1.2 新能源汽车的分类及基本构造原理

1.2.1 纯电动汽车

1.定义

纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV）指完全由可充电电池（如铅酸电池、镍氢电池或锂离子电池）提供电能，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。纯电动汽车传动动力驱动简图如图1-1所示。

2.基本构造与原理

目前市场上的纯电动汽车有些是在燃料（汽油或柴油）汽车基础上改进而来，有些则是全新研发的，本节仅介绍其基本构造，如图1-2所示，不同品牌车型在基本构造基础上会有所不同，但基本功能模块相同。

（1）底盘与车身

纯电动汽车的底盘略简单于传统燃料汽车，但仍是整个汽车的基体，它提供驾乘空间，为各部件提供支承，同时也将电机的动力进行传递和分配，并按驾驶人的意图（加速、减速、转向、制动等）行驶。

（2）高压电力驱动系统

高压电力驱动系统按功能可分为车载电源模块、电力驱动主模块、电气与其他辅助模块三部分。

1）车载电源模块。车载电源模块主要由电源、能源管理系统和充电控制器三部分组成。

① 电源。动力蓄电池（图1-3）是纯电动汽车的唯一能量源，它除了供给汽车驱动行驶所需的电能外，也是供应汽车上各种辅助装置的工作电源。它负责为常规用电设备提供12V或24V的低压电源和电机驱动的高压电源（如240V或380V）。目前纯电动汽车的动力蓄电池均采用多块单体电池组合成电池堆的形式，且可充电。

② 能源管理系统。能源管理系统的主要功能是在汽车行驶中进行能源分配，协调各功能部分工作的能量管理，使有限的能量源最大限度地得到利用。能源管理系统与电力驱动主模块的中央控制单元配合在一起控制发电回馈，使在纯电动汽车降速制动和下坡滑行时进行能量回收，从而有效地利用能源，提高纯电动汽车的续驶能力。能源管理系统还须与充电控制器一同控制充电。为提高动力电池性能的稳定性和延长使用寿命，需要实时监控电源的使用情况，对动力蓄电池的温度、电解液浓度、动力蓄电池内阻、电池端电压、当前电池剩余电量、放电时间、放电电流或放电深度等动力蓄电池状态参数进行检测，并按动力蓄电池对环境温度的要求进行调温控制，通过限流控制避免动力蓄电池过充、放电，对有关参数进行显示和报警，其信号流向辅助模块的驾驶舱显示操纵台，以便驾驶人随时掌握并配合其操作，按需要及时对动力蓄电池充电并进行维护保养。

③ 充电控制器。充电控制器是把电网供电制式转换为对动力电池充电要求的制式，即把交流电转换为相应电压的直流电，并按要求控制其充电电流。充电开始时充电控制器将控制对动力电池进行恒流充电以保证充电效率。当电池电压上升到一定值时，充电控制器将控制对动力电池进行恒压充电，以保证动力电池能够充满电。当恒压充电使动力电池充电量超过90%（该数值不同品牌电池会略有不同，如有些电池该数值为95%）后，充电控制器将控制充电电流逐渐减小。当充电电流减小到一定值时，充电控制器将控制对动力电池进行涓流充电，直至动力电池完全充满。充电指示、充电插口、充电桩如图1-4和图1-5所示。

2）电力驱动主模块。电力驱动主模块主要由中央控制单元、驱动控制器、电机等组成。为适应驾驶人的传统操纵习惯，纯电动汽车仍保留了加速踏板、制动踏板及有关操纵手柄或按钮等。不过在纯电动汽车上是将加速踏板、制动踏板的机械位移量转换为相应的电信号，输入到中央控制单元来对汽车的行驶实行控制。对于离合器，除了传统的驱动模式采用外，其他的驱动结构都省去了。而对于变速杆，为遵循驾驶人的传统习惯，一般仍需保留，有前进档、空档、倒档三个档位，并且以开关信号传输到中央控制单元来对汽车进行前进、停车、倒车控制。

① 中央控制单元。中央控制单元不仅是电力驱动主模块的控制中心，也要对整辆纯电动汽车的控制起协调作用。它根据加速踏板与制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对电机进行起动、加速、降速、制动控制。在纯电动汽车降速和下坡滑行时，中央控制器配合车载电源模块的能源管理系统进行发电回馈，使动力蓄电池反向充电。对于与汽车行驶状况有关的速度、功率、电压、电流及有关故障诊断等信息，还需传输到辅助模块的驾驶舱显示操纵台，进行相应的数字或模拟显示，也可采用液晶屏幕显示来提高其信息量。现代汽车控制系统已较多地采用总线控制方式，特别是对于采用轮毂电机进行四轮驱动系统的控制模式，更需要运用总线控制技术来简化纯电动汽车内部线路的布局，提高其可靠性，也便于故障诊断和维修，并且采用模块化结构，一旦技术成熟其成本也将随批量的增加而大幅下降。

② 驱动控制器。驱动控制器实物如图1-6所示，功能是按中央控制单元的指令、电机的速度和电流反馈信号，对电机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。驱动控制器与电机必须配套使用，目前对电机的调速主要采用调压、调频等方式，这主要取决于所选用的驱动电机类型。由于动力电池以直流电方式供电，所以对直流电机主要是通过DC/DC变换器进行调压调速控制的；而对于交流电机需通过DC/AC变换器进行调频调压矢量控制；对于磁阻电机是通过控制其脉冲频率来进行调速的。当汽车进行倒车行驶时，需通过驱动控制器使电机反转来驱动车轮反向行驶。当纯电动汽车处于降速和下坡滑行时，驱动控制器使电机运行于发电状态，电机利用其惯性发电，将电能通过驱动控制器回馈给动力电池。

③ 电机。电机（图1-7、图1-8）在纯电动汽车中被要求承担着电动和发电的双重功能，即在正常行驶时发挥其主要的电动机功能，将电能转化为机械旋转能；而在降速和下坡滑行时又被要求进行发电，将车轮的惯性动能转换为电能。电机的选型一定要根据其负载特性来选，通过对汽车行驶时的特性分析，可知汽车在起步和上坡时要求有较大的起动转矩和较高的短时过载能力，并有较宽的调速范围和理想的调速特性，即在起动低速时为恒转矩输出，在高速时为恒功率输出。电机与驱动控制器所组成的驱动系统是纯电动汽车中最为关键的部件，纯电动汽车的运行性能主要取决于驱动系统的类型和性能，它直接影响着车辆的各项性能指标，如车辆在各工况下的行驶速度、加速与爬坡性能以及能源转换效率。

3）电气与其他辅助模块。目前纯电动汽车电气系统基本可以实现与传统汽车相同的各项功能（如照明、空调、便捷系统、仪表显示与信息娱乐系统、防盗系统等）。下面仅就不同之处做介绍。

① 空调系统。纯电动汽车没有传统的发动机作为空调压缩机的动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，一般均采用电动空调压缩机（图1-9）和电加热系统（图1-10）的解决方案。

② 仪表显示与信息娱乐系统。纯电动汽车的组合仪表板（图1-11）除了常规显示以外，一般还提供诸如电动行驶里程、电驱动瞬间耗电量、电驱动平均耗电量、充电过程信息、驾驶模式选择、可用功率（目前可用的功率）等相关信息。

1.2.2 混合动力汽车

混合动力汽车（Hybrid Vehicle）是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供。通常所说的混合动力汽车，一般是指油电混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle,HEV），即采用传统的内燃机（柴油机或汽油机）和电机作为动力源，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。

1.按动力驱动的配置结构关系分类

混合动力汽车按照动力驱动的配置结构关系可以分为串联式、并联式、混联式三种，其基本构造与原理如下。

（1）串联式混合动力系统

串联式混合动力系统基本原理示意图如图1-12所示，即发动机在任何情况下都不参与驱动汽车的工作，它只能通过带动发电机为电机提供电能。串联式结构的动力来源于电机，发动机只能驱动发电机发电，并不能直接驱动车辆行驶。雪佛兰沃蓝达串联式混动系统主要部件位置如图1-13所示，其组成部件实物如图1-14所示。

（2）并联式混合动力系统

并联式混合动力系统基本原理示意图如图1-15所示，它是在普通汽车的基础上加装一套电能驱动系统（电机和动力电池），发动机和电机都能单独驱动车轮，也可以同时工作，共同驱动车辆行驶。当动力电池电量不足时，发动机还能带动电机（此时为发电机）为动力电池充电。由于只有一台电机，没有独立的发电机，无法实现混合模式下发动机为动力电池充电的功能，当电量耗尽时，只能依靠发动机驱动。并联式的结构更加复杂，制造成本也会相对高一些。

并联结构的混动车型一般有三种工作模式可以选择：

1）纯电动模式。发动机关闭，电池为电机供电，驱动车辆行驶。该模式多用于中低速行驶工况，基本原理示意图如图1-16所示。

2）纯燃油模式。发动机起动，驱动车辆行驶，同时能够带动电机反转为动力电池充电。其基本原理示意图如图1-17所示。

3）混合模式。该模式即发动机与电机同时驱动模式。这种工况下发动机与电机同时起动，驱动车辆行驶。该模式多用于爬坡、急加速以及其他高负荷工况，其基本原理示意图如图1-18所示。

图1-19、图1-20为奥迪的并联式混合动力系统实物。

（3）混联式混合动力系统

混联式混合动力系统基本原理如图1-21所示，即在并联的基础上加入一个发电机，即普通汽车+电机+发电机。但它不具备普通燃油汽车上配置的变速器，通常是用一种所谓“ECVT”行星齿轮结构的耦合单元替代了变速器，起到连接、切换两种动力以及减速增扭的作用。也有一些厂家在混联结构中使用普通的变速器，如双离合变速器、无级变速器（CVT）等，但是效果远不及这种ECVT变速结构。与并联式工作模式相比，有些混联式增加了充电模式，即在电机驱动车辆时发动机起动，带动发电机为动力电池充电。

图1-22～图1-24为丰田普锐斯的混联式混合动力汽车及发动机、动力电池实物。

2.按两者提供的动力比例分类

（1）微混式混合动力汽车

微混式混合动力汽车拥有至少两种动力来源，但只用其中的一种能源（传统内燃机）进行驱动，电机系统一般只在起动、制动回收等工况下工作，由此可以在一定程度上提高车辆的能源使用效率。

（2）轻度混合动力汽车

轻度混合动力（Mild Hybrid）从结构上来说也可称之为并联式油电混合系统，但混动效果有限，一般只在起停控制、有限的辅助发动机、制动能量回收等工况下工作。轻度混合动力汽车无法完全脱离内燃机的驱动而仅依靠电力驱动。

（3）重度混合动力汽车

重度混合动力汽车指车辆可以单独依靠内燃机或电机或二者混合提供动力的方式来驱动车辆的前进，结构上也可称为混联式系统。此类车型一般通过计算机控制的传动装置切换传统内燃机、动力电池或同时驱动车辆的时机。

1.2.3 燃料电池汽车

燃料电池汽车本质上也是电动汽车，只不过“电池”是氢氧混合燃料电池。和普通化学电池相比，燃料电池可以补充燃料（如补充氢气），一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料，但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。氢燃料电池汽车的基本构造如图1-25所示。

燃料电池本质是水电解的“逆”装置，如图1-26所示，氢燃料电池主要由三部分组成，即阳极、阴极、电解质（图中的质子交换膜）。其阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应，两极之间是电解质。本节以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例说明其工作原理。

氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为H2→2H++2e。氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为O2+2H++2e→H2O，总的化学反应为H2+O2=H2O

电子在外电路形成直流电，因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能，使电机运转，驱动车辆行驶。虽然氢燃料电池汽车只产生水作为排放物，但目前普及仍有一定难度，原因有以下几点：

1）氢气的获取虽然手段不少，但以目前的技术综合评估成本、污染等问题，并不算一个很“环保”的办法。

2）氢如果用气体方式储存，需要很大的空间，对于汽车来说是个不小的挑战，否则装的太少，续驶里程也会大打折扣，需要高压压缩，对于储存容器要求非常高；如果液化，需要超低温超高压，并且还要损失30%的能量（氢液化损失），对于存储容器要求也非常高（最终就是成本高）；除了成本以外，储存容器还得非常结实，否则碰撞爆炸，后果不堪设想。丰田Mirai的储氢罐采用高强度的碳纤维制造，122L的容量可容纳大约700个大气压（1标准大气压=101kPa）。

3）燃料电池所用的催化剂是贵重金属（如丰田Mirai采用金属“铂”），价格相当高，并且资源有限，大规模量产几乎无可能。

4）加氢站的建设成本也是非常高的，远远高于充电桩和加油站。因此，没有国家的扶植，没人愿意建设加氢站。目前日本本土约有100个，美国加州大概50个。