作者：李瑞明
出版社：电子工业出版社
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新能源汽车技术试读：
前言
如果用燃料和能源来划分，在19世纪以前人类以木柴等植物作为燃料，应该称为植物燃料时代；19世纪是煤燃料和蒸汽机时代；20世纪是石油、天然气燃料和内燃机时代。21世纪，人类将进入后石油时代。随着化石燃料消耗的不断增加，石油、天然气资源将逐渐趋于枯竭，环境污染和温室效应已经成为全球所共同面临的难题，人类将从化石燃料时代向氢能和可再生能源时代过渡。预计汽车技术未来几十年将朝着五个方向发展：一是继续用最先进的技术对内燃机进行改造，提高其动力性能，提高燃料利用效率，减少排放；二是继续改善燃油品质；三是开发使用生物燃料与其他可再生能源；四是开发推广混合动力系统汽车；五是开发使用电动汽车、氢燃料汽车等无污染的新能源汽车，这是汽车技术长远的发展方向和目标。
新能源汽车已经在社会保有车辆中占到了一定的比例，在我们的身边不时会出现新能源汽车的踪影。作为汽车工程类专业，开设新能源汽车技术的课程是各院校的必然选择。
新能源汽车技术涉及很多学科的基础知识，对于汽车工程类专业的学生而言，学习起来感到内容太多，太繁杂。本书在编写中特别注意两点：一是通俗易懂，深入浅出，从最基础的知识开始讲起，而且尽量避免繁杂的理论公式推导，以讲清楚知识点为原则；二是注意向读者介绍各种技术的研究发展前沿的信息，让读者在系统学习掌握新能源汽车各种技术原理的同时，也可以了解各类技术的研究现状和发展方向。
本书可作为汽车工程类本科、高职高专的教材使用，也可作为汽车工程技术人员，中等职业学校汽车专业教师的参考书使用。本书作为高等院校汽车工程类专业教材使用时，要求学生具有汽车构造原理、电工学原理、电子技术基础等方面的基本知识。本书用于本科教材时建议学时为36学时，作为高职高专教材使用时，建议学时为48学时。
本书由西安汽车科技职业学院李瑞明院长担任主编，李勇高级工程师和陈跃敏副教授担任副主编。书中第1、2章由李瑞明和李勇编写，第3、5章由李瑞明和陈跃敏编写，第4、8章由李勇编写，第6、7章由陈跃敏编写。
本书在编写过程中参阅了大量相关资料，并引用了不少参考文献中的内容。参考文献内容的引用由于条件所限，未能及时与作者联系，在此表示歉意；并向相关技术资料的作者致以诚挚的谢意。
最后竭诚欢迎广大读者对书中存在的误漏之处提出批评指正，交流讨论，以便我们改正提高。编 者2014年6月于西安第1章 绪论1.1 新能源汽车的定义和分类
2009年6月17日，工业与信息化部（工产业[2009]第44号）公告发布了《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》，对新能源汽车作如下定义。（1）“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）“新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。”
根据以上定义，新能源汽车应该具有三个特征。第一个特征是必须是技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车；第二个特征是综合了车辆的动力控制和驱动方面的先进技术；第三个特征是采用非常规车用燃料作为动力来源，或者使用常规的车用燃料，但是采用了新型的车载动力装置。必须同时具备这三个特征才可以称为新能源汽车。
新能源汽车和清洁能源汽车不同。清洁能源是指在生产和使用过程中不产生有害物质排放的能源。清洁能源包括可再生能源（消耗后可得到恢复补充，不产生或极少产生污染物，例如海洋能、太阳能、风能、生物能、水能、地热能、氢能等）和非可再生能源（包括使用低污染的化石能源如天然气等和利用清洁能源技术处理过的化石能源，如洁净煤、洁净油等）。因此，采用清洁能源作为动力源的汽车不一定就是新能源汽车。《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》，对新能源汽车也作了分类。明确了混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车（FCEV）、氢发动机汽车、其他新能源汽车作为5个重要的类型存在。《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》对新能源汽车的定义是开放性的，符合三个特征的汽车都是新能源汽车。所以，新能源汽车的分类都是相对的，不可能有一个非常严谨的分类结果。本书中为了便于教学，根据能源获取的原理不同，将新能源汽车分为纯电动汽车、混合动力电动汽车、太阳能电动汽车、燃料电池电动汽车、气体燃料汽车、生物燃料汽车等6类。
新能源汽车和电动汽车的关系：电动汽车是指以车载电源或其他能源为动力，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。电动汽车的关键特征是车轮全部或部分由电动机驱动。尽管新能源汽车和电动汽车的定义不同，由于绝大多数新能源汽车都是通过电动机驱动车轮的，所以，电动汽车涵盖了大部分新能源汽车的类型，以至于在一些资料中将新能源汽车和电动汽车画上了等号。但是，电动汽车只是新能源汽车的几个类型，新能源汽车所包含的范畴一定大于电动汽车。本书主要讨论电动汽车，无特指情况下，本书中的新能源汽车主要指电动汽车。1.2 新能源汽车产生和发展的原因
在全球能源短缺、环境污染、气候异常的大背景下，新能源汽车的产生是社会追求汽车工业可持续发展的必然结果。1.2.1 能源短缺
随着汽车保有量的不断增长，世界范围内对石油的需求也与日俱增。汽车燃油消耗和石油化工每年消耗大量的石油，使石油这一不可再生能源在以很高的加速度锐减，世界性的石油危机日益严重。尽管从1980年到2010年，世界已探明的石油储量从800多亿吨增长到2000多亿吨，增长了2倍多，但还是难以改变石油危机的预期。据美国能源部预测，2020年以后，全球石油将供不应求；2050年，石油供给与需求之间的缺口将达到2000年世界石油总产量的2倍。
石油资源地域性分布不均也加剧了石油危机。世界上的大多数石油储量都集中在中东地区，占到55%，达到1022亿吨，而我国所处的亚太地区只有46.58亿吨。中东地区的政治、宗教、战争等因素直接导致油价暴涨，使众多石油进口国发生经济危机。我国作为一个世界上最大的石油进口国，要想摆脱对石油的依赖，必须积极寻求替代能源，开发新能源汽车。1.2.2 环境污染
传统内燃机汽车造成的排气污染、噪声污染、粉尘污染、汽油蒸汽和光化学污染日益严重。特别是城市里的汽车尾气污染尤为严重，从2013年开始，PM2.5超标和雾霾天气已经成为一个常用气象热词。在形成雾霾的因素中，近年来每年以两位数增长的汽车所排出的尾气成为主要因素。人类首当其冲成为汽车尾气污染的直接受害者，氮氧化物、铅化物进入人的肺部和血液后，极大地损害人体的呼吸系统和消化系统，引发各种疾病。尾气对其他动植物也有直接和间接的毒害作用。传统内燃机汽车的巨大基数和高速增长是造成我国空气污染的一个主要因素，不加以解决，自然环境将难以负重。1.2.3 气候异常
汽车尾气的主要成分是二氧化碳。二氧化碳虽然没有毒性，但却是造成地球变暖的温室气体的主要成分。温室效应引起的全球变暖将对全球的生态系统造成难以想象的影响。据预测，未来100年内全球的地表温度将上升1.4～5.8℃，而根据统计数据，气温每上升1～2℃，降水量将减少20%，降水量的减少将直接影响农、林、牧业和养殖业的发展，加快土地沙漠化的速度。另外，地球两极冰山融化，海平面上升，沿海国家和地区人民的生存将受到威胁。
解决气候变暖问题的关键是减少二氧化碳的排放，而汽车的碳排放是减排的重点。推广使用低碳排放的新能源汽车是有效抑制气候变暖的关键措施之一。
在能源短缺、环境污染、气候异常的多重压力下，传统内燃机汽车的改进空间已经越来越小，开发低碳环保节能的新能源汽车已是迫在眉睫。正如沙特阿拉伯前石油部长谢赫所言，“石器时代并不是石头不够用而结束，而石油时代也将会在石油资源枯竭以前早早结束”。即使石油是用之不竭的能源，人类所赖以生存的地球也已经不能持续承受内燃机汽车带来的污染。1.3 新能源汽车的发展历史
从新能源汽车的定义上看，电动汽车是新能源汽车的一种。新能源汽车的种类从最初的纯电动汽车发展到今天多种类型的新能源汽车经历了漫长的过程，在世界汽车发展史上，电动汽车的发明比内燃机汽车还要早。因此，新能源汽车也是最古老的汽车之一。新能源汽车的发展经历了以下几个主要阶段。
1.1830—1850年——电动汽车的崛起
电动汽车的历史并不比内燃机汽车短，甚至比奥托循环发动机（柴油机）和奔驰发动机（汽油机）还要早。苏格兰商人罗伯特（安德森在1832—1839年（准确时间不明）研发出电动车。
早在1835年，由荷兰的Si Brandus Stratingh教授设计了第一款小型电动车，他的助手克里斯托弗（贝克则负责制造。但更具实用价值，更成功的电动车是由美国人托马斯（达文波特和苏格兰人罗伯特（戴维森在1842年研制的，他们首次使用的是不可充电电池。
2.1860—1920年——电动汽车的发展
随着英、法两国的科学家在电池性能、容量等技术方面的突破，1881年，法国发明家Gustave Trouve在巴黎举行的国际电力博览会上演示了三轮电动车。1884年，托马斯·帕克将电动车实现量产。1897年，美国费城电车公司研制的纽约电动出租车实现了电动车的商用化。20世纪初，安东尼电气、贝克、底特律电气（安德森电动车公司）、爱迪生、Studebaker和其他公司相继推出电动汽车，电动车的销量全面超越汽油动力汽车，电动车也逐渐成为上流社会喜好的城市用车。在早期的汽车消费市场上，电动车比内燃机驱动的车辆有着更多优势：无气味、无振荡、无噪声、不用换挡和价格低廉等。因此，电动汽车在当时的汽车发展中占据着重要位置。据统计，到1890年在全世界4200辆汽车中，有38%为电动汽车，40%为蒸汽车，22%为内燃机汽车。
3.1920年—20世纪末——电动汽车的停滞期
随着美国得克萨斯州石油的开发和内燃机技术的提高，电动车在1920年之后渐渐地失去了优势。汽车市场逐步被内燃机驱动的汽车所取代。只有在少数城市保留着很少的有轨电车和无轨电车，以及很有限的电瓶车（使用铅酸电池组，使用在高尔夫球场、铲车等领域）。电动汽车的发展从此停滞了大半个世纪。随着全球石油资源的开发和利用，以及内燃机驱动汽车的技术不断成熟，人们几乎忘记还有电动汽车的存在，而运用在电动汽车上的技术（如电驱动、电池材料、动力电池组、电池管理等）也处于停滞状态。
4.20世纪末到今天——电动汽车的复苏及创新期
随着全球石油资源的日益减少、大气环境的严重污染，人们重新认识到电动汽车的重要性。1990年之前，提倡使用电动汽车主要还是以民间为主，如1969年建立的民间学术团体组织：世界电动汽车协会（WorldElectric VehicleAssociation）。到了20世纪90年代，各个主要的汽车生产商开始关注电动汽车的未来发展，并且开始在电动汽车领域投入资金和技术。
新能源汽车的概念也应运而生，类型也得到了丰富。在1990年1月的洛杉矶汽车展上，通用汽车的总裁向全球推介Impact纯电动轿车。1992年福特汽车使用钙硫电池的Ecostar，1996年丰田汽车使用镍氢电池的RAV4LEV，1996年法国雷诺汽车的Clio，1997年丰田的Prius混合动力轿车相继下线，1997年日产汽车推出了世界上第一辆使用锂离子电池的电动车Prairie Joy EV，1999年本田汽车开始发布、销售混合动力汽车Insight。
与以往的电动车生产厂家所不同，新成立的Tesla汽车公司完全生产纯电动车。2006年推出的Roadster跑车0～60英里只要3.9s，每次充电可行驶400km。
在2008年北京奥运会期间，中国京华客车厂生产的纯电动公交车进行了一定规模的实际运行。最重要的是，它采用了充换电站模式。这一模式展示了未来充换电站逐步取代加油站的趋势。
从21世纪初开始，我国自主品牌汽车企业的新能源汽车的研发和生产也进入了一个蓬勃发展的阶段。国内汽车企业纷纷涉足新能源汽车的研发与生产，参与新能源汽车的示范运行及其产业化进程。比亚迪、奇瑞、东风、长安、上海汽车、一汽集团等是主要的参与者，目前已经成功研发多款轿车、客车及客车底盘。
比亚迪作为中国自主品牌汽车企业的代表，坚持自主创新，致力于新能源汽车技术的研发和生产，并凭借其在电池和制造业领域所积累的经验和优势，迅速崛起为国内新能源汽车领域最突出的后起之秀，从事大容量、高性能的电池产品的研发和生产，研发出铁动力电池（ET-Power），2008年3月推出了双模电动车型F3DM混合动力轿车，纯电动续驶里程达到60km。2010年9月，首款纯电动客车K9下线，一次充电续驶里程达到300km。2011年10月，首款纯电动轿车E6先行者上市，一次充电续驶里程达到300km。2013年12月17日，比亚迪秦正式上市，搭载了双动力双模技术，将大功率驱动电动机与1.5TID节能动力总成相结合，在混合动力模式下能输出217kW的总功率和479N·m的总扭矩，0～100km/h加速时间仅为5.9s，最高时速可达185km/h，百公里油耗仅为1.6L。作为一款插电式混合动力汽车，220V家用电源即可充电，纯电动续航里程达到70km。表1.1列出了近年来国内研发和生产的主要新能源汽车，供读者参考。表1.1 国内研发和生产的新能源汽车续表1.4 新能源汽车的基本结构
新能源汽车和传统的燃油汽车相比具有组成结构灵活的显著特点。形成这一特点有以下四方面的原因。（1）由于新能源汽车的主要能量传递可以通过电线进行，电线相对于传统的联轴器、传动轴而言是柔性的，所以用电线连接的各个部件布置的灵活性很大。（2）不同的驱动系统要求有不同的布设结构。如独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动系统，和传统的离合器、变速器、差速器构成的驱动系统具有非常大的差别。（3）不同的驱动电动机会形成整车的重量、尺寸和形状的差异。（4）不同的储能装置会造成整车的重量、尺寸和形状的差异，如蓄电池和燃料电池差别很大。（5）不同的能量补充装置对整车的布局也有较大影响，如蓄电池的感应式充电和接触性充电，更换电池集中充电。
鉴于新能源汽车结构灵活的特点，在分析新能源汽车的基本结构时，不能像学习传统汽车那样分析，而采用共性加个性的分析方法。先分析新能源汽车的功能模块构成，再区别不同的电力驱动形式和不同的储能装置，分别对各种新能源汽车的结构进行分析。1.4.1 新能源汽车的功能模块构成
图1.1给出了新能源汽车的功能模块结构框图。其功能结构由电子驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统组成。图1.1 新能源汽车的功能模块结构框图
电子驱动子系统由电动/发电机、功率转换器、电子控制单元、机械传动装置和车轮组成，其功能是根据制动踏板和加速踏板传感器传来的驾驶员动作信息，控制功率转换器将主能源子系统提供的电能输送到电动/发电机，由电动/发电机将电能转换为机械能，通过机械传动系统将这些机械能传送给车轮，形成车辆的驱动力。
主能源子系统由主电源、充电系统和能量管理系统组成。能量管理系统负责对充电过程和用电过程进行有效管理，监测电源的使用情况。当车辆制动时，能量管理系统和电子控制单元共同控制电动/发电机转为发电机工作，将制动能量通过机械传动装置传输给电动/发电机，产生电流向主电源（通常含有蓄电池）充电。
辅助控制子系统由辅助动力源、动力转向单元和温度控制单元组成。辅助动力源将主电源提供的电压变换成车内各辅助系统所需的电源电压，为其提供能量支持，主要包括转向系统、空调系统和其他辅助装置。1.4.2 不同电力驱动系统的结构形式
新能源汽车的电力驱动系统不同，所要求的整车的布局结构也不同，而且具有很大的差异，图1.2给出了6种不同电力驱动系统的结构形式。
第一种结构形式如图1.2（a）所示，这种形式从燃油发动机前置前轮驱动的传统汽车发展而来。其动力传动系统由电动机、离合器、变速器和差速器构成。这种机构就相当于只把原前置前驱车辆的发动机换为电动机即可。这种结构形式车辆的特点是需要在成熟车型上所做的改动最小。一般用于初始研发电动汽车的场合。图1.2 电力驱动系统的6种结构形式C—离合器；D—差速器；FG—固定速比变速器；GB—变速器；M—驱动电动机
第二种结构形式是在第一种的基础上，去掉离合器和变速器，而在电动机和差速器之间加入一个固定速比的减速器而形成，如图1.2（b）所示。这种结构的汽车，由于没有离合器和变速器，无法实现理想的转速/转矩特性，因此，不能适用于兼顾燃油发动机工作的混合动力新能源汽车。
第三种结构形式如图1.2（c）所示，与发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的布置方式相似，把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮，这种结构在小型电动汽车上应用很广泛。
第四种结构形式如图1.2（d）所示，是双电动机独立驱动结构。采用两个独立的电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮。这种结构的车辆由于两个车轮的转速可以独立控制，汽车转弯时两个轮子的差速功能可以通过控制两个电动机，使其具有不同的转速而实现，所以可以省去机械差速器。这种结构的新能源汽车更方便通过程序实现对其复杂的动力学控制。
驱动电动机可以装在车轮上，称为轮毂电动机。图1.2（e）所示的第五种结构形式就是在双侧车轮上采用轮毂电动机和行星齿轮固定速比变速器构成独立的两套驱动系统。这种新能源汽车的驱动部分在整车上所占的布设空间会大大缩小，机械的动力传动系统大大简化，而且动力控制更容易实现。
图1.2（f）所示的结构是采用低速外转子轮毂电动机驱动的动力驱动系统。驱动电动机的外转子直接安装在两侧车轮的轮缘上，车轮转速完全取决于电动机转速的控制。这种动力驱动系统完全去除了机械传动系统，这给整车设计中减轻整车重量、实现复杂的动力控制提供了广阔的设计研究空间。1.4.3 不同储能装置的结构形式
新能源汽车储能装置的不同，也对整车结构布局有很大的影响，图1.3给出了6种不同储能装置所构成的新能源汽车能量系统的结构形式。图1.3 新能源汽车能量系统的结构形式B—动力电池；C—超级电容；FC—燃料电池；FW—高速飞轮；P—功率变换器；R—重整器
图1.3（a）所示为以蓄电池作为能量源的一种能量系统结构，是一种最简单的能量系统结构形式。蓄电池可以根据需要分布式地布设在汽车的四周，也可以集中布设在汽车的前部、后部，还可以集中布设在底盘下面。
图1.3（a）所示的以蓄电池作为能量源的新能源汽车，其理想的动力蓄电池应该同时具有足够高的比能量（蓄电池的比能量指的是单位重量的蓄电池所能存储的电能量，参见第4章相关内容）和比功率（蓄电池的比功率是指单位重量的蓄电池所能够提供的最大功率，参见第4章相关内容），才可以保证整车具有较长的续驶里程和较强的加速性能及爬坡能力，但是能够同时满足高的比能量和比功率的电池很少。
通常，同一种蓄电池很难同时满足对高的比功率和高的比能量的要求。为了解决这一问题，可以在电动汽车上同时装配两种不同的蓄电池，其中一种蓄电池提供高的比能量性能；另一种提供高的比功率性能。图1.3（b）所示就是这种由两种不同的蓄电池构成的混合能量源和功率变换器组成的能量系统结构。
燃料电池是一种具有高比能量性能的储能装置。电解水可以通过消耗电能使水变成氢气和氧气，燃料电池的工作原理与之相反，是这一过程的逆过程。通过向燃料电池提供的氢气与空气中的氧气发生反应，生成水，同时产生电能。燃料电池可以提供高的比能量，但是不能回收车辆制动和下坡过程中产生的再生能量，因此，在给新能源汽车配备燃料电池的同时，再配备一套动力蓄电池，蓄电池除了可以实现能量回收的功能外，还具有高比功率的性能。这种能量系统的结构如图1.3（c）所示。
燃料电池所需要的氢气可以采用压缩氢气、液态氢气和金属氢化物的形式存储，也可以以常温的液态燃料（如甲醇和汽油）随车产生。这种利用常温液态燃料向燃料电池提供氢气的装置称为重整器。图1.3（d）所示为由重整器、燃料电池、蓄电池和功率变换器构成的能量系统结构。
图1.3（e）所示为由蓄电池和超级电容构成的能量系统的结构图。由于超级电容器具有高的比功率，而且具有较高的制动能量回收效率，所以，与之配套的蓄电池必须提供高的比能量性能。同时，由于用在汽车上的超级电容工作电压相对较低，所以需要在蓄电池和超级电容器之间设置一个DC/DC功率变换器，完成两者之间的电压匹配。
与超级电容类似，高速飞轮是另外一种新型的具有高比功率和高效率回收制动能量特性的储能器。图1.3（f）所示为由蓄电池和高速飞轮构成的能量系统的结构图。除了将超级电容换为高速飞轮外，这个结构图与图1.3（e）所示相同。
关于燃料电池、超级电容和高速飞轮的工作原理与性能将在本书第4章进行详细介绍。
6种电力驱动系统结构与6种能量系统结构进行不同的组合，就基本囊括了所有新能源汽车的结构形式。每一种新能源汽车都可以在这些组合中找到与其相对应的结构形式。1.5 新能源汽车的主要行驶性能指标
以电力驱动为主要形式的新能源汽车和传统的燃油汽车相比，其外观、车轮与地面的力学过程、转向装置、悬架装置和制动系统基本上是一样的，主要差别是采用了不同的动力系统。燃油汽车的内燃机是利用燃油混合气体在气缸内燃烧做功，推动汽车前行，而电动汽车是由蓄电池（或其他能量存储装置）提供电能，使电动机旋转产生机械能，驱动汽车前行。因此，新能源汽车的操控稳定性、平顺性及通过性与燃油汽车相同，制动性能除了增加再生制动性能外，也与燃油汽车相同，行驶性能的主要差异在于动力性和续驶里程上，而这两方面的性能与蓄电池的性能与特点直接相关。本节内容主要讨论新能源汽车的动力性和续驶里程这两方面的性能。1.5.1 动力性能
与传统汽车相同，新能源汽车的动力性能也可以用最高车速、加速性能和最大爬坡度等指标来描述。但是，由于电动机存在瞬时功率、小时功率和连续功率的概念，所以在性能指标的理解中需要考虑这一因素，例如，爬坡能力所对应的电动机驱动功率就是运用了电动机的瞬时功率。
1.最高车速
最高车速是指在无风条件下，在水平、良好的沥青或水泥路面上，汽车所能达到的最大行驶速度。按我国的规定，以1.6km长的试验路段的最后500m作为最高车速的测试区，共往返4次，取平均值，单位为km/h。
2.加速性能
加速性能用加速时间来描述，包括汽车的原地起步加速时间和超车加速时间。原地起步加速时间是指汽车从静止状态下，由第一挡起步，并以最大的加速强度（包括选择最恰当的换挡时机）逐步换至高挡后，到某一预定的车速所需的时间。常用0～96km所需的时间（秒数）来评价。超车加速时间，用最高挡或次高挡全力加速至某一高速所需要的时间。加速时间越短，汽车的加速性就越好，整车的动力性随即提高，单位为秒（s）。
3.爬坡能力
爬坡能力用汽车的最大爬坡度来描述。最大爬坡度是指汽车满载时在良好路面上用第一挡能够爬上的最大坡度。爬坡度用坡度的角度值（以度数表示）或以坡度起止点的高度差与其水平距离的比值（正切值）的百分数来表示。
对于电动汽车的动力性能指标，国家标准GB/T 18385—2005《电动汽车动力性能试验方法》对实验条件、车辆准备、车辆状况、试验顺序和试验方法等都做了详细的规定。有兴趣的读者可以参阅该标准。1.5.2 续驶里程
续驶里程这一性能指标对于传统汽车而言，并不是特别重要。因为目前加油站的布局建设已经比较合理完备，只要及时加油，传统汽车就可以持续行驶。而对于新能源汽车而言，除了燃料电池汽车外，其他汽车都需要充电，而充电的过程相对较长，充电站的建设布局还不完备，一旦电量用完，就必须回到特定的充电站，用较长的时间进行充电后才可以继续行驶。因此，续驶里程这一指标对于新能源汽车显得尤为重要。
电动汽车的续驶里程是指电动汽车在其动力电池组充满一次电后，车辆在特定工况下可以连续行驶的最大距离。单位为千米（km）。
对于电动汽车而言，续驶里程又分为标定续驶里程和普通工况续驶里程。标定续驶里程是指按照相关国标的规定，车辆加载规定的荷载，在无风、温度适宜的条件下，在平直无坡的硬路面上所能行驶的最大距离。标定续驶里程是国家技术主管部门用于测定电动汽车续驶性能的标准指标，这一指标的高低是判断不同型号电动汽车续驶性能优劣的标准。而电动汽车在实际使用中，由于汽车工况和所行驶的路况与标定续驶里程测试时相差很大，所以两者之间有较大差距。例如，电动汽车行驶在下坡较多的路段，其实际续驶里程要大于标定续驶里程，而在上坡占多数的路段，实际续驶里程可能要远小于标定续驶里程。
影响电动汽车续驶里程的因素主要有汽车行驶的环境状况、行驶工况、滚动阻力和空气阻力、电池的性能、电动汽车的总质量，以及空调、照明等辅助装置的能量消耗等。第2章 新能源汽车
本章主要介绍几个主要类型的新能源汽车的特点、结构、组成和基本原理，包括纯电动汽车、混合动力电动汽车、太阳能电动汽车、燃料电池电动汽车、气体燃料汽车和生物燃料汽车。2.1 纯电动汽车2.1.1 纯电动汽车的定义和优点
纯电动汽车是指完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池等）提供动力源，由电动机驱动，符合国家道路安全相关法规要求的汽车。
纯电动汽车具有以下优点。
1.无污染、噪声小
众所周知，内燃机汽车废气中的CO、HC及NO、微粒、臭气等x污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾，而纯电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”。
噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统都是有危害的，纯电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声与内燃机相比要小得多。
2.结构简单，维修方便
纯电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小。当采用交流感应电动机时，电动机无须保养维护，更重要的是纯电动汽车更便于操纵。
3.能量转换效率高
纯电动汽车的能量转换效率高，同时可回收制动、下坡时的能量，提高能量的利用效率；研究表明，纯电动汽车能源效率远超过汽油机汽车。特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高时，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动/发电机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，然后将电能充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车要高，因此，纯电动汽车有利于节约能源和减少二氧化碳的排放。
4.平抑电网的峰谷差
纯电动汽车可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电，可以避开用电高峰，起到平抑电网的峰谷差的作用，有利于电网均衡负荷，减少费用。
纯电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。2.1.2 纯电动汽车的基本构造
纯电动汽车与传统的燃油汽车在结构上没有很大的区别，底盘和车身是必需的基本构造要素。除此之外，动力蓄电池、驱动电动机、功率变换器（在简单电动汽车上称为逆变器）、动力转向器、悬架和管理控制器是纯电动汽车的特有的基本构造要素。图2.1所示为纯电动汽车底盘的基本结构示意图。图2.1 纯电动汽车底盘的基本结构示意图
1.车身
纯电动汽车车身造型与传统燃油汽车既有相近之处，又有较大区别。由于早期的纯电动汽车车身主要从传统汽车改进而来，所以继承了传统燃油汽车的很多造型风格。近年来，由于电动汽车法规的不断推出和新的使用要求的不断出现，纯电动汽车在车身造型上越来越呈现出自己的特点，而且具有明显的区域特征。例如，日本的纯电动汽车车体外形设计上呈现出小巧、造型靓丽明快，具有活力的特点，如图2.2（a）所示。美国在电动汽车的造型上仍然保留了其充满力量感和运动感的传统风格，图2.2（b）所示为TESLA MOTORS公司生产的世界第一辆纯电动跑车Tesla Roadster。欧洲电动汽车的造型则以高档豪华精细为特点，图2.2（c）所示为标致纯电动跑车EX1。
由于蓄电池本身的重量在整车的总重量中占据很大的比例，也就是说蓄电池提供的相当比例的能量都被自己本身的重量所消耗，所以电池的轻量化研究和车身的轻量化设计是电动汽车设计和研究最重要的任务之一。图2.2 几款纯电动汽车的车身造型
2.动力源
纯电动汽车用电动机代替了传统汽车的内燃发动机，用蓄电池的电能代替了汽油或柴油所具有的化学能。所以，纯电动汽车所使用的蓄电池和电动机是其核心部件，对汽车的动力性能有着决定性的影响。
纯电动汽车所使用的电动机有直流和交流之分。直流电动机有绕线式和永磁式之分，绕线式电动机有串励式、并励式和复励式之分；交流电动机则分为感应式和同步式两种。
蓄电池除了向电动机供电，驱动汽车行驶外，还要给底盘的行驶安全装置和车身的舒适装置供电，所以既要求它容量大，以增加汽车的续驶里程，又要求它输出电流大，以便于电动机产生大的扭矩增加其动力性。
纯电动汽车的蓄电池一般使用96～288V的高电压供电。电动汽车之所以采用高电压供电，是因为电动机的功率是其端电压与流经它的电流的乘积，在功率不变的情况下，提高电压可以降低电动机的工作电流，其好处一是减少了导线的直径，也就减轻了整车的重量，降低了整车的成本；二是减少了能量在电路内部的损耗，既提高了能量的利用效率，又降低了蓄电池、电动机和功率变换器的工作温度，减少了对冷却系统的压力。
3.底盘
纯电动汽车的底盘和传统汽车基本相同，主要差别有三方面：一是其驱动方式；二是在制动系统中设置制动能量回收系统；三是动力转向机构不同。
纯电动汽车用电动机取代了传统汽车的发动机，所以原来安装发动机的位置可以用来装配蓄电池和电动机，这样就可以利用原来传统汽车的驱动方式；另外，由于蓄电池和电动机在底盘上的布置比较灵活，可以根据设计要求进行多种驱动方式的配置。
纯电动汽车不能像汽油、柴油汽车那样，利用进气歧管的真空产生的负压进行制动，所以就需要配置专门的电动真空泵产生负压，或配置电动油压泵产生油压提供制动所需的制动力；另外，纯电动汽车的制动系统还需要配置制动能量回收装置，当车辆制动或减速时，电动/发电机转换为发电机进行发电，向蓄电池充电。
纯电动汽车的转向系统一般都是用电动助力转向系统，这种系统能量效率比较高。2.1.3 纯电动汽车的驱动
传统燃油汽车的工作过程是内燃机将燃料的热能转化为旋转机械能，然后通过传动装置、差速器、离合器等将动力传递到车轮，驱动汽车行驶。由于发动机输出的最大转矩是随其转速变化的，而车辆的行驶速度（车轮的转速）是在0和最高车速之间变化的，为了保证无论车辆行驶速度快慢，都能够使发动机始终保持在最大功率的工作状态，在动力传递时需要在动力传递过程中在发动机和车轮之间配置一个变速器，通过变速器调节变速比，完成发动机转速与行车速度之间的匹配。而对于纯电动汽车而言，电动机的动力特性则完全不同，图2.3给出了典型的电动机动力特性。图2.3 典型的电动机动力特性
由图2.3可见，横坐标为电动机的转速，纵坐标为电动机的输出转矩、输出功率、工作电流和电压。其中共有4条曲线，粗实线为转矩特性曲线，细实线为工作电流与转速的关系曲线，两条虚线分别为电动机输出功率和工作电压与转速的关系曲线。当电动机在转速低于基本转速n时，电动机工作在恒转矩输出区域，在这一区域电动机工1作电流和输出的转矩与转速无关，输出功率的变化是靠工作电压的变化来实现的；当电动机的转速处于基本转速n和最高转速n之间时，14电动机工作在恒功率输出区域，在这一区域电动机的输出功率、工作电流和电压与转速无关，输出转矩随转速的增加而降低。
可见，与燃油发动机相比，纯电动汽车的电动机不需要切换减速器的变速比，也可以在低速区域（恒转矩输出区域）获得理想的转矩，在恒功率输出区域获得高的恒定输出功率。因此，纯电动汽车可以在设计上灵活运用这种特性以体现不同的设计理念。例如，为了追求电动机的小型轻量化，可将高速运转的电动机与减速器结合起来运用；如果电动机的小型化、低转速高转矩可以实现，可以省去减速器，将电动机直接安装在轮毂上驱动车轮，减少机械损耗，降低整车的重量。
图2.4给出了纯电动汽车几种常见的驱动方式。图2.4 纯电动汽车几种常见的驱动方式图2.4 纯电动汽车几种常见的驱动方式（续）
根据驱动电动机的数量，可以把纯电动汽车驱动方式分为单电动机方式和多电动机方式。下面分别介绍各种驱动方式的特点。
1.单电动机方式
单电动机方式是指整个车辆的驱动由一个电动机来实现的驱动方式。单电动机驱动方式又可以细分为有传动系统的驱动方式、无传动系统的驱动方式和无差速器系统的驱动方式。（1）有传动系统的单电动机驱动方式。
有传动系统的单电动机驱动系统如图2.4（a）所示，由电动机、离合器、变速器、传动轴和驱动桥组成。这种驱动方式只不过是将传统汽车中的发动机直接换成电动机而已。它具有以下结构特征：一是全盘采用燃油汽车的传动系统；二是和传统汽车一样，有电动机前置前桥驱动、电动机后置后桥驱动等各种驱动模式；三是它结构复杂，效率低下，没有发挥出纯电动汽车的优势。（2）无传动系统的单电动机驱动方式。
无传动系统的单电动机驱动系统如图2.4（b）所示，由电动机驱动桥组合驱动系统构成，具有差速器和定比变速器，不采用离合器和变速器，一台电动机驱动两个车轮。它具有以下结构特征：一是将电动机与定比变速器、差速器、驱动桥组合成一个电动机驱动桥组合驱动系统；二是有电动机前置前桥驱动和电动机后置后桥驱动两种驱动模式；三是它结构紧凑，效率高。（3）无差速器系统的单电动机驱动方式
无差速器系统的单电动机驱动系统如图2.4（c）所示，去除了差速器，电动机与驱动车轮同轴心安装，为了实现用一台电动机驱动两个车轮，采用了相反电动机，用一台电动机提供转向相反的两个同轴转动转矩。它具有以下结构特征：一是电动机为相反电动机，无差速器，在电动机的前盖处装有变速器，电动机有一个空心轴，驱动桥的一个半轴从空心轴通过；二是有电动机前置前桥驱动和电动机后置后桥驱动两种驱动模式；三是它结构紧凑，效率更高。
2.多电动机方式
多电动机方式又分为多普通电动机驱动和多轮毂电动机驱动两种形式。（1）多普通电动机驱动方式。
多普通电动机驱动方式有两个思路。一是两个电动机分别安装在前桥和后桥，可以选择前轮驱动、后轮驱动和前后轮同时驱动的三种驱动方式。二是将两个电动机连接在同一个传动轴上，用离合器控制其连接，在车辆轻负荷时单电动机驱动，重负荷时双电动机同时驱动，从而改善纯电动汽车的动力性能和能量利用效率。（2）多轮毂电动机驱动方式。
轮毂电动机效率最高，它使得纯电动汽车完全去除了机械传动系统和差速器，既消除了机械传动过程中的能量损耗，同时大大减轻了车身重量。
轮毂电动机一定是成对配置，所以有前轮驱动、后轮驱动及四轮驱动几种驱动方式。图2.4（d）所示就是后轮驱动的方式。
多轮毂电动机驱动方式具有以下结构特征：一是轮毂电动机成对配置，不需要差速器，差速功能由管理控制系统控制两个轮毂电动机具有一定的转速差来实现；二是有前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动三种驱动模式；三是省略了绝大部分的机械装置，腾出了很大空间，减轻了很多重量，可以用于设置其他系统。2.1.4 纯电动汽车的储能装置——蓄电池
电池分为两种：一种是一次电池，又称为原电池；另一种是二次电池，又称为蓄电池。一次电池将化学能转化为电能的过程是不可逆的过程，当完全放电后，电池就被废弃。例如，常用的五号、七号干电池都是一次电池。二次电池化学能转换为电能的过程是可逆的过程，当电池电量释放完后，可通过外部电源向其注入电流进行充电，使其恢复到原始的状态。纯电动汽车使用的储能装置就属于二次电池。本书将在第4章内容中详细介绍蓄电池的工作原理和性能，这里仅对主要蓄电池的基本情况进行简单介绍。
用于纯电动汽车的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍镉（NiCd）蓄电池、镍氢（NiMH）蓄电池及锂离子电池等。（1）铅酸蓄电池。
铅酸蓄电池有正、负两个极，凭借两极间的电解质促使带电粒子移动，在蓄电池外的电路中形成电流。铅酸蓄电池放电时生成水和硫酸铅，充电时在正、负极板上形成铅和二氧化铅，蓄电池恢复到初始的已充电状态。铅酸蓄电池是发展最早的蓄电池之一，虽然它的比能量在几种常用蓄电池中最小，但由于它技术成熟、性价比较高，目前是在纯电动汽车中应用最广泛的一个类型，还没有哪一种蓄电池可以取代它的位置。（2）镍镉蓄电池。
镍镉蓄电池正极板由镉制成，负极板由氢氧化镍制成，两极板用尼龙隔板隔开，置于氢氧化钾电解质中，外面用不锈钢壳体密封。纯电动汽车使用的大容量镍镉蓄电池量产是于20世纪90年代在法国实现的，被大量应用于法国生产的纯电动汽车上。镍镉蓄电池与铅酸蓄电池相比，优点是比能量大约是铅酸蓄电池的2倍，具有更长的深循环寿命，低温性能优良；缺点是价格贵，而且存在着记忆效应的问题，蓄电池在长期不使用时，容量会有所降低。（3）镍氢蓄电池。
镍氢蓄电池是在镍镉蓄电池的基础上发展起来的。镍氢蓄电池的比能量比镍镉蓄电池要高一些，其正极板由金属氢化物制成，避免了镉对环境的污染，基本没有记忆效应的问题。镍氢蓄电池的缺点是不能输出高的峰值功率，自放电的速度快（漏电严重），而且过充电时容易损坏。虽然镍氢电池有这么多问题，而且价格高于镍镉蓄电池，但根据相关规划，要将此电池大量用于纯电动汽车，所以将来价格将会大幅下降。（4）锂离子电池。
锂离子电池的正极采用LiMnO、LiNiO等锂的化合物制造，负242极不是由金属锂构成，而是采用石墨和碳化锂LiC等碳材料制造。通4过锂离子在碳中的分离和结合进行充电和放电。
锂离子电池作为纯电动汽车的动力电池具有很多优异的性能：一是它的单体电池电压高达3.6～4V，相当于三个镍镉单体电池串联的电压；二是其比能量达到100～120Wh/kg，是镍镉电池的1.5～3倍；三是其比功率达到1500W/kg，循环可充电次数达到1000次。总之，锂离子电池具有充放电效率高，功率输出密度大，没有记忆效应，环境污染小等显著优点，已经成为纯电动汽车重点开发的蓄电池种类。
当然锂离子电池也有其局限性：一是这种电池快速充电和放电的性能较差；二是锂材料获取困难，锂电池的制造、管理和使用较为复杂，制造成本较高；三是锂离子电池的使用有严格的安全要求，需要配备专门的电子自动化系统实现电池的保护、运行管理和热管理。2.2 混合动力电动汽车2.2.1 混合动力电动汽车的定义和优点
参考国际能源组织（IEA）的有关文献，对混合动力车辆作如下定义。能量与功率传送路线具有以下4个特点的车辆称为混合动力车辆。（1）传送到车轮推动车辆运动的能量，至少来自不同的能量转换装置（例如，内燃机、燃气涡轮、斯特林发动机、电动机、液压马达）。（2）这些能量转换装置至少要从两种不同的能量存储装置（例如，燃油箱、蓄电池、飞轮、超级电容、高压储氢罐）中吸取能量。（3）从储能装置流向车轮的这些能量通道，至少有一条是可逆的（既可放出能量，又可吸收能量），并至少有一条是不可逆的。（4）如果可逆的储能装置供应的是电能，则这种混合动力车辆称为混合动力电动汽车。
根据以上定义，从理论上讲，运用能量流的不同配置，可以想象出很多种混合动力汽车的类型。但是迄今为止，开发成功的绝大部分混合动力汽车都可以称为“油—电”混合动力电动汽车。
在这些混合动力电动汽车中，不可逆储能装置无一例外的是燃油箱，它向内燃机提供能量，通过内燃机变成机械能；而可逆的能量存储装置通常是蓄电池、电机械飞轮或超级电容。
通常的混合动力电动汽车大多是由“蓄电池+电动机+燃油箱+内燃机”构成的，在这两种驱动装置中，内燃机作为汽车的主要动力来源，提供稳定的动力输出，满足汽车稳定行驶的动力要求；而电力驱动装置具有良好的变工况特性，能够进行功率的平衡，制动能量的回收和存储。
混合动力电动汽车具有以下优点：一是节能，由于有电动机补充能量，所以可以降低发动机的额定功率，从而节省发动机运行的燃油；车辆停止时、启动时可以关闭发动机；能量回收系统可以回收部分能量。二是环保，在城市中心可以关闭发动机，以纯电动模式运行，减少对市中心的污染；采用电动起步，等车速达到预设水平时再启动发动机，尽量使发动机工作在远离特性曲线排放区的工作状态；采用功率小的发动机，使得在常规负荷下，发动机就能工作在额定功率状态，工作效率更高，污染最小；动力电池的功率缓冲能力可以使发动机缩短冷启动时间，从而减少冷启动时的排放。
当然混合电动汽车也有其局限性，表现在以下三方面：一是整车重量重，因为具有两套储能装置和两套能量转换装置；二是结构复杂、成本高；三是在某些场合存在着行驶性能下降的问题，例如，当连续上坡道路使得蓄电池电能用完时，仅靠功率小的发动机，会觉得动力不足。2.2.2 混合动力电动汽车的分类
混合动力电动汽车有两种分类方法：按照两种能量搭配比例分类和按照两种能量流配置的路径分类。
1.按照两种能量搭配比例分类
按照两种能量搭配比例分类，混合动力电动汽车可分为轻混合、中混合、全混合和插电式四种类型。（1）轻混合（Micro Hybrids）。
轻混合又称为微混合或起—停混合，在这种混合动力系统中，电动/发电机仅作为启动机和发电机使用。目前这种类型的混合动力电动汽车所使用的启动机/发电机系统都是在原来传统燃油发动机启动机的位置加装一套传动带驱动启动发电机（Belt-alternator Starter Generator，BSG），如图2.5所示。BSG电动/发电机功率仅为3～6kW，用来控制发动机的启动和停止。当车辆遇到红灯需要暂时停车时，控制发动机熄火，当车辆需要再次行驶时，立即启动发动机，从而降低了怠速期间的油耗和排放；而在汽车制动时，BSG转变为发电机，将制动的能量转化为电能，向蓄电池充电。
BSG系统结构简单，重量轻，对整车原来的结构改动小，成本低，可实现5%～10%的节油效果。但是从严格意义上讲，轻混合动力的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电动机没有为汽车的行驶提供持续的动力，不满足混合动力电动汽车的定义的第一个条件。考虑到这种汽车保有量较大，在介绍混合动力电动汽车分类时，也对其进行一些介绍。图2.5 轻混合动力系统BSG
目前已经采用这种轻混合动力系统的车型很多，例如，雪铁龙C2和C3、宝马1系、奥迪A3、菲亚特500、奇瑞A5 BSG等车型。该系统正在成为欧美等发达国家的标配系统。（2）中混合（Mild Hybrids）。
中混合又称为辅助驱动混合。通常，这种混合动力驱动系统大多采用集成启动发电机（Integrated Starter Generator，ISG）作为电力驱动装置。这种类型的电动汽车还是以发动机为主要的动力来源，ISG安装在发动机与变速器之间，作为辅助动力源与主动力源相连。当车辆行驶中需要更大的驱动力时，ISG用作电动机向车辆提供辅助的驱动力；当需要启动发动机时，ISG用作启动机；在车辆处于减速和制动的工况下，ISG用作发电机，将减速或制动的能量转换为电流，向蓄电池充电；在车辆行驶过程中，发动机等速运转时，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智能调节。
中混合动力系统结构简单紧凑，重量轻，可以较大幅度地改善燃油的经济性，降低排放，可以实现10%～15%的节油效果。本田公司的Insight和Civic混合动力车型采用的混合动力系统（Integrated Motor Assist，IMA）就是典型的中混合动力系统。（3）全混合（Full Hybrids）。
全混合动力系统，又称为深混合动力系统，是指既可以采用发动机独立驱动车辆行驶，又可以采用电动机独立驱动车辆行驶，还可以两者同时驱动车辆行驶的混合动力系统。这种系统普遍采用大容量电池，以提供电动机满足纯电动模式运行的需要，同时还具有动力切换装置，以满足发动机和电动机动力耦合和分离的要求。通常在起步、倒车、频繁启停、低速行驶等工况下，车辆可以以纯电动模式运行；在急加速时，发动机和电动机一起驱动车辆；具有制动能量回收功能。
与中混合系统相比，在驱动车辆的两种动力源中，电池和电动机功率应用的比例更大，内燃机的功率更小。这种混合系统可以实现30%～40%的节油效果。丰田Prius及Highlander、福特Escape、雷克萨斯RX400h等车型均为全混合动力汽车。（4）插电式（Plug-in Hybrids）。
插电式混合动力系统通过接入家用电源为动力电池充电，使得配备这种系统的车辆可以仅靠动力电池的能量以纯电动模式行驶。这种混合动力系统电动机的功率与纯电动汽车基本相同，电池的容量比全混合系统大，比纯电动汽车小，内燃机功率与全混合系统相同。
插电式混合动力系统由于可以利用电网的电能为蓄电池充电，大大减少了对石油的依赖。插电式混合动力电动汽车既具有纯电动汽车节能环保的优势，又具有燃油汽车续驶里程长的优势，是混合动力电动汽车的重要发展方向。
2.按照两种能量流配置的路径分类
按照两种能量流配置的路径分类，混合动力电动汽车可以分为串联、并联和混联三种类型。下面重点介绍这三种典型的混合动力系统的结构和工作原理。2.2.3 串联式混合动力驱动系统
串联式混合动力驱动系统的组成结构与能量流示意图如图2.6所示，发动机输出的机械能全部用于驱动发电机，通过发电机转换成电能，发电机输出的电能根据车辆的不同工况，分配给两路，一路送往动力电池对其进行充电，另一路送往电动机驱动车轮。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]