第一节　纯电动车的结构与工作原理

一、纯电动车的特点

纯电动车（Blade Electric Vehicles，又称为Battery Electric Vehicle，BEV）即由电动机驱动的汽车，电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量储存装置。大部分车辆直接采用电动机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。

纯电动车具有以下特点：

（1）优点

①对环境污染小。本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其他污染物也显著减少。由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。

②有效缓解石油短缺危机。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。

③提高发电设备经济效益。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。

④节约能源，减少温室气体排放。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。

⑤技术相对简单、成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。

正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。有专家认为，对于电动车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程。与混合动力相比，电动车更需要基础设施的配套，而这不是一家企业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。图1-1为三菱公司的一款纯电动车总体布置示意图。

（2）缺点

①电池技术不够成熟。目前蓄电池单位质量储存的能量太少，致使纯电动车续驶里程不足。

②整车价格高。电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵。

③目前的使用成本比普通汽车稍高。这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格，在某些地区的使用成本可能比普通汽车还低。

2012年5月11日，GB/T 28382—2012《纯电动乘用车　技术条件》正式发布实施，该标准适用于使用动力蓄电池驱动、5座以下的纯电动车，对车速、安全、质量分配、加速性能、爬坡性能、低温性能、可靠性等方面的技术指标做了详细的规定。

二、纯电动车的结构与工作原理

纯电动车相比燃油汽车而言，主要差别体现在四大部件上，即驱动电动机、调速控制器、动力蓄电池及车载充电动机。也就是说，纯电动车的品质差异取决于这四大部件，其价值高低也取决于这四大部件的品质，纯电动车的用途也与四大部件的选用配置直接相关。

1.纯电动车的基本组成

纯电动车由车载电源、电池组管理系统、电源辅助设施、电动机、控制器、底盘、车身等七部分组成，沿用传统的汽车构造结构划分方式，也可将纯电动车分成电动机、底盘、车身和电气四部分。图1-2所示为典型的纯电动车主要总成布置。

（1）电动机

电动机是电动车的动力装置。它是根据电磁感应原理实现电能转换的一种电磁装置，在电路中用字母M表示。它的主要作用是产生旋转运动，作为用电器或各种机械的动力源。

（2）发电机

发电机的主要作用是将机械能转化为电能，它在电路中用字母G表示。

（3）冷却系统

冷却系统一般由散热器、水泵、风扇、节温器、冷却液温度表和放水开关等组成。电动车发动机采用两种冷却方式，即空气冷却和水冷却，一般电动车发动机多采用水冷却。

（4）传动系统

图1-3所示为典型的纯电动车驱动桥，由于电动机具有良好的牵引特性，因此蓄电池汽车的传动系统不需要离合器和变速器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。

（5）行驶系统

行驶系统与燃料汽车类似，主要包括车架、车桥、车轮和悬架等。

电动车行驶系统的作用是接受电动机经传动系统传来的转矩，并通过驱动轮与路面间的附着作用，产生路面对电动车的牵引力，以保证整车正常行驶。此外，它应尽可能缓和不平路面对车身造成的冲击和振动，保证电动车正常行驶。

（6）转向系统

电动车转向系统的作用是保持或者改变电动车的行驶方向。包括转向操纵机构、转向器、转向传动机构等部件。

转向系统由转向盘、转向器、转向节、转向节臂、横拉杆、直拉杆等组成。电动车在转向行驶时，要保证各转向轮之间有协调的转角关系。驾驶人通过操纵转向系统，使电动车保持在直线或转弯运动状态，或者在上述两种运动状态间互相转换；还要保证在行驶状态下，转向轮不会产生自振，转向盘没有摆动，转向灵敏，最小转弯直径小，操纵轻便。

（7）制动系统

制动系统是电动车装备的全部制动和减速系统的总称，它的作用是使行驶中的电动车降低速度或停止行驶，或使已停驶的电动车保持不动。

制动系统包括制动器、制动传动装置。现代电动车制动系统中还装设了制动防抱死装置。

与燃料汽车相似，纯电动车的制动系统也由行车制动和驻车制动两套装置构成。

（8）电气设备

电动车电气设备主要由蓄电池、发电机、照明灯具、仪表、音响装置、刮水器等组成。

①蓄电池。蓄电池的作用是供给电动机用电。为了满足电动车对高电压的需要，纯电动车一般是以由多个12V或24V的电池串、并联形成的动力电池组作为动力源，动力电池组的电压为155～400V，用周期性的充电来补充电能。动力电池组是纯电动车的关键装备，它储存的电能及其自身的质量和体积对纯电动车的性能起决定性影响。

动力电池组在纯电动车上占据很大一部分有效的装载空间，在布置上有相当的难度，通常有集中式布置和分散式布置两种形式。通用公司的EV-1采用了Delco电池组，采用集中式布置形式，动力电池组的支架为T形架（图1-4）。T形架装在车辆的地板下面和行李舱下面的车架上，动力电池组固定在T形架上，有很好的稳定性，它从车辆的尾部安装。在T形架上装有动力电池组的通风系统、电线保护套等，用自动和手动断路器在车辆停车和车辆出现故障时切断电源，保证高压电路的安全。

日本丰田汽车公司的RAV4EV是将动力电池组用支架固定在纯电动车的车架上，动力电池组由24节12V的镍-氢电池组成，总电压为288V。动力电池组分成若干个“小组”，呈分散式布置在车架上，然后串联起来，这样可以充分利用车辆底盘上的有效空间。典型的动力电池组的分散式布置形式如图1-5所示。动力电池组布置在纯电动车地板下面是最常见的布置方法，这样方便安装和拆卸。

②灯具、仪表。灯具、仪表是提供照明并显示电动车状态的部件组合。仪表一般提供蓄电池电压显示、整车速度显示、行驶状态显示、灯具状态显示等，智能型仪表还能显示整车各电气部件的故障情况。

（9）能量回收系统

能量回收系统的作用是在电动车滑行时，能够将滑行产生的动能转换成机械能，并将其存储在电容器或为动力蓄电池充电，在使用时可迅速将能量释放。

（10）散热系统

由于蓄电池在车辆运行的过程中会产生大量的热量，因此，拥有一个良好的散热系统，无论是对电动车的安全还是其蓄电池的寿命长短至关重要。

（11）车身

车身分为车头和车厢两个部分。

车头是乘坐驾驶人的位置，一般可乘坐驾驶人和副驾驶人两人。

车厢是根据客户需求改装而来，包括车厢配置、用料、空间设计等。

为了使乘客获得最大的舒适感，电动车一般采用单人座并排的方式，至于座椅的数量则根据具体车型而有所不同。

（12）工业装置

工业装置是工业用纯电动车上用来完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成。

2.纯电动车的工作原理

纯电动车是由蓄电池的能量使电动机驱动车轮前进，如图1-6所示。能量流动路线为蓄电池→电流→电力调节器→电动机→动力传动系统→驱动轮。其中，蓄电池提供电流，经过电力调节器后输出到电动机，然后由电动机提供扭矩，经传动装置后驱动车轮实现车辆的行驶。

三、纯电动车的类型

纯电动车发展至今，种类较多，通常按照车辆驱动系统的组成、车载电源数目以及车辆的用途对纯电动车进行分类。

1.按驱动系统组成和布置形式分类

按照电力驱动子系统的组成和布置形式不同，纯电动车分为机械传动型、无变速器型、无差速器型和电动轮型四种，图1-7是各种形式驱动系统的示意图。

（1）机械传动型纯电动车

机械传动型纯电动车的结构如图1-7（a）所示，它是以燃油汽车发动机前置、后轮驱动的结构为基础发展而来的，保留了内燃机汽车的传动系统，不同之处是把内燃机换成了电动机。这种结构可以确保纯电动车的启动转矩及低速时的后备功率，对驱动电动机要求低，因此，可选择功率较小的电动机。

（2）无变速器型纯电动车

无变速器型纯电动车的一种结构如图1-7（b）所示，该结构的最大特点是取消了离合器和变速器，采用固定速比减速器，通过控制电动机来实现变速功能。这种结构的优点是机械传动装置的质量轻、体积小，但对电动机的要求比较高，不仅要求具有较高的启动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证纯电动车的起步、爬坡、加速等动力性能。

无变速器型纯电动车的另外一种结构如图1-7（c）所示，这种结构与传统燃油汽车的发动机横向前置、前轮驱动的布置方式类似。它把电动机、固定速比减速器以及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十分普遍。

（3）无差速器型纯电动车

无差速器型纯电动车的结构如图1-7（d）所示，这种结构采用了两台电动机，通过固定速比减速器来分别驱动两个车轮，可以实现对每个电动机转速的独立调节。因此，当汽车转向时，可以通过电动机的电子控制系统控制两个车轮的差速，从而满足转向的要求。但是，这种结构的电动机控制系统相对来说比较复杂。

（4）电动轮型纯电动车

电动轮型纯电动车的一种结构如图1-7（e）所示，这种结构是将电动机直接装在驱动轮内（也称轮毂电动机），可以进一步地缩短电动机到驱动车轮之间的动力传递路径，减少能量在传动路径上的损失，但要实现纯电动车的正常工作，还需要添加一个减速比较大的行星齿轮减速器，将电动机的转速降低到理想的车轮转速。

电动轮型纯电动车的另一种结构如图1-7（f）所示，这种结构将低速外转子电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，去掉了减速齿轮，因此电动机和车辆的驱动车轮之间没有任何机械传动装置，没有机械传动损失，能量的传递效率高，空间的利用率最大。但是这种结构对电动机的性能要求较高，要求其具有很高的启动转矩和较大的后备功率，以确保车辆的可靠工作。

2.按车载电源数不同分类

按车载电源数不同，纯电动车可以分为单电源纯电动车和多电源纯电动车两种。

（1）单电源纯电动车

在单电源纯电动车上，其主要电源一般是蓄电池，如铅酸电池、镍氢电池、锂电池等。单电源纯电动车的结构较为简单，控制也比较简单，其主要缺点是主电源的瞬时输出功率容易受蓄电池性能的影响，车辆制动能量的回馈效率也会受制于蓄电池的最大可接受电流及蓄电池的荷电状态。

（2）多电源纯电动车

多电源纯电动车一般由蓄电池加蓄能装置构成。采用蓄电池加超级电容或蓄电池加飞轮电池的电源组合，可以降低对蓄电池的容量、比能量、比功率等的要求。当汽车起步、加速、爬坡时，辅助蓄能装置（超级电容、飞轮电池）可短时间内输出大功率，协助蓄电池供电，使电动汽车的动力性提高；当汽车制动时，则利用辅助蓄能装置可接受大电流充电，提高制动能量回馈的效率。

3.按用途不同分类

按照用途不同，纯电动车可以分为纯电动轿车、纯电动货车和纯电动客车三种。

（1）纯电动轿车

纯电动轿车是目前最常见的纯电动车。除了一些概念车，纯电动轿车已经有了小批量生产，并已经进入市场。

（2）纯电动货车

顾名思义，纯电动货车就是主要用来运送货物的纯电动车，用作公路运输的纯电动货车目前还比较少见，而在矿山、工地及一些特殊场地，则早已出现了一些大吨位的纯电动载货汽车。

（3）纯电动客车

纯电动客车是一种以载客为目的的纯电动车，目前，纯电动小型客车也比较少见；纯电动大客车多用作公共汽车。

除上述三种外，纯电动车还有一种称为纯电动微型汽车。纯电动微型汽车有载客式、载货式及其他用途式，如图1-8所示。这种纯电动车的特点是体积小，时速低，一般最高车速在50～60km/h，行驶里程较短，成本低。

四、纯电动车的驱动系统布置形式

纯电动车的驱动系统由驱动电动机和驱动操纵系统共同组成，其结构形式不同，采用的驱动系统也不同。纯电动车的驱动系统有集中驱动系统和轮毂驱动系统两种。任何一种电动机都可以与不同的传动系统组合成集中驱动系统或轮毂驱动系统，并组成不同形式的系列化的纯电动车。

经过几十年的发展，新开发和研制出来的纯电动车的动力性能已经能够与内燃机汽车相媲美。纯电动车的驱动系统比内燃机汽车的驱动系统更加先进，结构更加紧凑。现代纯电动车大多数装备了专用电动机，有利于实现机电一体化和自动控制。

1.集中式驱动方式

集中式驱动方式主要由电动机、变速器和差速器等组成。它采用单电动机驱动代替内燃机，而传统内燃机汽车零部件及结构不改变，故设计制造成本低，但传动效率低，一般用于小型电动车辆。按有无变速器它又可分为传统型和电动机驱动桥型，而电动机驱动桥型又分为电动机驱动桥组合型和电动机驱动桥整体型两种。

（1）传统型

传统型驱动系统主要由电动机、变速器、差速器、半轴组成。它用电动机替代发动机，但仍然采用内燃机汽车的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成，结构复杂，效率低，不能充分发挥电动机的性能。传统驱动模式有电动机前置、驱动桥前置，电动机前置、驱动桥后置等多种形式，其结构如图1-9所示。

（2）电动机驱动桥型

①电动机驱动桥组合型。电动机驱动桥组合型驱动方式也称为“平行式电动机-传动装置组合式驱动系统”。它是在电动机的输出端的外壳下部，装置机械式传动装置的减速齿轮和差速器齿轮，动力经过左右两个半轴来驱动车轮，其结构如图1-10所示。这种电动机-传动装置组合式驱动系统结构紧凑，安装、使用和维护都十分方便。它有电动机前置、驱动桥前置，电动机后置、驱动桥后置等驱动模式。

②电动机驱动桥整体型。电动机驱动桥整体型驱动系统又可分为同轴式驱动系统和双联式驱动系统。

a.同轴式驱动系统。同轴式驱动系统的电动机是一种特殊的空心轴的电动机，在电动机一端的外壳中安装传动装置的减速齿轮和差速齿轮。差速器带动左右两个半轴，其中右半轴是通过电动机的空心轴与车轮相连，左半轴通过左端外壳与车轮相连接，如图1-11所示。电动机与传动装置组合成一个整体驱动桥，形成“机电一体化”驱动桥的传动系统，使纯电动车的传动系统更加紧凑，簧载质量大大地减轻，有利于提高车辆的平顺性。

b.双联式驱动系统。双联式驱动系统，取消了齿轮传动机构，完全实现了“机电一体化”传动方式。它由左、右两个永磁电动机直接通过半轴带动车轮转动。左、右两个电动机由中央控制器的电控差速模块控制，形成机电一体化的差速器，使驱动系统的结构简化，质量明显降低，它要比一般机械式差速器可靠和轻便。图1-12所示为由两个永磁电动机组成的双电动机驱动系统的结构示意图。双电动机驱动桥传动系统与相同功率的单电动机驱动桥传动系统相比较，电动机的直径要小得多，因此可以将双联式电动机驱动桥布置在纯电动车的地板下面，这样更加有利于车辆的整体布置。但双联式电动机的轴向长度要长一些。

2.轮毂驱动方式

电动轮驱动系统可以布置在纯电动车的两个前轮、两个后轮或四个车轮的轮毂中，成为前轮驱动、后轮驱动或四轮驱动的纯电动车。

轮毂电动机驱动方式有两种结构：一种是内定子外转子结构，其外转子直接安装在车轮的轮缘上，由于这种结构没有机械减速机构提供减速，因此通常要求电动机为低速转矩电动机；另一种就是一般的内转子外定子结构，其转子作为输出轴与固定减速比的行星齿轮变速器的太阳轮相连，而车轮轮毂与其齿圈连接，这样能提供较大的减速比，来放大其输出转矩。两种结构的轮毂电动机的结构示意图如图1-13所示。

图1-14为轮毂电动机的实物图，当采用轮毂电动机驱动时，纯电动车上驱动电动机输出的扭矩传递到驱动车轮的传递路径大大缩短，这样可腾出足够的空间，便于对总体布置的进一步优化，而且当采用内定子外转子结构时，还能够提高对车轮动态响应的控制性能。采用轮毂电动机时，由于可以对每台电动机的转速进行单独调节控制，因此可以实现电子差速，这样即可省去机械差速器，还有利于提高汽车在转弯时的操纵性。按照纯电动车上轮毂电动机的布置形式，纯电动车可以分为双前轮驱动、双后轮驱动和前后四轮驱动。

五、增程式纯电动车

增程式电动汽车是一种配有外充电和车载供电功能的纯电动车（也有将其归类于混合动力车）。装载的电池满足日常行车的动力需要，当超出了电池电力供应能力范围时，由其他动力源为电池组充电继续驱动车轮行驶。电池组可由地面充电桩充电或由车载发动机充电。整车运行模式可根据需要工作于纯电动模式和增程模式。

增程式电动汽车的工作模式与插电式混合动力汽车非常类似，两者都可以工作在纯电动模式下，电池组都具有外接充电方式和发动机充电方式。增程式电动汽车和插电式混合动力汽车的主要区别：混合动力汽车基本以内燃机为动力源行驶，电力只是补充，无法依靠纯电行驶太远；而增程式电动汽车，动力来源都是电力，发动机只是用作续行为电池充电。

增程式电动汽车的典型代表是雪佛兰Volt（图1-15），此外，吉利、长城、广汽、宝马、奇瑞等品牌汽车公司也相继推出增程式电动汽车。虽然Volt搭载了一款小型发动机，但其设计理念是以纯电动为主。在电池电量充足的情况下，驱动车辆的能量全部由电池提供，只有在电池电量不足的时候，会启动发动机给电池充电。

1.Volt动力系统布置

如图1-16所示，Volt采用前置前驱方式，充电接口位于车辆侧前方，T形锂电池布置在中部。动力系统由两台电动机和一个内燃机组成，通过三组离合器和一个行星轮连接，实现不同的工作模式，以适应行驶工况的需求。

2.Volt工作模式

Volt驱动系统采用同轴连接方式，电动机、行星齿轮、发动机呈直线排列，如图1-17所示。功率较大的主驱动电动机MG1与太阳轮机械连接，输出轴与行星齿轮架机械连接，齿圈的连接则因为三个离合器的不同结合状态形成不同的工作模式：低速纯电动模式、低速增程模式、高速纯电动模式和高速增程模式等。

（1）模式1（低速纯电动）

如图1-18所示，在该模式下，齿圈被离合器C1锁止，而离合器C2与离合器C3均处于分离状态。发电机和发动机与动力总成分开，都不工作。主驱动电动机通过行星齿轮减速后将动力传递给输出轴驱动车轮。该模式下，车辆仅由主驱动电动机驱动，最高速度65km/h。

（2）模式1（制动能量回馈）

如图1-19所示，在模式1状态下，踩下制动踏板，车辆进入制动能量回馈状态，该模式下主电动机作为发电机，由车轮能量带动电动机发电，将车辆的动能转换为电能储存回电池中。

（3）模式2（低速增程）

如图1-20所示，在车速为40～80km/h，电池电量在35％以下时，发动机启动，进入低速增程模式。该模式下，离合器C1和离合器C3结合，发动机带动发电机MG2进行发电。主驱动电动机从电池及发电机产生的电能驱动车辆。

（4）模式3（高速纯电动）

如图1-21所示，该模式下，离合器C1分离，离合器C2结合。电动机MG2与轮系内齿圈连接，电动机MG2和主驱动电动机MG1通过行星轮系同时驱动车辆行驶。电动机MG2加入降低了主驱动电动机MG1转速需求。

（5）模式3（制动能量回馈）

如图1-22所示，与模式1（制动能力回馈）状态相似，将车辆的动能转换为电能储存回电池中。

（6）模式4（高速增程）

如图1-23所示，在电池电量过低，高速行驶车况下，高速增程模式启动。该模式下，离合器C2、C3结合，C1分离。发动机与主驱动电动机MG1共同驱动车辆行驶，同时发动机带动发电机MG2给电池充电。

汽车长时间处于高速行驶的工况下，仅仅用电池作为能量源输出，汽车性能无法满足车辆动力性能需求，所以，行星齿轮动力耦合器将发动机与电动机两者动力耦合并输出动力。因此，对于第四种模式，更确切说法应该是属于混合动力模式，这在Volt的设计定位之初也颇具争议。

（7）模式5（停车发电）

如图1-24所示，在停车状态下，电池电量不足时，停车发电模式启动。离合器C3结合，主电动机关闭，发动机带动发电机MG2给电池充电，以补充电池电量。