第二节 新能源汽车基础知识

一、新能源汽车基本概念

1.新能源汽车

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

2.电动汽车

电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。

3.非常规车用燃料

非常规车用燃料指除汽油、柴油、天然气（NG）、液化石油气（LPG）、乙醇汽油（EG）、甲醇、二甲醚之外的燃料。

4.动力电池组

由于电池单体的电压、容量都非常有限，因此为能满足车辆应用的要求，人们用串联、并联的方式将多个电池单体连接成电池组。电池组可用先并联后串联的方法，也可用先串联后并联的方法。

5.制动能量回收

制动能量回收是指汽车在减速或制动时，驱动电动机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，并产生制动力，使车辆减速或制动，这样既达到了电动汽车制动效果，又实现了能量回收的功能，增加了电动汽车续驶里程。

6.续驶里程

续驶里程是指电动汽车在动力蓄电池完全充电状态下，以一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离。

二、新能源汽车类型与特点

新能源汽车包括五大类型：混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、氢能源动力汽车 、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。

1.混合动力汽车

混合动力汽车是指同时装备两种动力来源——热动力源（由传统的汽油机或柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车，如图1.1所示。混合动力电动汽车的优点主要是耗油量较低，同时在内燃机的所有不利运行范围内电动机可以为其提供支持。混合动力模式可以对所使用的电动机和内燃机的功率特性曲线进行较好的补充，电动机的较高扭矩可以为（低转速范围内）内燃机的较小扭矩进行最佳补充，还可以起到起动机和发电机的功能，取消了起动机和发电机（以现有的混合动力车型为依据）。此外，制动能量回收系统可以对减少制动器磨损起到积极的作用（尽量减少现有的制动器磨损）。

根据在混合动力系统中，电动机的输出功率在整个系统输出功率中所占的比重，也就是常说的混合度不同，混合动力系统还可以分为微混合、部分混合和全混合3类。

（1）微混合动力车辆是初级混合动力车辆。这种混合动力系统在传统内燃机的起动电动机（一般为12V）上加装了皮带驱动起动电动机。该电动机为发电起动一体式电动机，电动机功率为2～3kW，用来控制发动机的起动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗。由于电动机功率和电压较小，因此限制了制动和滑行阶段中能量回收利用的效率。根据定义，严格地讲微混合动力车辆并不能算是混合动力车辆，因为它仅有一种驱动类型。

（2）部分混合动力系统工作时的电压会超过42V。目前该系统中的部分电压已经超过160V。电动机所提供的功率在10～15kW。部分混合动力系统中的电动机可以在车辆起步和制动时为内燃机提供支持。在一些部分混合系统中，当高压蓄能器处于足够的充电状态且以约 50 km/h 的速度匀速行驶时可以停止为内燃机提供燃油。此时仅使用电动机驱动车辆，因此可以节省燃油。

（3）全混合动力系统是可以在完全不起动内燃机的情况下进行车辆起步和行驶。全混合动力系统中部分高压蓄能器的电压超过200V。通过该系统车辆可以在起动时使用纯电动驱动，并且在高速加速时同时使用内燃机和电动机所提供的扭矩。该过程也被称为“助力功能”。

2.纯电动汽车

纯电动汽车是以电池为储能单元，以电动机为驱动系统的车辆，如图1.2所示。纯电动汽车的特点是结构比较简单，生产工艺相对比较成熟，行驶中无废气排出，噪声小，可以在用电低峰时充电，以平抑电网峰谷差，使发电设备得到充分利用。但是纯电动汽车还存在续驶里程较短、充电时间或快捷充电会缩短蓄电池寿命等缺点。

3.氢能源动力汽车

氢能源动力汽车包括氢气燃料汽车和氢燃料电池电动汽车。

（1）氢气燃料汽车即以氢气为能源的汽车，如图1.3所示。氢气发动机属点燃式发动机，可以由汽油机或柴油机改制。通常的氢气使用方法有压缩氢气汽车、液化氢气汽车和吸附氢气汽车3种。

（2） 氢燃料电池电动汽车是将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜的，它只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流，驱动电动机。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。

氢能源动力汽车的最大优势首先是环保，汽车在行驶中不产生有害物质排放；其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高，氢能汽车续驶里程长，不需要对汽车发动机进行大的改装。而氢燃料电池直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换，故燃料电池的发电效率可以达到50%以上。但氢能汽车也有许多劣势，主要有制取氢气价格较高、氢的储运比较困难、成本高、氢气加气站设施不完善等。

4.燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，如图1.4所示。在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能的，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用直接变成电能的，而不是经过燃烧。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍。

燃料电池电动汽车的优点是节能、转换效率高、排放达到零污染、车辆性能接近内燃机汽车、结构简单、运行平稳。但是燃料电池也有一些不足限制其发展，主要缺点是燃料种类单一，要求高质量的密封，比功率还需进一步提高，造价太高，需要配备辅助电池系统等。

三、电动汽车结构

传统燃油汽车的组成有四大部分：发动机、底盘、电器、车身。电动汽车的组成与传统燃油汽车相比，在电器和车身上变化不大，但是在底盘上的传动系统和驱动上变化很大。电动汽车在驱动和传动方面的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统，完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。

（1）电源。电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，并通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，新型电源的应用为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。

（2）驱动电动机。驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机、直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机等。

（3）电动机调速控制装置。电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。它采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便。

（4）传动装置。电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴。当采用电动机驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载起动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。因为驱动电动机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒挡。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。当采用电动轮驱动时，电动汽车还可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。

（5）行驶装置。行驶装置的作用是将电动机的驱动转矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。

（6）转向装置。转向装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构、转向助力装置和转向轮等组成。作用在方向盘上的转向力，通过转向轴和转向机使转向机构带动转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。转向助力装置可以使转向操纵更加轻便、安全。电动汽车转向助力装置采用电动机助力，控制器（ECU）根据转矩传感器、车速传感器信号控制电动机旋转方向和助力电流大小，电动机的力矩通过减速机构作用到齿轮齿条转向器的小齿轮上，实现助力转向，如图1.5所示。

（7）制动装置。电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及操纵装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。由于电动汽车没有内燃机，即没有了真空源，因此电动汽车真空助力通常采用电动机驱动真空泵产生真空度，实现制动时真空助力，如图1.6所示。

（8）空调。电动汽车空调驱动能量来源于蓄电池，不同于传统燃油汽车。由于作为驱动能量来源的蓄电池能量有限，因此空调系统的能耗对电动汽车的续驶里程有较大影响。故而与传统燃油汽车相比，对电动汽车空调系统的节能高效提出了更高要求。目前电动汽车空调采用电动压缩机，如图1.7所示。

四、电动汽车技术性能参数举例

1.宝马电动汽车MINI E（见图1.8）

整备质量：1 465kg。

电动机：峰值功率150kW（204PS），最大扭矩220 N·m。

电池：5 088块锂电池，额定容量达到35kW·h，而完全充满电也只需要2.5h。

续航里程：250km。

加速时间：从静止加速到100 km/h约耗时8.5s。

最高车速：极速被电脑限定在152 km/h。

减速器：通过单级螺旋齿轮变速箱将动力传输至前轮。

2.宝马1系电动汽车Concept Active E（见图1.9）

装备质量：1 800kg。

续驶里程：160km。

电池：液冷锂离子电池，完全充满电在3h之内。

电动机：输出功率125kW，峰值扭矩250N·m。

加速时间：从静止加速到100 km/h约耗时9s。

最高车速：电子最高限速为145km/h。

3.比亚迪e6电动汽车（见图1.10）

装备质量：2 380 kg。

电池：磷酸埋钻铁电池，220V民用交流电源，慢充6～8h可充满。

电动机：永磁同步电动机，最大输出功率90kW。

续驶里程：300km。

加速时间：从静止加速到100 km/h约耗时10s。

最高车速：160km/h。

4.北汽E150EV电动汽车（见图1.11）

装备质量：1 370kg。

电池：磷酸铁锂动力电池组，6～8h充满。

电动机：永磁同步电动机、单极减速器，最大输出功率45kW，最大输出扭矩144N·m。

最高车速：125km/h。

续驶里程：125km。

5.丰田普锐斯混合动力汽车（见图1.12）

发动机：排量1.5L，最大功率57kW，最大扭矩115N·m。

电动机：同步永磁交流电动机，最大功率50kW，最大扭矩400N·m。

电池：镍氢混合电池。

混合动力方式：混联、重混，以电动机为主。

6.奇瑞A5混合动力汽车（见图1.13）

发动机：排量1.3L，最大功率65kW，最大扭矩118N·m。

电动机：同步永磁交流电动机，最大功率15kW，最大扭矩100N·m。

电池：铅酸蓄电池。

混合动力方式：轻混，以发动机为主。