来，并且在车辆运输中起着很重要的作用。在当时的美国，每年销售的4200辆汽车中有38％是电动汽车，22％是燃油汽车，40％是蒸汽机汽车。那时，电动汽车是金融巨头的代步工具及财富的象征，一辆电动汽车的价格相当于今天的一辆RollsRoyce。

19世纪末，许多美国、英国和法国的公司都开始生产电动汽车。最早的电动汽车制造厂是由Morris和Salom拥有的电动客车和货车公司。图1．2所示的是该公司生产的由马车改装而成的电动汽车，行驶在Philadelphia的街道上。另二主比较早的电动汽车生图1．2Moms和Salom电动客车和产商是Pope制造公司，到货车公司生产的电动汽车1898年底，Pope制造了大约(来源：ErnestH．Wakefield的500辆Columbia型电动汽《电动汽车发展史》)车。1896---1~0年期间，Riker电动汽车公司生产了多种车型的电动汽车，其中1897年生产的Victoria是一种设计较好的车型。除了美国电动汽车制造厂外，英国的伦敦电动出租汽车公司1897年生产了15辆电动出租车，这种电动出租车如图1．3所示。而且，法国的BGS公司在1899--1906年也生产了几种不同类型的商用型电动汽车，包括小汽车、货车、客车和豪华轿车。由于BGS公司专门为自己的电动汽车设计制造蓄电池，所以1900年之前，BGS的电动汽车一直保持着世界电动汽车行驶里程的最高记录，其续驶里程约达．290km。有趣的是第一辆时速超过100km／h的汽车是电动汽车，即\'JamaisContente\'(永不满足)，由一个名叫CamilleJenatzy的比利时人驾驶，它是一辆子弹头式的电动赛车，在1899年5月创下速度为110km／h的记录。图1．31897年英国伦敦的电动出租车(来源：ErnestH．Wakefield的《电动汽车发展史》)

进入无马车时代以后，电动汽车就进入了一个商业化的发展阶段，此时的电动汽车有辐条车轮、充气轮胎、舒适的弹簧椅和豪华的车内装饰。到1912年，美国有34000辆电动汽车注册。1899--1916年期间，Baker电气公司一直是美国最重要的电动汽车制造厂之一。1901—1920年，英国伦敦电动汽车公司生产了后轮轮毂电动机式、后轮驱动、斜轮转向和充气轮胎的电动汽车。1907--1938年期间底特律电气公司生产的电动汽车不仅具有无噪声、清洁可靠的优点，而且最高时速达到40km／h，续驶里程为129km。

人们常说“一个人的敌人同时也是他的伙伴”，这句话用于描述电动汽车的发展尤为合

适，因为电动机是电动汽车驱动的关键部件，同时它又帮助燃油汽车与电动汽车竞争对抗。1911年，Ke-ttering~明了汽车起动机，使得燃油汽车比依赖于方便驾驶的电动汽车来说更具吸引力，从此打破了电动汽车在市场的主导地位。而福特的想法彻底结束了电动汽车的生命，他大批量生产福特T型车，使其价格从1909年的850美元降到了1925年的260美元，因此加速了电动汽车的消失。而燃油汽车的续驶里程是电动汽车的2-3倍，且使用成本低，因而使得电动汽车的制造商想占领一定的市场份额已不可能。到2真)世纪30年代，电动汽车几乎消失了。

1．2电动汽车近三-t-年的发展

20世纪70年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机。20世纪70年代初期，世界上许多国家如美国、英国、法国、德国、意大利和日本都开始发展电动汽车。美国签发了关于电动汽车和混合电动汽车研究、发展和示范的法令以及公共法94--413。20世纪70年代后期，世界上许多国家和地区的公司，如澳大利亚、比利时、巴西、保加利亚、加拿大、中国、丹麦、法国、德国、荷兰、印度、意大利、日本、墨西哥、芬兰、瑞士、英国、美国和前苏联等都开始生产电动汽车。但是石油价格在20世纪70年代末开始下跌，在电动汽车成为商业化产品发展起来之前，能源危机和石油短缺问题已不再严重：因而电动汽车的商业化失去了动力，电动汽车的发展显著变慢，开始走人低谷。

20世纪80年代，由于人们日益关注空气质量和温室效应所产生的影响，电动汽车的发展再次获得生机。20世纪90年代初，一些国家和城市开始实行更严格的排放法规。1990年，美国加州大气资源管理局(CARB)颁布了一项法规，规定1998年在加州出售的汽车中2％必须是零排放车辆(ZEVs)，到2003年零排放车辆应达到10％，受加州法规的影响，美国其它州以及世界上其它国家开始制定类似的法规。电动汽车被认为是符合零排放标准的惟一可用的技术．所以电动汽车迅速发展起来。虽然加州大气资源管理局1998年的目标没有实现，但加州法规的颁布促进了电动汽车的发展。

汽车制造商在不断推动电动汽车技术的发展，并开始将电动汽车商业化。在世界范围内，尤其在美国、日本和欧洲，许多汽车生产商开始生产电动汽车或者涉及电动汽车领域。美国的通用、福特、克莱斯勒、美国电动汽车公司以及Selectfia为了响应加州的法规，在电动汽车的发展中起着很重要的作用。在日本几乎所有的汽车生产商，如丰田、尼桑、本田、马自达、大发、三菱、铃木、五十铃汽车公司等都制定了自己的商业化电动汽车的发展计划。欧洲的许多国家，尤其是法国、德国、意大利和英国都发起了进入电动汽车市场的电动汽车发展计划，其中较活跃的汽车公司有雪铁龙、雷诺、宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃、大众、欧宝、菲亚特等。除了汽车生产商以外，还有一些电力公司和电池生产商在电动汽车的示范中也起着积极的作用，其目的都是为了促进以充电电池为动力的电动汽车的商业化，最终获得商业利益。通常他们和汽车生产商合作来发展电动汽车，或者选购电动汽车用于电池评估和演示。电动汽车具有能源利用效率高、能源多样性和环保的特点，为了对电动汽车的使用做出相应的反应，能源和环保机构也积极参与促进电动汽车技术的发展及其商业化的活动中。另外，一些研究所和大学不断研究电动汽车新技术，以使电动汽车能与燃油汽车相竞争。通用汽车公司从1916年就开始从事电动汽车研发，当时通用汽车公司生产了许多电动卡车，采用铅酸电池作动力电池。近30年，通用汽车公司做了大量实验性的电动汽车，如1966年的Electrovair，1968年的Electrovan，1968年的Stir-LeeⅡ，1969年的Series512和1979年的Electrvett等。1990年1月生产出第一辆定型的电动汽车Impact。Impact电动汽车证明电力驱动技术对于生产实用化的电动汽车是切实可行的，而且其性能能够和今天的燃油汽车相媲美。1993年通用汽车公司开始试生产Impact3型电动汽车，它是19901mpact的改进产品，

用于评估电动汽车潜在的消费者。1996年通用汽车公司开始出租它生产的EVl，这种电动汽车是双座的hmpact，同时向市场推出ChevroletS--10电动送货车。近年来通用汽车公司致力于混合电动汽车和燃料电池电动汽车的研制，他们研制的混合电动汽车Precept为双轴可再生制动的混合动力驱动系统，前轮采用电力驱动，后轮采用混合动力驱动。它的第一辆燃料电池电动汽车是Zafira，采用储存在低温燃料箱的液态氢作燃料。

20世纪60年代初，福特公司开始涉及现代电动汽车的研发，当时欧洲福特公司制造了一辆电动汽车Comuta，它是一辆非常紧凑的电动汽车，可以乘坐两个成人和两个孩子。接着，它实施了许多电动汽车的研发项目，如2真》世纪60年代后期研制出CortinaStationWagon电动汽车，70年代研制出EconolineVan混合电动汽车，肋年代研制出Fiesta和Escort电动汽车以及EIX--I(LN7)和EXT--II(Aerosar)型电动汽车。9()年代福特公司所展示的mr~tar是以欧洲福特公司的EscortVan电动汽车技术为基础开发的。1995年5月，103辆Escort电动汽车投入运营，行驶里程共计800000kan。1995年福特宣布对外销售改进的电动送货车Ranger。1998年Ecostg成为福特公司、Ballard公司和Daimler—Benz公司联盟的公司名称，它们为电动汽车和混合电动汽车提供电力驱动系统。目前，福特公司申请了电动汽车的商标TL!真4c，包括City和Neighbour车型。福特公司还展示了其燃料电池电动汽车P2000及混合电动汽车Escape。P2ffiO是4门轿车，用压缩氢气为燃料，而bcsP是运动型电动汽车。

Nissan汽车公司1970年开始电动汽车的基础研究工作。它的第一辆概念电动汽车City在1970年的东京汽车展览会上展出。1976年Nissan推出EV--4，1983年推出MarchEV，1985年推出EVResort，1987年推出MarchEV--II，1988年推出电动清洁车。1991年它生产了PresidentEV、CedricEV和FEV，FEV设计为概念型电动轿车，它代表未来的电动汽车。1995年它又推出了第二代产品FEV小采用锂离子电池作动力电池。1994年Nissan开始在国内销售CredricEV电动汽车，它是四座轿车，主要供政府机构使用，而AvenirEV商用货车主要供公用事业公司使用。1997年它推出了PrairieJoy和Altra多用途的电动货车。最近，Nissan展示了它的混合电动汽车Tino，该车在日本通过Intemet对外销售。同时它还参与了加州燃料电池的合作开发计划，并且推出了它的直接用氢燃料电池电动汽车FCV。丰田汽车公司从1971年开始研制电动汽车，当时它参加了由日本国际贸易和工业部发起的一项计划。1983--1989年期间，丰田公司研制出从EV--10到EY--40的一系列电动汽车。随后，在1991年开发出，I；ownAceEV，1992年研制出CrownMaiestaEV，1993年开发了EV--50，1994年开发了Coaster混合电动汽车，1995年它研制的RAV4--EV在FIA得到认可并在1995年斯堪的纳维亚电动汽车会议上获得成功，证实了它的性能。同时1995年丰田公司还成功开发了实用的混合电动汽车Prius，并在1997年投入市场销售。到目前为止，已经销售了40000多辆Prius。丰田公司也开发了燃料电池电动汽车RAV4，其目的是延长电动汽车的行驶里程。1996年，开发了合金储氢设备，使RAV4的续驶里程达到202km。1997年完成了甲醇重整制氢技术的开发，使RAV4的续驶里程达到500km。最近丰田公司又推出了一种新型Post-Prius混合动力系统IHS—C，它采用四轮驱动，前轮用混合动力驱动，后轮用电力驱动。20世纪90年代初期，法国雪铁龙汽车公司开始发展电动汽车以适应环保要求。1990年，它开发了PeugeotJ5和CitroenC25公用型电动汽车并投人市场。1995年，Peugeot106和CitroenAX电动小轿车投放市场，接着又推出了CitroenCitela和Peugeotlon。此后推出的Tulip电动汽车代表了新概念的市区电动汽车，并经过特别设计，促进用户使用出租电动汽车。近年来，PSA与雷诺汽车公司合作开发燃料电池汽车，并展示了它开发的发动机主动型混合电动汽车XsaraDynactive。从20世纪60年代起，菲亚特汽车公司开始研发一整套生产电动汽车的技术。20世纪70年代这些研究都集中在如何把这些技术与汽车的结构整和在一起。1974年，菲亚特开发了它的第一辆实验性电动汽车X1／23。1978年菲亚特与Pininfarina联合生产城市电动汽车Ecos。1989年生产的电动赛车Y10成功地参加了在都灵举行的第二届

GranPremio4E的帕级(车身质量低于1000咏)电动汽车比赛。1990年Fiat成功推出PandaElettm，它是城市用的实用型电动汽车。接着，菲亚特又研制出CinquecentoElettra电动客车和DucatoElettra电动货车，并对外销售。1994年它推出两座电动汽车Zic，1998年又推出四座电动汽车SeicentoElettra。菲亚特目前也在研制混合电动汽车和燃料电池电动汽车，并且推出了发动机主动型的混合电动汽车MultiPla。如大多数汽车生产商一样，宝马公司起初通过改装轿车来发展电动汽车。1989年宝马公司推出它的第一代宝马改装电动汽车E30E，1991年研制出第二代电动汽车E36E，其设计保证了最优转型，适合于小批量生产，尤其适合于车队运营。1991年宝马公司开发出它的第一代专门设计制造的电动概念车K1，E1为两门四座电动汽车。1992年宝马发布了它的四门四座的新车型m。近年来，宝马公司集中力量开发氢燃料的内燃机汽车，而不是混合电动汽车或燃料电池电动汽车。直．3电动汽车的发展趋势与技术水平

1．3电动汽车的技术水平

人们除了着重于纯电动汽车和混合电动汽车的商业化以外，同时还致力于提高电动汽车的技术，如使用高性能的感应电动机或无刷永磁电动机来改进电力驱动系统，使用高性能电池、燃料电池或内燃机来提高车载能源的储备能力，应用感应充电技术及变温座椅来提高车辆辅助设施的技术水平等。

通用公司1997年开发的具有最先进的动力系统的1997双座EVl如图1．4所示。该车为前轮驱动，采用一台102kW的三相感应电动机，双级减速的单速驱动桥，减速比为10．946：1。EVl装备了由26个阀控铅酸电池组成的电池组，电池组可用6．6kW的非车载感应充电器或1．2kW的车载感应充电器进行充电。该车的电动机在转速为0—7000r／min时输出恒转矩1640Nm，在转速为7000—14000r／rain输出恒功率102kW，使得EVl可以获得128km／h(电子限速)的最高车速和0—96km／h加速小于9s的性能。图1．4美国通用公司电动汽车KVl(照片来源：通用汽车公司)

图1．5所示为1997年尼桑四座ALTRAEV，它是尼桑的旗舰级产品。该车采用质量仅为39此的62kW永磁同步电动机，对于目前的电动汽车电动机而言，其功率质量比是最高的，为1．6kW／吨。另外，它还采用高效率的控制器，使动力系统的总效率高达89％以上。其动力电池为钴基锂离子电池，能量密度为90Wh／ke，功率密度为300W／kg，循环使用寿命达1200次。该电池组可以通过车载感应充电器在5h内充电完毕。ALTRA的最高车速为120km／h，市区循环工况续驶里程为192km。1999年，ALTRA换用了能量密度和功率密度更高的锰基锂离子电池，能量密度和功率密度分别为91Wh／吨和350W／吨。图1．5日产(北美)公司的ALTRA6电动汽车(照片来源：日产汽车公司)

福特公司的P2000车代表了福特公司在燃料电池电动汽车发展中所做的贡献。图1．6所示的是福特公司2000年研制出的这款四门轿车，它采用TL!nk质子交换膜(PEM)燃料电池系统驱动。储存在25MPa下的压缩氢气与空气中的氧气燃烧产生能量输出。该车采用三相感应电动机，其最大输出功率为67kW，最大输出转矩为190Nm，最高效率为91％。P2000的整车质量为1514kz，最高车速可达128kin／h，续驶里程为160km。图1．6福特公司的P2000电动汽车(照片来源：福特汽车公司)

戴姆勒—奔驰公司，即现在的戴姆勒—克莱斯勒公司，1997年推出它的第一辆以甲醇为燃料的燃料电池电动汽车NECAR3。它采用PEM燃料电池，最大输出功率为50kW。该燃料电池系统通过一个小型重整装置，从甲醇中直接提取氢气，从而克服了必须在车上安装压缩氢气罐的难题。该车的重整装置、甲醇罐和其控制系统都安装在行李箱内，燃料电池安装在底盘上。基于甲醇燃料电池动力系统，NECAR3用38L液体甲醇，可以行驶400km。该公

司2000年推出的如图1．7所示的NECAR5是由NECAR3技术改进发展而来的，它将驱动系统的体积减少了一半，整车质量减少了300吨。它还将系统功率提高到75kW，使最高车速超过150lun／h。图1．7戴姆勒一克莱斯勒公司的燃料电池车NFE,AR5(照片来源：戴姆勒一克莱斯勒公司)丰田公司开发的Prlus如图1．8所示，它是世界上第一种大批量生产的混合动力汽车。它采用四缸发动机(4500r／rain，52kW)和永磁同步电动机(1040—5600r／min，33kW)共同驱动，是发动机主动型混合动力汽车，需要功率分配装置，即行星齿轮装置，将一部分能量传到车轮，另一部分传绐发电机。发电机输出的能量可用于增加电动机的输出功率，或者用于给38个镍氢动力电池充电。Prius的最高车速为160km／h，0-％km／h的加速时间为12．7s，市区和公路的复合工况的燃油经济性为20km／L，其燃油经济性和排放性能比传统的燃油汽车提高了许多。日本本田公司开发的Insi咖如图1．9所示，此款车于2000年10月上市，是发动机主动型混合动力系统，由一个三缸发动机

1．3．2电动汽车的发展趋势

为了了解各种电动汽车的发展趋势，我们对1984--2000年间在国际电动汽车会议上发表的有关电动汽车的论文种类及数日作了一项统计调查。国际电动汽车会议在1984--1996年间每两年召开一次，为了满足电动汽车快速发展的需要，从1997年开始国际电动汽车会议改为每年召开一次。图1．13显示了用于电动汽车的各种驱动电动机的发展趋势，这些电动机包括直流电动机(DC)、感应电动机(删)、永磁无刷电动机(PM)和开关磁阻电动机(SR)，从图中可以看出关于感应电动机和永磁电动机的论文占绝大多数，而关于直流电动机的论文在逐年下降，开关磁阻电动机仍处于缓慢发展阶段；图1．14显示了电动汽车上不同能源的发展趋势，这些能源包括铅酸电池(1A)、镍基电池(Nit)、锂基电池(LB)、燃料电池(FC)以及电容器、飞轮(CF)等，从图中我们可以看到，尽管铝酸电池和镍基电池仍在继续发展，但关于锂基电池、燃料电池以及艺电容、飞轮的论文数目越来越多；图1．15是关于不同种类的电动汽车的论文数目，从该图我们可以看出专门设计的电动汽车比改装车越来越受欢迎，在即将到来的电动汽车市场上，人们对混合电动汽车的兴趣越来越浓；图1．16表明电动汽车在接近市场化，因为越来越多的论文是关于电动汽车的示范、标准和市场化的在未来30年里，纯电动汽车和混合电动汽车都将会市场化，并且会占有各自的市场份额。纯电动汽车适合于特定的市场，如社区交通、电价便宜、使用方便的地区和零排放管制的城市；而混合车则适合于长途运输。纯电动汽车和混合电动汽车市场化的速度最终主要取决于它们各自的价格。在未来20年中燃料电池车的商业化速度也会加快，因为只有燃料电池车在续驶里程和性能方面能与燃油车相媲美。总之，电力驱动和电源仍是电动汽车技术的关键，纯电动汽车和混合车将并存，而能源、环境和经济将是电动汽车商业化的主要推动力，图1．17描述了电动汽车和混合车的发展趋势。我们应该注意到有些核心技术是燃油汽车、纯电动汽车和1昆合电动汽车所共有的，我们最终的目的是开发清洁、高效、智能的交通车辆，使21世纪的交通可持续发展。2000年2010年iQemtE二二二二二二二工。。／，i。+／荐幕罢’t聚让大羡驾个电能燃料汇国国灵墨圈盏灵个画严让麦*q，初始能源t乙醇t氧气拨团器灵灵圈国灵个可冉生能源图1．17纯电动汽车和1昆合动力电动汽车的发展(来源：美国电动汽车协会)·17·

1．4．Ⅱ发展电动汽车目前存在的主要问题

目前，推动电动汽车发展的主要动力来自于环境问题而不是能源问题。那么，现在要回答的主要问题是能否造出让人们负担得起的电动汽车，目前电动汽车存在的主要问题是初始成本高和行驶里程不理想。为解决行驶里程的问题，现在正在开发一些先进的电池，如镍氢电池、锌空气电池和锂离子电池。因为普通铅酸电池的比能量和能量密度比燃油低得多，所以对于电动汽车的燃料电池(主要是固态聚合物燃料电池)的开发目前呈现出加速发展的趋势。与此同时，商业化的混合电动汽车也在迅速发展，由于混合电动汽车采用了辅助能源、发动机及其它辅助设施，因而以结构复杂和高成本为代价从根本上改善了电动汽车的续驶里程和性能。为了降低电动汽车的成本，人们现在正努力改善电动汽车的各个子系统，比如电动机、功率转换器，电子控制器、能量管理系统、充电器、电池以及其它辅助设施，同时对电动汽车整车系统进行综合和优化。除了对电动汽车各子系统进行改进和整车系统进行优化外，我们应该努力提高全球的电动汽车水平，集中东西方的力量来共同解决有关电动汽车的一些问题，尤其是生产成本的问题。东方一些国家如中国、印度、泰国和马来西亚能提供廉价的劳动力，而西方一些国家如美国、德国和法国能提供资金和高新的技术，日本也能在世界电动汽车的发展进程中发挥重要的作用。因此，如果我们能综合利用廉价劳动力和高新技术的优势，电动汽车的生产成本就会大大降低。电动汽车的发展是一个世界性的问题，建立一个全球的商业环境，使之有利于形成一个全世界性的电动汽车市场。例如，燃油车的储能装置是油箱，它只代表整车极小的一部分，且成本极低；而纯电动汽车的储能装置是电池组，它是电动汽车中价格最高的一个子系统。为解决这一矛盾，电力部门可以拥有电池，把它们出租给电动汽车用户，这样，用户就只需支付电池租赁费和电费。对电力部门而言，他们在经营发电业务的同时经营电池业务，有效地利用电力和储能，能使他们的利润得到提高，对用户而言，有利于降低使用电动汽车的费用。

1．4．2电动汽车的关键技术

电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等。尽管电源技术至关紧要，但车身设计、电力驱动、能量管理系统和系统的优化也同样重要，事实上，所有这些领域技术上的整合才是电动汽车技术成功的关键。

1． 车身设计

生产电动汽车有两种基本方法，一种是改装，另一种是专门设计制造。对于改装的电动汽车，燃油车中原来安装发动机以及相关组件的部位由电动机、功率转换器和电池所取代，由于可采用现有的燃油汽车底盘，对于小批量生产而言，这种方法较经济。但是，对于大部分改装车而言，均具有自重较大、重心位置较高以及质量分配不合理等缺点，因而这种方法逐渐被淘汰。目前，现代电动汽车大部分是为特定目的而设计的，这种特定设计的电动汽车与改装车相比有一定的优势，它允许工程师灵活地调整和整合各子系统，使之能有效地工作。在设计电动汽车时，对影响整车整体性能(如续驶里程、爬坡能力，加速能力以及最高车速)的参数需要进一步改进，比如减轻整车的质量、降低风阻系数和减小滚动阻力等，汽车的质量直接影响整车性能，特别是续驶里程和爬坡能力，可采用铝和合成材料制作车身和底盘来减轻汽车的自重。车身风阻系数越低，汽车行驶时的空气阻力就越小，因而可以大大提高汽车在公路上行驶的·续驶里程，采用流线型的车头和车尾，隐藏式和平坦的车身底部可减小空气阻力。当汽车以中低速行驶时，采用滚动阻力系数小的轮胎可以有效地减小汽车的滚动阻力，也有利于延长汽车在市区内

行驶的续驶里程

2． 电力驱动

电力驱动子系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服空气阻力、滚动阻力和加速阻力而前进，另外，现代电动机的高转矩、低转速和恒功率、高转速的工作范围可以通过电子控制来获得，使得电动汽车的驱动系统设计更加灵活多样。例如，可采用单电动机或多电动机驱动，可选用或不用变速器，可选用或不用差速器，可选用轴式电动机或轮边电动机等。电力驱动系统由电气系统、变速装置和车轮组成，其中变速装置是选用的。电力驱动系统的关键是电气系统，电气系统由电动机、功率变换器和电子控制器等组成。对电动机驱动系统的要求如下：．恒功率输出和高功率密度；．在汽车起步和爬坡时具有低速一高转矩的输出特性以及汽车巡航时的高速一低转矩特性；．具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩区和恒功率区；．快速的转矩响应特性；．在转矩偿速特性的较宽范围内具有高的效率；．再生制动时的能量回收效率高；．坚固，能在不同的工作条件下可靠地工作；．成本低。为了满足这些特定的要求，驱动电动机的额定功率与转矩／转速特性应该在驾驶模式和系统仿真的基础上进行确定，为优化系统效率，扩大高效率运行工作范围，人们正在寻求新的电动机设计技术和控制策略，同时，应用新开发的一些电子技术以改善系统的性能及降低成本。随着先进的电动机、功率电子、微电子技术以及控制策略的发展，现在越来越多的电动机可用于电动汽车。由于直流电动机在低速时的转矩很高且容易控制，所以早期的电动汽车都采用直流电动机驱动系统，但直流电动机的换向器和电刷需定期维护。目前，随着技术的发展，许多先进的电动机驱动技术显示出优于直流电动机的性能，它们在高效率、高功率密度，有效的再生能量回馈、坚固性、可靠性和免维护性等方面具有明显的优势。在这些电动机中，矢量控制的感应电动机最受欢迎，技术也最成熟，但它的缺点是在小负荷范围内效率低。永磁无刷电动机比其它电动机的效率和功率密度都高，但它在高速恒功率工作区很难进行弱磁控制。永磁混合式无刷电动机是一种特殊的永磁无刷电动机，这种电动机加入了励磁绕组，永磁磁通分量和励磁磁通分量在气隙中迭加形成气隙磁通，气隙磁通可通过调节励磁电流来控制，因而这种电动机在宽转速范围内具有最佳效率。开关磁阻电动机应用在电动汽车上是很有前途的，因为它自身的结构和相应的功率转换器的结构都非常简单可靠，且它的转速范围宽、散热能力强，能在各种环境下工作并且再生制动的能量回收效率高，但必须解决转矩脉动和噪音问题

3． 能源系统

目前推广电动汽车的主要障碍是一次充电的续驶里程和初始价格，而电动汽车的能源系统是引起这些问题的主要原因。在目前以及不久的将来，能源系统是电动汽车实现市场化的关键。对能源系统要求如下：·高的比能量和能量密度；·高的比功率和功率密度；．快充和深放电的能力；●寿命长；．自放电率小、充电效率高；．安全性好且成本低廉

免维修；．对环境无危害，可回收性好。目前还没有一种能源能完全满足上述要求，选用某一种蓄电池只能满足上述部分要求。相对而言，铅酸电池具有成本低廉和比功率高的优点，但它的寿命短且比能量低；而镍氢电池的比能量高但其价格也高。总之，任何一种蓄电池都不可能同时满足对比能量、比功率和价格的要求。在不久的将来，锂基电池如锂离子电池和锂聚合物电池在现代电动汽车中的应用将会有很好的前景；超级电容器和超高速芭轮由于其高的比功率也将有希望用于电动汽车；燃料电池能从根本上解决电动汽车续驶里程短的问题，被公认为是目前电动汽车最重要的能源之一，若燃料电池能大大降低其初始成本，在下一代的路面交通工具中它将最有希望和现在的燃油汽车相媲美。为解决一种能源不能同时提供足够高的比能量和比功率这个问题，可采用多能源系统即混合动力系统提供动力。对于采用两个能源的混合动力而言，可以选用一个能源

具有高的比能量，而另一个具有高的比功率。有蓄电池和蓄电池相结合的混合动力，也有采用蓄电池和超级电容器、蓄电池和超高速飞轮以及燃料电池和蓄电池相结合的混合动力，内燃机和蓄电池结合是混合动力的一种特例，其中燃油的高比能量能保证汽车足够长的行驶里程?而蓄电池的高比功率有利于提高汽车的加速性能并减少废气排放。

4． 能量管理系统

由于电动汽车的车载能量有限，其行驶里程远远达不到燃油车的水平，能量管理系统的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量，增加行驶里程，智能能量管理系统采集从各个子系统输入的传感器信息，这些传感器包括车内外气温传感器、充／放电时电源电流和电压传感器、电动机电流和电压传感器、速度和加速度传感器以及车外环境和气候传感器等。能量管理系统能实现以下基本功能：优化系统的能量分配；．预测电动汽车电源的剩余能量和还能继续行驶的里程数；．提供最佳的驾驶模式；．再牛制动时，合理地调整再生能量；．根据车辆的行驶气候条件，调整其温度控制方式；．根据外部光照条件，自动调节电动汽车的灯光照明强度；．分析电源尤其是蓄电池的工作历史；．诊断电源错误的工作模式和有缺陷的部件。如果智能能量管理系统与电动汽车导航系统相结合，驾驶员就能随时根据交通情况修改剩余行驶里程的预测，制定最节能的行驶路线，以及发现最近的充电站。智能管理系统如同电动汽车的大脑，同时具有功能多、灵活性好、适府性强的特点．它能智能地利用有限的车载能量。

5． 系统优化

如前所述，电动汽车系统是一个涉及多学科技术的复杂系统，电动汽车的性能受多学科相关因素的影响，通过系统优化来改进电动汽车的性能和降低车辆的成本。计算机仿真是一项很重要的技术，它有利于制造商减少开发新产品的时间、降低成本，并能迅速进行概念评价。由于整个电动汽车系统由不同的子系统组成．并通过机械的、电气的、控制以及热等连接方式连接在一起，所以仿真应在混合信号的概念基础上进行：不同的子系统之间有许多协定，系统优化应在系统上进行，对于首选的系统标准通常要用数字迭代法。系统水平上的仿真和电动汽车的优化应考虑下列关键问题：．电动汽车的各子系统之间的相互作用会影响整车的性能，应分析和考虑这些相互作用的重要性；．模型的精确性通常与模型的复杂性一致，与其可用性相矛盾，应综合考虑模型的精确性、复杂性、可用性以及计算时间在设计电动汽车时，通常系统的电压会引起一些相互矛盾的问题，优化系统时应在系统水乎上综合考虑以下问题：蓄电池的质量，驱动电动机的电压和额定电流、加速性能、续驶里程以及安全性能等；．采用多能源系统提高电动汽车的续驶里程时，应根据整车性能和价格来优化相应的混合比；．由于传动比对整车性能和操纵性影响很大，而电动汽车通常采用固定减速比，因此，应通过驱动力平衡图并采用迭代优化法来确定最优减速比，直．

5电动汽车的概念

尽管电动汽车在20世纪前就已经存在，但是现代电动汽车是一台全新的机器，它完全不同于传统的电动汽车，它不仅仅是运输车辆，而且是一台全新的电气设备。现代电动汽车的概念可归纳为以下几点：．电动汽车是以电驱动为基础的机动车辆，电驱动由电动机、功率转换器以及电源组成，它有自己独特的特点；．对现代社会而言，电动汽车不仅是一辆车，而且是实现清洁、高效道路运输的一个全新的系统；．电动汽车系统是一个便于和现代交通网络结合的智能系统；．电动汽车的设计是工程和艺术的结合；．必须重新定义电动汽车的工作条件和工况循环；．必须对用户对于电动汽车的期望进行调研，这样就能对用户进行适当的有关电动汽车知识的教育。电动汽车的系统结构完全不同于燃油车，就像石英电子表的结

构完全不同于上发条的机械表一样，简而言之，这两种车辆的外观非常相似，但它们的工作原理是完全不同的。电动汽车结构系统由机械子系统、电力和电子子系统以及信息子系统组成。机械子系统由底盘和车身、驱动装置、变速器以及电源箱体组成，与之相关的因素包括道路特性、防撞性、汽车的内部空间、装配时间、适用性以及价格。电力电子子系统由动力网、电动机、控制器和能源系统组成，与之相关的因素有安全、规则、标准、效率、可靠性、质量以及价格，信息系统用于处理驾驶员的意愿，并监控汽车的运行、电源、电动机、控制器和充电器的状态，相关的因素有通讯网络、数据处理的算法以及和通讯相关的故障诊断和充电控制。

2．1电动汽车的基本结构

现在高性能的电动汽车通常是专门设计制造的，这种专门设计制造的电动汽车以原有的车体和车架设计为基础，满足电动汽车独有的结构要求并充分利用了电力驱动的灵活性。与燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活，这种灵活性源于电动汽车具有以下几个独特的特点：首先，电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递的，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性；其次，电动汽车驱动系统的布置不同(如独立的四轮驱动系统和轮毅电动机驱动系统等)会使系统结构区别很大，采用不同类型的电动机(如直流电动机和交流电动机)会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置(如蓄电池和燃料电池)也会影响电动汽车的质量、尺寸及形状。另外，不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电机充电，或者采用替换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电? 如图2．1所示：电动汽车系统可分为三个子系统，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单元、功率转换器、电动机，机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系统由主电源、能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。在图中，双线表示机械连接，粗实线表示电气连接，细线表示控制信号连接，线上的箭头表示电功率和控制信号流动的方向。根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力，除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘输入也是一个很重要的输入信号，动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。现代电动汽车很多采用三相交流感应电动机，相应的功率转换器采用脉宽调制逆变器，机械变速传动系统一般采用固定速比的减速器或变速器与差速器。典型的结构组成如图2．2所示。镍氢电池也是被电动汽车广泛采用的一种典型的动力能源，相应的能源补充系统就是充电器。空凋装置主要根据一个国家的气候来选用冷气或者加温装置。交流电源图2．2典型电动汽车的基本结构

2．1．1电驱动的结构形式

采用不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的电动汽车。下面主要根据电力驱动系统的不同把电动汽车分为以下六种，如图2．3所示。．第一种类型如图2．3(a)所示?由发动机

前置前轮驱动的燃油车发展而来，它由电动机、离合器、齿轮箱和差速器组成，离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员可选择不同的变速比，把力矩传给车轮。在低速挡时，车轮获得大力矩低转速；在高速挡时，车轮获得小力矩高转速。汽车在转弯时，内侧车轮的转弯半径小，外侧车轮的转弯半径大，差速器使内外车轮以不同转速行驶；．如果用固定速比的减速器，去掉离合器，可减少机械传动装置的质量、缩小其体积。如图2．3(b)所示，由电动机、固定速比的减速器和差速器组成电力驱动系统。应该注意这种结构的电动汽车由于没有离合器和可选的变速挡位，不能提供理想的转矩／转速特性，因而不适合于使用发动机的燃油汽车；．图2．3(c)所示的这种结构与发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的布置方式类似，它把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮，这种结构在小型电动汽车上应用最普遍；．图2．3(d)所示的双电动机结构就是采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮，每个电动机的转速可以独立地调节控制，便于实规电子差速，因此，电动汽车不必选用机械差速器；●电动机也可以装在车轮里面，称为轮毂电动机，可进一步缩短从电动机到驱动车轮的传递路径，如图2．3(e)。为了将电动机转速降低到理想的车轮转速，可采用固定减速比的行星齿轮变速器，它能提供大的减速比，而且输入和输出轴可布置在同一条轴线上；．图2．3(f)表示了另一种使用轮毂电动机的电动汽车结构，这种结构采用低速外转子电动机，彻底去掉了机械减速齿轮箱，电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，车轮转速和电动汽车的车速控制完全取决于电动汽车的转速控制。

2．1．3单电动机或多电动机驱动

差速器足传统车辆的标准组件，电动汽车也采用了这项技术。汽车转弯u，r，外侧车轮的转弯半径比内侧车轮的大，必须利用差速器来调整两侧车轮的转速，否则，车轮会产生滑移从而引起轮胎磨损加剧、转向困难、道路附着性能变差等。对于传统的燃油汽车，尤论是前轮驱动还是后车轮轮驱动，机械式差速器都是必备的。图2．5显示了典型的机械差速器的结构，差速器的行星齿轮绕各自的轴旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同转速旋转。对于电动汽车，如果采用双电动机或者四个电动机驱动，由于每个电动机的转速可车轮以有效地独立调节控制，实现电子差速，在这种情况下，电动汽车可以不用机械差速器。图2．6所示的是带电子差速器的双电动机·36·图2．5机械差速器图2．6电子差速器车轮驱动的结构。电子差速器比帆械差速器体积小、质量轻，人们对是否选用机械差速器不像对是否选择可变速比或固定速比变速器的意见一致，如果电动汽车采用单电动机驱动就必须装机械差速器，巾多电动机系统就釆用电子差速+电子差速器的优点是体积小，质量轻，在汽车转弯时可以实现精确的电子控制，提高电动汽车的性能；其缺点是由于增加丫电动机和功率转换器，增加了初始成本，而且在不同条件下对两个电动机进行精确控制的可靠性需要进一步的发展。近年来，由于电子控制器具有的容错能力，其nr靠性得到了很大的改善，如由三个微处理器组成的电子控制器，其中两个分别控制左右两个电动机，另一个用于控制与协调，通过监测器来监视彼此的工作情况以改善其可靠性。

2．1．4轮毂电动机驱动

如果将驱动电动机直接安装在车轮上，可以缩短甚至可以去掉电动机与车轮之间的机械传递装置，这取决于是采用高速内转子还是低速外转子电动机。若采用高速内转子电动机，则必须装固定速比的减速器来降低车速。一般采用高减速比的行星齿轮减速装置，安装在电

动机输出轴和车轮轮缘之间，这种电动机设计的上作转速约为10000r／rain，目的是为了获得更高的功率密度。电动机的最高转速主要受线圈损失、摩擦损失以及变速机构的承受能力等因素的限制，所选用的行星齿轮变速机构的速比为10：1，而车轮的转速范围则降为0—1000r／min。若采用低速外转子电动机，则可以完全去掉变速装置，外转子就安装在车轮轮缘上，而且电动机转速和车轮转速相等，因而就不需要减速装置。图2．7显示了这两种内置轮式电动机的结构，采用的都是永磁无刷电动机，由于其具有显著的高功率密度的特点，因而比其它电动机更吸引人。高速内转子电动机具有体积小、质量轻和成本低的优点，但它需要加行星齿轮变速机构。而低速外转子电动机结构简单，无需齿轮变速传动机构，但它是以低速电动机的体积大、质量大和成本高为代价的。