第二节 纯电动汽车和燃料电池电动汽车的结构原理

一、纯电动汽车和燃料电池电动汽车的基本结构与传统内燃机汽车的区别

纯电动汽车和燃料电池电动汽车的基本结构与传统内燃机汽车的区别如图1-1所示。

二、纯电动汽车电力驱动系统的结构类型

纯电动汽车电力驱动系统结构可分为以下六种基本类型，如图1-2所示。

图1-2a所示为用驱动电机M取代内燃机类型，对于高档电动汽车一般采用自动变速器。本类型主要优点是可以避免因电机转矩不足而影响汽车加速性能的问题。

图1-2b所示类型在图1-2a基础上采用固定传动比减速器，并去掉离合器。其优点是通过控制电机的转速来控制车速，可省去离合器。缺点是为提高爬坡能力而选择大传动比减速器，故车辆高速行驶性能较差。

图1-2c所示为将电机、减速器和差速器集成为一个整体类型，其优点是结构紧凑、质量小，有利于降低成本，适用于大批量生产的小型车。

图1-2d所示为电子差速模式类型，即采用两个电机分别与两个相同固定传动比的减速器连成一个整体，然后用半轴和直接连接的方式分别驱动两个车轮。由于每个电机均可独立控制调节，从而省略了差速器。电子差速器的体积和质量更小，可以实现更精确的转弯控制，提高电动汽车性能。此外，其整车布置简单，且易于实现驱动防滑、制动力分配、防侧滑等多种功能，适用于中型或大型客车。

图1-2e所示为轮毂电机类型，其减速器采用固定大传动比行星齿轮减速器，空间紧凑，质量较小。

图1-2f所示为低速外转子电机类型，其电机的外转子直接与车轮的轮毂设计为一体，故完全省去了机械减速器。其主要优点是车辆的布置不受限制，并可以方便地实现四轮驱动。唯一缺点是车辆的驱动力完全取决于电机转矩的大小，故目前仅适用于自重较轻的小型电动汽车。

双电机驱动桥如图1-3所示，电机置于两侧，分别控制驱动两侧车轮。其主要优点是：由于在驱动桥中间省去了一个巨大的差速器桥包，故有利于降低汽车重心和重量，特别适合于大型电动公交车采用。

三、纯电动汽车和燃料电池电动汽车储能装置的结构类型

纯电动汽车和燃料电池电动汽车储能装置共有九种基本结构类型，如图1-4所示。

（1）单一蓄电池供电型 单一蓄电池供电型如图1-4a所示。动力蓄电池（俗称动力电池）种类繁多，有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、镍镉蓄电池、硅电池、锌空气电池等。电动汽车要求采用较高比能量和比功率电池，以分别满足续驶里程和加速性能的需要。

（2）两种蓄电池混合供电型 两种蓄电池混合供电型如图1-4b所示，其中，一种蓄电池提供高比能量，另一种蓄电池提供高比功率。故这种结构不仅解决了比能量和比功率的矛盾，而且比功率电池还可为制动能量回收起到显著的作用。

（3）燃料电池供电型 燃料电池供电型如图1-4c所示。氢燃料电池是最常见的燃料电池，其原理是在特定的介质和工况下，氢与氧结合产生水与电能。由于氢气很难液化，目前一般是以气态储存在高压车载气罐中；氧气可直接从空气中获得。燃料电池相当于一个小型发电机，可提供非常高的比能量，但却无法回收制动的再生能量。

（4）燃料电池与蓄电池混合供电型 燃料电池与蓄电池混合供电型如图1-4d所示，为解决燃料电池无法回收制动的再生能量的问题，将其与蓄电池一同使用。

（5）燃料电池带重整器与蓄电池混合供电型 燃料电池带重整器与蓄电池混合供电型如图1-4e所示。燃料电池所需氢气还可由常温的液态燃料（如甲醇、乙醇或汽油）随车产生。重整器是一种可随时分解液态燃料而产生氢气的小型装置。

（6）超级电容供电型 超级电容供电型如图1-4f所示。超级电容是以物理方式储存电能的装置。其优点是可以不受温度影响而大倍率地充分放电、维护简单、使用寿命长，且对制动再生能量的回收非常好。最大缺点则是比能量低、续驶里程短、占用空间大，故多用于公交车。

（7）超级电容与蓄电池组合供电型 超级电容与蓄电池组合供电型如图1-4g所示，为解决超级电容比能量低的问题，增加一个能够提供高比能量的蓄电池；同时还需要在二者之间采用一个DC/DC功率变换器，以解决超级电容使用电压比较低的问题。

（8）超级电容与燃料电池组合供电型 超级电容与燃料电池组合供电型如图1-4h所示，此种方案可取二者之长，既取燃料电池的高比能量与高比功率之长，又取超级电容优良的制动再生能量回收性能之长。

（9）高速飞轮与蓄电池组合供电型 高速飞轮与蓄电池组合供电型如图1-4i所示。高速飞轮也是一种高比功率和高制动能量回收性能的物理储能器。它一般是在一个高真空的密闭容器内高速旋转，既是一个发电机，又是一个电动机，可以实现电能与机械能的双向转换。此外，还需要在二者之间增加一个AC/DC变换器。

四、电动汽车的驱动系统布置形式

电动汽车的驱动系统布置形式可分为集中驱动系统与轮毂分散驱动系统两大类。

1．集中驱动系统

集中驱动系统包括传统驱动模式与电机驱动桥组合模式。

（1）传统驱动模式 传统驱动模式详见图1-5及其注解。

（2）电机驱动桥组合模式 电机驱动桥组合式驱动模式如图1-5b和图1-5c所示，它包括以下三种结构类型。

1）平行式电机驱动桥组合式，详见图1-6及其注解。

2）同轴式电机驱动桥组合式，详见图1-7及其注解。

3）双联式电机驱动桥组合式，详见图1-5c与图1-8及其注解。

2．轮毂驱动系统

轮毂驱动系统详见图1-5d、图1-9与图1-10及其注解。

五、纯电动汽车的工作原理

纯电动汽车工作原理详见图1-11及其注解。