电动汽车动力系统

什么是电动汽车动力系统？

电动汽车 (EV) 是指依靠电力驱动的车辆。这种动力通常由电池 (BEV) 或燃料电池 (FCEV) 提供。电动汽车动力系统是指电动汽车中将电能转化为机械运动的系统。

• 电动汽车动力系统包括：

• 储能系统——电池或燃料电池

• 电力电子——逆变器/转换器及相关控制

• 电机——能量转换系统（电动机）

• 机械系统——传动系统

值得注意的是，电动汽车传动系统还包括传动轴及其机械部件。此外，电动汽车动力系统在运行过程中不会产生排放，有助于提供更环保的交通方式。  

什么是动力传动系统？

动力系统是车辆内部的一组部件，用于产生和控制动力以推动车辆运动。

纯电动汽车（BEV）正在成为电动汽车的标准。由于其设计更简单、维护成本更低，它们将在2023年占据全球电动汽车保有量的70%，并在2022年占据轻型电动商用车销量的98%。

BEV 动力系统集成了用于存储电能的电池组、用于功率转换以驱动电动机的逆变器、将电能转换为机械运动的电动机（也称为原动机）以及控制从电动机到车轮的输出的变速箱。

与需要发动机、燃油喷射系统和排气系统的内燃机(ICE)相比 ，电动汽车动力系统采用截然不同的架构，能够实现零尾气排放和内燃机噪音。由于运动部件更少，磨损更少，维护成本通常也更低，因为不再需要火花塞和机油更换等高维护成本的部件。 

电动汽车动力系统的关键部件

随着世界致力于打造更加可持续的未来，电动汽车的优势已广为人知。虽然电池是电动汽车的关键部件，但在幕后，还有一系列电力电子元件和控制装置在协调电流的流动。

事实上， 电力电子技术是电动汽车动力系统的关键组成部分，有助于确保最佳的能量转换，以及电动汽车的最佳运行、安全性和性能。

电动汽车动力系统中的发电系统

发电系统提供车辆行驶所需的电力。

电池组：电池组包含多个电池单元（通常是锂离子电池单元），作为主要的能量存储机制。锂离子电池具有高能量密度，每单位体积能够存储大量能量。燃料电池是另一种储能方式。

电池组还包含电池管理系统（BMS），提供防止过度充电或放电的策略，以确保电池的安全运行。

车载充电器： 车载充电器将来自外部充电源（电网）的交流电 (AC) 转换为直流电 (DC)，并储存在电池中。车载充电器与车辆控制单元和外部充电站通信，以调节电力输送。它还可能包含网络安全功能。

电动汽车动力系统中的配电系统

配电系统控制来自电源的电力。它们集成了电力电子元件，包括将电池直流电转换为交流电供电机使用的逆变器。不同的电力电子控制拓扑结构还可以通过提供不同的逆变器开关策略来帮助提高性能，例如提高效率或实现最大扭矩。 

直流-交流逆变器（牵引逆变器）：直流-交流逆变器将电池的直流电转换为交流电，产生控制电机转速和加速度所需的交流电压。直流-交流逆变器集成了绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 或碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管 (SiC MOSFET) 功率器件，并通过一系列印刷电路板 (PCB) 和/或母线连接。这些功率半导体器件充当高速开关，控制电机的高电流和电压“接通”和“断开”，模拟正弦电流波形。

DC-DC 转换器： DC-DC 转换器调节电池的高压直流输出，以提供照明、娱乐系统或空调等辅助系统所需的低压直流电。它集成了电力电子器件，包括功率半导体、二极管、电容器和磁性元件。DC-DC 转换器也可以集成到包含充电器和接线盒的电力输送模块 (PDM) 中。

车辆控制单元：车辆控制单元是电动汽车的中央通信枢纽，负责收集和处理来自各种系统、传感器和控制器的数据。它负责同步车载充电器、电池、电机和其他系统之间的活动。

配电单元：配电单元确保车辆内的每个系统获得适当的电量。它集成了开关、保险丝、继电器等电力电子设备，有时还集成了半导体器件，以防止系统过载并实现高效运行。

固件和 ECU：电动汽车动力总成组件的高效安全运行由一组由固件驱动的电子控制单元 (ECU) 协调，确保数据的有效交换和处理。

热管理系统：热管理系统保护电池和电机免受极端温度的影响，确保整个电动汽车驱动系统和生态系统的高效和安全。

电动汽车动力系统中的机电能量转换

牵引电机：牵引电机是产生道路牵引力并推动车辆前进的主要部件。它通常包括：

• 定子：电机的固定部分，由导磁钢叠片组成，铜线圈绕制在定子周围圆周间隔的槽中。 

• 转子：电机的旋转部件，通常由导磁钢叠片构成，并巧妙地布置了永磁体，以便与定子设计实现最佳相互作用，从而产生扭矩。其他电机拓扑结构也不需要磁体，例如，采用“鼠笼式”结构而非永磁体来产生扭矩的感应电机。 

当电流流过定子线圈时，会产生旋转磁场。该磁场与转子磁体（或感应电机的鼠笼）相互作用，使转子旋转并产生运动。电动汽车的油门踏板通过控制系统和电力电子设备控制从电池流向电机的电能大小和频率，从而控制电机产生的扭矩。

大多数电动汽车都配有交流电机（同步电机，如无刷永磁电机；异步电机，如感应电机）。

变速箱和传动装置：与内燃机汽车一样，通常需要机械传动装置来将发动机或电动机的输出与车轮所需的动力相匹配。电动汽车的变速箱通常比内燃机汽车的变速箱简单得多，因为电动机的扭矩输出范围比内燃机宽得多，而且在零速下也能产生扭矩。这意味着内燃机变速箱中通常存在的离合器和宽广的档位范围不再需要。然而，电动机的转速通常设计得高于车轮所需的转速，因此需要使用变速箱来降低转速并增加可用的扭矩。

大多数电动汽车变速箱都采用单一固定齿轮比，无需任何部件来改变齿轮比。多速变速箱可用于高性能或大型商用电动汽车，以扩展可用的扭矩和速度范围。

在混合动力汽车的动力系统中，变速箱在将一台或多台电机与发动机（使用传统齿轮组或行星齿轮组）的动力进行组合方面发挥着至关重要的作用。根据不同的驾驶条件，变速箱将与电机和发动机协同工作，以最高效的方式输出动力，包括在内燃机不运转的情况下驾驶车辆，以及在合适的驾驶条件下，利用发动机和电机的发电模式为电池充电。

在电动汽车中，差速器通常作为变速箱的一部分集成，或者根据动力传动系统的布局，它也可以是一个单独的部件。

电动动力系统的类型

电动动力系统主要有三种类型，提供不同的配置和功能，满足不同的需求和偏好。

纯电动汽车 (BEV) ： BEV 也被称为纯电动汽车，其所有动力均来自可充电电池组中储存的能量。它们不使用油箱等辅助储能源。

纯电动汽车 (BEV) 必须通过外部电源充电，目前的续航里程在 100 至 400 英里（约 160 至 640 公里）之间。在某些情况下，高端电动汽车的续航里程会更高。例如特斯拉 Model 3、日产 LEAF 和宝马 i3，以及最近上市的许多新车型。

混合动力电动汽车 (HEV)： HEV 将内燃机与电动传动系统相结合，与传统 ICE 汽车相比，可实现更高的燃油经济性和性能。

混合动力汽车 (HEV) 的动力来源各不相同。混合动力电动汽车具有多种优势，例如：

• 再生制动将动能转换回电能并存储在电池中（也与纯电动汽车共享）

• 发动机怠速时，启停系统会关闭发动机，从而减少排放

• 发电机（由内燃机驱动）为电池充电或为电动机提供额外动力

如今，混合动力汽车的续航里程在 400 至 600 英里（约 640 至 960 公里）之间。除插电式混合动力汽车外， 混合动力汽车通常不采用外部电源充电。混合动力汽车的例子包括福特 Fusion 混合动力车、丰田凯美瑞混合动力车和本田思域混合动力车。

插电式混合动力电动汽车 (PHEV) ： 插电式混合动力电动汽车（HEV 的一个子类）可以通过外部电源充电。目前，这类汽车仅靠电力就能行驶 20 至 50 英里（30 至 80 公里），非常适合短途城市出行。长途旅行时，插电式混合动力电动汽车可以使用汽油或柴油。插电式混合动力电动汽车的例子包括丰田普锐斯 Prime、雪佛兰 Volt 和本田 Clarity。

燃料 电池电动汽车（FCEV）是第四种类型的电动汽车。它们的工作原理是利用氢燃料电池而不是普通电池产生电流。

内燃机与电动汽车动力系统

一个多世纪以来，内燃机一直是车辆的主要动力来源。

尽管内燃机汽车已长期使用，但仍面临诸多挑战，其中最主要的挑战是燃烧化石燃料造成的环境污染。因此，各国政府和个人都在齐心协力推动电动汽车的普及。

作为比较，以下是 ICE 和 EV 动力系统之间的主要区别：

电动汽车动力系统的优势和缺点

电动汽车动力系统的优势

电动汽车动力系统的优势因个人驾驶习惯和偏好以及距离充电站基础设施的远近而异。以下是电动汽车动力系统的主要优势：

• 零排放：在减少污染和温室气体的背景下，BEV 动力系统最显著的优势或许是没有燃烧化石燃料造成的尾气排放，并且在 BEV 的整个使用寿命期间减少碳足迹。

• 减少噪音污染：除了没有温室气体排放之外，BEV 动力系统还产生更少的可听噪音，有助于创造更安静的环境。

• 能源效率：纯电动汽车动力系统比内燃机动力系统节能得多，可将超过 80% 的储存能量转化为动力。此外，再生制动等功能可实现能量回收。

• 降低维护成本：由于活动部件减少，电动汽车动力系统的维护成本降低，在理想条件和妥善保养下，电池寿命可 长达12年。与其他电池一样，它的容量会随着时间的推移而下降。

• 更低的燃料成本：纯电动汽车的电力成本通常低于内燃机汽车的汽油或柴油成本。密歇根大学的一项研究表明，在美国，汽油汽车的燃料成本是电动汽车的两倍多。

• 降低总拥有成本 (TCO)：虽然 BEV 通常需要较高的前期购买成本，但节省燃料和维护成本有助于降低 TCO，从而降低车辆在整个使用寿命内的运行成本。

电动汽车动力系统的缺点

电动汽车动力系统也存在一些缺点，包括：

• 成本：目前，由于动力总成部件（主要是电池）的成本较高，因此电动汽车需要比内燃机汽车更高的前期投资。

• 充电时间：电池充电时间通常需要 30 分钟到几个小时，具体取决于充电站的充电容量，而给 ICE 汽车加满油箱则只需几分钟。

• 消费者里程焦虑：目前，纯电动汽车单次充电的续航里程有限。由于充电站不如加油站普及，且电池充电时间较长，消费者对驾驶纯电动汽车进行长途旅行感到焦虑。

电动汽车动力系统设计

电动汽车动力系统设计的主要目标是实现高效的热管理和更长的续航里程。它们倾向于提高 功率密度（单位体积输出的功率），在发电和散热之间取得微妙的平衡。电动汽车的行驶里程、效率和整体性能可以在组件、系统和架构层面进行优化。

例如，通过将驾驶模式纳入驱动系统架构，实现基于驾驶条件的多种配置，车辆性能得到显著提高。

集成到硬件架构中的 ECU 提供增强功能，例如，将驾驶员的油门指令转换为电机和电池的指令，以满足 0 至 60 英里/小时加速和最佳能耗等特定要求。这些 ECU 由动态规划或能耗最小化策略等算法驱动。

电动汽车动力系统的未来

在电气化进程中，电动汽车动力系统是一项激动人心的创新，它在效率、环保和性能方面均有显著提升。随着越来越多的消费者转向电动汽车，市场上将出现更多种类的车型，从SUV、豪华轿车到卡车等等，应有尽有。