碳达峰热潮下的新能源汽车动力系统架构详解（附直播教程）
导读：2021仿真知识周（第三届）重磅上线！继《汽车轻量化设计和仿真》直播后，2021仿真知识周（汽车专题）第二期仿真大师课《增材思维DfAM在汽车轻量化、高性能和个性化实践》如期而至。安世亚太DfAM赋能业务部技术经理李新路老师，带领我们一起探索增材思维如何改变汽车行业的未来！内容夯实，精彩纷呈，目前支持回看。
7月14日20时（今晚），某汽车主机厂集团技术专家刘笑天老师将在2021仿真知识周汽车专场（第三期）仿真大师课给用户带来《解析新能源汽车常用电驱动系统架构，探索特斯拉电驱动系统的设计理念与特点》。详见后文：
一、写在前面
本文从一个较为宏观与总体的视角，介绍了新能源汽车动力架构的发展历程、5大技术流派的特点与优缺点、P0~P4架构的特点、新能源汽车研发挑战、使用与维护阶段的各种坑等问题。寄希望借此帮助读者及潜在车主，更全面理性的了解与使用好新能源汽车。
本文也是笔者第一篇在公众平台，公开发表的关于新能源汽车，总体架构相关内容的文章。本文从构思到创作完成，共耗时小于10小时。仓促之中定有大量不足甚至错误，忘各读者海涵和批评指正，也诚邀大家参加7月14日（今晚20时）我在仿真秀平台的公开直播。
二、新能源汽车其实并不新
1898年，保时捷•费迪南博士制造出了，名为“Lohner-Porsche”（洛纳-保时捷）的双座电动车。其没有发动机、没有变速箱、没有常规的传动轴。最高时速仅有14公里，充足电只可跑50公里。
后来保时捷•费迪南博士又在后轮上，又增加一组轮毂电机，借助分布于四个轮毂的电机，共同推动车辆前进。这也是世界上第一辆，拥有四轮驱动系统的汽车。由于行驶里程短的问题，保时捷萌生了，在车身上装配内燃机，给电池充电的想法，也是混合动力车(Hybrid)的鼻祖！
图- 混合动力的鼻祖车型
上图前轮中部两个巨大的轮毂内部，即隐藏了一台电动机，并直接安装于车轮之上。
此类借助轮毂电机全轮驱动的动力架构，与现今的华人运通公司产品，有着千丝万缕的联系。
在当时，电驱动技术不够完善，逐步被内燃机技术车辆所取代，并延续发展至今。主流车型的动力系统逐步演化为，以汽油和柴油机为主的所谓传统动力汽车。新能源汽车一般是以电动机为主要动力源，并搭配各种相关系统而成。
三、电动新能源汽车的时来运转
所谓以史为鉴可以知兴亡。作为军迷，在上个世纪30年代~40年代的德国虎P重型坦克，是电驱动新能源坦克的集大成者。一般称也为六号坦克虎(P)（德语：Panzerkampfwagen VI Tiger (P)）
图- 模型版本的虎P坦克（前）
相对于燃油动力坦克，由保时捷•费迪南博士（就是那个造破二手车的保时捷）设计的电驱动的虎P，拥有更强的加速性和动力性，并用于适应重达60吨的庞大车重。保时捷博士觉得，当时变速箱的强度，尚不能很好应对如此沉重的车身，于是就打算用电缆来传递动力。其动力系统主要包括，两台斯太尔生产的310马力V10汽油发动机，经西门子发电后输出400V共计800A电流，再用两台西门子的电动机驱动后车轮，最大可输出420马力，即所谓电传动系统。为了驱动发动机，坦克车身两侧的油箱容积，达到了540L。
图- 虎P坦克架构
图- 虎P坦克的两台电动机
图- 虎P坦克的尾部散热窗
由于该动力系统设计思想过于超前，造成样车试验阶段，深受漏油与过热等问题困扰，可靠性与耐久性极其低下，以至于只建造了10辆，即下马关停。
“虎P”未能成为“虎式”的原因很复杂，很大可能是因为第三帝国军备部长阿尔伯特•施佩尔从中作梗。施佩尔抓住“虎P”要使用大量珍贵的高纯度铜（每台车要用2吨）这点不放，成功使得希特勒认为，该车不适合大批量生产。德军其实应该庆幸这件事，不然“虎P”的糟糕可靠性，会把他们折磨死。
图-吊装发动机时的虎P坦克生产车间
虎P坦克是一种燃油 电力驱动的混合动力车型，其串联增程的动力架构，与现在的理想ONE汽车，有异曲同工之妙。
经脱胎换骨之后，最新款保时捷跑车，采用了800V电压平台的新一代电驱动系统。
图-保时捷最新款电动车Taycan的系统架构图1
图-保时捷最新款电动车Taycan的系统架构图2
为什么经过百年发展，曾经被摒弃的电动新能源汽车，在最近短短几年中，又逐渐坟头蹦迪般的，成为了炙手可热的MVP呢？
一切来源于法规。一种逐渐趋向于更严格的规定了，汽车油耗标准的法规。将传统内燃机研发人员，逼到了不得不跳圈的绝路之上。
图- 世界各国油耗标准变化曲线
随着油耗标准的变化，不同研究机构也对全球不同动力架构的市场份额变革，进行了大胆的预测。
图- 2030年之前，各国新能源车型市场份额预测2
说到现在的新能源汽车的动力系统架构，主要分为电池驱动的纯电动汽车BEV或EV车型，如特斯拉、蔚来、小鹏等，以及增程式混合动力车型EREV，如的理想ONE或者部分工程车辆等以及混动汽车HEV，如这个月刚上市的哈弗H6的HEV版，还包括插电混合动力车型PHEV，如长城魏牌的P8等，最后是燃料电池动力车型FCEV，如丰田的米拉等，共计5大流派。
图- 不同系统架构与节油率关系
图-不同动力总成架构的组成关系示意图2
图-不同动力总成架构的组成关系示意图3
四、5大技术流派的特点与优缺点
每一种动力总成架构，拥有不同的性能特点与适应条件，其大量新概念与新技术的引入，会让初识新能源汽车的潜在车主非常困惑。本文主要对各种常见新能源汽车的动力架构进行简介。
EV车型是所有新能源汽车中，动（yan）力（fa）架（cheng）构（ben）最（zui）简（pian）单（yi）的，也是大量互联网造车新势力厂商，普遍选择的技术路线。
图- EV车型的来源
与燃油发动机1/3转速左右以后，达到最佳动力经济性能不同，纯电车型由于采用高效电动机为动力，起步扭矩就是最大值，并一直延伸到前1/3车速左右，所以拥有无与伦比的加速性能。同时，电机的噪音相对较低，可带来非常静谧的行车体验。
主要缺点是基础充电设施不够完善，并拥有较大的“历程焦绿”。
下两图为传统内燃机以及新能源汽车用电动机的的效率Mpa图，其中浅绿色为高效率运行区间。
图-内燃机转速-扭矩效率Mpa图
图-电动机转速与扭矩的效率Mpa图1
图-电动机转速与扭矩的效率Mpa图2
下图为电驱动系统中，减速器的转速-扭矩效率Mpa图。其中黄色 区域为低效率区间。
图-减速机转速-扭矩效率Mpa图
图- BEV车型动力示意图
为尽量突破里程焦虑，蔚来汽车采用了特殊的换电方案。其相对一般新能源汽车，电池包始终内置不同，可根据需要采用电池包，整体更换运行模式。其换电耗时显著低于直接充电方案。优点为，电池包将不再成为车身的一个主要部件，而可相对汽车加油一样，成为能量供给的高价值易耗品，从而显著提升整车可靠性与二手保值率。
但对换电基础设施的要求较高，以及对电池大量更换后的耐久性，提出更高要求。
EREV车型暂时只有理想ONE及部分宝马汽车，是较为重要民用的型号。其通过发动机 发电机 电池 电动机 车轮的顺序串联增程运行的模式，发动机与车轮，没有直接的机械连接。可使得发动机，随时运行在最佳经济性工况范围附近，并通过补充汽油，来获得续航里程的增加，基本不存在“历程焦绿”问题。
但由于串联系统的综合效率，为各部件的叠加，在高速公路等工况下的耗油率，相对传统燃油车更高，所以更适合城市内的中低速度工况运行。
HEV车型中的DHT架构，与EV及EREV不同的是，采用2台电动机，而不是1台进行混合驱动。其包括主要用于发电功能的发电机以及主要用于纯电驱动的电动机构成，并借助复杂的机械传动装置与电控系统，将发动机 发电机 电动机有机组合而成。
其他P0~P3架构，也可称为HEV的一种分支。
图- HEV车型的含义
其电池包一般仅搭配1度电左右的小容量，能量中转用的电池，纯电动续航里程较低。
好处是可根据不同需求，在节油、静谧、动力、能量回收等不同模式下，动态调节与变化。从而衍生出各种性能特征，以适应非常广泛的使用条件。
缺点是系统复杂、研发门槛高、成本高昂、虽面面兼顾，却面面不足的缺憾等。
图-混合动力车型的各种驾驶模式与动力总成工作状态一览表
最近一段时间，多个国内汽车主机厂，发布了其基于DHT(双电机混合动力)系统的HEV新能源车型。尤其是BYD基于DM-i技术的部分型号，出现供不应求，需加价排队3个月才能提车的火爆场景。
图-BYD的DM-i系统架构图1
图-BYD的DM-i系统架构图2
图-典型DHT系统的双点电机架构素描图
HEV车型的丰田普锐斯或者通用沃兰达系列的双电机功率分流方案，极高的专利门槛以及行星轮减速机的复杂性，使得几乎全部国内厂商，采用了更简单易行的，基于本田I-MMD或者尼桑e-Power的双电机串并联 斜齿轮架构，而衍生的各种混动系统方案。
图- 丰田普锐斯电驱动系统示意图
图-通用沃兰达电驱动系统示意图
图- 本田I-MMD电驱动系统示意图
图- DHT系统架构图
与前文呼应的，混合动力车型可将发动机，尽量运行在最高效率工况区间，从而保证了综合燃油经济性的最佳。如下图蓝色圆点范围以及黑色圆圈的重合程度。
但过分强调经济性的同时，可能会带来动力性能和加速性的部分丧失，如丰田普锐斯及尼桑e-Power。
PHEV车型一般为发动机 一台电动机 电池包 充电机等组成。在HEV基础上，增加了外部插电充电系统及大至数十度电的电池包。可实现数十甚至数百公里的纯电续航，并且可采用外部充电及补充燃油等方式，尽量避免“里程焦绿”的同时，获得国家新能源积分补贴。
缺点是充电机与电池包成本增加较多，整体车重增加与空间占用较多。
图- PHEV车型含义1
图- PHEV车型含义2
图- PHEV车型能量-动力示意图
图-上汽PHEV车型动力架构组成
FCEV车型以氢氧燃料电池 氢能储罐 电池包驱动电动机，是EV车型的高阶衍生型号。其优点为纯电里程可达数千公里，且可在数分钟内补充氢气燃料，无需EV车型数小时，甚至半天的充电等待时间。其排放产物为纯水，是非常清洁的所谓新能源汽车终极方案。
图- FCEV车型动力示意图
其燃料为化工厂在生产中间过程，大量产生的近乎废品的氢气，原料成本极其低廉。如果突破了储藏运输技术，其综合使用成本将近乎免费。
图- 丰田米拉汽车动力系统架构
同时，脱胎于冷战时期，宇航技术的燃料电池，其寿命有限和需要铂金等稀有材料限制，以及70Mpa高压氢气储罐、十余万转高速空气压缩泵、高压氢气管路及阀门、氢气储藏与运输技术以及渗透性极强的氢气本身等限制，使丰田汽车的米拉及米拉2代，成为几乎唯一可选的普通民用车型。
图-上汽FCEV车型动力系统组成
以上文章简单介绍了5种，新能源汽车动力总成架构的基本方案与优缺点。
五、P0~P4架构的特点
下面简单介绍P0~P4架构的异同点。
图- P0~P4布局示意图1
图- P0~P4布局示意图2
图- P0~P4布局示意图23
P0架构，一般为通过发动机皮带，直接连接电机驱动方案。其可在常规燃油发动机的启动电机基础上进行改造。拥有改装成本低廉、系统简洁、成本低等特色。
但限制于皮带传输能力限制以及原启动电机尺寸限制，一般最大只能10Kw~20Kw峰值功率，并带来仅仅约5%~10%的燃油经济性提升效果。
为降低电流，系统电压也从传统12V提升到48V。其典型应用车型为长城汽车的P8。
图-48V的P0架构示意图
图- P0及P1布局形式的异同点
P1架构为电机直接安装于发动机曲轴上。其后部与变速箱连接，可作为辅助启动及纯电驱动功能。该架构实际装车案例较少。下图为本田公司的方案。
图-P1架构示意图
P2电机方案的装车案例较多，且主要针对欧洲高速工况车型。
根据电机安装位置的不同，一般有如下三种布局形式。长城汽车现有两套P2架构方案。一套为基于9HDCT变速箱的，动力总成配置方案以及基于9HAT变速箱的动力总成纵至方案。分别用于搭载，柠檬平台及坦克平台相关车型。
图-P2架构的三种电机布局形式
P3架构的电机安装与减速机输出轴后部，其装车案例较少。
图-P3架构示意图
汽车作为民用产品技术水平的集大成者。其研发过程遵循较为严格与规范的V形流程。
图-电驱动系统研发V形流程
对于特定性能目标及系统架构而言，可能有几百数千种可选方案。一般需采用合理的优化算法，进行高效率的筛选与对比。
如下图中每一个彩色点，为一种有效的动力总成构型。而下图仅仅是对扭矩参数，进行的横向对比，在完整架构设计中，往往同时考虑数个不同性能参数的综合判断，做到权衡利弊优中选优。
图-系统性能优化结果分布图
以特斯拉电驱动为例，下图为第三方机构，对其进行的采用机油冷却，电机定子效果的CFD仿真结果云图。其中定子冷却油量为1L/Min，转子为5L/Min。该机油的常规用途，为用于冷却及润滑减速机齿轮与轴承之用。这也对此类零部件公司的研发与验证能力，提出了巨大的挑战。
六、新能源汽车使用维护的一些坑
1、百公里油耗/续航里程
很多朋友驾驶传统动力汽车，会有一个明显的感受，官方介绍的所谓百公里油耗，永远也开不出来。这是为什么，难道厂家都故意造假吗？答案并不是。
无论是燃油车还是新能源汽车，官方宣称的百公里油耗/续航里程等，均为标准条件下，实际仿真并测量得到的真实值。只不过一些标准工况，为根据概率统计方式，采用简化的路谱进行的测量，可能随着具体驾驶员的形式习惯不同，有所偏差。
如下图，为使用三种（NEDC、WLTC、RDE）工况与常用燃油车发动机转速-扭矩-效率Mpa图的对应关系。
图-不同路谱与发动机性能Mpa的对应关系
前文介绍过，传统内燃机在性能1/3左右位置，拥有最佳燃油经济性。而上图中无论蓝、黄、绿哪一种标准路谱，均有较大区间远离最佳效率区，则造成发动机性能存在浪费。
并且以上路谱中，均采用数十辆甚至数百辆车型，针对各种标准路况条件与驾驶特征，进行了数千万公里长期驾驶后统计的使用概率分布。无法精确还原具体驾驶员的具体使用风格。
下图为具体的车速-时间等关系曲线。
图-NDEC路谱
NEDC标准较为古老且粗糙，其拥有明显的加减速与停车工况，相对而言不太符合实际。
为更精确模拟实际行车状况，欧洲最新推出了WLTC路谱。其拥有更细腻精确的加减速条件，并区分市区、郊区、高速等不同使用条件，可相对NEDC更符合实际情况，并且得到的燃油经济性结果，将相对更贴近1/5左右。
图-WLTC 路谱
作为负责任的大国，我国也发布了中国人自己测量的CLTC路谱。并根据乘用车、轻型商用车、重型商用车等不同车型的使用情况，分别统计并绘制相关路谱。下图为用于民用轿车的CLTC-C路谱。
图 CLTC路谱
以上三种路谱中NEDC为稳态工况，只包含2个运行区间，平均车速33.6Km/h，且怠速比例高达22.6%，加减速频率低，属于较为温柔的路谱。
WLTC为瞬态工况，拥有4个速度区间，且包含约140Km/h的超高速工况，平均车速达到46.4Km/h，相抵较高，且怠速比例仅12.7%，同时加减速更频繁，较为适合欧美高速路工况为主的运行条件。这也是大部分现今国内车型，进行动力与燃油经济性测试与仿真时，所采用的设计路谱。
CLTC为瞬态工况，包含3个速度区间，以市区和郊区为主，平均车速仅仅29KM/h(上海及北京人听后狂喜)，怠速比例达到22.1%，加减速频繁。比较符合国内运行条件，但其从标准推广到大规模执行，还尚需时日。
2、电子部件
以上案例中，除P0架构的48V方案为低压结构，大部分新能源汽车均采用以400V为主的高压系统，少量如保时捷Taycan为代表下一代技术的800V方案。
高压意味着线缆直径与成本的下降，有利于整车布置及减重。但带来高压安全问题。
新能源汽车一般在前机舱侧面，单独设计一根黄黑相间的标志线，用于车祸、泡水、其他电气故障时，提示消防与救援人员提前剪短高压电路，并自动泄放残余电量的保护机制。
为应对新能源汽车各种电子部件极大丰富后的安全性与可靠性挑战，ISO组织发布了专门用于EE系统的ISO26262规范进行引导与规范。
3、电池包
另外，电池包作为新能源汽车，居家旅行之必备良药，其安全性牵动着很多人的内心。以锂电池为主的电池包是非常脆弱的。其低温下，如零度以下，电芯内部正负极之间的锂离子，可能析出针 刺状金属结晶，即所谓枝晶现象。当其尺寸与硬度达到一定极限时，可能穿透屏障正负极的保护隔膜，从而发生短路，并诱发着火事故。
锂电池为化学能源电池，其保持正常活性的使用温度，一般为20℃~30℃。如低温时需采用自身能源对自己进行预热。这将消耗较多电能，从而造成冬季续航里程大幅度下降。
高温时又需要冷却和对数百甚至数千个电池单体，进行温度均衡管理，也将消耗一定能量，从而影响了高温时的续航里程。
更危险的是，在空气温度较高、大电流放电、大电流充电、过充电等情况下，容易诱发化学能的不可控释放，从而诱发着火事故。
而管理电池充放电系统的核心部件BMS，是通过半测量半猜测方式，计算实际电量与充电电流需求。即锂电池真实电量，永远是薛定谔的电量。如果需要极限续航里程表现，则BMS中控制软件，可能尽量增大充电极限和放电极限。
但缺点是造成电池寿命下降，甚至因电量预测不准，对电池进行过度充电问题，长此以往可能累积至热失控的着火事故。
一般而言每年1月-5月，发生的热失控事故占全年约7成。减少热失控风险，蔚来汽车在经历数次着火事故后，主动在otc升级bms控制软件时，将最大充电容量从100%减低到约90%。通过部分牺牲续航里程方式，保护成员安全。而作为大洋彼岸的对比，日本丰田汽车的普锐斯车型，历经三十多年共计5代升级，全球产销量达到一千万辆以上庞大规模优化后，几乎没发生一起，因电池包主动热失控，造成的着火事故。
另外，电池作为化学能装置，十分惧怕内部渗水。如南方夏季常见的暴雨天气后，在长期浸泡至水中后，电池包的密封系统可能失效，从而有液态水渗漏进电池内部，造成短路，并诱发着火事故。
在碰撞事故或刮底板时，也可能挤压并破坏电池正负极的隔膜，并诱发短路及着火事故。
以上围绕电池包为主，介绍了几种常见的失效模式。如不幸中奖，建议尽快撤离车内并远离数米范围。因为锂电池自带氧化与燃烧材料，少量的水及灭火器的干粉，完全无法进行灭火，且其燃烧时往往喷射数米长的火舌，非常危险刺 激。但一般仅能持续燃烧数分钟。
最佳的灭火方式，是采用大量的水，将汽车完全浸泡。
电动车的速度与扭矩响应极快。其对车身的冲击力，为常规燃油车的约三倍。这对结构强度性能开发工程师，提出了一项全新的艰巨挑战。如果整车防护措施中，未提供足够保护，在中高速全油门通过减速带或者中高速通过减速带后激烈踩刹车，将对电机结构产生10倍-20倍重力加速的强烈瞬间冲击力。极端情况下，会造成机械部件的大规模断裂失效问题。如装备博格华纳提供电机系统的威马汽车，在研发过程中曾深受其害。北汽新能源及其他车企，在吸取此类教训后，极大程度的强化了，电机壳体的强度安全系数，从而避免了故障发生。
4、维修服务费
另外，新能源汽车受到国家政策扶持，新车采购时的落地成交价，包含大量国家补助。但维修维护时无法享受优惠。则其维修成本将非常令人印象深刻。
同时，前文介绍的，新能源汽车电驱动系统，往往采用400V甚至800V高压架构。其电气安全、气密性、装配与维修环境的清洁度、各种检测检验设备等，均是普通4S店无法承担的成本与能力。
在以往燃油车中，随便一个街头小店，花费几百块换个火花塞即可修好的故障，当过渡到新能源汽车时，往往需要花费几万元整体更换电机，方可完成。一套出厂价约8000元的电机总成，在4S店的材料费报价，可能高达25000元甚至更多。而电池包的更换成本，基本相当于，再买一辆二手整车。
由于新能源汽车电池包的损耗较快，其二手残值往往让人沮丧。则其综合使用成本，将远高于同级别普通燃油车。
好消息也不是没有，电驱动系统架构相对，其维护保养成本较低。一般无需担心传统燃油车积碳等问题，只需定期换机油与机油滤即可。
七、我的直播
以上就是笔者关于新能源汽车动力系统架构的全部介绍，为了帮助大家更好的理解，7月14日20时我将在2021仿真知识周汽车专场（第三期）直播中给大家带来《解析新能源汽车常用电驱动系统架构，探索特斯拉电驱动系统的设计理念与特点》以下是课程安排（进群收看直播，获得更多惊喜）：
（完）
