电动汽车动力系统工作原理及解决方案，这篇文章很精华

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电动汽车动力系统

小编今天给大家谈谈什么是电动汽车动力系统。故名思议，就是通过外部动力实现电动汽车驱动驾驶、提供持续不断动力源的动力系统。在了解动力系统之前，我们先来了解下电动汽车。

什么是电动汽车？

根据百度百科上的说法，电动汽车（也称BEV）是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。

电动汽车的分类

目前，我们看到的电动汽车主要分为三种，一种是纯电动车（BEV），完全由电机驱动的电动车;另外一种是混合电动汽车（也叫做复合电动汽车PHEV），一般指的是用油和电提供电动汽车动力源（即采用传统内燃机和电动机两者作为动力，可分开时间使用）的电动车;最后一种是燃料电池汽车（FCEV），采用的是氢氧混合燃料提供动力源，通常几分钟时间就可以“充满电”，因为补充的燃料是氢气，结合大气中的氧气化学作用产生动能，提供的是一种非常低碳环保的动力源。

电动汽车厂商

电动汽车厂商非常多，电动车应用领域也非常的广泛，目前比较著名的电动车厂商主要有特斯拉、比亚迪、丰田、日产、奇瑞、雪佛兰、本田、宝马、三菱、雷克萨斯等等。

特斯拉作为美国专注于电动车和能源公司，从08年推出首款Roadster运动跑车以来，在电动车领域发展一直处于业界领先地位，分别推出了Model S标准纯电动车、Model X豪华电动超跑、以及即将上市的 Model 3 ，在电动车自动辅助驾驶技术更是领先一步。

互联网造车热潮同样也带领电动汽车发展走向新高潮，今年1月初，法拉第FF与战略合作伙伴乐视正式推出首款量产车曝光，36小时全球预定量就达到了64124台。格力集团董明珠近期收购珠海银隆新能源，正式进军互联网汽车，奔向的目标也是干净、纯洁环保的电动车方向，解决的不仅是电动车动力问题，还有就是电动车储能的问题。

电动汽车动力系统及其工作原理

下面正式进入正题，什么是电动汽车动力系统？在这里我们首先以典型的纯电动汽车动力系统解析：

电动汽车动力系统基本构成如下图所示，电力驱动子系统又由电控单元、控制器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成。主能源子系统由主能源、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。

电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。

纯电动汽车动力系统工作过程：

动力系统的工作过程是，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电动机，调节电动机和电源之间的功率流。辅助动力供给系统主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。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。

下面再来简单介绍下混合电动汽车动力系统：

根据目前市面上的混合动力电动车的驱动结构，主要可以分为三大类：串联式、并联式和混联式。

（1）串联式混合动力电动汽车

其结构原理图如下所示：

串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机和驱动电动机三大主要部件总成组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。

（2）并联式混合动力电动汽车

其结构原理图如下所示：

并联式混合动力电动汽车主要由发动机、电动/发电机两大部件总成组成，有多种组合形式，可以根据使用要求选用。两大动力总成的功率可以互相叠加，发动机功率和电动/发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的o.5～1倍，因此可以采用小功率的发动机与电动/发电机，使得整个动力系统的装配尺寸、质量都较小，造价也更低，行程也可以比串联式混合动力电动汽车的长一些，其特点更加趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统通常被2-9a在小型混合动力电动汽车上。

（3）混联式混合动力电动汽车

其结构原理图如下所示：

混联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式混合动力电动汽车的结构组成，主要由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成。发动机基本保持稳运高效、节能的运转，发电机和电池供给驱动电动机电能以驱动电动汽车行驶。

下面介绍几种电动汽车动力系统解决方案：

电动汽车以锂电池作为主要动力驱动，以其高能量密度优势、动力性能稳定为首要条件。电池管理系统BMS的重要同样不言而喻。BMS是动力电池组的核心技术，也是电动车整车的关键环节。

目前电池管理系统有两种管理模式，分别为主动式均衡和被动式均衡两种管理模式。

两种管理模式各有优缺点，所采用的方式普遍为采集单体电池电压，串联电流，以及温度以及电池组的电压，然后将这些信号传给运算模块进行处理发出指令，最后将整个处理的信息指令通过CAN通讯系统传送给汽车中央控制单元或整车VMS系统。

（一） ADI全隔离式锂离子电池监控和保护系统

1.方案特点

锂离子电池组包含大量的电池单元，必须正确监控才能提高电池效率，延长电池寿命确保安全性。方案中的 6 通道 AD7280A 器件充当主监控器，向系统演示平台评估板提供精确的电压测量数据，而 6 通道 AD8280 器件充当副监控器和保护系统。

AD8280 是一款用于锂离子电池组的纯硬连线安全监控器，配合 AD7280A 使用时，可提供具有可调阈值检测和共用或单独报警输出的低成本、冗余、备用电池监控器。它具有自测功能，因此适合混合动力电动汽车等高可靠性应用或者不间断电源等高压工业应用。AD7280A 和 AD8280 均从监控的电池单元获得电源。

ADuM5404集成一个DC-DC转换器，用于向ADuM1201和ADuM1401隔离器的高压端供电，以及向AD7280ASPI接口提供VDRIVE电源。这些4通道、磁性隔离电路是安全、可靠、易用的光耦合器替代解决方案。

2. 方案框图

3. 芯片参数

3.1 ADI AD7280A 参数

单颗处理 4-6 s 前端

12 Bit ADC 采样，平均每通道采样时间1 us

能够对6个通道的电压和温度进行监测，典型

精度达±1.6 mV （典型值）

多个 AD7280A 可采用菊花链连接，单个电路

板最多可监控 48 个电池单元，转换只需7 μs

提供被动式电池单元平衡控制功能

转换模式下功耗小于6 mA

断电模式下功耗小于1.8 uA

SPI 通信提供CRC 校验保证数据的可靠性

3.2 ADI AD8280 参数

电压范围：6.0 V–30 V

多路输入可监控 3-6 路电池电压和 2 个温度

可调监控阀值：过压、欠压、过温

报警选项：单独或者共用报警

可通过菊花链方式连接

（二）英飞凌AUDO MAX产品系列

目前，基于高性能微控制器的高效FOC系统，为电动汽车和混合动力汽车驱动提供安全高效的解决方案创造了条件。

图1：运行于FOC模式的32位TriCore微控制器

英飞凌AUDO MAX系列非常适用于电机的控制。TriCore架构和MC-ISAR eMotor驱动程序可采用高级控制策略控制多台三相电机，包括无刷直流电机（BLDC）块交换（block commutaTIon，BC）及永磁同步电机（PMSM）磁场定向控制（FOC）。单一微控制器甚至还能同时支持BLDC和PMSM电机控制。相比于其他类型的电机而言，采用FOC控制的PMSM电机能效更高、磨损更小，并且可以实现精确控制和定位。特别是，这种电机支持线性转矩控制，为将其用于混合电动汽车动力总成系统奠定了基础。

图2：电机控制中的电流控制环

图2显示了MC-ISAR eMotor驱动程序的电流控制环路，右侧为复杂设备驱动（CDD）。这个时间关键型电流控制环路在中断上下文中进行处理，处理时间不超过50微秒。左侧是附加的用于位置和转速控制的软件成分（SWC），由应用程序提供。

英飞凌AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驱动，可并行控制多达4台PMSM或BLDC电机，同时还能满足应用任务控制所需的性能。MC-ISAR eMotor和标准AUTOSAR MCAL驱动由同一配置工具整合，因此，用户可在同一界面中为AUTOSAR MCAL和MC-ISAR eMotor驱动配置微控制器资源，为无缝配置不同软件模块创造了条件。汽车ECU开发人员可专注于电机的应用相关控制，而无需改编电机的控制算法。为降低系统成本，AUDO MAX系列还支持直接旋转变压器模式，免除了加装旋转变压器IC的需要。AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驱动被设计用于支持安全应用。

（三） TI推出电池主动式均衡负载技术

1.方案特点

TI推荐电动车所采用的主动均衡方式：每个电池芯藉由矩阵开关控制变压器与充电线路的组合，形成一个有调整功能的电压/电流蓄水池的功能，当电池芯由于多次充放电后产生不一致性而导致整组电池充放电容量下降，可藉由后端连接蓄水池的线路做调整，充电时不会因为监控到某个电池芯内压过高而停止充电，放电时也可以完全的100%的释放能源，进而延长电动车的行驶距离。

TI在隔离式DC-DC主动均衡技术的能源转换效率高达87%。像EM1410芯片组由5颗核心芯片加上5颗电源供应芯片所组成，其中最主要的 EMB1432为十四信道AFE芯片、EMB1428为七信道闸控制器芯片，与EMB1499为七信道电压控制芯片等，来建构十四通道双向主动式电池芯均衡功能，串联14颗电池芯与最高60V工作电压，提供5V双向均衡电压与最大750V堆栈输出电压能力，并满足AECQ-100车用电子验证标准。

2.芯片参数：

2.1 EMB1432Q

单颗处理 14S前端模拟

最高输入耐压60V

输出电压误差为+/- 1mV

SPI 通讯支持1MHz

符合ACE-Q100汽车规范

2.2 EMB1428Q

最高输入耐压60V

SPI 通讯支持1MHz

最低待机功耗（<100uA）

符合ACE-Q100汽车规范

2.3 EMB1499Q

最高输入耐压60V

SPI 通讯支持1MHz

最低待机功耗（<30uA）

符合ACE-Q100汽车规范

新能源汽车的工作原理，以及技术差异，带你学会最新时代的科普

您最后一次停下来思考电动汽车的实际工作原理是什么时候？我们汽车行业的超级粉丝大多已经对燃烧动力系统的工作原理有了合理的理解。我们大多数人都可以想象燃料和空气进入燃烧室、爆炸、向下推动活塞以及旋转曲轴，最终使车轮转动。我们通常了解直列式、扁平式、V 形甚至汪克尔转子内燃机之间的区别。

诸如此类的机械工程概念相对容易理解。但可以打赌，只有少数阅读本文的人可以在餐巾纸上准确解释隐形电子如何转动汽车车轮，或者永磁电机与交流感应电机有何不同。电气工程对于汽车疯子来说似乎是黑魔法和巫术，所以是时候揭开这个大胆的电动汽车新世界的神秘面纱了。

新能源汽车的工作原理：电机

它与磁性以及电场和磁场之间的自然相互作用有关。当电路闭合允许电子沿着电线移动时，这些移动的电子会产生一个完整的带有北极和南极的电磁场。当这种情况发生在另一个磁场的存在下时——无论是来自不同批次的高速电子还是来自 Wile E. Coyote 的巨型 ACME 马蹄形磁铁，这些相反的磁极会相互吸引，而相同的磁极会相互排斥。

电动机的工作原理是将一组磁铁或电磁铁安装到轴上，将另一组安装到围绕该轴的外壳上。通过周期性地反转一组电磁体的极性（交换北极和南极），电机利用这些吸引力和排斥力来旋转轴，从而将电力转化为扭矩并最终转动车轮。相反——如在再生制动的情况下——这些磁力/电磁力可以将运动转化为电能。

交流还是直流？

供应到您家的电力以交流电 (AC) 的形式到达，之所以如此称呼是因为电源的北/南或正/负极性每秒变化（交替）60 次。（也就是说，在美国和其他以 110 伏电压运行的国家/地区；采用 220 伏标准的国家/地区通常使用 50 赫兹交流电。）直流电 (DC) 是流入和流出每个电池。如上所述，电机需要交流电才能旋转。没有它，电磁力只会将它们的北极和南极锁定在一起。正是不断切换南北的循环使电机保持旋转。

今天的电动汽车旨在管理车载交流和直流能源。电池存储和分配直流电流，但同样，电机需要交流电。为电池充电时，能量在 1 级和 2 级充电期间作为交流电流进入车载充电器，在 3 级“快速充电器”中作为直流高压电流进入。复杂的电力电子设备（我们不会在这里解释）处理多个板载 AC/DC 转换，同时将电压从 100 到 800 伏的充电电源升压到 350 到 800 伏的电池/电机系统电压到许多需要 12-48 伏直流电的车辆照明、信息娱乐和底盘功能。

什么类型的电机？

直流电机（有刷）： 是的，我们刚才说交流使电机运转，这些为 1900 年代早期电动汽车提供动力的老式电机也不例外。来自电池的直流电流通过弹簧加载的碳或铅“刷子”传送到转子绕组，这些“刷子”为连接到线绕组的旋转触点提供能量。每旋转几度，电刷就会为一组新的触点供电；当电机轴转动时，这会不断反转转子上电磁铁的极性。（这个触点环称为换向器）。

围绕转子电磁绕组的外壳通常具有永磁体。（“串联直流”或所谓的“通用电机”可以使用电磁定子。）优点是初始成本低、可靠性高、电机易于控制。改变电压可调节电机速度，而改变电流可控制其扭矩。缺点包括较低的使用寿命以及维护电刷和触点的成本。除了一些印度铁路机车外，这种电机今天很少用于运输。

无刷直流电机 (BLDC)： 通过将永磁体移到转子上，将电磁铁放置在定子（外壳）上，并使用外部电机控制器将各种励磁绕组从正绕组交替切换到负绕组，消除了电刷及其维护，从而产生旋转磁场。

优点是使用寿命长、维护成本低和效率高。缺点是更高的初始成本和更复杂的电机速度控制器，通常需要三个霍尔效应传感器才能正确确定定子绕组电流的相位。定子绕组的切换会导致“转矩脉动”——传递的转矩周期性地增加和减少。这种类型的电机在电动自行车和踏板车等小型车辆中很受欢迎，并且用于一些辅助汽车应用，如电动助力转向辅助。

永磁同步电机 (PMSM)：在 物理上，BLDC 和 PMSM 电机看起来几乎相同。两者都在转子上具有永磁体，在定子中具有励磁绕组。关键区别在于，PMSM 不是使用直流电流和周期性地打开和关闭各种绕组来旋转永磁体，而是在连续正弦交流电流下工作。这意味着它没有扭矩波动，只需要一个霍尔效应传感器来确定转子速度和位置，因此它更高效、更安静。

“同步”一词表示转子以与绕组中磁场相同的速度旋转。其最大的优势在于其功率密度和强大的启动扭矩。任何带有旋转永磁体的电机的一个主要缺点是，它在不高速供电时会产生“反电动势”（EMF），这会导致阻力和热量使电机退磁。这种电机类型在动力转向和制动系统中也有一些作用，但它已成为当今大多数电池电动汽车和混合动力汽车的首选电机设计。

请注意，大多数永磁电机的南北轴线都垂直于输出轴。这会产生“径向（磁）通量”。一类新的“轴向通量”电机使磁铁的 NS 轴平行于轴定向，通常位于将固定定子绕组夹在中间的成对圆盘上。这些所谓的“扁平电机”的紧凑、高扭矩轴向磁通方向可应用于 BLDC 或 PMSM 型电机。

交流感应： 对于这个电机，我们扔掉了转子上的永磁体（及其越来越稀缺的稀土材料），并保持交流电流流过定子绕组，就像上面的 PMSM 电机一样。

代表磁铁的是 Nikola Tesla 于 1888 年获得专利的概念：当交流电流流过定子中的各个绕组时，绕组会产生旋转的磁通量场。当这些磁力线穿过转子上的垂直绕组时，它们会感应出电流。然后这会产生另一个磁力，使转子转动。因为只有当磁场线穿过转子绕组时才会感应出这种力，所以如果转子以与旋转磁场相同（同步）的速度旋转，则转子不会受到扭矩或力的影响。

这意味着交流感应电机本质上是异步的。转子速度是通过改变交流电的频率来控制的。在轻载时，控制电机的逆变器可以降低电压以减少磁损并提高效率。在巡航期间不需要时将感应电机断电可以消除永磁电机产生的阻力，而在两个车轴上使用 PMSM 电机的双电机电动汽车必须始终为所有电机供电。BLDC 或 PMSM 设计的峰值效率可能略高，但交流感应电机通常可实现更高的平均效率。另一个小的折衷是启动扭矩略低于 PMSM。1990 年代中期的 GM EV1和大多数特斯拉都采用了交流感应电机。

磁阻电机： 将“磁阻”视为磁阻：物体抵抗磁通量的程度。磁阻电机的定子具有多个电磁极——集中绕组形成高度局部化的北极或南极。在开关磁阻电机中 (SRM)，转子由软磁材料制成，例如叠层硅钢，具有多个突出设计以与定子磁极相互作用。各个电磁极的开启和关闭方式与 BLDC 电机中的励磁绕组大致相同。使用不等数量的定子和转子磁极可确保某些磁极对齐（最小磁阻），而其他磁极直接位于相反的磁极之间（最大磁阻）。切换定子极性然后以异步速度拉动转子。