电动汽车电池、电机与电动控制

电动汽车的电池、电机及电控这三大部分即为常称的“三电系统”或“三电”技术。三电系统是电动汽车区别于传统燃油车核心的技术，是作为替代燃油车发动机系统而诞生的动力系统。

一般而言，我们将高压电池（有别于燃油车上的12V低压电池）称为动力电池，其作用和传统燃油车的油箱类似，是电动汽车的能量来源。动力电池系统通常由电芯、电池组、电池管理系统、充电系统、配电系统、冷却系统、高低压线束、保护外壳和其他结构件构成。电池的关键在电芯，电芯重要的材料便是正负极、隔膜、电解液。正极材料广为人知的有磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元、高镍三元等。

电机由定子、转子、壳体三部分组成，电机技术的关键点在定子、转子。逆变器是把直流电转变成交流电的设备，目前国内外电动车的传动机构大多是单机减速，即没有离合，没有变速。电机、逆变器和传动机构这三大部件就构成了电动汽车的电驱系统。

电动汽车的电控系统则包括了电池管理系统（BMS）、电子动力驱动单元（PDU）及车辆控制器（VCU）等全车各个核心总成的控制及管理模块。BMS是电动汽车电池系统正常工作、提高电池寿命并保证新能源汽车安全的关键技术。PDU是电动汽车特有的电子单元，是电机的大脑。它在接收到VCU的车辆行驶控制指令后，及时控制电机输出指定的转矩和转速，驱动车辆行驶，实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电并驱动电机本体输出机械能。VCU是电动汽车的大脑，它通过对来自油门、刹车踏板、挡位等位置的信息分析判断驾驶员的意图。VCU还检测车辆的速度、温度、电量、电压等信息，并根据车辆各项参数向车身的动力系统、电池系统等发送控制指令，指挥车辆行驶。

如果是混动汽车，则装备混合动力控制器（HCU）。HCU是混合动力汽车进行能量管理和转矩协调的中心，对于混合动力车辆的正常行驶、起步控制、离合器控制、行星齿轮控制、驾驶员交互、制动能量回收、网络管理、热管理、故障诊断、车辆状态监控与显示、超速保护等起关键作用，是混合动力汽车控制系统的核心部件。

本书结合上面论及的“三电系统”，从基础原理、结构与功能到具体车型应用分析，浅显而直观地介绍了电动汽车上所应用的电池、电机及电控技术。具体内容划分为十章：第1章概述了电动汽车的定义、类型及发展和三电核心技术与产品现状及趋势；第2章讲述了电池的基本结构与原理及各种类型动力电池的特性；第3章就三元锂电池、铁锂电池、镍氢电池、铅酸电池与氢燃料电池的实车应用，讲述其结构特点、技术参数与工作原理；第4章讲解高压电池电控技术，即高压分配、电池管理、充放电控制、温度管理、高压安全等方面的技术原理；第5章介绍电磁电力学与电机的基本知识；第6章介绍同步及异步电机在电动汽车上的典型应用实例；第7章介绍电力电子功率器件的基本原理与车型应用；第8章讲解电机传动系统的常见形式与原理；第9章介绍电驱动控制系统的类型与原理；第10章讲解电动汽车整车控制系统及车载网络总线的组成与功能。

本书结合汽车厂商如宝马、奥迪、特斯拉、比亚迪等品牌在电动汽车三电系统上的技术成果，以全彩图解的形式，生动形象地诠释了电动汽车电池、电机与电控的种种形式以及运行原理，且以具体车型的应用实例介绍了电动汽车核心技术产品的结构及原理。

本书由瑞佩尔主编，此外参加编写的人员还有朱其谦、杨刚伟、吴龙、张祖良、汤耀宗、赵炎、陈金国、刘艳春、徐红玮、张志华、冯宇、赵太贵、宋兆杰、陈学清、邱晓龙、朱如盛、周金洪、刘滨、陈棋、孙丽佳、周方、彭斌、王坤、章军旗、满亚林、彭启凤、李丽娟、徐银泉。在编写过程中，参考了大量国内外相关文献和网络信息资料，在此，谨向这些资料信息的原创者们表示由衷的感谢！

囿于编者水平及成书匆促，书中疏漏在所难免，还请广大读者朋友及业内专家多多指正。

编者

本书从基础原理、结构与功能到具体车型应用分析，浅显而直观地介绍了电动汽车上所应用的电池、电机及电控技术。具体内容包括电动汽车概述；电池的基本结构与原理及特性；各类电池，包括三元锂电池、铁锂电池、镍氢电池、铅酸与氢燃料电池的实车应用；高压电池电控技术；电磁电力学与电机的基本知识；同步及异步电机在电动汽车上典型应用；电力电子功率器件的基本原理与车型应用；电机传动系统的常见形式与原理；电驱动控制系统的类型与原理；电动汽车整车控制系统及车载网络总线的组成与功能。

本书结合汽车厂商如宝马、奥迪、特斯拉、比亚迪等品牌在电动汽车三电系统上的技术成果，以全彩图解的形式，生动形象地诠释了电动汽车电池、电机与电控的种种形式以及运行原理，且以具体车型的应用实例介绍了电动汽车核心技术产品的结构及原理。

该书采用全彩图解加视频演示的方式编述内容，使之轻松易读，简洁易懂。可作为各汽车院校新能源专业辅助教材选用，也可作为新能源汽车领域从业人员及广大新能源汽车车主的自学入门读物。

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第1章　电动汽车及其核心    001

1.1　电动汽车概述    002

1.2　电动汽车的核心    007

1.2.1　电动汽车的核心技术    007

1.2.2　电动汽车核心技术现状    008

1.2.3　电动汽车核心产品趋势    012

第2章　高压电池基本知识    015

2.1　电池结构与原理    016

2.1.1　电池基本结构    016

2.1.2　电池基本原理    016

2.2　电池的特性    018

2.2.1　三元锂电池    018

2.2.2　铁锂电池    020

2.2.3　铅酸电池    028

2.3　电池常见类型    033

2.3.1　铅酸电池    033

2.3.2　镍镉电池    034

2.3.3　镍氢混合高压电池    034

2.3.4　锂离子电池    035

2.3.5　氢燃料电池    036

2.3.6　双层电容器    037

第3章　高压电池常见类型结构    039

3.1　三元锂电池模块结构    040

3.1.1　特斯拉MODEL S    040

3.1.2　奥迪e-tron    041

3.1.3　宝马i3    043

3.1.4　宝马i8    045

3.1.5　宝马ActiveHybrid 7    046

3.1.6　宝马530Le    048

3.1.7　奔驰S400 Hybrid    049

3.1.8　蔚来ES6    050

3.1.9　江淮iEV6/iEV7    052

3.1.10　比亚迪汉DM    053

3.2　磷酸铁锂电池模块结构    055

3.2.1　比亚迪汉EV    055

3.2.2　比亚迪秦EV300、E5    059

3.3　镍氢电池模块结构    062

3.3.1　丰田普锐斯    062

3.3.2　别克君越eAssist    063

3.3.3　凯迪拉克凯雷德Hybrid    065

3.3.4　宝马ActiveHybrid X6    066

3.4　铅酸电池模块结构    069

3.4.1　电池单元    069

3.4.2　免维护铅酸电池类型    072

3.5　氢燃料电池模块结构    073

3.5.1　奥迪A7 h-tron    073

3.5.2　丰田Mirai    074

3.5.3　现代ix35 FCEV    075

第4章　高压电池电控技术    087

4.1　高压分配系统    088

4.1.1　特斯拉MODEL S    088

4.1.2　奥迪e-tron    090

4.1.3　比亚迪汉DM    091

4.1.4　宝马ActiveHybrid 7    094

4.1.5　宝马ActiveHybrid X6    094

4.2　电池管理系统    098

4.2.1　奥迪e-tron    098

4.2.2　宝马i3    100

4.2.3　宝马X5 xDrive40e    103

4.3　充放电控制系统    106

4.3.1　特斯拉MODEL S    106

4.3.2　奥迪e-tron    113

4.3.3　江淮iEV6/iEV7    116

4.4　电池温度管理系统    119

4.4.1　特斯拉MODEL S    119

4.4.2　奥迪e-tron    121

4.4.3　宝马ActiveHybrid 7    125

4.4.4　宝马X5 xDrive40e    127

4.4.5　奔驰S400 HEV    132

4.5　高压安全管理    133

4.5.1　宝马ActiveHybrid 7    133

4.5.2　宝马ActiveHybrid X6    134

4.5.3　宝马X5 xDrive40e    135

第5章　驱动电机基本知识    137

5.1　电磁电力学原理    138

5.1.1　电磁铁    138

5.1.2　电磁感应    139

5.1.3　变压器    139

5.2　电机基本结构    140

5.2.1　直流电机    141

5.2.2　三相电机    143

5.2.3　同步电机    145

5.2.4　异步电机    147

第6章　驱动电机典型构造    151

6.1　异步电机    152

6.1.1　特斯拉MODEL S    152

6.1.2　奥迪e-tron    155

6.2　同步电机    156

6.2.1　宝马i3    156

6.2.2　宝马ActiveHybrid 7    158

6.2.3　宝马ActiveHybrid X6    160

6.2.4　宝马X5 xDrive40e    161

6.2.5　奔驰S400 HEV    164

第7章　电力电子功率器件    167

7.1　常用电子功率器件    168

7.1.1　供电电子装置    168

7.1.2　电动机械式接触器    174

7.1.3　绝缘栅双极型晶体管（IGBT）    174

7.2　电动驱动装置    177

7.2.1　宝马i3    177

7.2.2　宝马ActiveHybrid 7    180

7.2.3　宝马X5 xDrive40e    181

第8章　电机传动系统    185

8.1　行星齿轮式典型构造    186

8.1.1　行星齿轮箱    186

8.1.2　奥迪e-tron单速齿轮箱    188

8.1.3　丰田混合动力驱动桥    191

8.1.4　宝马双模式变速箱    193

8.2　直接齿轮传动系统    200

8.2.1　特斯拉单速齿轮变速箱    200

8.2.2　大众0CZ 1挡齿轮变速箱    201

8.2.3　宝马i3变速箱    202

8.2.4　本田ECVT无级变速箱    204

第9章　电驱动控制系统    209

9.1　驱动类型控制    210

9.1.1　奥迪e-tron模式    210

9.1.2　宝马电动四驱    212

9.2　能量转换控制    217

9.2.1　奥迪e-tron    217

9.2.2　宝马i3    218

第10章　电动汽车整车电控系统    223

10.1　整车控制系统组成与功能    224

10.1.1　车辆控制器（VCU）    224

10.1.2　混动控制器（HCU）    225

10.1.3　车身控制器（BCM）    226

10.2　制动能量回收系统    228

10.2.1　纯电动汽车制动能量回收    228

10.2.2　混动汽车制动能量回收    230

10.3　车载通信网络    234

10.3.1　纯电动车型网络总线    234

10.3.2　混动车型总线网络    237

本书从基础原理、结构与功能到具体车型应用分析，浅显而直观地介绍了电动汽车上所应用的电池、电机及电控技术。具体内容包括电动汽车概述；电池的基本结构与原理及特性；各类电池，包括三元锂电池、铁锂电池、镍氢电池、铅酸与氢燃料电池的实车应用；高压电池电控技术；电磁电力学与电机的基本知识；同步及异步电机在电动汽车上典型应用；电力电子功率器件的基本原理与车型应用；电机传动系统的常见形式与原理；电驱动控制系统的类型与原理；电动汽车整车控制系统及车载网络总线的组成与功能。

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