第二章 电动汽车结构与设计北京理工大学林程 副教授车辆电动技术电动汽车结构特点传统燃油汽车：
– 液态汽油或柴油作燃料，内燃机驱动电动汽车：
– 电动机驱动，用蓄电池、燃料电池、电容器或飞轮作相应的能源,由于电容器和飞轮目前所能达到的比能量有限，因而它们不能单独作为电动汽车的能源。
– 结构灵活：动力传递方式、驱动系统布置
– 能源补充方式不同尽管大多数的电动汽车参数是从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴的，但电动汽车的结构和许多性能与技术参数有它本身的特征电动汽车基本结构电动汽车系统可分为三个子系统：
– 电力驱动子系统由电控单元、功率转换器、电机、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电动汽车的结构电子控制器 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 的功能是调节电机和电源之间的功率流能量管理系统 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电子控制器 功率转化器 电机 机械传动装置能量管理系统能量源辅助动力源动力转向单元能量单元温度控制单元车轮制动踏板加速踏板方向盘车轮电动驱动子系统能源子系统辅助子系统能源双线表示机械连接，粗实线表示电气连接，
细线表示控制信号连接典型电动车的基本结构电子控制器三相PWM转换器三相感应电机固定速比变速器和差速器能量管理系统镍氢电池辅助动力源动力转向系统蓄电池充电器冷风和暖气车轮制动踏板加速踏板方向盘车轮电驱动子系统能源子系统 辅助子系统交流电源电驱动的结构形式
M GB D
C
M FG D
M
FG
D
M
FG
FG
M
FG
FG
M
M
M
M
,离合器
,差速器
,固定速比变速箱
,变速箱
,电机
C
D
FG
GB
M
储能装置的结构形式
B P
B
P
B
FC
B
P
R FC
B
P
C
B
P
P FW
B
P
P
B
C
FC
FW
P
R
:蓄 电池
,电容器
,燃料电池
,超高速飞轮
,功率 转换器
,重整器所选用的蓄电池应该能提供足够高的比能量和比功率两种不同的蓄电池，其中一种能提供高比能量，另外一种提供高比功率燃料电池能提供高的比能量但不能回收再生制动能量，因此最好与高比功率且能高效回收制动能量的蓄电池结合在一起使用带小型重整器的电动汽车的结构简图，
燃料电池所需的氢气由重整器随车产生当用蓄电池与电容器进行混合时，所选的蓄电池必须能提供高比能量，因为电容器本身比蓄电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力超高速飞轮是具有高比功率和高效制动能量回收能力的储能器。超高速飞轮与具有两种工作模式（电动机和发电机）的电机转子相结合，
能够将电能和机械能进行双向转换。
所选用的蓄电池应能提供高比能量。
飞轮最好与无刷交流电机结合使用，
在蓄电池和飞轮之间加一个 AC—DC
转换器。
单电机或多电机驱动对于电动汽车，如果采用双电机或者四个电机驱动，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，电动汽车可以不用机械差速器。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。
车轮 车轮
o u t
in
inout
差速器带固定速比的电机车轮 车轮
o u t
in
ino u t
轮毂电机驱动如果将驱动电机直接安装在车轮上，可以缩短甚至可以去掉电机与车轮之间的机械传递装置
– 高速内转子电机，则必须装固定速比的减速器来降低车速
– 低速外转子电机，则可以完全去掉变速装置，外转子就安装在车轮轮缘上，而且电机转速和车轮转速相等，因而就不需要减速装置。但它是以低速电机的体积、重量和成本为代价的制动鼓轴承行星齿轮车轮轮胎轮胎轮辐编码器轴承电机绕组电机绕组
PM
PM
轮辐制动鼓车轮轮胎轮辐
PM
电机绕组编码器制动鼓轴承轮胎轮辐
PM
电机绕组制动鼓轴承车轮车轮电动汽车的质量设计电动汽车最重要的一条准则是：在满足电动汽车性能的前提下，实现最低的汽车质量。电动汽车每增加 1kg的重量，其百公里能耗就增加 5~10Wh的电能。
降低车重的措施在于：应在车上广泛采用新技术、新材料、新工艺；开展 结构优化设计；合理匹配动力驱动系统。
其中 和质心位置整车质心位置的变化直接影响电动汽车的操纵稳定性、制动性和平顺性。整车质心高度影响电动汽车抗倾覆的能力。整车质心过高，电动汽车易产生侧倾或纵倾，发生翻车事故。
12 k
b
k
aS
a
b
1k
2k
1k 2k
式中,电动汽车质心距前轴线的水平距离（ mm）；
：电动汽车质心距后轴线的水平距离（ mm）；
：两个前轮轮胎的侧偏刚度之和（ N/rad）；
：两个后轮轮胎的侧偏刚度之和（ N/rad），
的绝对值为负。
若 S=0，电动汽车为中性转向，其转向特性不良；
S＜ 0，电动汽车为过多转向，汽车易失去稳定，造成事故；
S＞ 0，电动汽车为不足转向。
电动汽车的典型工况与性能指标在城市高等级快速公路上行驶时，道路设施完善，路面为柏油路和水泥路，由于广泛采用立体交通，立交桥的路面坡度一般为 4～ 5%。电动汽车在这种路面上行驶时，车速一般为 60～ 100Km/h。目前电动汽车的比功率均低于燃油汽车，相应地，电动汽车的最高车速略低一些。电动轿车的最高车速一般选为 80～ 100Km/h，电动大客车的最高车速一般为 75～ 90Km/h。
应考虑到电动汽车在立交桥坡道上原地起步的工况。因此，
在这种路面上电动汽车能克服的坡度不应低于 15%。对于在市区运行的电动公共汽车，车站与车站之间的距离通常为 1Km左右，车辆需要经常起步和停车，乘客时多时少，
高峰时电动公共汽车的超载能力为设计载荷能力的 1.4～
1.8倍。尤其在夏天，电动公共汽车长时间在高温、高负荷状态下工作，因此应考虑合理的过热和过载保护。
电动汽车的典型工况与性能指标最大坡度行驶工况，我国某些沿海港口、
旅游观光胜地以及内地山城的城区郊区的坡度较大。坡度在 15%左右，考虑到在坡道上起步的能力，根据电动汽车的不同用途，电动汽车能克服的最大坡度一般选
18～ 27%比较合适（有特殊要求的除外）。
电动汽车的典型工况与性能指标汽油机轿车的加速性能很高，高级轿车的超车加速性能要求更高，因此轿车的后备功率很大，最大功率在 100KW以上。纯电动轿车由于受到电动机功率和动力电池的重量与尺寸的限制，要达到同类汽油机轿车的加速性，目前还比较困难。电动汽车的加速能力与其最大爬坡能力相当即可。
传动装置电动机的力矩变化范围不能满足电动汽车行驶性能的要求，
因此，在电动机和驱动轮之间需要安装一个机械减速箱或变速箱。
另一方面，可以使电动机经常保持在高效率的工作范围内工作，减轻电动机和动力电池组的负荷。采用一个两档变速箱，
即可满足电动汽车行驶阻力变化范围的要求，同时可以减轻电动机和动力电池组的负荷，
提高工作效率，而传动装置的结构也不复杂电动机传动轴两档变速器和差速器一体化电动汽车的行驶性能电动汽车和传统内燃机汽车的性能既有相同之处又有区别
– 这两种汽车的转向装置、悬架装置及制动系统基本上也是相同的。
– 它们之间的主要差别是采用了不同的动力源。内燃机汽车是燃油混合气体在内燃机中燃烧作功，从而推动汽车前进。电动汽车是由蓄电池提供电能，经过驱动系统和电动机，驱动电动汽车行驶。
因此，电动汽车的操纵稳定性、平顺性及通过性与内燃机汽车完全相同。
– 电动汽车本身除具有再生制动性能外，与内燃机的制动性能也是相同的。对于电动汽车不存在燃油经济性。电动汽车的能量供给和消耗，与蓄电池的性能密切相关，直接影响电动汽车的动力性和续驶里程，同时影响电动汽车行驶的成本效益，这是研究电动汽车经济性的课题。
电动汽车的驱动力电动汽车的的驱动力,（ N·m）
（ N）
0iMiM dt?
r
iMi
r
MF gt
t
0
式中,Ft——驱动力（ N）；
M——电动机输出转矩（ N·m）；
ig——减速器或者变速箱传动比；
io——主减速器传动比；
η——电动汽车机械传动效率；
r——驱动轮半径（ m）。
一般机械传动装置效率可以按下式计算：
mzny
式中,ηy——圆柱齿轮对的效率,ηy＝ 0.97～ 0.98；
ηz——圆锥齿轮对的效率,ηz＝ 0.96～ 0.97；
n——传递转矩时处于啮合状态的圆柱齿轮对数；
m——传递转矩时处于啮合状态的圆锥齿轮对数。
对于单排行星减速器的效率值一般取 0.97～ 0.98。
万向传动轴的效率取 0.98。
电动机的转矩特性假设原动机在不同转速时的功率保持不变，则：
（ kW）
式中 n——原动机转速（ r/min）
M——原动机转矩（ N·m）；
PM——原动机的输出功率（ kW）
在原动机的工作转速范围内，转矩与转速成反比、转矩特性是一条在第一象限内的双曲线。转速低时转矩大，转速高时转矩小。这种特性比较接近汽车的行驶工况。但是各种原动机的转矩特性与这种理想的特性是有区别的。
9549
MnP
M?
电动机的转矩特性
50kw电机交流感应转矩特性行驶阻力计算电动汽车在坡道上上坡加速行驶时，作用于电动汽车上的阻力与驱动力保持平衡，
建立如下的汽车行驶方程式：
jifft FFFFF
式中 Ft——电动汽车驱动力；
Ff——电动汽车行驶时的滚动阻力 (N)；
Fw——电动汽车行驶时的空气阻力 (N) ；
Fj——电动汽车行驶时的加速阻力 (N)；
Fi——电动汽车行驶时的坡道阻力 (N)；
cosGfFf
15.21 2?AVCF Dw?
sinGFi
dtdvgGFj
驱动力与行驶阻力平衡通常对汽车的动力性的评价指标有三种，即汽车的最高车速，最大加速能力和最大爬坡度。
– 汽车的最高车速是指汽车在无风的条件下，
在水平良好硬路面上所能到达的的最高车速。
– 汽车的加速能力用汽车原地起步的加速能力和超车加速能力来表示。通常采用汽车加速过程中所经过的加速时间和加速距离作为评价汽车加速性的指标。
– 汽车的爬坡能力是指汽车在良好道路上以最低行驶车速上坡行驶的最大坡度。
0
377.0 ii rnV
d
G
FFi fwt
)( fwt FFGgdtdv
五种不同减速比的电动汽车爬坡度五种不同主减速比的电动汽车加速曲线驱动力
Ft /
kN
速度 Va / kmh-1
25%
20%(ig1=3.393)
15%
10%
6.25% (ig2=1)
5%
2.3%
0%
7321.7
驱动力 —行驶阻力图电动汽车的功率平衡电动机输出功率车速为 Va时的加速度为车速为 V0时的爬坡度为
)3600761403600s in3600c o s(1 3 dtdVgGVAVCaVGaVGfP aaDaaM
式中 PM—— 电动机输出功率（ kW）；
G—— 车重（ N）；
Va—— 车速（ km/h）；
η—— 电动汽车电动机输出轴至驱动轮之机械传动装置的总效率；
dtdV—— 电动汽车的行驶加速度（ m/s
2）,
)](1[3600 wft
a
PPPGV gdtdV
)](1[3600 wft
o
PPPGVi
电动汽车功率平衡图车速 Va / kmh-1
功率
P
/k
W
21.7 73
T
wf PP
I档
II档电动汽车的主电路电动汽车在运行过程中，主电路中的电流变化较大，主电路电流的大小不仅影响系统的散热与正常工作，而且直接影响蓄电池放电性能与使用寿命，同时影响一次充电后的续驶里程。当采用交流感应电动机时,电动汽车的主电路 是指给电动汽车行驶提供所需能量的电路，即动力蓄电池组到控制器和逆变器之间的直流电路，以及逆变器与交流感应电动机之间的交流电路 。P B
M
U B
I B P I V I P I V O
1 V t
M
P M
P MI
U MI
电动汽车主电路传递的功率由图可知,PB＝ PIVI
式中：
PB——动力蓄电池组的输出功率；
PIVI——逆变器的输入功率。
PB＝ UB·I B（ W）
式中：
UB——动力蓄电串联时的端电压（ V）；
IB——动力蓄电组串联时的输出电流（ A）
由于蓄电池存在内阻，接通电路后，端电压将有所下降，此处忽略不计，假设逆变器的效率为 ηIV，电动机的效率为
ηM，则式中：
PIVO——逆变器的输出功率；
PMI——电动机的输入功率。
对于三相交流感应电动机，有
（ W）
式中：
UMI——逆变器输出端的线电压（ V）；
IMI——逆变器输出端的线电流（ A）；
Cosφ——变流感应电动机的功率因数。
另外：
1IVIVIVO I PP
MIIVO PP?
BIVIVO PP
c o s3 MIMIMI IUP?
MIMM
BIVMI
PP
PP
主电路的负载电流电动汽车的在行驶过程中各种工况下消耗的功率是不同的，主电路的复杂电流也不一样。电动汽车等速行驶所需的功率换算至电机输出轴为：
电动汽车主电路中的直流电路的负载电流为电动汽车主电路中的交流电路的负载电流为采用类似的算法，可以计算电动汽车在加速时的主电路的负载电流或在坡道上等速爬坡时主电路的负载电流。
)(1000
))(
761403600
(1
3
WPP
kWAVGG f VP
fwM
D
fw
BIVM
fw
B
BCD
U
P
U
PI
1000
c o s3c o s3 2/12/1 MMI MMIMIAC U
P
U
PI
电动汽车的续驶里程电动汽车上动力蓄电池组两次充足电之间的总行驶里程称为电动汽车的 续驶里程,
以公里（ km）表示影响因素
– 行驶的环境状况
– 行驶规范
– 蓄电池的性能
– 电动汽车的总质量
– 辅助装置的能量消耗行驶的环境状况在相同的车辆条件下，电动汽车行驶的道路与环境气候影响着电动汽车行驶的能量消耗，如气温的高低，风力的方向与大小，
道路的种类与交通拥挤状况都会使车辆的能量消耗增加或减小，从而使电动汽车的续驶里程有显著的区别。
电动汽车的行驶规范行驶规范是指预先确定的行驶速度与时间的变化关系图线。
电动汽车试验时必须沿着规范给定的速度时间程序行驶。通常称为 多工况道路循环试验法 。
采用多工况道路循环试验较为接近车辆实际的行驶工况，具有较好的可比性。
国外测试电动汽车续驶里程常采用多工况道路循环试验法：联合国欧洲经济委员会（ ECE）采用
ECE-R15，即十五工况法；日本采用十工况城市循环；美国电动汽车采用 SAEJ227a试验循环
ECE城市循环日本 10.15工况循环
SAE J227a实验循环滚动阻力与空气阻力消耗滚动阻力与空气阻力消耗的能量是电动汽车能量消耗的主要组成部分
GM的,Impact”与日本,IZA”电动轿车在这方面达到了当前最高技术水平。
蓄电池的性能蓄电池的性能参数主要是指蓄电池的能量密度、额定容量、放电率、放电电流、放电深度、蓄电池内阻，特别是指整组的一致性及电池的环境温度等是影响电动汽车行驶的能量消耗和续驶里程的重要因素。
蓄电池性能对续驶里程的影响实际要复杂得多。
电动汽车的总质量电动汽车在行驶过程中所消耗的功率，除了空气阻力功率之外，都是与电动汽车的总质量乘正比。
电动汽车的总质量越大，消耗的功率和能量越高，
它们之间 呈线形比例关系 。
因而，电动汽车的续驶里程随其总质量的增加而减少。由此可知，增加电动汽车上的电池数量，
一方面可以增加电动汽车的总能量储备和续驶里程，另一方面也将大大增加电动汽车的总质量，
又会增大电动汽车的能量消耗，降低电动汽车的续驶里程。
辅助装置的能量消耗汽车上制动系统的空气压缩机，转向系的油泵均需要辅助电动机驱动，其它还有照明、音响、通风、取暖、空调都需要消耗蓄电池的电能。空调除外，这部分能量消耗约占电动汽车总能耗的 6～
12％。
空调采用涡旋式压缩机，制冷量相同的条件下，
比往复式压缩机的能耗要低一半，在一个合理的时间内降低车内的空气温度到一个可接受的水平，
尽量减少空调的能量消耗。
经过单位换算后化简得：
（ kW）
电动汽车的续驶里程采用电动汽车在道路上滑行试验的方法可求取汽车的滚动阻力和空气阻力，试验中采用五轮仪记录汽在滑行过程的
v-t曲线
r
M
dt
dV
g
GFF m
wf
Mm是传动系统加于驱动轮的摩擦阻力矩。将上式两端乘以平均速度，克服道路滚动阻力和空气阻力消耗的功率为：
1
112 21 0 0 06.3
nn
nnnnwf tt VVVVMPPP
1
2 1251086.3
nn
nn tt VVMP
电动汽车的续驶里程电动汽车行驶单位里程消耗的能量是：
电动汽车滑行时的平均车速为：
因此，电动汽车在平均车速下，克服道路滚动阻力和空气阻力的单位里程消耗的能量为,（ kWh/km）
（ kWh/km）
VPS SFe
21 nn
VVV
)2(3 6 0 06.3 1 nn VVMe
)(1072.7
1
15
nn
nn
tt
VVMe －
电动汽车车速与功率和能量关系电动汽车行驶所需功率与速度关系 电动汽车行驶所需能量与车速关系美国 G型厢式电动汽车的试验数据参数 原车型 改型车 载货车整备质量 /kg 3460 3451 3226
试验质量 /kg 3682 3682 3530**
100％充电时最大车速 /(km/h) 86.0 84.5 88.7
20％充电时最大车速 /(km/h) 86.3 84.8 89.5
100％充电、五分钟工作最大车速 /(km/h) － 84.0 88.4
20％充电、五分钟工作最大车速 /(km/h) － 84.0 87.4
从 0加速至 48km/h100％充电加速时间 /s 12.2 12.1 11.9
从 0加速至 48km/h20％充电加速时间 /s 12.4 12.2 12.1
在 18％坡度上,100％充电最大车速 /（ km/h） 10.9 － －
在 18％坡度上,20％充电最大车速 /（ km/h） 10.8 － －
从 48 km/h开始制动的制动距离 /mm 16.7 － －
56km/h等速行驶交流能量消耗 /(wh/km) 470 390 416
56km/h等速行驶直流能量消耗 /(wh/km) 271 232 234
SAEJ227aC循环交流能量消耗 /（ wh/km） 693 650 576
SAEJ227aC循环直流能量消耗 /（ wh/km） *** 366 329 335
城市市区行驶交流能量消耗 /（ wh/km） 987 952 920
城市市区行驶直流流能量消耗 /（ wh/km） 518 400**** 520
G型厢式电动汽车与温度有关的实验结果参数 原型车 改型车 载货车
56km/h等速行驶续驶行程 /km 130.6 144.6 158.7
SAEJ227aC循环续驶行程 /km 84.5 91.1 97.6
城市市区行驶路线续驶行程 /km 54.3 49.7① 59.1
10%坡度上的持续行程 /km - 8.4 -
电动汽车的能量经济性电动汽车的能量经济性的另一种定义：
（ km/kWh AC）
设电动汽车行驶时单位里程能耗 e（ kWh/km），电动汽车总质量为 M，单位以吨（ t）表示时将电动汽车行驶的比能耗定义为 e0，则能量充电状态所需的交流电蓄电池再充电恢复到原 驶里程预定行驶规范所走的续电动汽车经济性＝
)/(0 tkmk W hMee
国内外电动汽车比能耗与续驶里程的统计数据电动汽车单位里程的能耗在 0.11～ 1.07kWh/km范围内变化。电动汽车比能耗在 0.035～ 0.11范围内变化车型 总质量 /kg 总能量 /kWh 续驶里程 /km 能耗 /(kWh/km) 比能耗 /(kWh/km·t)
Impact 1345 16.2 95 0.145 0.107
G型厢式电动汽车 3530 33.55 97.6 0.344 0.097
U.S电动轿车 16420 130 120.7 1.077 0.066
大发 HJ－ IET 1395 14.4 100 0.144 0.103
IZA 1573 28.8 548 0.05260 0.035
华利微型电动汽车 1420 14.4 90 0.16 0.113
清华号电动汽车 1290 14.4 100 0.144 0.11
华联,HL－ 42” 1378 17.2 156 0.11 0.08
华联,HL－ 61” 4560 42.2 156～ 128 0.27～ 0.19 0.04~0.06
北京市大通道电车 16000～ 18000 90① 100 0.9 0.05~0.06
电池国家标准 16000～ 18000 115① 100 1.15 0.064~0.072
美国加州试验结果 0.15~0.22
0.132~0.294
奥地利 150辆电动汽车试验结果 0.134~0.25
YW61200DD电动大客车
(40km/h等速 )
16980 110 165.2 0.665 0.039
BJD6100EV电动公交车 (40km/h
等速 )
15610 113.03 168 0.672 0.043
– 液态汽油或柴油作燃料，内燃机驱动电动汽车：
– 电动机驱动，用蓄电池、燃料电池、电容器或飞轮作相应的能源,由于电容器和飞轮目前所能达到的比能量有限，因而它们不能单独作为电动汽车的能源。
– 结构灵活：动力传递方式、驱动系统布置
– 能源补充方式不同尽管大多数的电动汽车参数是从发展成熟的燃油汽车体系中借鉴的，但电动汽车的结构和许多性能与技术参数有它本身的特征电动汽车基本结构电动汽车系统可分为三个子系统：
– 电力驱动子系统由电控单元、功率转换器、电机、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电动汽车的结构电子控制器 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 的功能是调节电机和电源之间的功率流能量管理系统 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电子控制器 功率转化器 电机 机械传动装置能量管理系统能量源辅助动力源动力转向单元能量单元温度控制单元车轮制动踏板加速踏板方向盘车轮电动驱动子系统能源子系统辅助子系统能源双线表示机械连接，粗实线表示电气连接，
细线表示控制信号连接典型电动车的基本结构电子控制器三相PWM转换器三相感应电机固定速比变速器和差速器能量管理系统镍氢电池辅助动力源动力转向系统蓄电池充电器冷风和暖气车轮制动踏板加速踏板方向盘车轮电驱动子系统能源子系统 辅助子系统交流电源电驱动的结构形式
M GB D
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,离合器
,差速器
,固定速比变速箱
,变速箱
,电机
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储能装置的结构形式
B P
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FC
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:蓄 电池
,电容器
,燃料电池
,超高速飞轮
,功率 转换器
,重整器所选用的蓄电池应该能提供足够高的比能量和比功率两种不同的蓄电池，其中一种能提供高比能量，另外一种提供高比功率燃料电池能提供高的比能量但不能回收再生制动能量，因此最好与高比功率且能高效回收制动能量的蓄电池结合在一起使用带小型重整器的电动汽车的结构简图，
燃料电池所需的氢气由重整器随车产生当用蓄电池与电容器进行混合时，所选的蓄电池必须能提供高比能量，因为电容器本身比蓄电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力超高速飞轮是具有高比功率和高效制动能量回收能力的储能器。超高速飞轮与具有两种工作模式（电动机和发电机）的电机转子相结合，
能够将电能和机械能进行双向转换。
所选用的蓄电池应能提供高比能量。
飞轮最好与无刷交流电机结合使用，
在蓄电池和飞轮之间加一个 AC—DC
转换器。
单电机或多电机驱动对于电动汽车，如果采用双电机或者四个电机驱动，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，电动汽车可以不用机械差速器。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。
车轮 车轮
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差速器带固定速比的电机车轮 车轮
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轮毂电机驱动如果将驱动电机直接安装在车轮上，可以缩短甚至可以去掉电机与车轮之间的机械传递装置
– 高速内转子电机，则必须装固定速比的减速器来降低车速
– 低速外转子电机，则可以完全去掉变速装置，外转子就安装在车轮轮缘上，而且电机转速和车轮转速相等，因而就不需要减速装置。但它是以低速电机的体积、重量和成本为代价的制动鼓轴承行星齿轮车轮轮胎轮胎轮辐编码器轴承电机绕组电机绕组
PM
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轮辐制动鼓车轮轮胎轮辐
PM
电机绕组编码器制动鼓轴承轮胎轮辐
PM
电机绕组制动鼓轴承车轮车轮电动汽车的质量设计电动汽车最重要的一条准则是：在满足电动汽车性能的前提下，实现最低的汽车质量。电动汽车每增加 1kg的重量，其百公里能耗就增加 5~10Wh的电能。
降低车重的措施在于：应在车上广泛采用新技术、新材料、新工艺；开展 结构优化设计；合理匹配动力驱动系统。
其中 和质心位置整车质心位置的变化直接影响电动汽车的操纵稳定性、制动性和平顺性。整车质心高度影响电动汽车抗倾覆的能力。整车质心过高，电动汽车易产生侧倾或纵倾，发生翻车事故。
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k
aS
a
b
1k
2k
1k 2k
式中,电动汽车质心距前轴线的水平距离（ mm）；
：电动汽车质心距后轴线的水平距离（ mm）；
：两个前轮轮胎的侧偏刚度之和（ N/rad）；
：两个后轮轮胎的侧偏刚度之和（ N/rad），
的绝对值为负。
若 S=0，电动汽车为中性转向，其转向特性不良；
S＜ 0，电动汽车为过多转向，汽车易失去稳定，造成事故；
S＞ 0，电动汽车为不足转向。
电动汽车的典型工况与性能指标在城市高等级快速公路上行驶时，道路设施完善，路面为柏油路和水泥路，由于广泛采用立体交通，立交桥的路面坡度一般为 4～ 5%。电动汽车在这种路面上行驶时，车速一般为 60～ 100Km/h。目前电动汽车的比功率均低于燃油汽车，相应地，电动汽车的最高车速略低一些。电动轿车的最高车速一般选为 80～ 100Km/h，电动大客车的最高车速一般为 75～ 90Km/h。
应考虑到电动汽车在立交桥坡道上原地起步的工况。因此，
在这种路面上电动汽车能克服的坡度不应低于 15%。对于在市区运行的电动公共汽车，车站与车站之间的距离通常为 1Km左右，车辆需要经常起步和停车，乘客时多时少，
高峰时电动公共汽车的超载能力为设计载荷能力的 1.4～
1.8倍。尤其在夏天，电动公共汽车长时间在高温、高负荷状态下工作，因此应考虑合理的过热和过载保护。
电动汽车的典型工况与性能指标最大坡度行驶工况，我国某些沿海港口、
旅游观光胜地以及内地山城的城区郊区的坡度较大。坡度在 15%左右，考虑到在坡道上起步的能力，根据电动汽车的不同用途，电动汽车能克服的最大坡度一般选
18～ 27%比较合适（有特殊要求的除外）。
电动汽车的典型工况与性能指标汽油机轿车的加速性能很高，高级轿车的超车加速性能要求更高，因此轿车的后备功率很大，最大功率在 100KW以上。纯电动轿车由于受到电动机功率和动力电池的重量与尺寸的限制，要达到同类汽油机轿车的加速性，目前还比较困难。电动汽车的加速能力与其最大爬坡能力相当即可。
传动装置电动机的力矩变化范围不能满足电动汽车行驶性能的要求，
因此，在电动机和驱动轮之间需要安装一个机械减速箱或变速箱。
另一方面，可以使电动机经常保持在高效率的工作范围内工作，减轻电动机和动力电池组的负荷。采用一个两档变速箱，
即可满足电动汽车行驶阻力变化范围的要求，同时可以减轻电动机和动力电池组的负荷，
提高工作效率，而传动装置的结构也不复杂电动机传动轴两档变速器和差速器一体化电动汽车的行驶性能电动汽车和传统内燃机汽车的性能既有相同之处又有区别
– 这两种汽车的转向装置、悬架装置及制动系统基本上也是相同的。
– 它们之间的主要差别是采用了不同的动力源。内燃机汽车是燃油混合气体在内燃机中燃烧作功，从而推动汽车前进。电动汽车是由蓄电池提供电能，经过驱动系统和电动机，驱动电动汽车行驶。
因此，电动汽车的操纵稳定性、平顺性及通过性与内燃机汽车完全相同。
– 电动汽车本身除具有再生制动性能外，与内燃机的制动性能也是相同的。对于电动汽车不存在燃油经济性。电动汽车的能量供给和消耗，与蓄电池的性能密切相关，直接影响电动汽车的动力性和续驶里程，同时影响电动汽车行驶的成本效益，这是研究电动汽车经济性的课题。
电动汽车的驱动力电动汽车的的驱动力,（ N·m）
（ N）
0iMiM dt?
r
iMi
r
MF gt
t
0
式中,Ft——驱动力（ N）；
M——电动机输出转矩（ N·m）；
ig——减速器或者变速箱传动比；
io——主减速器传动比；
η——电动汽车机械传动效率；
r——驱动轮半径（ m）。
一般机械传动装置效率可以按下式计算：
mzny
式中,ηy——圆柱齿轮对的效率,ηy＝ 0.97～ 0.98；
ηz——圆锥齿轮对的效率,ηz＝ 0.96～ 0.97；
n——传递转矩时处于啮合状态的圆柱齿轮对数；
m——传递转矩时处于啮合状态的圆锥齿轮对数。
对于单排行星减速器的效率值一般取 0.97～ 0.98。
万向传动轴的效率取 0.98。
电动机的转矩特性假设原动机在不同转速时的功率保持不变，则：
（ kW）
式中 n——原动机转速（ r/min）
M——原动机转矩（ N·m）；
PM——原动机的输出功率（ kW）
在原动机的工作转速范围内，转矩与转速成反比、转矩特性是一条在第一象限内的双曲线。转速低时转矩大，转速高时转矩小。这种特性比较接近汽车的行驶工况。但是各种原动机的转矩特性与这种理想的特性是有区别的。
9549
MnP
M?
电动机的转矩特性
50kw电机交流感应转矩特性行驶阻力计算电动汽车在坡道上上坡加速行驶时，作用于电动汽车上的阻力与驱动力保持平衡，
建立如下的汽车行驶方程式：
jifft FFFFF
式中 Ft——电动汽车驱动力；
Ff——电动汽车行驶时的滚动阻力 (N)；
Fw——电动汽车行驶时的空气阻力 (N) ；
Fj——电动汽车行驶时的加速阻力 (N)；
Fi——电动汽车行驶时的坡道阻力 (N)；
cosGfFf
15.21 2?AVCF Dw?
sinGFi
dtdvgGFj
驱动力与行驶阻力平衡通常对汽车的动力性的评价指标有三种，即汽车的最高车速，最大加速能力和最大爬坡度。
– 汽车的最高车速是指汽车在无风的条件下，
在水平良好硬路面上所能到达的的最高车速。
– 汽车的加速能力用汽车原地起步的加速能力和超车加速能力来表示。通常采用汽车加速过程中所经过的加速时间和加速距离作为评价汽车加速性的指标。
– 汽车的爬坡能力是指汽车在良好道路上以最低行驶车速上坡行驶的最大坡度。
0
377.0 ii rnV
d
G
FFi fwt
)( fwt FFGgdtdv
五种不同减速比的电动汽车爬坡度五种不同主减速比的电动汽车加速曲线驱动力
Ft /
kN
速度 Va / kmh-1
25%
20%(ig1=3.393)
15%
10%
6.25% (ig2=1)
5%
2.3%
0%
7321.7
驱动力 —行驶阻力图电动汽车的功率平衡电动机输出功率车速为 Va时的加速度为车速为 V0时的爬坡度为
)3600761403600s in3600c o s(1 3 dtdVgGVAVCaVGaVGfP aaDaaM
式中 PM—— 电动机输出功率（ kW）；
G—— 车重（ N）；
Va—— 车速（ km/h）；
η—— 电动汽车电动机输出轴至驱动轮之机械传动装置的总效率；
dtdV—— 电动汽车的行驶加速度（ m/s
2）,
)](1[3600 wft
a
PPPGV gdtdV
)](1[3600 wft
o
PPPGVi
电动汽车功率平衡图车速 Va / kmh-1
功率
P
/k
W
21.7 73
T
wf PP
I档
II档电动汽车的主电路电动汽车在运行过程中，主电路中的电流变化较大，主电路电流的大小不仅影响系统的散热与正常工作，而且直接影响蓄电池放电性能与使用寿命，同时影响一次充电后的续驶里程。当采用交流感应电动机时,电动汽车的主电路 是指给电动汽车行驶提供所需能量的电路，即动力蓄电池组到控制器和逆变器之间的直流电路，以及逆变器与交流感应电动机之间的交流电路 。P B
M
U B
I B P I V I P I V O
1 V t
M
P M
P MI
U MI
电动汽车主电路传递的功率由图可知,PB＝ PIVI
式中：
PB——动力蓄电池组的输出功率；
PIVI——逆变器的输入功率。
PB＝ UB·I B（ W）
式中：
UB——动力蓄电串联时的端电压（ V）；
IB——动力蓄电组串联时的输出电流（ A）
由于蓄电池存在内阻，接通电路后，端电压将有所下降，此处忽略不计，假设逆变器的效率为 ηIV，电动机的效率为
ηM，则式中：
PIVO——逆变器的输出功率；
PMI——电动机的输入功率。
对于三相交流感应电动机，有
（ W）
式中：
UMI——逆变器输出端的线电压（ V）；
IMI——逆变器输出端的线电流（ A）；
Cosφ——变流感应电动机的功率因数。
另外：
1IVIVIVO I PP
MIIVO PP?
BIVIVO PP
c o s3 MIMIMI IUP?
MIMM
BIVMI
PP
PP
主电路的负载电流电动汽车的在行驶过程中各种工况下消耗的功率是不同的，主电路的复杂电流也不一样。电动汽车等速行驶所需的功率换算至电机输出轴为：
电动汽车主电路中的直流电路的负载电流为电动汽车主电路中的交流电路的负载电流为采用类似的算法，可以计算电动汽车在加速时的主电路的负载电流或在坡道上等速爬坡时主电路的负载电流。
)(1000
))(
761403600
(1
3
WPP
kWAVGG f VP
fwM
D
fw
BIVM
fw
B
BCD
U
P
U
PI
1000
c o s3c o s3 2/12/1 MMI MMIMIAC U
P
U
PI
电动汽车的续驶里程电动汽车上动力蓄电池组两次充足电之间的总行驶里程称为电动汽车的 续驶里程,
以公里（ km）表示影响因素
– 行驶的环境状况
– 行驶规范
– 蓄电池的性能
– 电动汽车的总质量
– 辅助装置的能量消耗行驶的环境状况在相同的车辆条件下，电动汽车行驶的道路与环境气候影响着电动汽车行驶的能量消耗，如气温的高低，风力的方向与大小，
道路的种类与交通拥挤状况都会使车辆的能量消耗增加或减小，从而使电动汽车的续驶里程有显著的区别。
电动汽车的行驶规范行驶规范是指预先确定的行驶速度与时间的变化关系图线。
电动汽车试验时必须沿着规范给定的速度时间程序行驶。通常称为 多工况道路循环试验法 。
采用多工况道路循环试验较为接近车辆实际的行驶工况，具有较好的可比性。
国外测试电动汽车续驶里程常采用多工况道路循环试验法：联合国欧洲经济委员会（ ECE）采用
ECE-R15，即十五工况法；日本采用十工况城市循环；美国电动汽车采用 SAEJ227a试验循环
ECE城市循环日本 10.15工况循环
SAE J227a实验循环滚动阻力与空气阻力消耗滚动阻力与空气阻力消耗的能量是电动汽车能量消耗的主要组成部分
GM的,Impact”与日本,IZA”电动轿车在这方面达到了当前最高技术水平。
蓄电池的性能蓄电池的性能参数主要是指蓄电池的能量密度、额定容量、放电率、放电电流、放电深度、蓄电池内阻，特别是指整组的一致性及电池的环境温度等是影响电动汽车行驶的能量消耗和续驶里程的重要因素。
蓄电池性能对续驶里程的影响实际要复杂得多。
电动汽车的总质量电动汽车在行驶过程中所消耗的功率，除了空气阻力功率之外，都是与电动汽车的总质量乘正比。
电动汽车的总质量越大，消耗的功率和能量越高，
它们之间 呈线形比例关系 。
因而，电动汽车的续驶里程随其总质量的增加而减少。由此可知，增加电动汽车上的电池数量，
一方面可以增加电动汽车的总能量储备和续驶里程，另一方面也将大大增加电动汽车的总质量，
又会增大电动汽车的能量消耗，降低电动汽车的续驶里程。
辅助装置的能量消耗汽车上制动系统的空气压缩机，转向系的油泵均需要辅助电动机驱动，其它还有照明、音响、通风、取暖、空调都需要消耗蓄电池的电能。空调除外，这部分能量消耗约占电动汽车总能耗的 6～
12％。
空调采用涡旋式压缩机，制冷量相同的条件下，
比往复式压缩机的能耗要低一半，在一个合理的时间内降低车内的空气温度到一个可接受的水平，
尽量减少空调的能量消耗。
经过单位换算后化简得：
（ kW）
电动汽车的续驶里程采用电动汽车在道路上滑行试验的方法可求取汽车的滚动阻力和空气阻力，试验中采用五轮仪记录汽在滑行过程的
v-t曲线
r
M
dt
dV
g
GFF m
wf
Mm是传动系统加于驱动轮的摩擦阻力矩。将上式两端乘以平均速度，克服道路滚动阻力和空气阻力消耗的功率为：
1
112 21 0 0 06.3
nn
nnnnwf tt VVVVMPPP
1
2 1251086.3
nn
nn tt VVMP
电动汽车的续驶里程电动汽车行驶单位里程消耗的能量是：
电动汽车滑行时的平均车速为：
因此，电动汽车在平均车速下，克服道路滚动阻力和空气阻力的单位里程消耗的能量为,（ kWh/km）
（ kWh/km）
VPS SFe
21 nn
VVV
)2(3 6 0 06.3 1 nn VVMe
)(1072.7
1
15
nn
nn
tt
VVMe －
电动汽车车速与功率和能量关系电动汽车行驶所需功率与速度关系 电动汽车行驶所需能量与车速关系美国 G型厢式电动汽车的试验数据参数 原车型 改型车 载货车整备质量 /kg 3460 3451 3226
试验质量 /kg 3682 3682 3530**
100％充电时最大车速 /(km/h) 86.0 84.5 88.7
20％充电时最大车速 /(km/h) 86.3 84.8 89.5
100％充电、五分钟工作最大车速 /(km/h) － 84.0 88.4
20％充电、五分钟工作最大车速 /(km/h) － 84.0 87.4
从 0加速至 48km/h100％充电加速时间 /s 12.2 12.1 11.9
从 0加速至 48km/h20％充电加速时间 /s 12.4 12.2 12.1
在 18％坡度上,100％充电最大车速 /（ km/h） 10.9 － －
在 18％坡度上,20％充电最大车速 /（ km/h） 10.8 － －
从 48 km/h开始制动的制动距离 /mm 16.7 － －
56km/h等速行驶交流能量消耗 /(wh/km) 470 390 416
56km/h等速行驶直流能量消耗 /(wh/km) 271 232 234
SAEJ227aC循环交流能量消耗 /（ wh/km） 693 650 576
SAEJ227aC循环直流能量消耗 /（ wh/km） *** 366 329 335
城市市区行驶交流能量消耗 /（ wh/km） 987 952 920
城市市区行驶直流流能量消耗 /（ wh/km） 518 400**** 520
G型厢式电动汽车与温度有关的实验结果参数 原型车 改型车 载货车
56km/h等速行驶续驶行程 /km 130.6 144.6 158.7
SAEJ227aC循环续驶行程 /km 84.5 91.1 97.6
城市市区行驶路线续驶行程 /km 54.3 49.7① 59.1
10%坡度上的持续行程 /km - 8.4 -
电动汽车的能量经济性电动汽车的能量经济性的另一种定义：
（ km/kWh AC）
设电动汽车行驶时单位里程能耗 e（ kWh/km），电动汽车总质量为 M，单位以吨（ t）表示时将电动汽车行驶的比能耗定义为 e0，则能量充电状态所需的交流电蓄电池再充电恢复到原 驶里程预定行驶规范所走的续电动汽车经济性＝
)/(0 tkmk W hMee
国内外电动汽车比能耗与续驶里程的统计数据电动汽车单位里程的能耗在 0.11～ 1.07kWh/km范围内变化。电动汽车比能耗在 0.035～ 0.11范围内变化车型 总质量 /kg 总能量 /kWh 续驶里程 /km 能耗 /(kWh/km) 比能耗 /(kWh/km·t)
Impact 1345 16.2 95 0.145 0.107
G型厢式电动汽车 3530 33.55 97.6 0.344 0.097
U.S电动轿车 16420 130 120.7 1.077 0.066
大发 HJ－ IET 1395 14.4 100 0.144 0.103
IZA 1573 28.8 548 0.05260 0.035
华利微型电动汽车 1420 14.4 90 0.16 0.113
清华号电动汽车 1290 14.4 100 0.144 0.11
华联,HL－ 42” 1378 17.2 156 0.11 0.08
华联,HL－ 61” 4560 42.2 156～ 128 0.27～ 0.19 0.04~0.06
北京市大通道电车 16000～ 18000 90① 100 0.9 0.05~0.06
电池国家标准 16000～ 18000 115① 100 1.15 0.064~0.072
美国加州试验结果 0.15~0.22
0.132~0.294
奥地利 150辆电动汽车试验结果 0.134~0.25
YW61200DD电动大客车
(40km/h等速 )
16980 110 165.2 0.665 0.039
BJD6100EV电动公交车 (40km/h
等速 )
15610 113.03 168 0.672 0.043
