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【干货】新能源汽车电学基础知识汇总

一、直流与交流电路基础

（一）基本概念

（1）电荷的定义

带正负电的基本粒子，称为电荷（如下图所示）。带正电的粒子叫正电荷（表示符号为“+”），带负电的粒子叫负电荷（表示符号为“﹣”）。也是某些基本粒子(如电子和质子)的属性，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

电荷的多少叫电荷量，即物质、原子或电子等所带的电的量。电荷的符号是Q，单位是库仑（记号为C）简称库。

电荷守恒定律：电荷既不能创造,也不能消灭,它只能从一个物体转移到另一个物体,或从物体的一部分转移到另一部分,在转移的过程中，系统的电荷总数保持不变。

（2）电流的定义

单位时间内通过导体横截面的电荷量，叫电流。用符号I表示，单位是安培，用字母A来表示。

电流的方向：物理上规定电流的方向，是正电荷定向移动的方向。部分常见的电流如下表所示。

（3）电压的定义

电压也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。电压用字母U表示，单位是伏特，简称伏，用字母V表示。

（4）电阻的定义

在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。电阻用字母R表示，电阻的单位是欧母，用字母Ω表示。

（5）电功率的定义

电流在单位时间内做的功叫做电功率。是用来表示消耗电能的快慢的物理量，用P表示，它的单位是瓦特（Watt），简称瓦，符号是W。

如果在“t”这么长的时间内消耗的电能“W”，那么这个用电器的电功率就是：P=W/t

我们通常指的1度(电)=1kW•h=3.6×106J

（6）欧姆定律

在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比。

基本公式是：I=U/R

由欧姆定律I=U/R的推导式R=U/I或U=IR

（7）直流电的定义

直流电简称DC，又称“恒流电”，恒定电流是直流电的一种，是大小和方向都不变的直流电。电流大小（电压高低）和正负极都不随时间（相对范围内）而变化。

（8）交流电的定义

交流电简称为AC，交流电也称“交变电流”，简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦电流。

交流电被广泛运用于电力的传输，因为在以往的技术条件下交流输电比直流输电更有效率。交流电升降压容易的特点正好适合实现高压输电。使用结构简单的升压变压器即可将交流电升至几千至几十万伏特，从而使电线上的电力损失极少。在城市内一般使用降压变压器将电压降至几万至几千伏以保证安全，在进户之前再次降低至市电电压(中国大陆及香港特别行政区220V）或者适用的电压供用电器使用。

二、电磁基础

（一）磁性与磁场

（1）磁性

磁性指磁体吸引铁、钴、镍的性质；磁性分布特点为两头最强、中间最弱。磁极指磁体上磁性最强的部位；N极指悬挂时指北的磁极；S极指悬挂时指南的磁极。磁极间作用规律为同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引。

（2）磁场

磁体间的相互作用是通过磁场产生的。磁场方向（如下图所示）：在某点小磁针静止时N极指向为该点的磁场方向。磁场的基本性质：对放入磁场的磁体产生磁力的作用。

（3）通电螺线管磁场基本原理

通电螺线管外部的磁感线是从螺线管的北极发出并回到南极。但是，在通电螺线管内部的磁场方向是从螺线管的南极指向北极。通电螺线管对外相当于一个条形磁铁。通电螺线管外部的磁场与条形磁铁的磁场相似。

三、镍氢电池与锂离子电池的基本构造

（一）电池分类

高压电池（或称为动力电池）的性能对新能源汽车的发展起着至关重要的作用。新能源车动力电池应具有比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等特性。目前主要动力电池的基本种类如上表所示。

（二）电池的技术参数释义

（1）比能量

参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小称为该电池的比能量。

（2）比功率

比功率是衡量汽车动力性能的一个综合指标，具体是指汽车发动机最大功率与汽车总质量之比。

（3）自放电

蓄电池如果一直闲置不使用，也会损耗电量，这种现象称为蓄电池的自放电现象。

各类型电池基础属性（性能排名）对比如下图所示

（三）镍氢电池与锂离子电池的基本构造

目前技术最成熟、应用最广泛、商业化最成功的是镍氢电池与锂离子电池，锂离子电池也是目前各国研发的重点。燃料电池则因可以做到完全零排放，而视作远期目标。

（1）锂电池

锂电池按照电解质形态不同可分为液态锂离子电池和聚合物锂电池。聚合物锂电池是指正极、负极和电解质中至少有一种是聚合物材质的锂电池。液态锂离子电池（如下图所示）包括正极、负极、隔膜及电解液等四大材料。正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料，直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化，约占锂离子电池电芯材料成本的30%左右。目前常用的正极材料（见下表）主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四种。

（2）镍氢电池

镍氢电池的材料构成主要由电极材料（正极活性物质为氢氧化镍，负极活性物质为金属氧化物，也称贮氢合金）、电解液、金属材料及隔膜组成(基本构造与液态锂电池类似,不再附图)。贮氢合金是影响电池容量和充放电性能的关键材料，也是发展镍氢动力电池的主要技术瓶颈。

（3）燃料电池

燃料电池通过氧与氢或其他燃料结合成水和二氧化碳的简单电化学反应而发电(基本构造如下图所示)。燃料电池能量密度极高，接近于汽油和柴油的能量密度，几乎是零污染，号称“终极电池”，代表着电动车未来的发展方向，也是各国重点研发的领域之一。燃料电池发展主要制约是成本过高,燃料电池反应中需要使用贵金属铂作为催化剂,使得成本高居不下;在后续使用上，贮存和运输氢成本高昂,危险性也高与其他材料;加氢站等配套设施不够完善，如何提高氢站安全性也需高额的期投入。

四、电动机基础知识

（一）基本原理

通电导体在磁场中有力的作用,作用力方向与磁场方向和电流方向有关.电动机就是基于此原理设计而成,直流电动机基本原理如下图所示。

电动机一般由转子、定子、电刷、换向器及相关机械部件组成。当直流电通过电刷向电枢绕组供电时，电枢（转子）在磁场中受力转动，输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能。

（二）车用电动机分类

电动机可分为电磁型电动机和非电磁型电动机；其中电磁型电动机大致上可分为直流电动机、交流直流两用电动机、交流电动机以及其它电动机。

驱动电动机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前车载电动机使用较多的有永磁同步电动机,永磁直流无刷电动机、交流感应电动机和开关磁阻电动机等四种电动机

（1）永磁同步电动机

永磁同步电动机是利用永磁体建立励磁磁场（利用电磁感应原理工作的励磁磁场为发电动机、电动机等提供工作磁场）的小功率同步电动机。它的定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。永磁电动机具有很高的功率密度和效率，并且散热较好。因此，永磁同步电动机系统在电动车领域已经得到了大量应用。

永磁同步电动机的结构与直流电动机相似，具备无刷直流电动机结构简单、运行可靠、功率密度大、调速性能好等特点，在结构上可实现电动机与变速箱的一体化。与此同时，由于永磁同步电动机采用的驱动方式不同于直流电动机，在噪音以及控制精度环节，永磁同步电动机更胜一筹。高成本是制约永磁同步电动机系统的一个重要因素，下图是大众的永磁同步电动机。

（2）永磁直流无刷电动机

根据电动车对电动机的技术要求，直流电动机能够满足电动车运行的基本需求，另外无刷直流电动机也不需要用户在用车期间去考虑它的维护问题，基于这样的特性，无刷直流电动机成为入门级电动车的首选。直流电动机的转速范围不算宽泛，而且最高转速仅为6000rpm左右，这样的转速属性很难满足电动车的工况需求。直流电动机系统的重量大、效率低，阻碍了其在电动车中的进一步应用。随着电力电子技术的发展和新材料的应用，直流电动机驱动系统基本上已经被其他驱动电动机系统所取代。

（3）交流感应电动机

交流感应电动机具有简单、可靠，转矩脉动小和噪声低等优点，被较早地应用于电动车驱动系统中。由于交流感应电动机具有低价格、易维护、高可靠性等特点，因此其在电动车驱动领域被广泛应用。但是，相较于永磁同步电动机，交流感应电动机的功率密度低和效率低等缺点，制约了其在部分电动车驱动领域的应用。

（4）开关磁阻电动机

开关磁阻电动机是一种单边励磁的双凸极电动机，具有结构简单坚固、成本低、起动转矩大和低速性能好等优点。开关磁阻电动机的调速系统可控参数多和经济指标比其他主流电动机都要好。功率密度也更高，这意味着电动机在重量更轻且功率大，当电流达到额定电流的15%时即可实现100%的起动扭矩。另外，更小的体积也使得电动车的整车设计更为灵活，可以将更大的空间贡献给乘员舱。

开关磁阻电动机的结构简单，但控制系统的设计相对复杂，在研发阶段，现有技术很难为其建立准确的数学模型。在实际运转过程中，电动机本身发出的噪音以及振动是电动车无法“容忍”的，尤其是负载运行的工况下，因此开关磁阻电动机在电动车领域的应用并不普遍。

（5）车用电动机性能对比总结见下表。

五、能量管理系统基础知识

（一）车用高压电池常见能量来源

（二）外接电源充电插头

可通过交流电（AC充电）或直流电（DC充电）进行高电压蓄电池充电。所用充电插头是标准化部件，下表概括了最常见的插头形式。

（三）外接电源选择

以电缆为传输介质，通过电缆和偶合器（插头插座）连接，进行直接的接触式电能传输。目前主要分为

（1）单相交流220V/16(32)A；

（2）三相交流充电：380V/32(63)A；

（3）直流充电：0-700V/最大电流250A；

（4）交流充电：由交流充电桩提供220V或380V交流电能，车载充电动机完成交直流变换，充电功率一般不大于5kW，充电时间通常为5～8个小时。充电便利性一般。

（5）直流充电：由非车载充电动机完成交直流变换，充电功率较大，从几十千瓦到上百千瓦,充电时间仅10分钟，但较大的电流，对电池有所冲击，现阶段仅可作为电动汽车充电的应急选择。

（四）制动能量回收与发动机供电

六、高压部件基础知识

（一）基本构造概览

纯电动车型的高压部件如下图所示

混合动力车型高压部件如下图所示

（二）电力电子控制装置

电力电子控制装置（实物如下图所示）也称为逆变器或转换器。它的作用就是将发电动机的三相交流电压转换可为高压蓄电池充电的直流电压。在此过程中，三相交流电压将首先经过整流，然后再整平，以实现近乎恒定的直流电压。在相反的情况下，当使用电动机驱动时，会将高压蓄电池的直流电压转换为三相交流电压。

（三）充电器

与高压设备一并被安装在车上的充电器也称为AC/DC转换器。它将公共电网中的交流电通过充电接口转换为直流电，因为高压蓄电池只能储存直流电，实物如下图所示。

（四）高压电缆

高压电缆（实物如下图所示）是车内所有高压部件之间电力传输的载体。高压电缆都是橙色，非常牢固，不易损坏。再用同样是橙色的织物外套包裹，得到进一步强化。高压电网的电气插头连接是多芯的，有颜色标志。高压电网之外的用电器（例如照明装置、转向系、制动力助力真空泵、点烟器）都由传统12V车载电网供电。