一期一會 | 什么是電動汽車動力總成？

Ansys中國

2025年12月29日 15:55

寫在前面

仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。

電動汽車（EV）是指依靠電力驅動的汽車，其動力通常由電池（BEV）或燃料電池（FCEV）提供。電動汽車動力總成是指電動汽車中將電能轉換為機械運動的系統。

電動汽車動力總成包括：

儲能系統——電池或燃料電池
電力電子設備——支持相關控制的逆變器/轉換器
電氣機械裝置——能量轉換系統（電機）
機械系統——傳動系統

值得注意的是，電動汽車傳動系統還包括傳動軸及其機械部件。此外，電動汽車動力總成在運行過程中不會產生尾氣排放，有助于提供更綠色環保的交通運輸方案。

一、什么是動力總成？

動力總成是車輛內部的一組組件，可產生并控制動力，驅動車輛。

純電動汽車（BEV）正在成為電動汽車的標準，因設計更簡潔、維護成本更低，2023年占全球電動汽車總量的70%，2022年占輕型商用電動車銷量的98%。

純電動汽車動力總成由幾部分構成：用于存儲電能的電池組、用于轉換電源以驅動電機的逆變器、將電能轉換為機械運動的電動機（也稱原動機），以及控制從電機到車輪的動力輸出的齒輪箱。

與需要發動機、燃油噴射系統和排氣系統的內燃機（ICE）相比，電動汽車動力總成是一種不同的架構，其不會產生尾氣排放和內燃機噪聲。此外，其活動部件更少，因此磨損更少，維護成本通常也更低，因為不再需要火花塞和機油更換等高維護項目。

二、電動汽車動力總成的重要組件

在全球努力實現更可持續的未來之際，電動汽車的優勢已是眾所周知。電池是電動汽車的關鍵組件，同時，還需要一系列電力電子組件和控制器來調配幕后的電流。

事實上，電力電子產品是電動汽車動力總成系統的重要組成部分，其有助于確保最佳能量轉換，以及電動汽車的最佳運行、安全性和性能。

1、電動汽車動力總成的發電系統

發電系統提供驅動車輛所需的電力。

電池包/電池組：電池包由大量電池（通常是鋰離子電池）組成，這是主要儲能機制。鋰離子電池具有高能量密度，每單位體積可存儲大量能量。燃料電池是另一種儲能方法。

電池包還包含電池管理系統（BMS），可提供防止過度充電或放電的策略，以確保電池的安全運行。

車載充電器：車載充電器將來自外部充電電源（電網）的交流電（AC）電源轉換為直流（DC）電源，存儲在電池中。車載充電器能夠與車輛控制單元和外部充電站通信，以便為供電穩壓。此外，其還可能具有網絡安全功能。

2、電動汽車動力總成的配電系統

配電系統主要控制電源的功率，其集成了電力電子組件，包括將電池的直流電轉換為供電機使用的交流電的逆變器。此外，不同的電力電子控制拓撲還有助于提高性能，例如提供不同的逆變器開關策略來提高效率或實現最大扭矩。

DC-AC逆變器（牽引逆變器）：DC-AC逆變器將電池的直流電轉換為交流電，產生控制電機速度和加速度所需的交流電壓。DC-AC逆變器包含有絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC MOSFET）功率器件，這些器件通過印刷電路板（PCB）或功率母排相連。這些電源半導體器件可作為高速開關，“開”“關”電機的大電流和高電壓，以模擬正弦電流波形。

DC-DC轉換器：DC-DC轉換器可調節電池的高壓DC輸出，提供為照明、娛樂系統或空調等輔助系統供電所需的低壓DC電源。其集成了不同電力電子器件，包括功率半導體、功率二極管、電容和磁性元件等。此外，也可將一款DC-DC轉換器集成到包含充電器和接線盒的供電模塊（PDM）中。

車輛控制單元：車輛控制單元是電動汽車的中央通信中心，收集并處理來自各種系統、傳感器和控制器的數據，它可實現車載充電器、電池、電機以及其它系統之間的工作同步。

配電單元：配電單元可確保車內的每個系統都能獲得適量的電能。其集成了開關、熔斷器和繼電器等電力電子器件，偶爾還包含半導體器件，這樣，不僅可防止系統過載，還能提升效率。

固件和電子控制單元：通過由固件供電的電子控制單元（ECU）協調，可確保數據的高效交換和處理，從而使電動汽車動力總成組件實現高效安全的工作。

熱管理系統：熱管理系統可防止電池和電機免受極端溫度的影響，確保整個電動汽車驅動系統和生態系統的高效安全流程。

3、電動汽車動力總成的機電能量轉換

牽引電機：牽引電機是產生道路牽引力，驅動車輛前進的主要組件，其通常具有：

定子：這是電機的固定部分，由硅鋼片（導磁鋼片）和纏繞在定子周圍周向間隔的槽中的銅線圈組成。

轉子：這是電機的旋轉部分，通常由硅鋼片和永磁體組成，其經過精心設計，與定子結構協同作用以產生扭矩。還有其它不需要永磁體的電機拓撲，例如，使用“鼠籠”結構代替永磁體來產生扭矩的感應電機。

電流通過定子線圈時，會產生旋轉磁場。該磁場會與轉子的磁體（或感應電機的鼠籠）相互作用，使轉子旋轉起來并產生運動。電動汽車的加速器踏板，可通過控制系統和電力電子組件來控制從電池流向電機的電流和頻率，從而控制電機產生的扭矩。

大多數電動汽車都配備了AC電機（要么是同步，如無刷永磁電機，要么是異步，如感應電機）。

變速箱和傳動裝置：在內燃機汽車中，通常需要一款機械傳動裝置來將發動機或電機的輸出與車輪所需的輸出相匹配。電動汽車變速箱通常比內燃機汽車的變速箱簡單得多，因為電機不僅可在比內燃機更寬的速度范圍內產生扭矩，而且還可在零速下產生扭矩。這就意味著，電動汽車不需要內燃機傳動裝置中常見的離合器和寬檔位。然而，電機通常旨在以高于車輪所需速度的速度旋轉，因此變速箱主要用于減速以及增大所提供的扭矩。

大多數電動汽車傳動裝置都有統一的固定齒輪傳動比，無需任何組件來改變傳動比。多速變速箱可能在高性能或更大的商用電動汽車中很實用，其可擴展所提供的扭矩和速度范圍。

在混合動力電動車動力總成中，變速箱在使用常規或行星齒輪組將一個或多個電機與發動機的功率相結合時，發揮著至關重要的作用。變速箱將根據不同的駕駛條件，與電機和發動機協同工作，以最高效的方式提供動力，其中可能包括在內燃機不運行的情況下運行車輛，以及在駕駛條件適宜時，在發電模式下利用發動機和電機為電池充電。

差速器通常既可整合為電動汽車變速箱的一部分，也可根據動力總成的布局，作為單獨的組件。

三、電氣化動力總成的類型

電氣化動力總成有三種主要類型，可提供不同的配置和功能，滿足不同的需求和偏好。

純電動汽車（BEV）：電池電動汽車也稱純電動汽車，其所有動力都來自可充電電池包中存儲的能量，不使用燃油箱等輔助能量儲存裝置。

純電動汽車必須使用外部電源充電，當前，這類汽車的續航里程在100英里至400英里（約160至640公里）之間。在某些情況下，高端電動汽車的續航里程更高。現有的純電動汽車車型，包括特斯拉Model 3、尼桑LEAF和寶馬i3等，最近市場上也出現了許多其他新車型。

混合動力電動汽車（HEV）：混合動力電動汽車將內燃機與電動傳動系統相結合，與常規內燃機汽車相比，可實現更高的燃油經濟性及性能。

混合動力電動汽車會在不同程度上由電力驅動，其具有各種優勢性特性，例如：

再生制動，可將動能轉化回電能，存儲在電池中（還能與純電動汽車共享）
啟停系統，可在發動機空轉時關閉發動機，以減少排放
發電機（由內燃機供電），既可為電池充電，也可為電機提供額外的動力

當前的混合動力電動車的續航里程在400到600英里（約640到960公里）之間。除插電式混合動力電動汽車外，混合動力電動汽車通常不使用外部電源充電。現有的混合動力汽車車型，包括福特Fusion混合動力車、豐田凱美瑞混合動力車和本田思域混合動力車等。

插電式混合動力電動汽車（PHEV）：PHEV是HEV的子類，其可通過外部電源充電。目前，PHEV僅靠電力就可達到20英里到50英里（30到80公里）的續航里程，是短途城市旅行的理想選擇。對于更遠的旅程，插電式混合動力電動車可依賴汽油或柴油。現有的插電式混合動力電動車車型，包括豐田普銳斯Prime、雪佛蘭Volt和本田Clarity等。

燃料電池電動汽車（FCEV）是第四種電動汽車，其工作原理是通過氫燃料電池（而非電池）產生電流。

四、內燃機汽車與電動汽車動力總成比較

一個多世紀以來，內燃機一直是汽車的主要動力來源。

雖然內燃機車的使用由來已久，但其仍面臨著一些挑戰，其中最重要的是化石燃料燃燒造成的環境污染。因此，各國政府和民眾都在為電動汽車的普及而共同努力。

為了便于對比，以下列出了內燃機汽車和電動汽車動力總成的主要區別：