汽车新技术 第七章

1、 Home Home Home 新能源汽车主要是指除汽油、柴油发动机之外的所有其他能源汽车。根据汽车动力来 源不同，大致可把新能源汽车分为：纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、燃气汽 车、生物乙醇汽车、氢动力汽车、太阳能汽车等。我国市场上在售的新能源汽车多是混合 动力汽车。从2010年国家相关部门出台的多项鼓励政策和多项行业标准看，纯电动汽车和 插电式混合动力汽车已被明确作为中国目前优先发展的新能源汽车车型。 纯电动汽车是采用电力驱动的汽车，车辆直接采用电动机驱动，以电动机代替燃油 机，有一小部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的 转子，其难点在于电力储存技术

2、，即蓄电池是最大难点。 优点：技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电；噪音低、无污染。 缺点：目前蓄电池单位重量储存的能量太少，电动车的电池成本高、价格贵，需解决 电池、电动机、电控三个技术问题；另外，没有形成经济规模，故整车价格较高。 代表车型：比亚迪e6、奇瑞瑞麒M1e、奇瑞S18、众泰5008EV。 Home 混合动力汽车是指同时装备两种动力来源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机 产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。按照燃料种类的不同，又可分为汽油混合动 力和柴油混合动力，目前国内市场上，混合动力车大都是汽油混合动力。 优点： （1）采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内

3、燃机的最大功率，此时处于油耗 低、污染少的最优工况下工作。需要大功率，内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷小 时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电， 故其行程和普通汽车一样。 （2）因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。 （3）在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。 缺点：长距离高速行驶基本不能省油。 代表车型：丰田普锐斯PRIUS、凯迪拉克凯雷德Hybrid、本田CIVIC Hybrid。 Home 燃气汽车是指用压缩天然气（CNG）、液化石油气（LPG）和液化天然气（LNG）作 为燃料的汽车。中国主要用压缩

4、天然气、液化气、乙醇汽油作为汽车的替代燃料。汽车代 用燃料能否扩大应用，取决于中国替代燃料的资源、分布、可利用情况，替代燃料生产与 应用技术的成熟程度以及能否减少对环境的污染等；替代燃料的生产规模、投资、生产成 本、价格决定着其与石油燃料的竞争力；汽车生产结构与设计改进必须与燃料相适应。 优点：燃烧彻底、排污少、运行成本低、技术成熟、安全可靠。 缺点：加气站数量不足、投资大、燃气价格上涨。 代表车型：比亚迪F3 CNG、一汽大众捷达CNG、东风雪铁龙爱丽舍CNG。 Home 燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电动机驱动 的汽车。燃料电池汽车的电池能量是通过氢气和氧

5、气的化学作用，而不是经过燃烧直接变 成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，燃料电池的能量转换效率比内燃 机要高23倍。燃料汽车的种类很多，目前研究较多的是质子交换膜燃料电池。 优点：零排放或近似零排放，无污染，燃油经济性提高，运行平稳、无噪声。 缺点：燃料电池汽车开发中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，燃料处 理器，部件成本较高。 代表车型：奔驰B级F-CELL 、福特Edge、丰田FCEV、通用雪佛兰Equinox。 Home 乙醇俗称酒精，通俗地说，使用乙醇为燃料的汽车，也可称为酒精汽车。用乙醇代替 石油燃料的历史已经很长，无论是从生产上还是应用上，技术都已经很成熟。

6、近来由于石 油资源紧张，汽车能源多元化趋向加剧，乙醇汽车又被提上议事日程。目前世界上已有40 多个国家，不同程度应用乙醇汽车，有的已达到较大规模的推广，乙醇汽车的地位日益提 升。乙醇汽车的燃料应用方式：第一是掺烧，指乙醇和汽油掺合应用。在混合燃料中，乙 醇的容积比例以“E”表示，如乙醇占10%、15%，则用E10、E15来表示。目前，乙醇汽车 以掺烧为主；第二是纯烧，即单烧乙醇，可用E100%表示，目前应用并不多，属于试行阶 段；第三是变性燃料乙醇，指乙醇脱水后，再添加变性剂而生成的乙醇，这也属于试验应 用阶段；第四是灵活燃料，指燃料既可用汽油，又可以使用乙醇或甲醇与汽油按比例混合 的燃料，还

7、可以用氢气，并随时可以切换，如福特，丰田汽车均在试验灵活燃料汽车。 优点：在汽车上使用乙醇，可以提高燃料的辛烷值，增加氧含量，使汽车缸内燃烧更 完全，可以降低尾气有害物的排放，生产和应用技术都已经很成熟。 缺点：生物乙醇的生产需要消耗大量的粮食。 Home 氢动力汽车是以氢作为主要燃料的汽车。氢资源可以从海水中提取，被视为是取之不 尽的能源。氢具有很高的能量密度，释放的能量足以使发动机运转，且氢动力汽车的排放 物是水，没有污染，是未来汽车能源的首选。 优点：储量丰富，排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物。 缺点：氢燃料电池成本过高，而且氢燃料的存储和运输按照目前的技术条件来说非常 困难，因为氢

8、分子非常小，极易透过储藏装置的外壳逃逸。另外，最致命的问题是氢气的 提取需要通过电解水或者利用天然气，如此一来同样需要消耗大量能源，除非使用核电来 提取，否则无法从根本上降低二氧化碳排放。 代表车型：BMW氢能7系、奔驰B级氢动力车。 Home 太阳能汽车是通过贴在车身上的太阳电池吸收太阳能的，又通过光电的转化将电能储 存在车内蓄电池里，以供电动机使用而驱动车辆行驶的交通工具，被称为是当今最清洁、 最有发展前景的绿色环保汽车。在光照强度比较大的情况下，太阳电池吸收的太阳能通过 光电转化而来的电流直接驱动电动机，也可以与蓄电池同时供电；而储存在蓄电池中的能 量则可以在不利的天气（例如多云、深夜、

9、雨天）供太阳能电动汽车使用。当然，受目前 技术发展的水平和客观因素的制约，太阳能主要还是作为一种辅助能源来使用，太阳能电 动汽车还远远不能达到人们所期望的用以完全取代现代的燃油汽车而实现商用化，只能作 为概念车或赛车来使用。 优点：无污染零排放、无级变速驾驶方便、无噪音、节能、安全、经济、能源补充来 源广等 。 缺点：太阳能辐射强度较弱，光伏电池板造价昂贵，加之蓄电池容量和天气的限制， 使得完全靠太阳能驱动的汽车其实用性受到极大的限制，不利于推广。 代表车型：Quaranta、标致Shoo太阳能电动汽车、匈牙利人研制的AntroSolo太阳能汽 电混合气车、通用汽车公司的Sunraycer太阳

10、能电动概念车。 Home 纯电动汽车与现有燃油汽车在结构上无很大区别，一般由底盘、车身、蓄电池组、电 动机、控制器和辅助设施六部分组成。 关于车身，由于纯电动汽车使用蓄电池作为其动力源，蓄电池本身的重量形成了纯电 动汽车在重量上的缺陷，所以轻量化设计是纯电动汽车车身设计时需要重点考虑的因素。 在造型上，近年来，由于电动汽车法规和使用要求等原因，不同地区、不同公司有着不同 的发展模式。 纯电动汽车的动力源是蓄电池和电动机。替代传统内燃机的电动机有直流电动机和交 流电动机之分。直流电动机有绕线式和永磁式两种，其中绕线式又可分为串励式、并励式 及复励式；交流电动机则可分为感应式以及同步式两种。替代汽

11、油、柴油等石化燃料的蓄 电池，除了需要向纯电动汽车安全行驶装备和舒适行驶装备提供所需电力外，还需要向替 代发动机的电动机提供电力。所以其容量要大，在瞬间也要能产生大电流，以便使电动机 产生大扭矩而驱动电动汽车。 Home 底盘方面，纯电动汽车因为使用电动机替代了发动机，所以原来发动机的位置可以装 置蓄电池和电动机，这样就可以利用原来传统车辆的驱动方式。对于纯电动汽车的动力 源（蓄电池和电动机），它们在底盘上的布置有多种配置方式，所以其驱动方式的选择上 比较灵活。对于制动系统，纯电动汽车不像汽油、柴油汽车利用进气歧管的真空产生负压 进行制动，而是利用真空泵电动机产生负压或者使用电动油压泵产生油压

12、提供制动力；另 外，纯电动汽车的制动系统还可装置“制动能量回收装置”，当车辆制动或减速时，电动 机转换为发电机进行发电，电流逆向流 向蓄电池加以充电。此外，纯电动汽车 可以利用电动机旋转力来直接转动转向 机构，能量效率比较高，比较适合使用 电动式动力转向器，图7-1-1所示为纯 电动汽车外形图。 Home 纯电动汽车是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车，通过电池向电动机提供电能， 驱动电动机运转，从而推动汽车前进。电动汽车与普通汽车的区别主要在于动力源及其驱动 系统，即纯电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱。 图7-1-2所示是纯电动汽车工作原理图，如图所示，纯电

13、动汽车系统可分为电力驱动子 系统、能源子系统和辅助控制子系统。 Home 电力驱动子系统又由电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组 成；能源子系统由能量单元、能量源和能量控制单元构成；辅助控制子系统具有助力转 向、温度控制和辅助动力供给等功能。根据制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器 发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电动 机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率流的 方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统 和充电系统一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力

14、源供给电动汽车辅助系统不同 等级电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。 除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘也是一个很重要的输入信号， 动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。 Home 根据混合动力驱动的联结方式，混合动力汽车主要分为串联式、并联式和混联式三 种（图 7-1-3）。 Home 串联式：串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控 制单元传到电池，再由电池传输给电动机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在 这种联结方式下，电池就像一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池在发电 机产

15、生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统 在城市公交上的应用比较多，在轿车上很少使用。 并联式：并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电动机驱动系 统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种 不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord 和Civic采用的是并联式联结方式。 混联式：混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电动机驱动系统各有一套机械 变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构接合在一起，从而综合调节内 燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系

16、统相比，混联式动力系统可以更加灵 活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电动机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。 Prius采用的是混联式联结方式。 Home 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占的比重，也就 是常说的混合度的不同，混合动力汽车可以分为以下四类： 一是微混合动力汽车。代表车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。这种 混合动力系统在传统内燃机上的启动电动机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电动机 （Belt-alternator Starter Generator，简称BSG系统）。该电动机为发电启动（Stop-Start）一 体式电动机

17、，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排 放。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它 的电动机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电动机的电压通常有 两种：12V和42V。其中42V主要用于柴油混合动力系统。 二是轻混合动力汽车。代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集 成启动电动机（Integrated Starter Generator，简称ISG系统）。与微混合动力系统相比，轻 混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：在减速和制 动工况下，对部分能量进行吸收；在行驶过

18、程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可 以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在 20%以下。 Home 三是中混合动力汽车。本田旗下混合动力的Insight，Accord 和Civic都属于这种系统， 该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是 高压电动机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况 时，电动机能够辅助驱动车轮，补充发动机本身动力输出的不足，从而更好地提高整车的 性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30%左右，目前技术已经成熟，应用广泛。 四是完全混合动力汽车。丰田的Pr

19、ius 和未来的Estima属于完全混合动力系统。该系统 采用了272650V的高压启动电动机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合 动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为 混合动力技术的主要发展方向。 Home 根据车载充电设备的多少，混合动力汽车又有普通混合动力汽车和插电式混合动力 汽车之分（图 7-1-4）。 Home 插电式混合动力汽车PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）是一种可以通过车载 充电插口和外接电源为车内电池充电，并能依靠纯电力行驶较长距离的混合动力汽车 （HEV）。这种新型能源汽车结合了

20、纯电动（BEV）和普通HEV的众多优点，通过合理的 能量控制策略可以获得比一般混合动力汽车更高的性能，更好的能源经济性，更小的环境 伤害和更低的使用成本，是国家重点发展的新能源汽车车型之一。 PHEV传动系统的结构和现在普通的HEV（指不带外接充电设备的混合动力汽车）很相 似。两者的区别除了PHEV有额外的充电装置，可以允许通过插头连接电网电力以获得并存 储电能以外，它们的工作模式、发动机、电动机、电池的规格均有不同。 插电式混合动力电动汽车动力系统和普通HEV布置一样，也可分为串联式、并联式和 混联式三种结构（图7-1-5）。 Home Home 混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱

21、动系统、辅助动力系统和电池组等 部分构成。 以串联混合动力电动汽车为例，介绍混合动力电动汽车的工作原理。 在车辆行驶之初，蓄电池电量处于饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助 动力系统不需要工作。当电池电量低于60%时，辅助动力系统起动。当车辆能量需求较大 时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量；当车辆能量需求较小时，辅助动 力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。蓄电池组的存在，使发动机 工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。 混合动力汽车采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其他辅助装置 提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率，同

22、时并未牺牲性能。混合动 力车设计成可回收制动能量。在传统汽车中，当驾驶员踩制动时，这种本可用来给汽车加 速的能量作为热量被白白扔掉了。而混合动力车却能回收大部分这些能量，并将其暂时储 存起来供加速时再用。当驾驶员想要有最大的加速度时，汽油发动机和电动机并联工作， 提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。在对加速性要求不太高的场合，混合动力车 可以单靠电动机行驶，或者单靠汽油发动机行驶，或者两者结合以取得最大的效率。比如 在公路上巡航时使用汽油发动机，而在低速行驶时，可以单靠电动机拖动，不用汽油发动 机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统 更大的效率。 H

23、ome 燃料电池电动汽车是以电动机为动力，用燃料电池（Fuel Cell）作为能源转换装置，利 用氢气作为燃料的电动汽车。燃料电池汽车整体上与普通内燃机汽车相同（图7-1-6），主 要不同之处在于：用氢气储存器储存的氢气，或用甲醇、汽油等燃料经重整转换为氢气的 氢气燃料系统，替代内燃机的汽油燃料系统或柴油燃料系统；用燃料电池产生的电力替代 内燃机产生的机械传动系统。与传统内燃机汽车相比，燃料电池汽车不通过热机过程，不 受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点，同时 仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶和安全、舒适等性能。 Home Home 燃料电池汽车

24、的核心部件是燃料电池。燃料电池是一种把氢进行氧化而将化学能直接 转换为电能的发电装置，其能量的转换不受卡诺循环规律限制。在运行过程中，燃料电池 不需要复杂的机械传动装置，也不需要润滑剂，当燃料电池向驱动电动机提供电源来驱动 燃料电池汽车行驶时，没有振动和噪声。 燃料电池是由负极（燃料极）、正极（氧化极）、和正负极之间的电解质共同组成， 不同种类的燃料电池采用了不同的电解质，有酸性、碱性、固体高分子型或质子膜型。其 工作原理如图7-1-7所示，在燃料电池负极一侧输入氢气，在燃料电池正极一侧输入空气或 氧气。在催化剂的作用下，氢在阳极分解成氢离子和电子，氧在阴极同电解液中的氢离子 吸收抵达阴极的电

25、子，最后在电化学反应过程中转化为电能和生成水。由于电解质中离子 的运动，电极上有电荷的积累，外电路接通后有直流电通过，并可以持续。原则上只要反 应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续发电。燃料电池在汽车上的利用， 停车时温度将下降，使用时温度需要提升，这使得燃料电池汽车的起动需要一段时间，而 如果保持高温状态下，能量损失又变大。因此限于这些条件，适合于汽车用的应为接近常 温下使用的燃料电池类型。 Home 目前，在燃料电池的使用上，美国广泛应用的是质子交换膜燃料电池组（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC），在日本一般使用固体高分子型燃料电

26、池组 （Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC）。质子交换膜燃料电池是用可传导质子的聚合膜 作为电解质，具有选择透过H离子的功能，其能量转换效率理论上可达到80% ，且具有比 功率大、质量体积小、起动快、能耗少、寿命长、工作温度低等特点，有利于在燃料电池 汽车上布置。固体高分子型燃料电池使用涂有塑料催化剂的固体高分子电解质膜作为电解 质，其工作温度在80左右，可进行常温起动而被认为是比较理想的车用燃料电池。 独立的燃料电池堆是不能应用于汽车的，必须和燃料供给系统、氧化剂供给系统、 水/热管理系统及能控制各种阀件、传感器和水、热、气调节装置的控制系统等附属系统 结合

27、在一起才能对外输出功率，沿袭汽车中的术语，一般称为“燃料电池发动机”（图 7-1-8）。 Home Home 新能源汽车电动机驱动系统的种类及特点新能源汽车电动机驱动系统的种类及特点 驱动电动机的分类及性能要求驱动电动机的分类及性能要求 新能源汽车驱动系统的发展方向新能源汽车驱动系统的发展方向 Home 新能源汽车电动机驱动系统的种类及特点新能源汽车电动机驱动系统的种类及特点 传统内燃机汽车中依靠传动装置可以使速度和转矩按照期望的等功率特性变化，纯电 动机驱动系统采用矢量控制，弱磁控制等技术也可以使电动机得到几乎与传统内燃汽车相 似的特性，所以纯电动机驱动可以简化或省去传动装置，使其在结构上更

28、加简单，同时产 生的机械能量等损失也减少了。纯电动机驱动汽车没有传统内燃汽车的怠速工况，在等待 交通信号灯及下坡时可以不消耗能量，从而达到节省能量的目的。此外与传统内燃汽车相 比，其转矩控制响应速度大大提高了，具有较快的加速响应、较好的防滑控制、较佳的制 动控制等平顺性和安全性方面的优势。 在新能源汽车中，纯电动汽车、太阳能电动汽车和燃料电池电动汽车的电动机驱动系 统是典型的纯电动机驱动，串联式混合动力汽车从最终传动看也是纯电动机驱动。纯电动 机驱动系统根据电动机数量多少、传动装置的形式与布置不同，有多种驱动布置方式，表 7-2-1所示为纯电动汽车常见的几种驱动方式。 Home Home Ho

29、me 纯电动汽车的驱动方式可以归结为：单电动机方式和多电动机方式两种。单电动机方 式又可分为有传动系统、无传动系统和无差速系统三种。有传动系统最简单的情况是在一 般车辆上采用电动机替换发动机；无传动系统具有差速器和定比减速器，不采用离合器和 传动装置，由一台电动机驱动两轮回转；无差速器系统去除了差速器，但是为了实现用一 台电动机驱动两个车轮而采用了相反电动机的方式。三种方式的结构特点见表7-2-1。 多电动机方式也有前后驱动、双轮毂电动机驱动、四轮毂电动机驱动等多种形式。前 后驱动使用两个电动机，在前后轮分别驱动的方式。可自由选择两轮或者四轮驱动，以符 合平顺性、安全性、经济性等要求。两台电动

30、机连接在同一个轴上由离合器连接，轻负荷 时单电动机驱动、重负荷时双电动机驱动，能有效改善效率和操纵稳定性。四轮毂式电动 机驱动是安装四轮独立控制的电动机和逆变器的方法。这种驱动方式把电动机组装在车轮 轮毂中，使结构更加紧凑。依靠这种结构可以实现横向行驶和回转行驶。 Home 混合动力汽车中，并联式及串并联式（即混联式）混合动力汽车属于典型的机电复合 驱动。 发动机的驱动力和蓄电池、压力储能装置等的驱动力一起并行向车轮传递的动力系统 所构成的汽车叫并联式混合动力汽车（Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV），如图7-2-1 （a）所示。并联式混合动力汽车只需发

31、动机和电动机两个驱动部件，并以各自独立的驱 动系统驱动车轮，而且发动机和电动机通常会采用不同的离合器来驱动车轮，具有三种不 同的工作模式：发动机单独驱动、电力单独驱动以及发动机和电力混合驱动。与传统燃油 汽车相比，它是一种为了降低排放和燃油消耗而以电动机电力为辅助型的燃油汽车。行驶 时，当发动机提供的功率大于驱动汽车所需要的功率或者汽车处于再生制动的状态时，电 动机就处于发电工作状态，将多余的电能充给蓄电池。 混联式混合动力汽车是在结构上综合了串联式和并联式特点的混合动力汽车（Parallel Series Hybrid Electric Vehicle，PSHEV），如图7-2-1（b）所示

32、。它兼有串联式和并联式的 优点，与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传 输路线。但是，结构上综合了串联式和并联式特点也造成了其结构复杂、成本高的缺点。 混联式混合动力汽车有两种动力驱动：一种是发动机（带ISG）与驱动电动机并联，两者动 力在动力混合器中组合然后驱动车轮；另外一种是发动机（带ISG）与驱动电动机并联，两 者动力分别带动前后轮或者后前轮，动力在驱动轮处混合。 Home Home 电动机的种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。而新能源汽车所采用的电动机 种类较少，功率覆盖面也很窄，基本类型如图7-2-2所示。 驱动电动机的分类及性能要求驱动电动机的

33、分类及性能要求 Home 从图中可以看出，新能源汽车经常采用的驱动电动机包括直流电动机、交流异步电动 机、永磁电动机和开关磁阻电动机。最早应用于电动汽车的是直流电动机，这种电动机的 优点是控制性能好、成本低。随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的发展，交流 异步电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性能，这些电 动机正在逐步取代直流电动机。表7-2-2所示为四类电动汽车用电动机的性能比较。 Home Home 新能源汽车用电动机在需要充分满足汽车运行功能的同时，还应满足行驶时的舒适 性、适应环境的性能和一次充电的续驶里程等性能。新能源汽车用电动机要求具有比普通 工业

34、用电动机更为严格的技术规范。其电动机驱动系统的主要性能要求如下： 。驱动电动机总重量的减少可有效减小有限的车载空间。电动机 可采用铝合金外壳，以降低电动机的重量。各种控制装置的重量和冷却系统的重量等也要 求尽可能轻。 一次充电续驶里程要长。在整个运行范围内，特别是行驶方式频繁改变 时，效率要高。 即使没有变速器，电动机本身也应满足所需要的恒功率调速特性， 以获得合适的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。电动机具有自动调速 功能，可以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适度，并且能够达到与内燃机汽车加速 踏板同样的控制响应。 （在任何情况下都应确保电动机具有高度的安全性。 要想得到普及

35、，降低价格是必经之路。 在允许的范围内尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装 备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。 高转速电动机的体积较小，重量较轻，有利于降低装车的装备重量。 此外，电动机还要求具有耐高温和耐潮性能，运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下 长时期工作，结构简单，适合大批量生产，使用维修方便等特点。 Home 由前述可知目前更适于新能源汽车的电动机是异步电动机和PM电动机。在美国，异步 电动机应用较多，这也被认为和路况有关。在美国，高速公路已经具有一定的规模，除了 大城市外，汽车一般以一定的高速持续行驶，所以能够实现高速运转而且在高速时有较高 效率的异步电动机得到广泛应

36、用。此外还和到目前为止技术的积累，以及电动机自身价格 低廉有关系；在日本，供应PM电动机中采用稀土磁铁的公司比较多，这也许是一方面的原 因，同时汽车大多以中低速行驶，因此采用了加、减速时效率较高的PM电动机。在日本， 乘用车类使用的几乎都是PM电动机，但是转子中采用磁铁的高价化问题仍然是个难点。但 是，通过进行全面的高效率的弱励磁控制就有可能扩大恒定输出的范围，并且通过多极化 也可以实现小型轻量化，也可以采用轮毂电动机等具有高发展前景的电动机。 以SRM为代表的磁阻电动机，也在不断地发展中，作为工业和电动汽车专用的电动 机，各地对它的开发和研究正在如火如荼地进行，但其效率还不是十分理想，在实际

37、中应 用还不是很广泛。然而，作为新能源汽车专用的电动机，磁阻电动机很具有发展潜力，是 今后电动机的发展趋向。 新能源汽车驱动系统的发展方向新能源汽车驱动系统的发展方向 Home 由于可以有效利用的电池能量有限，因此高性能的电力变换器以及构成它的电力装置 等就成为电动机驱动用变换器的核心，这也是现在和未来发展的方向。 新能源汽车中，直流电动机的电池电压为100120V，交流电动机则多使用288V，电 流则在200300A左右。直流电动机在小型车上多采用FET、大型车则多使用IGBT器件； 交流电动机可采用耐电压600V的自动开关器件，如IGBT。近来，更进一步的智能模块化电 力开关器件的使用也日

38、益增多。驱动系统控制技术的发展方向也主要体现在控制器件上， 大致如下： （1）控制器效率的提高。新能源汽车不能一直处于高速公路上高速行驶的状态，由于 在市街行驶时只有4060km/h的速度，因此在市街行驶所需的电力仅为高速行驶时的1/5 。 因此，希望控制器在较大的运行范围内具有较高的效率。 （2）回收效率的提高。制动时车辆电池有效回收的能量可增加续驶里程。在再生制动 的时候，逆变器、电动机的效率明显得到改善，但是要注意影响能量回收模式和电池的充 电效率等问题。为了能取得效率较好的能量回收效果，必须采用符合电池充电特性的效率 良好的回收控制法。 （3）电力装置。新能源汽车中采用的电力装置，特别

39、对低成本、低损耗以及好的环境 适应性有较多要求。对于低损耗，关键是降低低输出时的损耗。针对电池电压低的情况， 考虑采用比IGBT导通电压低的MOSFET。 （4）软开关化。采用共振回路使器件强制在零电压或者零电流工作状态，在该点进行 开关动作的方法被称为软开关，软开关是开关器件的应力、开关损耗、开关噪声降低的有 效方法。 （5）电力电子设备一体化。未来要考虑实现电动机驱动用逆变器和DC/DC变换器的一 体化、低成本化、小型轻量化以及低噪声的特性。 Home 一一、储能器件的种类及性能指标储能器件的种类及性能指标 二二、蓄电池储能蓄电池储能 三三、燃料电池储能燃料电池储能 四四、超级电容储能超级

40、电容储能 Home 一一、储能器件的种类及性能指标储能器件的种类及性能指标 新能源汽车常用的储能器件有蓄电池、燃料电池和超级电容等，有时也将几种储能器 件混合起来使用。其中，蓄电池又包括铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、纳硫蓄 电池、钠氯化镍蓄电池和锂离子电池等；燃料电池包括碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料 电池（PAFC）、氢离子固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）、熔融碳酸盐燃料电池（ MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC） 和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。 衡量储能器件特性常用的指标有比能量、能量密度、比功率、功率密度、循环寿命、 快速充电性能、充放电时间以及价格。 （1）

41、比能量，又称质量能量（Wh/kg），它代表每千克质量的电池能够提供多少能量。 （2）能量密度，又称体积能量（Wh/L），它代表每升容积的电池能够提供多少能量。 （3）比功率，又称质量功率（W/kg），它代表每千克质量的电池能够提供多少功率。 （4）功率密度，又称体积功率（W/L），它代表每升容积的电池能够提供多少功率。 （5）循环寿命，表示储能器件的容量下降至某一规定数值（有效使用数值）之前，电 池所经历的某一充放电制度下的充放电的次数。 （6）快速充电性能，用充满50%、80%或100%能量所需的时间来表示。 各种储能器件性能比较见表7-3-1。 Home Home 铅酸蓄电池是应用历史最长

42、、技术最成熟的蓄电池。它的主要特性是电池容量可小至 一安时大至几千安时，高倍率时放电性能良好，可在4060的条件下工作，高温时 性能依然良好，具有蓄电池中最高的电池电压，电能效率可达60%，易于浮充，没有记忆 效应，易于识别荷电状态，价格低廉（仅为镍镉蓄电池的1/61/5），但使用寿命较短、比 能量很低（一般只有3040Wh/kg）、充电时间长、体积较大，长期保存会导致电极的铅 化，存在爆炸危险，在某些结构电池中，由于氢化锑、氢化砷的析出可能会引起公害。 镍镉蓄电池是一种碱性蓄电池，它的比能量可达到55Wh/kg，比功率最高可达225W/ kg。它的极板强度高，工作电压平稳，可以浮充电，也可以

43、快速充电。镍镉蓄电池的过充电 和过放电性能好，有高倍率的放电特性，瞬时脉冲放电率很大，深度放电性能也好。它的循 环使用寿命长，可达到2000次或七年以上，是铅酸蓄电池的两倍。但是其价格较高，长时间 处于过充电状态下会缩短其使用寿命，而且在高温时性能低下，还会产生自放电现象。 镍氢蓄电池也是一种碱性蓄电池。它的比能量可达到7080Wh/kg，比功率可达到 600W/kg。镍氢蓄电池具有高倍率的放电特性，瞬时脉冲放电率很大。其过充电和过放电 性能好，能够浮充电，也可以快速充电，在l5min内可充至60%的容量，lh可以完全充满， 应急补充充电的时间短。在80%的放电深度下，循环寿命可达1000次以

44、上，是铅酸蓄电池 的三倍。但是镍氢蓄电池需要储氢合金，其造价较高，在充电时容易发热，要对电池进行 有效的温度管理。 二二、蓄电池储能蓄电池储能 Home 锂离子电池的比能量一般可达到100Wh/kg，比功率则可以高达l500W/kg，这一点是铅 酸蓄电池和镍氢蓄电池所无法比拟的。锂离子单元电池的平均电压为3.6V，相当于三个镍 镉蓄电池串联起来的电压值，因此它能够减少蓄电池组的数目，从而可以降低因单元蓄电 池电压差所造成的蓄电池故障发生的概率，因而可以延长蓄电池组的使用寿命。同镍镉蓄 电池相比，锂离子电池的无记忆效应可以确保其在充电前不需要进行放电，从而大大提高 了使用的方便性，而且也节省了电

45、能。锂离子电池的自放电率很低，仅有5%10%，稳定 性好，不使用时内部基本不会发生化学反应。此外，由于其内部不含有害重金属，所以它 具有很好的环保性，是绿色的环保型蓄电池。锂离子电池的负极为硬石墨电极，用端子电 压的测定就能准确地知道电池的剩余电量，因此它具有检验精度高的优点。但是锂离子电 池在处于过充电状态下时，由于内部会发生化学反应，导致锂离子电池厚度仅有数微米的 隔离膜刺穿而造成电池短路，从而引发更为剧烈的化学反应，短时间内即可释放出大量能 量，引起锂离子电池的爆炸，所以其安全性是必须注意的。 Home 镍氢蓄电池在电动汽车市场上作为动力源占有很大比重。日本本田的Insight、丰田的

46、Prius，还有美国通用汽车公司的Chevnolet Triax以及福特汽车公司的Prodigy等纯电动或混合 动力车采用的都是镍氢蓄电池。其中丰田汽车公司的RAV4-EV电动汽车一次充电行驶距离 为215km，最大速度为125km/h；日产公司的ALTRA-EV一次充电行驶距离为193km，最大 速度为120km/h。丰田公司生产的Prius混合动力汽车是研究最成熟的一款新能源汽车，动力 源由燃油发动机和镍氢蓄电池储能系统组成。 铅酸蓄电池多用于时速要求较低、续驶里程要求较短的电动高尔夫球车、电动游览车 或者电动巡逻车上，早期的电动汽车也选择铅酸蓄电池作为动力源。美国通用汽车公司开 发了Sa

47、turn、EV1两种铅酸蓄电池电动汽车。福特汽车公司在1998年生产的Ranger载货车， 使用阀控式免维护铅酸电池。克莱斯勒公司在1998年的EPIC汽车上使用的是先进的铅酸蓄 电池。 Home 锂离子蓄电池是近来研究的热点，其比能量高、体积小的优势正迎合了电动汽车发展的 需要。德国从2009年起启动了一项3.6亿欧元的车用锂蓄电池开发计划，几乎所有德国汽车 和能源巨头均携资加入。德国政府称，该计划的实施标志德国将进入电动汽车时代。与此同 时，戴姆勒汽车公司和RWE能源公司宣称，将携手合作在国内兴建500个电动汽车充电站。 日本在研发锂蓄电池方面走在世界前列。丰田、日产汽车及松下电器等相关企

48、业签署 协议，合力开发统一规格的新一代汽车锂蓄电池。东芝公司决定，斥资500亿日元开发电动 汽车用的锂离子蓄电池，并实现半商品化生产。2009年8月日产自动车公司发布其首款纯 电动汽车“叶子”。其使用超薄锂离子蓄电池，单次充电行驶里程超过160km，最高时速 140km/h。普及电动汽车的一个关键是需要足够的电力补充基地。东京电力宣布，将带头参 与有关的基础建设，在首都圈先建200多个充电站，三年后增加到1000个以上。东京电力已 经成功开发大型快速充电器，使得充电时间大大缩短。据介绍，每10 min的完整充电，所 能行驶的路程是60km。在日本的超市停车场、便利店及邮政局等公共场所内陆续建设

49、充电 器设备。据预计，如果高性能锂蓄电池得到更多推广，日本国内的混合动力车使用量可能 达到720万辆的水平。业界认为，电动车市场发展的规模将取决于锂蓄电池的成本是否能快 速降下来。 Home 燃料电池比能量可达350Wh/kg，能量转换效率高，一般在45%左右，如果在技术上加 以完善或综合利用，其效率可望达到60%以上。它洁净、无污染、噪声低、体积小、机动 性强、维护方便、生产周期短。它不需要并网发电，分布性强，适用于偏远、交通不便地 区的供电。但是制约燃料电池发展最重要的因素就是造价高，此外安全性也较差。 燃料电池按电解质不同主要分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电 池、熔融盐燃

50、料电池、固体氧化物燃料电池五种类型。表7-3-2所列为各种主要类型的燃料 电池及其相应的反应条件和特性。 三三、燃料电池储能燃料电池储能 Home Home 长期以来，世界各国政府和主要汽车集团都高度重视燃料电池汽车研发，投入大量资金 用于燃料电池汽车及氢能研发、试验考核和市场培育。2009年，欧盟批准燃料电池和氢能技 术项目行动计划，计划从欧盟第七框架计划中拿出4.7亿欧元，持续资助燃料电池汽车及基 础设施技术研发。德国政府高度重视燃料电池汽车及氢能研发，交通部、环境署、经济部等 部门联合启动燃料电池及氢能国家创新计划，拟与企业联合资助14亿欧元，用于燃料电池汽 车、氢能等关键技术研发，以确

51、定德国在燃料电池汽车领域的国际领先地位和竞争力。以经 产省为代表的日本政府高度重视并持续开展燃料电池汽车和氢能开发，在过去30年时间内先 后投入上千亿日元用于燃料电池汽车和氢能的基础科学研究、技术攻关和示范推广。 隶属于经产省的燃料电池商业化组织（FCCJ）先后于2009年7月和2010年7月发布了 燃料电池汽车和加氢站2015年商业化路线图，明确指出2011年2015年开展燃料电池 汽车技术验证和市场示范，随后进入商业化示范推广前期。为落实燃料电池汽车在日本的 推广，2011年1月，包括丰田、本田、尼桑三大汽车厂商在内的日本13家汽车和能源企业共 同签订协议，决定在东京、大阪、名古屋和福冈四

52、大都市圈的市区和高速公路上建立100座 加氢站，并通过完善设计、改善生产技术等方法大幅降低燃料电池汽车生产成本，培育燃 料电池汽车市场。美国政府对燃料电池汽车支持在布什任职期间达到顶峰，在奥巴马政府 期间，美国能源部宣布从美国振兴计划（American Recovery and Reinvestment Act Funding） 中拨款4190万美元支持燃料电池特种车的研发和示范，另在2011年美国财政预算中安排 5000万美元用于燃料电池和氢能技术研发。 Home 此外，2009年，戴姆勒、福特、通用、丰田、本田和现代汽车六个世界主要汽车公司 签署备忘录，持续开展燃料电池汽车研发，计划于20

53、15大力推广燃料电池汽车，并快速形 成几十万辆燃料电池汽车保有量。与此同时，德国巴符能源公司、奥地利OMV石油公司、 壳牌公司、法国道达尔公司和瑞典Vattenfall等全球大型能源公司签订备忘录，决定在德国 建设燃料电池汽车基础设施以促进燃料电池汽车在德国的推广。 经过长时间、持续稳步的支持，国外燃料电池汽车产品的可靠性、环境适应性（如低 温启动性能）取得了重大突破，示范运行不断深入，并陆续推出用于租赁商业化示范的先 进燃料电池汽车，燃料电池汽车进入技术与市场示范阶段。产品成本控制与配套基础设施 建设成为制约燃料电池汽车商业化推广的主要因素。 Home 在国家“十五”“863”计划电动汽车关

54、键技术重大科技专项和“十一五”节能与新能 源汽车重大项目支持下，我国燃料电池汽车技术研发取得重要进展，基本掌握了整车、动 力系统与关键零部件的核心技术；建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术 平台；形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电动机、储氢与供氢系统 等关键零部件配套研发体系，具有百量级燃料电池汽车动力系统平台与整车生产能力。研 制的“超越”系列、“上海牌”、“奔腾”、“志翔”等燃料电池汽车经受住了大规模、 高温、大强度示范考核，成功服务于2008北京奥运会和2010年上海世博会。 由于燃料电池技术具有能源安全、环保、高效率的优势，氢燃料电池技术不仅是一项汽

55、车技术，更是一项能源革命性发展技术，这项技术的发展最终会上升为“氢经济”的高度， 以取代现在的“石油经济”。氢燃料电池技术必将成为汽车新能源较为理想的解决方案。但 是，又由于氢燃料电池汽车的发展还存在技术成本、基础设施以及配套服务等问题，氢燃料 电池技术作为成熟的汽车技术，在小型轿车上普及应用，还有许多困难需要克服。 Home 超级电容（Ultracapacitor，UC）是20世纪60年代发展起来的一种新型储能元件，又称 电化学双层电容，它是靠极化电解液来储存电能的一种新型储能装置。超级电容的结构和 等效电路如图7-3-1所示。 图中两个薄铝箔电极上均附着活性炭粉，之间 采用纸隔离并浸泡于电

56、解液中，以铝罐及压片组 件密封。同一般的电容器相比，超级电容没有电 解质，而是利用电双层的结构取代实现电解质的机 能。当固体和液体这两个不同相态接触时，在接触 界面上正负电荷为相对排列，形成电双层结构。通 常状态下的超级电容，由于正极和负极采用相同的 活性炭，因此没有电位差，同电池一样不产生电动 势。但是充电时有大量电子流向负极使负极带电， 而电极表面汇集了与此电量等量的正离子。正极与 此相反，汇集负离子，以此保证各自电极和离子间的电位差。表示为等效电路时，正极、 负极上的双电层各自等价于一个电容，可理解为通过电解液串联。 四四、超级电容储能超级电容储能 Home 由于超级电容的优越性能和近年

57、来超级电容开发能力的提高，超级电容在工业领域得 到了广泛应用。目前世界各国争相研究，并越来越多地将其应用到电动汽车上，超级电容 已经成为电动汽车电源发展的新趋势，而超级电容与蓄电池组成的复合电源系统被认为是 解决未来电动汽车动力问题的最佳途径。 超级电容在电动汽车中的一个显著应用是将其用作再生制动回馈能量储存单元，与动 力电池组成联合体共同工作。该组合可以将蓄电池的高比能量和超级电容的高比功率的优 点结合在一起，提高再生制动效率，也避免再生制动对蓄电池可能造成的损害，所以被认 为是解决未来电动汽车电源问题的最佳途径。 日本是将超级电容应用于混合动力电动汽车的先驱，超级电容是近年来日本电动车动

58、力系统开发中的重要领域之一。本田的FCX燃料电池-超级电容混合动力汽车是世界上最早 实现商品化的燃料电池轿车，该车已经在2002年在日本和美国的加州上市。FCX采用了新 型质子交换膜形式的燃料电池模块，用超级电容加燃料电池的电能供应方式能够让FCX迅 速达到较大的功率，弥补了燃料电池车起动和加速性能差的缺点，测试结果表明起动时间 由原来的10min缩短到10s。超级电容只提供车辆加速和爬坡时所需的峰值功率，同时回收 车辆制动时的回馈能量，电量不足时则利用燃料电池带动电动机时的多余功率来补充。 Home 瑞士的PSI研究所给一辆48kW的燃料电池车安装了储能360Wh的超级电容组。超级 电容承担

59、驱动系统在减速和起动时的全部瞬态功率，以50kW的15s 额定脉冲功率协助燃料 电池工作。牵引电动机额定连续功率为45kW，峰值功率为75kW，采用360V直流电源。大 众Bora实验车进行的燃油消耗测试结果表明，其油耗少于7L/100km，而相同重量的BMW7 系列油耗则为10.7L/100km。1996年俄罗斯的Eltran公司研制出采用超级电容作为电源的电 动汽车，采用300个电容串联，充电一次可行驶12km，时速为25km/h。 美国在超级电容混合动力汽车方面的研究也取得了一定进展，美国Maxwell公司所开发 的超级电容器已在各种类型电动汽车上得到良好应用。美国NASA-Lewis研

60、究中心研制的混 合动力客车采用超级电容作为主要的能量存储系统。2003年，美国宾西法尼亚州立大学研 制了采用蓄电池和超级电容混合储能的实验样车，蓄电池直接接在直流母线上，超级电容 挂在拖车上，通过电流双象限 DC/DC变换器接至母线，用于吞吐动态能量。 Home 国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，然而，能够批量生产并达到实用 化水平的厂家不到20家。对以超级电容为唯一能源的电动汽车研究也取得了一定的进展， 例如由黑龙江科委组织，哈尔滨工业大学和巨龙集团研制的超级电容公交车，可容纳50名 乘客，最高速度为20km/h， 采用直流电动机，其额定功率为60kW，峰值功率为90kW，电