电动汽车的分类和工作原理

在谈电动汽车的分类之前，我们先简要说明一下更大范畴的新能源汽车。新能源汽车包括电动汽车。摘录一种新能源汽车的定义：

新能源汽车是指不使用汽油、柴油（或使用汽油、柴油、但采用新型动力装置），具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车分四大类型：混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV/BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、其他新能源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。

这个定义中没有提及增程式电动汽车和甲醇新能源汽车。一种说法是，增程式属于混动，甲醇属于燃料电池。

在学术上，燃料电池按电解质类型不同可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。目前更倾向于能量密度、操作温度、耐CO2能力以及耐振动冲击能力等指标更出色的PEMFC作为车用动力电池，但专业人士认为，对于以甲醇为燃料的PEMFC电池，重整装置应用一个预氧化器，对运输行业来说是可行的。

“风光发电、电解水制氢在一定程度上成为了弃风弃电有效利用的共识。但氢气具有易燃易爆、密度小、易扩散等特点，储存运输基础设施建设及投资强度大，因此欧美等发达国家正积极探索具有碳中性的电子燃料”，“当前最有效的一种电子燃料合成方法是将二氧化碳与氢气通过科学的热催化反应合成甲醇。” 绿色甲醇汽车和氢燃料电池汽车一样，也许是终极的新能源汽车。

当下获得规模化商用的是电动汽车，主流是三种车型：纯电动汽车（EV， Electric Vehicle 或 BEV，Battery Electric Vehicle ），插电式混合动力汽车（PHEV，Plug-in Hybrid Electric vehicle），增程式混合动力汽车（REEV，Range Extender Electric Vehicle）。

电动汽车的分类

电动汽车的分类，有多种维度。常见有三种维度：

从是否完全由电池提供能量来分，分成两大类：纯电动和混合动力。

混合动力的分类比较复杂， 从混合动力驱动的联结方式，或者说是驱动力传递至车轮的方式，或者说动力传递路径中动力系统组件的布置，分为串联、并联和串并联; 甚至有分为串联、并联、串并联、混联的。

从混合动力系统中混合度的不同，可分为微混、轻混、中混和全混。 也有一种分法是轻度混合、 功率混合和能量混合。

关于电动汽车分类的科普文章，已经很多了。我试着列出如下的分类，但不确定是否正确。欢迎汽车圈内的朋友指正！

当前在售的所有车型，插电式混动和油电式混动是否都还有串联、并联和串并联？先就串联、并联、串并联摘编一些比较学术的介绍，然后再就三种主流车型摘编一些通俗类的说明。

串联式

图1是对串联式的说明， 发动机（内燃机）驱动发电机，给电池充电。电池驱动电机，通过差速器（变速器）驱动车轮。在刹车时，电机堵转的反电动势能量也会给电池充电。图2的画法更加形象生动。

— 引自《现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车——基本原理、理论和设计（原书第2版）》

串联式可工作在如下某一种工作模式：

1，纯粹的电牵引模式：发动机关闭，车辆仅由蓄电池组供电、驱动。

2，纯粹的发动机牵引模式：车辆牵引功率仅源于发动机-发电机组，而蓄电池组既不供电也不从驱动系统中吸收任何功率。电设备组用作从发动机到驱动轮的电传动系。

3，混合牵引模式：牵引功率由发动机-发电机组和蓄电池组两者在电耦合器中交汇，共同提供。

4，发动机牵引和蓄电池组充电模式：发动机-发电机组和蓄电池组同时向蓄电池组充电和驱动车辆所需功率。该发动机-发电机组功率在电耦合器中实施分解。

5，再生制动模式：发动机-发电机组关闭，而牵引电动机运行如同一台发电机，由车辆的动能或位能赋予动力。它所产生的电功率用于向蓄电池组充电，以及重复利用于往后的驱动之中。

6，蓄电池组充电模式：牵引电动机不接收功率，发动机-发电机组仅向蓄电池组充电。

7，混合蓄电池充电模式：发动机-发电机组和运行在制动的发电机状态下的牵引电动机，两者都向蓄电池组充电。

串联模式的典型应用就是增程式电动汽车。

并联式

如图3所示，并联式混合动力汽车由发动机和电机通过传动机构将两种动能混合，再通过驱动轴和变速器驱动车轮，但是驱动功率可以由发动机、电机或两者共同提供。 图4的画法更加形象生动。

上述表达是能理解并联式的本质的，但在另外的书本上有更详细的解释：

如同传统内燃机车辆一样，并联式混合动力电驱动系统是一个由发动机直接向驱动轮供给机械动力的驱动系统，它由机械上与传动线相配合的电动机予以辅助，并通过机械联轴器两者共同配合提供动力。这一结构的特异性能是利用机械联轴器将由发动机和电动机提供的两个机械功率组合在一起。并联式同样也具有上述串联式的7种工作模式，但并联式有如下优点：

1，发动机和电动机都直接向驱动轮提供转矩，不存在能量形式的转换，因而能量损失较少；2，由于不需要附加的发电机，以及牵引电动机相比于串联式电驱系统中的牵引电动机要小，因此其结构紧凑。

并联式的主要缺点是：发动机和驱动轮之间存在着机械联轴器，由此发动机的运行点就不可能固定在一个狭小的转速和转矩区域内。还有一个缺点就是，结构和控制复杂。

有一种说法是，并联式适用于客车，当需求高功率时，发动机和电机可以并行工作，从而表现出高性能。

串并联式

先进的混合动力结构结合了串联和并联的优点，发展成为串联-并联混合动力结构并配有电池系统。发动机可以给电池充电。与串联式相比，增加了额外的混合多种动能的传动机构; 与并联式相比，增加了额外的发电机。基于丰田普锐斯混合动力设计的串并联动力系统如图5所示。

增程式混合动力汽车

增程式混合动力汽车就是用发动机进行发电，电动机进行驱动的车辆。当电池组电量充足时采用纯电动模式行驶，而当电量不足时，车内发动机启动，带动发电机给动力电池充电，提供电动机运行的电力(即增程模式)。增程无论什么情况下，都不能由发动机直接驱动车轮行驶，仅能通过电动机驱动。

增程式电动汽车相当于是在纯电动汽车的基础上，装了一个小型的发动机和发电机组合（由发动机带动发电机）以备电池电量不足时进行充电。因为发动机并不直接驱动车轮，所以也不需要变速器。它和PHEV 一样具备发动机、电池与马达，并且一样有插电接口和需要补充燃油，因此常常和PHEV 搞混。但是REEV 搭载的小排气量燃油引擎仅作为电池充电用途，无法直接当做动力输出，而PHEV发动机可以直接通过变速箱齿轮驱动车辆前进。

REEV虽然有正常的发动机，但动力输出是依靠电动机的，发动机只是用来发电为电动机提供电力，它既可以外接电源充电也可以加油。在中低速行驶的过程中省油优势十分明显;　一旦进入高速行驶，能量二次转换损耗较大，油耗很大。「增程式电动汽车」属于PHEV的一种，以其结构简单、成本不高、节能且最易推广的优势，成为我国向「纯电动汽车」过渡期间的一种小众混动车型。

代表车型：理想ONE、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９、宝马i3增程版、广汽传祺GA5增程版、问界

增程式就如在纯电动汽车上多备了一个油壶作为“充电宝”。平时在市区里上下班，续航里程不是问题，增程式电动汽车就是纯电动汽车；偶尔出远门，充满电，加满油，能飙１０００公里，所以，这很吸引消费者。爽，没焦虑。

油电式混合动力汽车

燃油发动机和电动机共同驱动，但没有充电口，通过汽车运行过程中的能量回收进行充电。燃油车同时配以电动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。

该种车型在传统的发动机基础上，又加装了一套电驱动系统，可以进行混合动力驱动。车辆的动力来源既可以是电动机也可以是内燃机，亦或二者同时提供。它能够在纯电动模式、纯油模式以及油电混合模式下行驶，在市区和低速路况下，会选择使用纯电驱动，在急加速和爬坡等路况，发动机也会介入共同工作。在车辆怠速，停车等汽油消耗量最大的阶段使用电能进行驱动，当达到一定的速度切换成汽油发动机进行驱动，而发电机和动能回收装置则为蓄电池充电。

相较于燃油车，油电混合动力车油耗低，加速快。油电混动车型所搭载的电池容量较小，不需要外接电源来给电池充电，电池的电能来自于发动机带动的电动机，所以只需要加油就可以了，日常使用与传统燃油汽车无异。发动机功率不足时，由电池来补充；功率多余时，富余的功率可通过发电机给电池充电。由于发动机可持续工作，电池可以不断得到充电，行程和普通燃油汽车一样，油耗是普通燃油车的一半，在繁华市区，可由电池单独驱动，实现“零”排放。有了发动机，方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。电池可以回收制动时、下坡时、怠速时的能量，电池保持在良好的工作状态，不会发生过充、过放，大大延长电池寿命。　　　

这种电池一般电池容量小，不提供充电接口，电池的能量通过汽车运行过程中的能量回收进行充电。主要是在起步及油耗方面比传统汽油更有优势。将电动机的特性与内燃机的特性完美结合，就是他的最大的优势。缺点就是蓄电池一般只有48V，储存电量很少，纯电行驶的距离会很短，如卡罗拉/雷凌双擎，纯电行驶的距离大约只有三公里。

虽然能量获取上完全依靠汽油，没有充电插口，但是，汽车有能量回收机制，增加了一套永磁同步电机，汽车刹车时可回收动能，储存在电池内，低速起步时依靠电机启动。

总结来说：

优点：油耗低、起步/上坡/加速等充分发挥电动机大扭矩优势时整体效率高、无里程焦虑。

缺点：不能享受补贴和绿牌。不能从电网取电。

代表车型：日系车企喜欢搞这条技术路线，如丰田普锐斯、雷凌、卡罗拉。

插电式混合动力汽车

通俗一点讲，将HEV车型的电池容量加大，并且装上外接充电插口以后，就可以变为PHEV车型。PHEV在电池容量充足的情况下，拥有更长的纯电续航里程，因此比HEV车型更省油。

PHEV包含非插电式混合动车汽车全部优点，拥有可以纯电行驶50公里以上的大电池和外接充电接口，日常通勤可以完全纯电行驶。其内部有传统的发动机变速和纯电动两套独立的动力系统。不过，主要动力仍为发动机，电动机为辅助作用。可以通过外部电源充电，同时发动机也可以为电池充电。即使车辆在行驶过程中，没有电了，仍可以依靠纯油行驶，没有续航忧虑。

与HEV车型最大的区别在于，PHEV的车载动力电池容量较大，（电池比EV小，比HEV大），有外接充电接口。也就是PHEV车型，可以对电池进行外插充电，并且电池容量也更大，纯电续航里程更长。不同厂家纯电续航里程是不同的，但一般都会突破50KM，因为只有超过50Km，才可以上绿牌，国家会给相应的补贴。并且不受限行和牌照的限制。最大特点：短途电驱动，长途油驱动，续航里程不受限，短途行驶更经济。上下班可以用纯电，跑长途再用油。费用低还可以享受电车的这种安静舒适，是一款比较理想的电车。　这个应该是最常见的类型，除了造车新势力外几乎所有车企都来插一杠子。驱动由燃油发动机和电动机共同提供，配备充电接口。不同厂商可以通过电机，燃油机的介入算法形成多种驱动组合。比如纯电动模式，纯燃油机模式，电机加燃油机混合模式，可攻可守。

如果是插电混动的中级主流轿车，家庭只有一辆，对性价比的要求就比较高。因为一般插电混动的纯电续航里程较增程式电动要低一点。过去电池价格高，用的太少满足不了轿车加速的要求，现在电池功率提高了，成本控制会好些。两者实际上差别已经不大，对消费者而言就是个人的选择

现在国内销售的插电混动也基本是有电用电，亏电用油，即有电时两者都是纯电动车。插电混动的运行模式比较多，既可以串联，也可以并联，是一种混联模式，选择性更强，对技术水平的要求也更高。二者主要差别在于增程电动亏电时，如果在高速公路行驶油耗就比较高。如果亏电了，插电式车在城区就串联，在高速公路很可能是并联或者发动机直接驱动，因为高速公路串联的经济性不好，而串联在城区的经济性是不错的，也就是说插电式混动的选择性更强，对工况适应性更好，油耗降低的能力当然是更好。同时对技术水平的要求更高，进入的门槛当然也更高。比如说要有很好的发动机，专用的混合动力发动机采用可变行程，废气增压等一系列新技术可以把有效热效率提升到43%，整车油耗可以低于百公里4升。增程电动亏电时如果在高速公路行驶油耗就比较高了，差别就在这。

一般来讲，插电混动的纯电续航里程低增程式电动低一点，增程式电动一般到200公里以上。不管120公里、还是200公里用的电池价格基本一样，以前50公里的时候它要用高功率和能量兼顾型电池，那个电池价格一般比较高，因为电池用的太少满足不了轿车加速时候的需求。现在到120公里纯电续航里程，功率已经可以满足了，所以不需要用那些比较贵的高功率电池，这个时候相对来讲电池装得少，成本控制会好一些。

总结来说：

优点：有条件地享受新能源补贴和牌照政策、无里程焦虑、行动更自由。

缺点：需要充电桩但不绝对依赖、电池电量耗尽后油耗高。

代表车型：比亚迪秦、唐、宋系列，上汽荣威e550、BMW 5系 PHEV

纯电动汽车工作原理

电动汽车的普及让做车的门槛一下子降低了。一个文科生也可以在五分钟内听明白电动汽车的系统架构，基本工作原理。电动汽车的硬件核心当前主要是电化学（电池）和电力电子（MCU，OBC，DC/DC）。将来硬件的热点是AI芯片。电动汽车将来和电脑、手机一样，最核心的硬件将依赖于若干家顶端的AI芯片制造商。软件也和电脑、手机一样，变得非常重要。中国人掌握了动力电池和电力电子的核心技术。我在2016年预判，电动汽车将是中国人的天下，重演电脑和手机的故事。中国军团血洗天下。（当然，还要看政治）

图6是一种典型的电动汽车系统架构示意图。动力电池给电控提供动力，电控的电路拓扑是一个非隔离的DC/AC，它将动力电池的直流电转换为交流电，驱动电机运转，电机和变速箱一起驱动轮胎。变速箱是传动机构，让电机的动力与车辆要求更匹配。动力电池还需要给车上的PTC(加热器)和A/C（空调）供电。

有两种方式给动力电池充电。一种是通过图示的“快充”口，利用外来的“直流充电桩”直接给动力电池充电。另外一种是将电网的交流供给车辆内部的车载充电机（OBC），OBC转换为直流电。两者对于动力电池pack而言是进入同一个接口，只是充电电流大小不同。OBC的电路拓扑是带有PFC电路的隔离的AC/DC。

电动汽车仍然需要保留传统燃油车上的蓄电池（12V，24V很少见了。有48V的趋势，但车企跟进热情不高），为车上的弱电部件，如方向盘，雨刷，音响，车门，车灯等供电。蓄电池亏电，车子就会熄火在车库里，无法启动，因为车辆启动时需要通过蓄电池供电打开车门，启动VCU。蓄电池由动力电池通过车载的DC/DC变换器供电。车辆在行驶状态下，DC/DC一直处在工作状态，DC/DC直接给车上弱电部件供电，同时给蓄电池充电。蓄电池，在有些车企内部被称为“常电”，在民间常被称为“小电瓶”。为什么不可以在车辆“待机“状态下直接由动力电池通过DC/DC供电，取消蓄电池呢？我的理解是从动力电池的高压降压到12V，待机状态下的静态损耗太大。

VCU作为整车的大脑，需要协调各部件的工作。“VCU采集电机及电池状态，采集加速踏板信号、制动踏板信号、执行器及传感器信号，根据驾驶员的意图综合分析做出相应判定后，监控下层的各部件控制器的动作，它负责汽车的正常行驶、制动能量回馈、整车发动机及动力电池的能量管理、网络管理、故障诊断及处理、车辆状态监控等，从而保证整车在较好的动力性、较高经济性及可靠性状态下正常稳定的工作。可以说整车控制器性能的好坏直接决定了新能源汽车整车性能的好坏，起到了中流砥柱的作用。”

BMS 通过测量，获取电池的工作状态，并把这种状态显示出来。紧急情况下，利用声光手段来提醒使用者，使得电池工作在“合理区域”，从而延长电池的使用寿命。危险情况下，自动采取措施，避免事故的发生。另外，为电池提供能量均衡功能，提高电池的“有效储能”，进而延长放电时间。在充电过程中，BMS是充电系统的“总大脑”。

动力电池，电控，变速箱，PTC，A/C，OBC，DC/DC，VCU，BMS，这些部件作为产品形态，都是需要IP67的防护等级，外壳的抗震性能要求也非常高。它们之间的电气连接需要涉及到图示中没有包括的接插件，高压线束，直流接触器，继电器和熔断器，等。电动汽车里有一个高压配电盒（PDU）来“盛放和固定”直流接触器，继电器和熔断器，实现电气信号的“中转“传输。不同厂家的PDU里面具体包括不同的零件和线束，五花八门。我曾经想搞一个万能的PDU模具，但发现这种努力是失败的。每一家都需要定制。下表是我们研究的多家PDU里面“盛放“的东西。N/A表示没有。

在过去的七年里，电控、变速箱、电机和OBC、DC/DC、PDU以及VCU，动力电池，BMS等的组合方式不一样带来了不一样的的“技术方案“。演进速度非常多样化，非常快。甚至可以说，演进的速度超过了硬件产品该有的正常的研发规律。这导致产生了一个必然的后果：”快就是慢“。过快的导入量产导致了大面积的触目惊心的产品故障率和相应的一地鸡毛的创业潮及创业瘁死潮。现在已形成了比较稳定的供应商格局。外面的人不太容易再进来了。

据说，对于乘用车，在当前多数车企还没有去OBC的背景下，业内认可的主流是两个“三合一”：电控，变速箱和电机做成一个组件，OBC，DC/DC和PDU做成一个组件。2016年，主流是单体。OBC 6.6kW/3.3kW单体+DC/DC单体+PDU单体。6,6kW水冷，3.3kW独立风道。2017年，物理集成的三合一上车，中间水道，上边是OBC 6.6kW，下边是DC/DC和PDU。主流的体积大约是396mm*416mm*165mm。

2018年，OBC和DC/DC深度集成为一个二合一，原理集成或者磁集成。进化到这一年，OBC和DC/DC二合一的体积和2016年的OBC单体的体积变得一样了。原理集成的方式，节省了DC/DC的DSP芯片和输入EMI电路的成本，PCB板也省了。2018年上半年完成正样的时候，下半年就有车企敢上车了，结果是2019年召回1万多台。2019年上车这种深度集成产品的车企，对于产品稳定性差感到很恼火，一下子罚了供应商5000万。代价非常沉痛，OBC行业前几名的电源企业都受到了重挫。到了2020年，业界感受到OBC带来的切肤之痛，开始接受

去掉OBC之后，整车的电气架构将会演进成什么样的状态？

我在2018年开始和车企朋友探讨这个话题。PDU和DC/DC做成二合一。这是最没有想象力的一种方式。PDU化整为零，将那些接触器，继电器，熔断器分别放到动力电池，DC/DC，PTC，A/C组件里面去。PDU的部分器件放到动力电池里面叫BDU，这在市场上早就有了。

PDU化整为零是非常可能的一种努力方向。如果PDU化整为零，DC/DC将作为一个单体存在还是被集成到电控里面去呢？如果没有成本和体积的压力，单体其实是更简洁，可靠的产品形态。DC/DC的功率越来越大，一方面是因为车上的屏幕越来越大，智能计算越来越强，另外一方面，DC/DC的功率选择是将每种弱电部件的最大功率加起来了，裕量很大。车辆在正常行驶中，DC/DC消耗的功率往往只有1/2。作为一种电力电子产品，为了保证5年的使用寿命和0故障率，我认为最好的方式是冗余：搞两个DC/DC单板并联，一个坏了后用另外一个。DC/DC做成自然冷是否可行？自然冷的体积要做成多大？

去掉OBC，整车里面的那些部件到底怎么集成？整车设计将非常有想象力。