书名：电动汽车动力系统（中国轻工业“十四五”规划教材）  
定价：49.8  
ISBN：9787518449842  
作者：申永鹏，姚雷，刘东奇  
版次：1  
出版时间：2025-04  

内容提要：  
教材重点论述了电动汽车电驱动与储能系统相关结构、基本原理和关键技术。全文共九个章节，分别讲述了电动汽车动力系统、车辆驱动基本原理、电驱动系统结构与原理、异步电机矢量控制系统、PMSM矢量控制系统、电动汽车储能系统、动力电池管理、动力电池组均衡控制和电动汽车混合储能系统的相关结构、原理和关键技术。本书可作为电气工程、自动化、车辆工程、机械电子工程等相关专业本科生和研究生的专业课教科书，也可作为相关领域技术人员的参考书。  



作者简介：  
申永鹏，河南安阳人。2015年获得湖南大学工学博士学位，郑州轻工业大学电气信息工程学院副教授，河南省电工技术学会理事。主要从事电动汽车电驱动系统关键技术开发与研究工作，主持国家自然科学基金青年基金项目增程式电动汽车功率分流与运行优化方法研究等多项课题研究。  

目录：  
目录  
基础篇  
1  
2 电动汽车动力系统结构  
2.1 电动汽车定义与分类  
2.1.1 节能汽车  
2.1.2 新能源汽车  
2.1.3 电动汽车  
2.2 电动汽车动力系统结构及工作原理  
2.2.1 纯电动汽车  
2.2.2 插电式混合动力汽车和增程式电动汽车  
2.2.3 燃料电池汽车  
2.2.4 混合动力汽车  
2.3 本章小结  
3 车辆驱动基本原理  
3.1 车辆纵向动力学基础  
3.1.1 车辆纵向动力学方程  
3.1.2 车辆阻力  
3.1.3 车辆牵引力  
3.2 动力装置特性  
3.2.1 动力装置外特性  
3.2.2 动力装置效率特性  
3.2.3 电机的四象限运行  
3.3 车辆动力性能  
3.3.1 最高车速  
3.3.2 爬坡能力  
3.3.3 加速性能  
3.4 车辆经济性  
3.4.1 燃油经济性  
3.4.2 能量消耗量与续驶里程  
3.5 本章小结  
4 电动汽车储能系统概述  
4.1 储能装置分类、原理及结构  
4.1.1 ·储能装置分类  
4.1.2 电池和超级电容工作原理  
4.2 电池和超级电容器结构  
4.2.1 电池单体、电池模块、电池包与电池系统  
4.2.2 超级电容器单体、模组与系统  
4.3 电池特性  
4.3.1 电池电学特性  
4.3.2 电池安全特性  
4.3.3 电池其他特性  
4.4 超级电容器特性  
4.4.1 电压特性  
4.4.2 容量特性  
4.4.3 ESR特性  
4.4.4 电流特性  
4.4.5 功率密度和能量密度  
4.5 本章小结  
5 动力电池管理  
5.1 动力电池管理系统概述  
5.1.1 动力电池系统  
5.1.2 动力电池管理  
5.2 动力电池管理系统功能  
5.2.1 单体采集与均衡  
5.2.2 状态监测  
5.2.3 电池状态分析  
5.2.4 安全防护和故障诊断  
5.2.5 充放电管理  
5.2.6 信息管理  
5.3 BMS系统结构与典型BMS系统  
5.3.1 BMS系统结构  
5.3.2 典型BMS系统  
5.4 本章小结  
6 动力电池系统荷电状态估计  
6.1 经典估算方法  
6.1.1 安时积分法  
6.1.2 开路电压法  
6.1.3 安时积分-开路电压复合法  
6.2 基于模型法  
6.2.1 等效电路模型  
6.2.2 电化学模型  
6.2.3 电化学阻抗模型  
6.2.4 基于非线性模型观测器  
6.3 数据驱动法  
6.3.1 神经网络及其衍生方法的状态估计  
6.3.2 支持向量机的状态估计  
6.3.3 极限学习机的状态估计  
6.4 本章小结  
7 充电导引控制与绝缘检测  
7.1 充电接口与充电导引控制  
7.1.1 交流充电接口  
7.1.2 交流充电控制导引  
7.1.3 直流充电接口  
7.1.4 直流充电控制导引  
7.2 绝缘检测  
7.2.1 传统电桥法绝缘电阻检测方法的分析  
7.2.2 不平衡电桥法绝缘电阻检测方法分析  
7.2.3 绝缘电阻检测系统的硬件设计  
7.2.4 绝缘电阻检测系统的软件设计  
7.3 本章小结  
8 动力电池组均衡控制  
8.1 动力电池组单体不一致性机理分析  
8.1.1 动力电池组单体不一致性产生原因  
8.1.2 动力电池组单体不一致性表现  
8.2 动力电池组单体不一致性改善方法  
8.2.1 提高设备精度  
8.2.2 改善生产工艺  
8.2.3 分选技术  
8.2.4 均衡控制技术  
8.3 动力电池组均衡控制方法  
8.3.1 动力电池组均衡控制意义  
8.3.2 动力电池组均衡方法  
8.3.3 智能单体与分布式主动均衡  
8.4 本章小结  
9 电动汽车混合储能系统  
9.1 混合储能系统概述  
9.1.1 混合储能系统  
9.1.2 典型储能装置分析  
9.2 混合储能系统拓扑结构  
9.2.1 双向DC/DC变换器  
9.2.2 被动式拓扑  
9.2.3 半主动拓扑  
9.2.4 全主动拓扑  
9.3 混合储能系统控制策略  
9.3.1 基于规则的控制策略  
9.3.2 基于优化的控制策略  
9.3.3 混合控制策略  
9.4 本章小结  
10 电动汽车V2G技术  
10.1 电动汽车接入给电网带来的影响  
10.1.1 负面影响  
10.1.2 积极影响  
10.2 电动汽车V2G的概念与功能  
10.2.1 电动汽车V2G的概念  
10.2.2 电动汽车V2G的原理  
10.2.3 电动汽车V2G的功能  
10.3 规模化电动汽车有序充电  
10.3.1 系统控制架构  
10.3.2 电动汽车群集总参数模型  
10.3.3 上层控制层协调策略  
10.3.4 就地控制层控制策略  
10.4 规模化电动汽车充放电与风/火力系统协同运行  
10.4.1 系统整体框架  
10.4.2 火电机组模型  
10.4.3 风电机组模型  
10.4.4 优化问题描述  
10.4.5 算例分析  
10.5 本章小结  
11 电驱动系统功率变换原理  
11.1 电驱动系统概述  
11.2 逆变主电路及工作原理  
11.2.1 单相桥式逆变电路及工作原理  
11.2.2 三相桥式逆变电路及工作原理  
11.2.3 基波与谐波  
11.3 功率开关器件  
11.3.1 MOSFET  
11.3.2 IGBT  
11.3.3 SiC MOSFET  
11.4 脉冲宽度调制  
11.4.1 PWM基本原理  
11.4.2 正弦波脉冲宽度调制  
11.4.3 电流滞环跟踪脉冲宽度调制  
11.5 电压空间矢量脉冲宽度调制  
11.5.1 电压空间矢量的定义  
11.5.2 开关状态与基本电压矢量  
11.5.3 电压矢量合成  
11.5.4 SVPWM实现  
11.6 本章小结  
12 异步电机矢量控制系统  
12.1 异步电机基本结构与工作原理  
12.1.1 异步电机结构  
12.1.2 异步电机工作原理  
12.2 交流电机矢量控制基本原理  
12.2.1 运动控制系统的基本运动方程  
12.2.2 直流电机电磁转矩  
12.2.3 交流电机电磁转矩  
12.2.4 矢量控制基本原理  
12.3 异步电机数学模型  
12.3.1 静止三相坐标系中的异步电机数学模型  
12.3.2 静止两相坐标系中的异步电机数学模型  
12.3.3 旋转正交坐标系中的异步电机模型  
12.4 异步电机转子磁链定向矢量控制系统  
12.4.1 转子磁链定向原理  
12.4.2 转子磁链观测  
12.4.3 异步电机转子磁链定向矢量控制系统  
12.5 本章小结  
13 永磁同步电机矢量控制系统  
13.1 永磁同步电机结构及工作原理  
13.1.1 永磁同步电机结构  
13.1.2 永磁同步电机工作原理  
13.2 永磁同步电机数学模型  
13.2.1 永磁同步电机物理模型  
13.2.2 静止三相坐标系中的永磁同步电机数学模型  
13.2.3 旋转正交坐标系中的永磁同步电机模型  
13.3 永磁同步电机矢量控制系统  
13.3.1 永磁同步电机矢量控制系统总体结构  
13.3.2 弱磁控制与转子位置估算  
13.4 本章小结  
14 电机控制器硬件和软件  
14.1 系统硬件总体结构  
14.2 逆变主电路及其驱动保护单元  
14.2.1 分离元件或PIC  
14.2.2 IPM  
14.3 低压辅助电源单元  
14.4 相电流采样与信号处理单元  
14.4.1 霍尔/磁通门电流传感及信号处理电路  
14.4.2 分流器电流采样及信号处理电路  
14.5 控制单元  
14.5.1 过流检测与PWM脉冲封锁电路  
14.5.2 转速与位置检测电路  
14.5.3 通信接口  
14.5.4 模拟量输出电路  
14.5.5 调试接口与存储电路  
14.5.6 微控制器核心板  
14.6 交流电机控制系统软件  
14.6.1 前/后台软件总体结构  
14.6.2 系统时钟及主中断软件实现  
14.6.3 SVPWM脉冲发生及电流采样软件实现  
14.7 本章小结  


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1电动汽车动力系统结构 汽车的电动化时代正加速到来。动力系统是电动汽车的核心，其主要由储能系统、驱动系统和辅助系统构成，其中储能系统主要包括动力电池组及BMS(Battery Management System, 电池管理系统)；驱动系统主要包括电机控制器和驱动电机；辅助系统包括车载充电机、DC/DC变换器、电动空调等。 本章主要对电动汽车的定义和分类、电动汽车的动力系统结构及工作原理进行介绍，进而阐明电动汽车的基本概念和运行特性。 1.1 电动汽车定义与分类 图1-1 节能与新能源汽车、电动汽车定义与分类 节能与新能源汽车、电动汽车定义与分类如图1-1所示，具体如下。 1.1.1节能汽车 节能汽车是指以内燃机为主要动力系统，综合工况燃料消耗量优于特定限值的汽车，包含替代燃料汽车和非插电混合动力汽车两大类[1]。 替代燃料汽车具体包括双燃料汽车、两用燃料汽车、天然气汽车以及综合工况燃料消耗量优于特定限值的汽油、柴油汽车。两用燃料汽车指具有两套相互独立的燃料供给系统，可分别但不可共同向气缸供给燃料的汽车，如汽油/压缩天然气两用燃料汽车、汽油/液化石油气两用燃料汽车等；双燃料汽车同样具有两套燃料供给系统，两套燃料供给系统按预定的配比向燃烧室供给燃料，在缸内混合燃烧的汽车，如柴油/压缩天然气双燃料汽车、柴油/液化 石油气双燃料汽车等。 非插电混合动力汽车是指除插电式混合动力汽车以外的混合动力汽车，包含压缩空气/飞轮储能混合动力汽车、串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle, SHEV)、并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle)、混联式混合动力汽车(Series–Parallel Hybrid Electric Vehicle)以及复合式混合动力汽车(Complex Hybrid Electric Vehicle)。对于混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)，所谓“混合”，是指唯一外部能量来源于车载燃料(通常为汽油或柴油)，燃料的化学能经内燃机以可能的最高效率转换成机械能以后，除用于驱动车轮以外，通过将多余的部分机械能存储于压缩空气、飞轮、动力电池、超级电容器等介质，并在车辆需要峰值动力时重新转换为机械能，进而起到优化内燃机运行效率的目的。 1.1.2新能源汽车 新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车，包含纯电动汽车、插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)、增程式电动汽车(Range Extended Electric Vehicle, REEV)及燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle, FCV; 又称燃料电池电动汽车, FCEV)[1]。 新能源汽车具有如下特征：①其外部能量部分或者全部来源于新型能源，现阶段应用于车辆的新型能源主要为电力、氢能；②现阶段，新能源汽车均具有电能存储装置、电机控制器和驱动电机，所产生的动力部分或者全部参与车轮驱动。 1.1.3电动汽车 电动汽车是指以车载电源为能量源，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。串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、混联式混合动力汽车、复合式混合动力汽车、纯电动汽车、插电式混合动力汽车、增程式混合动力汽车和燃料电池汽车均以车载电源为能量源，且电机全部或部分参与驱动车轮行驶，因此均属于广义电动汽车的范畴。 尽管新能源汽车在我国特指纯电动汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车及燃料电池汽车，但是鉴于本书所研究的电动汽车动力系统适用于所有类型的电动汽车，因此本书在特定语境下将电动汽车和新能源汽车两个术语互换使用。 1.2电动汽车动力系统结构及工作原理 1.2.1纯电动汽车 图1-2 纯电动汽车动力系统结构示意图 如图1-2所示，纯电动汽车动力系统主要由动力电池组、BMS采集单元、BMS主控单元、高压配电盒、电池预热系统、车载充电机、DC/DC变换器及铅酸蓄电池、电动空调系统、电机控制器(Motor Control Unit, MCU)和驱动电机、整车控制器(Vehicle Control Unit, VCU)等部分组成。由于低压车身电器、电子助力转向机构等部件与传统燃油汽车无差异，故图1-2中未予显示。 1. 动力池组 动力电池组是整车的能量源，通常由多节三元锂离子动力电池、磷酸铁锂离子动力电池等单体构成。多节单体通常先并联构成“电池模块”以增加容量，然后多个“电池模块”再以串联形式连接以提高电压。例如，某型电动汽车动力电池组由45并90串共4050个三元锂离子动力电池单体组成，每节单体标称电压为3.7V、容量为2600mAh，所组成的动力电池组标称电压为333V、容量为117Ah。 2. BMS采集单元 由于动力电池组由多个串联的“电池模块”构成，不同“电池模块”的温度、内阻、初始SOC(State of Charge, 荷电状态)的差异会造成在使用过程中“电池模块”间SOC和单体电压差异不断扩大，进而降低动力电池组的实际使用效能。因此，必须通过BMS采集单元对“电池模块”的电压、温度和SOC等参数进行采集，以实时监测“电池模块”的工作状态，并进行单体均衡管理。 3. 高压配电盒 高压配电盒是整车能量的分配中心，内部一般由直流母线正极继电器、直流母线负极继电器、预充电控制继电器、快充控制继电器、慢充控制继电器、电池预热控制继电器、电动空调控制继电器、DC/DC控制继电器、预充电阻以及相关熔断器构成。高压配电盒接收BMS主控制器的相关控制指令，通过控制相关继电器实现对相应用电部分的供电控制。某些车型的高压配电盒控制由整车控制器完成。 4. BMS主控单元 BMS主控单元是整个车辆储能系统的管理中心，其主要功能为：直流母线电压和电流采集、SOC/SOP(State of Power，功率状态)/SOH(State of Health，健康状态)等电池状态分析、过温/过流/过充等故障诊断及安全预警、绝缘电阻检测、充电控制导引、高压配电管理、电池历史信息存储和总线通信等。通常将动力电池组、BMS采集单元、BMS主控单元和高压配电盒统称为动力电池系统。 5. 电机控制器与驱动电机 电机控制器与驱动电机是整车的动力中心。电机控制器是可实现直流—交流逆变和交流—直流整流变换的电力电子装置，接受整车控制器的控制指令，将高压配电盒输出的直流电变换成频率、电压均可调的三相交流电，控制交流电机的转矩或转速。同时，电机控制器还负责在车辆制动时，控制电机产生相应的制动转矩，并将电机发出的电能回馈至动力电池组。用于车辆驱动的电机一般为三相永磁同步电机、三相异步电机或者开关磁阻电机。 6. DC/DC变换器 DC/DC变换器用于将高压配电盒输出的高压直流电转换为低压直流电，并采用恒压/恒流充电策略对12V或者24V铅酸电池进行充电管理，进而为车身电器、电子助力转向、电子液压制动等低压用电设备及BMS和整车控制器提供电能。DC/DC变换器通常采用全桥隔离或者推挽式隔离DC/DC变换器结构。 7. 车载充电机 车载充电机用于将车辆慢充接口输入的单相交流电转换为与动力电池组电压等级相匹配的直流电，进而向动力电池组充电。车载充电机的功率通常为5kW左右。同时，车载充电机还需要根据相应的接口标准，完成与慢充充电桩的控制导引，我国目前的充电控制导引标准为《GB/T18487.x-2015 电动汽车传导充电系统》。 8. 电池预热系统 动力电池作为化学储能装置，其性能与温度密切相关。低温下，锂离子动力电池的充放电容量和功率大幅度降低，内阻急剧增加，使得电动汽车出现续驶里程缩短，动力不足和充电困难等问题。另外，低温下电池负极的析锂现象更加显著，负极表面锂枝晶的生长引起电池寿命缩短以及潜在的安全隐患[2]。电池预热系统用于当动力电池温度低于设定阈值时，通过薄膜加热、液体加热等方式对动力电池进行预热，预热所需的电能通常来源于动力电池组或者充电桩。目前，也有部分研究探索通过电池放电或者在电池两端施加交流电，利用电池自身内阻进行产热从而直接加热电池，或者改变电池结构以及在电池内部加入产热元件等内部加热方式实现电池预热[2]。 同样，过高的温度也会降低动力电池的使用效能。当电池温度过高时，需要采用风冷、液冷等方式对电池进行降温。不过，散热风扇或循环泵均采用12V或24V低压电，因此图1-2中未予显示。 9. 电动空调系统 电动空调系统原理与传统燃油汽车空调系统基本相同。传统燃油汽车由发动机通过电磁离合器带动压缩机，而电动汽车则采用电动压缩机，由动力电池提供直流电源，并经由电动压缩机控制器实现电动压缩机的驱动与控制。 10. 机械传动机构与TCU 电机的外特性曲线非常接近车辆牵引动力装置理想外特性，故电动汽车的机械传动机构通常采用固定减速比的单档传动装置，即可满足车辆运行性能需求[3]。TCU(Transmission Control Unit，变速箱控制单元)用于接收整车控制器或者驾驶员的相关控制指令，控制变速箱处于驻车、倒车或者行车状态。 11. 整车控制器 整车控制器是电动汽车动力系统的控制核心，负责对驾驶员输入的油门、制动、档位以及工作模式等信息进行解析。同时根据动力电池SOC、车速、直流母线电压、直流母线电流等车辆状态信息，以及相应的能量管理策略控制动力电池的输出功率以及驱动电机的工作状态。此外，整车控制器通常还充当整车动力系统的CAN总线网关功能，负责BMS CAN总线、车载充电机CAN总线以及充电桩CAN总线之间的数据转发。 纯电动汽车是我国发展新能源汽车的重点支持车型，尽管受限于动力电池的能量密度、充电时间、充电便捷性等因素，纯电动汽车尚不能满足消费者对理想新能源汽车的预期。但是发展纯电动汽车，具有以下显著优点： (1) 作为二次能源，电能的来源较为广泛，可来源于风力、光伏、核能、潮汐能等清洁渠道，纯电动汽车的推广应用可消耗上述清洁能源，避免了对石油战略资源的依赖，对于优化我国能源消费结构、降低碳排放具有战略意义。 (2) 纯电动汽车可作为储能设施，可充分发挥夜间充电对电网的“削峰填谷”作用，促进夜间风电消纳，提升电网运行效率和可靠性； (3) 纯电动汽车动力系统结构简单，可避开内燃机、复杂传动机构等技术短板。同时，经过二十余年的技术积累，我国已经在动力电池与管理系统、驱动电机与电力电子等核心技术方面积聚了足够的技术优势，可实现纯电动汽车关键核心零部件的完全自主化。 (4) 我国锂矿资源较丰富，查明储量约占世界的13.8%，可支持以锂离子动力电池为主的纯电动汽车大规模市场推广，避免关键资源受制于人。 1.2.2插电式混合动力汽车和增程式电动汽车 1. 插电式混合动力汽车和增程式电动汽车的诞生背景 历经多年发展，尽管纯电动汽车在续驶里程和充电时间方面均取得了显著的进步，市场上已经涌现出了一批续驶里程大于600kM、最大充电功率250kW的高性能纯电动汽车，但是由于充电基础设施尚未完全普及，续驶里程和充电时间仍然是限制纯电动汽车大规模市场推广的主要因素[4]。 德勤(Deloitte)全球制造业组的调查结果显示，中国消费者对电动汽车感兴趣的比重最高，高达93%。但是中国只有少数人每天实际驾驶距离超过80公里，美国、日本和欧洲日均驾驶距离超过80公里的人也仅仅是少数，如图1-3所示。尽管消费者日均驾驶距离并不长，但是各国消费者对电动汽车的续驶里程期望值均在160-300公里之间，欧洲和美国消费者的续驶里程期望值大多在160-480公里之间 [4, 5]。 由此可见，消费者对续驶里程的担忧(里程恐慌)，严重地阻碍了纯电动汽车的大规模市场化推广。在这种情况下，插电式混合动力汽车和增程式电动汽车应运而生，两者的技术思路分别为：①通过在增大现有混合动力汽车电池容量以满足部分纯电动行驶需求；②在现有纯电动汽车的基础上增加由发动机和发电机构成的辅助充电装置以延长里程。 图1-3 中国、美国、欧洲和日本典型日均行驶里程 2. 插电式混合动力汽车和增程式电动汽车的定义及结构 插电式混合动力汽车特指具有可外接充电功能，且具有一定纯电动续驶里程的混合动力汽车[6]。增程式电动汽车首先是一台配置了较小容量动力电池的纯电动汽车，动力电池容量一般能够满足车辆一定里程的纯电动行驶，当动力电池SOC降至一定程度时，启动由小容量发动机和发电机构成的增程器(Range Extender或Auxiliary Power Unit, APU)以延长车辆的续驶里程[4]。 根据定义可知，插电式混合动力汽车和增程式电动汽车的共性主要为： ①均可外接充电，且装备有发动机； ②均有一定的纯电续驶里程，且纯电驱动模式下可以达到其所有的动力性能。 两者的主要区别在于： ①插电式混合动力汽车本质上是混合动力汽车，其发动机和驱动电机具有机械动力环节的耦合。即，在某些工况下，发动机输出的动力部分或者全部参与车轮的驱动； ②增程式发动机和驱动电机无机械动力环节的耦合，发动机仅在动力电池SOC下降至一定程度时驱动发电机为车辆提供电能。应当注意的是，以上仅仅是从技术层面对插电式混合动力汽车和增程式电动汽车共性和差异的描述，某些情况下市场对两者并无严格区分。例如，通用公司推出的VOLT沃蓝达增程式电动汽车，其Voltec电驱动系统中发动机部分参与了车辆的驱动。 此外，需要强调的是，尽管从动力系统构型来看，增程式电动汽车与串联式混合动力汽车非常相像，但是两者存在区别： ①串联式混合动力汽车不需要外接充电，其所有能量均最终来自于油箱，其设计思路是通过优化发动机工作点实现燃油效率的提升，本质上属于节能汽车； ②增程式电动汽车设计思路是通过由小容量发动机和发电机构成的增程器延长整车的续驶里程。 由于插电式混合动力汽车和增程式电动汽车既存在技术上的共性，同时也具有显著的区别，因此当出现相关名词时，一般会进行特殊说明。例如，《GB/T 32694-2021 插电式混合动力电动乘用车 技术条件》的适用范围为“插电式(含增程式)混合动力电动乘用车”；《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》中指出插电式混合动力(含增程式)汽车是我国新能源汽车整车布局“三纵”之一。 插电式混合动力和增程式电动汽车动力系统结构总体上类似，如图1-4所示。其主要区别在于机械传动机构，插电式混合动力汽车的机械传动机构较为复杂，通常需要提供发动机、ISG(Integrated Starter and Generator, 启动/发电一体化电机)机、主驱动电机以及车辆驱动轴之间的复杂动力分配，以适应各种行驶工况；当采用增程式电动汽车动力系统时，机械传动机构结构通常较为简单，一般主驱动电机直接通过单档传动装置与驱动轴连接。ISG电机与发动机直接连接，与主驱动电机之间不存在机械连接。ISG电机仅用作发动机启动时的起动机以及发动机运行时的发电机。 图1-4 插电式混合动力和增程式电动汽车动力系统结构 此外，由于插电式混合动力和增程式电动汽车的电池容量一般较小，两者通常不配备快充接口。但是，市面上也有某些增程式电动汽车由于电池容量较大而配备有快充接口，例如理想ONE配备有40.5kWh的三元锂离子动力电池和快充接口；塞力斯SF5配备有35.0kWh的三元锂离子动力电池和快充接口。 相比纯电动汽车，插电式混合动力和增程式电动汽车由于增加了发动机、ISG电机和电机控制器以及较为复杂的机械传动机构，因此整车控制器必须依据相应的能量管理与运行优化策略，对上述部件进行优化管理，以各动力源之间的特定功率分流和各动力源的优化运行为途径，达到充分挖掘动力系统的潜力，提高运行效率的目的。 由于插电式混合动力和增程式电动汽车基本实现了发动机转速和转矩与驱动轮之间的解耦(对于插电式混合动力汽车，某些工况下，发动机转速和转矩与驱动轮之间仍可能存在耦合)，并且主驱动电机在整个运行工况内均具有较高的运行效率。因此可通过优化发动机的工作点，实现整车驱动效率的优化。 插电式混合动力和增程式电动汽车仍然需要加油，并且排放HC、CO和NOx等污染物，并非完全意义上的清洁能源汽车，但现阶段具有以下优点： (1) 由于配备的动力电池容量较小，整车成本比同型的纯电动汽车有所降低，有助于提高消费者对电动汽车的接受度，有利于其市场推广。 (2) 既可以满足消费者日常的短距离清洁高效出行，又可以免除长距离行驶时消费者对续驶里程的担忧，同时也缓解了消费者对充电时间的要求。 (3) 当短距离日常出行时，车辆完全由动力电池提供能量，具有零排放的环保优势；当超出其纯电动行驶里程行驶时，整车可以通过对发动机工作点的优化来提高发动机的燃油经济性和排放性能。 (4) 可充分利用现有的加油和电力基础设施，避免了纯电动汽车用户猛增对电网造成的负荷冲击。 1.2.3燃料电池汽车 燃料电池汽车是指以燃料电池系统作为动力源或主动力源的汽车。由于燃料电池的功能是输出电能，而最终作用于车辆驱动装置的所有能量均来自于燃料电池输出的电能，因此又称为燃料电池电动汽车。 需要强调的是，虽然名称中包含“电池”二字，但不同于其他化学储能装置，燃料电池不具备储能功能，其本质上是将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。根据燃料电池电解质类型，燃料电池可分为碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell, AFC)、磷酸盐燃料电池(Phosphorous Acid Fuel Cell, PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)、质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)和直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)[7, 8]。其中，采用氢气作为燃料、空气作为氧化剂的质子交换膜燃料电池系统具有启动温度低、比能量高、启动快、寿命长等优点，是车用燃料电池的首选[9]。目前，如无特殊说明，燃料电池汽车均指氢气-空气质子交换膜燃料电池汽车。 图1-5 氢气-空气质子交换膜燃料电池堆结构及工作原理 燃料电池系统由高压储氢罐、电池堆、DC/DC变换器及相关辅助设备构成。其中电池堆是进行电化学反应的核心装置，DC/DC变换器用于将电池堆输出的电能调整至与整车相匹配的电压等级，辅助设备包括空气循环泵、冷却水循环泵、氢气循环泵等辅助电池堆运行的设备。如图1-5所示，氢气-空气质子交换膜燃料电池堆结构主要包含阳极、扩散层、催化层、质子交换膜和阴极。其中阳极和阴极为带有气体流道的石墨或表面改性金属板；扩散层主要起收集电流的作用，同时也是氢气和空气扩散通道；催化层由催化剂(一般为Pt金属或者Pt的合金)组成，是电化学反应活性中心；质子交换膜紧邻催化层，是一种固态的电解质，仅能通过质子，而无法通过电子，主要起隔绝正负极的作用，相当于锂离子电池中的隔膜和电解质，是整个燃料电池堆的核心[10, 11]。 氢气-空气质子交换膜燃料电池堆基本工作原理为电解水的逆反应，即：氢气进入燃料电池的阳极流道，氢分子在阳极催化剂的作用下被离解成为两个氢质子和两个电子，其中质子穿过质子交换膜被氧“吸引”到阴极方向，使得阴极变成带正电的端子(正极)；电子不能通过质子交换膜到达阴极，而是累积在阳极，变成带负电的端子(负极)。如果此时通过外部负载将阳极和阴极相连，由于电位差的存在，电子则通过负载从阳极流向阴极，从而产生电流。同时，氢质子、电子以及由阴极流道输送来的空气中氧气，汇集在阴极催化层，经阴极催化剂催化反应生成纯净水，并释放热量，完成电化学反应[8, 11, 12]。电极反应如下， 阳极： (1-1) 阴极： (1-2) 总反应： (1-3) 典型的燃料电池汽车动力系统结构如图1-6所示，主要由作为基本电源的燃料电池系统、峰值电源、功率分配装置、整车控制器以及完全等同于纯电动汽车的驱动电机及电机控制器、DC/DC变换器及铅酸蓄电池、电动空调系统?机械传动机构和TCU构成。 从动力系统结构上来看，燃料电池电动汽车与串联式混合动力汽车非常相像，只是将串联式混合动力汽车中的发动机、发电机系统替换为燃料电池系统。同样，由于燃料电池系统的功率响应较为缓慢，并且在燃料电池系统升温起动之前，其输出功率有限，因此必须配备峰值电源系统以在任何时刻均能向整车提供足够的功率[3]。峰值电源应具备较大的功率密度，同时必须有足够的容量以防止过度放电导致功率供应中断。峰值电源系统可采用动力电池、超级电容或者两者结合构成的混合储能系统。 由于燃料电池汽车拥有峰值电源系统和燃料电池系统两种电能输出装置，并且当车辆工作于制动回馈状态时，电机控制器也会输出电能。因此必须安装相应的功率分配装置，对功率的流向进行管理。例如，当车辆急加速时，可由燃料电池系统和峰值电源系统同时向电机控制器和驱动电机供电；在制动回馈状态时，电机控制器回馈的电能存储于峰值电源系统；当负载功率小于燃料电池系统的额定功率时，燃料电池系统同时向负载和峰值电源系统供电，以维持峰值电源系统的SOC处于合理区间。 图1-6 燃料电池汽车动力系统结构 燃料电池汽车排放物为纯净水，并且具有非常高的转换效率(可达65%)，是真正意义上的清洁能源汽车。但是，现阶段燃料电池汽车也存在以下不足： ①氢气密度仅为0.0899kg/m3，是一种易燃易爆气体，且当其在空气中的体积浓度处于4.0%～75.6%区间内均会产生爆炸。目前，普遍采用高压气态储氢方式，压力高达70MPa，一旦泄露存在较大的安全风险。因此，燃料电池汽车的安全性仍有待进一步提升。 ②燃料电池汽车依赖完整的制氢、储运、加氢基础设施，对现有的加油、电力基础设施没有任何继承，创建完整的制氢、储运、加氢基础设施体系所需投资巨大。在基础设施不健全的情况下，燃料电池汽车的市场推广将面临巨大挑战。 ③目前，燃料电池系统成本约1万元/kW，约占整车成本的50%，而燃料电池电堆又占据了燃料电池系统的65%左右，其中质子交换膜等核心材料仍以进口为主，成本和核心技术仍是限制燃料电池大规模推广的制约因素。此外，作为催化剂的Pt金属或者Pt合金全球储量较小，我国Pt金属储量极少，2017年的查明储量仅365.3吨，是我国亟需且紧缺的矿种之一[13]。如果没有替代的催化剂出现，燃料电池汽车一旦大规模推广，易形成受制于人的“卡脖子”局面。 1.2.4混合动力汽车 尽管混合动力汽车不属于新能源汽车，但是串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车均拥有电机及其控制系统，属于广义电动汽车范畴。 1. 混合动力汽车诞生背景 当认识到纯电动汽车不可能与内燃机汽车在续驶里程和性能方面竞争时，人们对混合动力汽车产生了极大兴趣。1996年，美国道奇汽车公司制造了Intrepid ESX-1、ESX-2和ESX-3等混合动力车型；福特公司研制了Prodigy并联式混合动力汽车，通用公司研制了Precept并联式混合动力汽车，这两款汽车均达到了美国政府“新一代汽车合作伙伴计划(PNGV)”所提出的80mile/gal燃油经济性目标，但并未量产；在欧洲，法国雷诺公司研制了Next并联式混合动力汽车，燃油经济性达到29.4km/L；德国大众公司研制了串联式混合动力汽车Chico，其平均能耗为每百公里1.4升燃油和13kWh电能；混合动力汽车最成功的案例在日本，1997年丰田公司推出了Prius混合动力汽车，本田公司推出了Insight混合动力汽车，在全球范围内实现了大规模量产和销售，有效的实现了燃油经济性的优化，是当代首批商品化混合动力汽车[14, 15]。 2. 混合动力系统 对于以内燃机为主要动力的车辆，其主要节能潜力体现在：①尽可能使内燃机工作于高效率区域；②最大的程度回收制动能量；③避免车辆静止时内燃机的怠速运行。 为挖掘节能潜力，通过配置由电池、电机构成的电力驱动系统，并通过电力或机械耦合装置，实现与原有内燃机系统的动力耦合，便构成了混合动力系统。 混合动力系统中，通常由内燃机以较高运行效率提供车辆行驶所需的稳态功率，由电驱动系统提供动态功率需求并进行制动能量回馈。 根据能量流通路径，混合动力系统通常可分为串联式、并联式和混联式三大类，如图1-7所示[14, 15]。 图1-7 混合动力系统分类 (1) 串联式混合动力系统 如图1-7 (a)所示，串联式混合动力系统结构与增程式动力系统结构非常类似，区别在于前者所有能量均来自油箱，不具备外接充电功能。 串联式混合动力系统中，内燃机的输出动力全部用于驱动ISG电机，进而产生交流电能，经由ISG电机控制器整流之后，其输出的直流电能与电驱动系统经由电力耦合装置进行耦合。因此串联式混合动力系统是典型的“电耦合”混合动力系统。 实际串联式混合动力系统中，电力耦合装置一般为多端口DC/DC变换器，也可直接将ISG电机控制器输出的直流电接入动力电池系统的高压配电盒，实现被动电能耦合。 串联式混合动力系统的工作模式可描述为：内燃机根据整车控制器指令，工作于特定的转速；ISG电机控制器将ISG电机输出的交流电转换为直流电；电力耦合装置根据整车控制器指令，控制直流电能在ISG电机控制器端口、动力电池系统端口和驱动电机控制器端口之间的能量流动；驱动电机控制器根据整车控制器指令，控制驱动电机工作于特定的转速或转矩，驱动车辆行驶或者进行制动能量回馈。 串联式混合动力系统中，通常内燃机工作于特定的高效率区域，以提升车辆燃油经济性。其主要优点为：①内燃机与传动机构及车轮之间没有机械连接，其工作状态与车辆的行驶状态完全机械解耦，可始终运行于高效工作区域；②无需复杂机械耦合装置，可靠性较高；③工作模式相对较少，控制策略简单。 其缺点主要为：①内燃机输出能量经多次能量转换(机械能—交流电能—直流电能—交流电能—机械能)才能到车轮，导致较高的效率损耗；②驱动电机是驱动车辆行驶的唯一动力源，必须按车辆的预期动力性能指标进行电驱动系统设计。 (2) 并联式混合动力系统 如图1-7 (b)所示，并联式混合动力系统中内燃机和电机的输出动力，经机械耦合装置耦合之后，共同驱动车辆行驶。 机械耦合装置是并联式混合动力系统的核心，包括转矩耦合和转速耦合两种类型[14, 15]。 对于转矩耦合，内燃机和驱动电机的输出转矩均可独立控制，输出转速和车速以特定关系耦合，不可独立控制。转矩耦合装置将两者的输出转矩合并后，驱动车辆行驶。典型的转矩耦合并联式混合动力系统包括双轴式转矩耦合系统、前后轴转矩耦合系统、同轴式转矩耦合系统等。 对于转速耦合，内燃机和驱动电机的输出转速均可独立控制，转速耦合装置以特定关系将两者的输出转速耦合，驱动车辆行驶。同时，内燃机、驱动电机、转速耦合装置的输出转矩以特定关系耦合，不可独立控制。典型的转速耦合并联式混合动力系统包括行星齿轮转速耦合系统、双转子电机转速耦合系统等。 并联式混合动力系统中，车辆具有电机独立驱动、内燃机独立驱动、电机和内燃机混合驱动、再生制动、内燃机向动力电池充电等多种工作模式。其主要优点为：①内燃机和电机均直接向车辆提供动力，不存在额外的能量转换，效率损耗较少；②驱动电机即可用来驱动车辆行驶，也可作为发电机，由内燃机驱动向动力电池充电，部件相对较少；③由于内燃机和发动机可同时向车辆提供动力，因此两者峰值参数均可低于车辆预期动力性能指标进行配置。 其缺点主要为：①内燃机与传动机构及车轮之间存在机械耦合，发动机不能持续工作于特定高效率区域，进而影响发动机的燃油经济性和排放性能；②相比串联式混合动力系统，由于具有多种工作模式，其控制策略较复杂。 (3) 混联式混合动力系统 如图1-7 (c)所示，混联式混合动力系统既具有机械耦合装置，又具有电力耦合装置，可看作串联式和并联式混合动力系统的结合。其主要优点是工作模式灵活，内燃机即可以高效率直接参与车辆的驱动，又可向车辆提供电力。但也存在部件多、控制逻辑复杂等不足。 1.3本章小结 本章介绍了节能汽车、新能源汽车和电动汽车的定义与分类；梳理了纯电动汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车、燃料电池汽车以及混合动力汽车的动力系统结构和工作特性。 此外，多电机驱动、分布式轮毂/轮边电机驱动等新型动力系统结构不断涌现，推动着电动汽车的飞速发展。