作者：丁元富,李伟
出版社：电子工业出版社有限公司
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新能源汽车不神秘：图解新能源汽车技术试读：
前言
随着我国经济持续高速发展，国内电动汽车、混合动力汽车市场得到迅速发展，电动和混合动力汽车的数量和普及率迅速提高，汽车在国民经济和家庭生活中的作用越来越大，与之相配套的新能源汽车服务市场需要更多的电动汽车和混合动力汽车修理、电动汽车和混合动力汽车配件、汽车营销、维护等专业人才。本书的宗旨是为电动汽车和混合动力汽车相关人员提供较为深入了解当今新能源汽车构造及原理的入门读物。
本书以问答图解的方式，介绍了电动汽车和混合动力汽车的基本构造与原理，包括控制系统、动力电池、电机结构等总成的构造与工作原理。书中更以较大篇幅介绍了主流电动汽车的构造图解。
本书文字简练、通俗易懂，可以作为汽车运用工程技术人员、大中专相关专业的学生以及电动汽车和混合动力汽车检测、维护和维修人员的学习参考资料，也可作为汽车爱好者的兴趣读物。
本书由吉林工程学院技术师范学院汽车学院副教授丁元富、李伟主编。参加本书编写的人员还有李校航、李校研、李春山、马珍等，在此深表感谢。由于经验不足，书中的错误和不完善之处在所难免，恳请广大读者批评指正。编 者第一章 混合动力汽车发展的前世今生■你知道混合动力汽车是何时诞生的吗？“Hybrid”一词在生物学中的解释是不同物种间杂交而成的后代，而在汽车界里，它的意思是“混合动力”。混合动力通常指车辆使用两种动力来源来驱动，比如我们常见的油电混合动力，是使用内燃机与电动机这两种动力来源。
保时捷创始人费迪南德·波尔舍在1900年秋天推出了混合动力的第一台原型车，它的名字叫做Lohner-Porsche Semper Vivus（见图1-1）。在具体的细节上，波尔舍将两台水冷的DeDion Bouton汽油机（每台3.5马力/2.6千瓦）装在车身中间，分别用它们驱动两台发电机，构成两套发电单元。功率2.5马力/1.84千瓦的发电机能够在90V电压下输出20A的电流，发电机输出的电能直接驱动外转子轮毂电机，剩余的电能则流入电池组储存起来。发电机反过来可以用做发动机的起动机。图1-1 第一台混合动力原型车■世界混合动力汽车的发展如何？
说到混合动力的发展过程，其实并不只是最近几十年开始兴旺的，早在1904年，美国的电动汽车公司就达到了67家，年产量达到了4000多辆，这时的电动汽车是汽车市场中重要的一员。
1952年12月，在洛杉矶的一次光化学烟雾事件中，65岁以上的老人死亡400多人，美国政府因此意识到大气污染的危害。1966年，美国国会公开倡导使用纯电汽车或者油电混合动力汽车。
随后，美国本土的大厂商（其实主要是通用汽车公司，简称“GM”）开始逐步研发混合动力汽车以及纯电车型，如图1-2所示。其中的著名代表便是GM的EV1纯电车型。在随后的日子里，新能源市场保持着缓慢发展，直到1997年，丰田汽车公司（简称“丰田”）在日本推出第一代的“普锐斯”混合动力车。图1-2 通用混合动力汽车
2000年左右，美国政府考虑到各种情况（石油资源、石油企业利益等），最终干预加州政府，使其不再对纯电动车补贴，失去补贴的电动车由于成本过高，销量也一落千丈，此后通用直到2006年都没有再通过新的新能源项目。
2001年，普锐斯正式进入美国市场，因其出色的油耗表现及可靠性，其车主可以获得最高2000美元的联邦税收补贴，有了强大的支持及其优秀的表现，普锐斯从此打开了美国的市场并且成为新能源车中的耀眼明星。
看着丰田混合动力汽车在美国及世界范围内的成功，其他厂无法再忽视新能源这块蛋糕，于是在2005年，福特汽车公司在北美车展上发布了Fusion hybrid原型车，随后在2008年的洛杉矶车展上正式发布了第一代的Fusion hybrid车型（Fusion即是国内的“蒙迪欧”），在当时也是为数不多的混合动力车型，如图1-3所示。另外，在2007年的北美车展上，通用展示了雪佛兰沃蓝达的概念车，并且在2010年进行了量产，是当时第一家量产出增程式混合电动车的厂家。图1-3 福特混合动力汽车
2008年，德国政府喊出“10年内普及100万辆插电及纯电车型”的口号后，欧洲厂商们才陆续推出新能源车型，例如标致3008Hybrid、宝马ActiveHybrid 7等，但都表现平平。不过这几年欧洲厂商在超级跑车中使用混动系统增多，例如保时捷918、法拉利LaFerrari等。
近几年各厂商都对自家的混动系统做了改进和优化，福特的第二代Fusion hybrid、丰田的第四代普锐斯、通用的第二代沃蓝达等，开启了一个混合动力车百家争鸣的时代。■国内混合动力汽车的发展如何？
国内其实很早就开始关注新能源车型，早在2001年，科技部便启动了“863计划”中的电动汽车重大专项，用于研发设计纯电、混合动力及燃料电池汽车，但万事开头难，刚开始几年只是处于技术积累阶段，没有取得什么瞩目的成绩。
到了2010年，国家正式出台个人购买新能源汽车补贴政策，加上新能源汽车上牌指标等诱惑力巨大的政策支持，直接引爆了国内的新能源汽车市场，新能源汽车销量猛增。由于国家政策向插电式混合动力及纯电汽车倾斜，对普通混合动力车型并没有过多的优惠，所以导致国内目前自主品牌的新能源汽车多是插电及纯电型。
不过国内的普通混合动力汽车发展平平淡淡，主要是因为没有财政补贴，本身价格又高，接受的民众不多，当有了补贴及新能源上牌指标后，就可以立马“红”起来，丰田的混合动力汽车（见图1-4）就是这么做到的。图1-4 丰田卡罗拉双擎混合动力汽车第二章 混合动力汽车■混合动力汽车是“咋”混合的？
混合动力系统是指两种不同形式的动力组合在一起，共同作为驱动汽车前进的动力系统，其动力形式主要有燃油发动机、燃气发动机、电机等。但通常我们所称的混合动力汽车，是指采用燃油发动机与电机两种动力组合的汽车，简称“油电混合”。
虽然都是采用发动机和电机来驱动汽车前进，但并不都是采用燃油和电能两种能量供给方式。只采用燃油一种供给方式的混合动力汽车，我们通常称其为“普通混合动力汽车”；而可以采用外接电源充电的混合动力汽车，被称为“插电式混合动力汽车”。
电机可以用作产生电能的发电机、驱动车辆的电动机或内燃机的起动机。根据基本设计的方向不同，混合动力系统可分为三种：微混合动力系统、中度混合动力系统、全混合动力系统。
1）微混合动力系统。
在这种动力方案中，电气组件（起动机/发电机）仅用于起动/停止功能。在制动时，部分动能可以转化为电能以重新利用（能量再生）。车辆无法通过纯电力驱动行驶，如图2-1所示。因发动机需要频繁起动，故对12V玻璃纤维蓄电池进行了改装。图2-1 微混合动力系统
2）中度混合动力系统。
这种系统的电力驱动用来辅助内燃机驱动车辆。电机与发动机共同驱动车轮，在汽车需要更大动力时帮助“推”一下汽车，从而提高整车的起步和加速性能。这种混合动力系统中的电机一般设置在发动机与变速器之间，而不是独立设置的。车辆无法通过纯电力驱动行驶。利用中度混合动力系统，可以在制动时回收更多的动能，并以电能的形式储存在高压蓄电池中。高压蓄电池及电气组件的额定电压和额定功率更高。由于电机的辅助，内燃机可以在最佳的效率范围内起动，这被称为负载点推移。图2-2 中度混合动力系统
代表车型：奥迪Q5 Hybrid、奔驰S400h（见图2-3）、大众途锐（见图2-4）等。图2-3 奔驰S400h混合动力汽车图2-4 大众途锐混合动力汽车
3）全混合动力系统。
这种系统将功率更强的电机和内燃机相结合，可以实现纯电力驱动，如图2-5所示。一旦达到规定条件，电动机即可辅助内燃机的运行。低速行驶时，完全由电力驱动。内燃机具备起动/停止功能。回收的制动能量可为高压蓄电池充电。内燃机和电机之间的离合器，可以断开这两个系统之间的连接。内燃机仅在需要时介入。图2-5 全混合动力系统■全混合动力系统按混合方式分为哪些？
全混合动力系统分为并联式混合动力系统、分支式混合动力系统、串联式混合动力系统及分支式串联混合动力系统。
1）并联式混合动力系统。
并联式混合动力系统的特点是结构简单。这种技术通常用于对已有车辆进行“混合动力化”。并联式混合动力系统通常配有一台电机。内燃机、电机和变速器安装于一根轴上。内燃机和电机各自输出功率的总和等于总输出功率。这种方案可以保留车辆上大部分的原有零部件。在四轮驱动车辆的并联混合动力设计中，四个车轮的驱动力由托森差速器和分动器传送，如图2-6所示。图2-6 并联式混合动力系统
2）分支式混合动力系统。
分支式混合动力系统除配有内燃机外，还配有一台电机。二者均安装于前桥上。
驱动力由内燃机和电机共同提供，通过行星齿轮机构传递给变速器。与并联式混合动力系统设计不同，两种形式的动力输出并不能全部传递给车轮。其中一部分动力输出用于驱动车辆，而另一部分则以电能的形式储存在高压蓄电池中，如图2-7所示。图2-7 分支式混合动力系统
3）串联式混合动力系统。
采用串联式混合动力系统的车辆只通过电机来驱动，内燃机与驱动轴是没有机械连接的。内燃机带动一个发电机，该发电机在车辆行驶时为电机供电或者给高压蓄电池充电，如图2-8所示。图2-8 串联式混合动力系统
4）分支式串联混合动力系统。
分支式串联混合动力系统就是把分支式混合动力系统和串联混合动力系统综合在一起了。该系统有一个内燃机和两个电机。内燃机和电机1装在前桥上，电机2装在后桥上。这种结构用于四轮驱动车。
内燃机和电机1可以通过行星齿轮机构来驱动车辆变速器。要注意的是：在这里也是不能将内燃机和电机各自的功率加起来传递到车轮上。后桥上的电机2在需要时才会工作。因结构原因，高压蓄电池布置在前、后桥之间，如图2-9所示。图2-9 分支式串联混合动力系统■串联式混合动力汽车长什么样？
串联式混合动力结构，顾名思义就是发动机和电动机“串”在一条动力传输路径上，如图2-10所示。串联式系统最大的特点就是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动机提供电能。串联式混合动力汽车的动力来源于电动机，发动机只能驱动发电机发电，并不能直接驱动车辆行驶。因此，串联式系统中的电动机功率一般要大于发动机功率。图2-10 串联式混合动力结构
代表车型：雪佛兰沃蓝达、宝马i3增程式混合动力汽车（见图2-11）、传祺GA5增程式混合动力车型。串联式混合动力系统的特点：结构简单、使用方便。图2-11 宝马i3增程式混合动力汽车■混联式和并联式混合动力哪个技术更好？
并联式混合动力系统的结构比较简单，在动力系统中增加了电动机、电池组及能量回收系统，且保留有传统的变速器。在动力输出中，以内燃发动机作为主动力，电动机作为辅助动力，车辆有制动能量回收系统。它主要以内燃发动机驱动行驶，利用电动机具有的在启动时能产生巨大扭矩的特性，在汽车起步、加速等内燃发动机燃料消耗较大的情况时用电动机辅助驱动。现在的并联式混合动力车功能比它们的前辈有了提升，国产的比亚迪、奥迪A3 e-tron（其混合动力系统见图2-12）和BMW530Le的插电混合动力都来自于这种混合动力系统。图2-12 奥迪A3 e-tron混合动力系统
混联式也称为串并联式，它结合了串联和并联两种混合动力系统的优点，如图2-13所示。它的结构复杂程度超过这两种混合动力系统，但是技术优势更是十分明显。同时，它是目前市场上最成功的混合动力系统，丰田和雷克萨斯的混合动力系统就是混联式。2014年，美国混合动力车销售榜的前十名中的九名是丰田、雷克萨斯及采用丰田授权技术的福特混合动力车型，所占市场份额超过90%。图2-13 混联式
从混合动力系统的效率上看，采用涡轮增压发动机、并联混合动力系统的插电混合动力车，其动力系统的高效工作区间比较窄。由于系统本身的不足，这种混合动力汽车“油”和“电”的衔接不好，电池充不上电，最后它就成了一个背着大包袱（插电混动车电池很重）的汽油车，在拥堵的大城市低速行驶时动力系统的效率和普通动力汽车没什么区别。相比之下，采用自然吸气阿特金森循环发动机的丰田混联式混合动力汽车的动力系统高效工作区域更宽，尤其在中低速行驶时优势更明显。■如何区别混联式与并联式混合动力系统？
与并联式混合动力系统一样，混联式混合动力也有两套驱动系统，但不同的是，混联式混合动力系统有两个电机，如图2-14所示。一个电动机仅用于直接驱动车轮，还有一个电机具有双重角色：当需要极限性能的时候，充当电动机直接驱动车轮，整车功率就是发动机及两个电机的功率之和；当电力不足的时候，就充当发电机，给电池充电。图2-14 混联式混合动力汽车■插电式混合动力汽车是什么样的？
插电式混合动力（plug-in hybrid）是指可以外接充电的混合动力，能降低发动机的使用率，进一步实现节能目的。插电式混合动力汽车的混动系统可以是串联、并联或者混联式中的任何一种。
插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Vehicle，PHEV），简单说就是介于电动汽车与燃油汽车两者之间的一种汽车。它既有传统汽车的发动机、变速器、传动系统、油路、油箱，也有电动汽车的电池、电机、控制电路。而且电池容量比较大，有充电接口，整车构造如图2-15所示。图2-15 插电式混合动力汽车构造
与雷克萨斯RX450h这种非插电式混合动力汽车相比，插电式混合动力汽车电池容量更大，可以支持行驶的里程更长。如果每次都是短途行驶，有较好的充电条件，插电式混合动力汽车可以不用加油，当作纯电动车使用，具有电动汽车的优点。
与特斯拉Model S这种纯电动汽车相比，插电混合动力汽车的电池容量要小很多，但是带有传统燃油汽车的发动机、变速器、传动系统、油路、油箱。在无法充电的时候，只要有加油站就可以一直行驶下去，行驶里程不受充电条件的制约，又具有燃油汽车的优势。
但是，因为一辆车内要集成电动汽车、燃油汽车两套完整的动力系统，插电式混合动力汽车的成本较高，结构复杂，重量也比较大，相对于单纯的燃油汽车和电动汽车又有劣势。不过，在充电站大面积普及、充电效率大幅提高之前，插电式混合动力汽车作为燃油汽车与电动汽车之间的过渡产品将长期存在下去。■混合动力汽车和插电式混合动力汽车有什么区别？
其实还有一种普通混合动力汽车，它的动力电池容量很小，如雷克萨斯CT200h的动力电池容量为6.5Ah，相当于一些强力探照灯的蓄电池而已，它在纯电模式下最远行驶距离仅为3千米。这种车型一般通过刹车时回收动能为动力电池充电，或者利用车辆在行驶时发动机的多余功率驱动发电机充电即可，完全不存在纯电动汽车到处找“插座”的困扰。
插电式混合动力汽车比起混合动力汽车，简单来说就是多个插电口，能够外接充电，如图2-16所示。电动机功率足够大，确保汽车能够以比较高的速度行驶，电池容量也要比普通混合动力汽车大很多，足以在纯电模式下行驶几十千米，续航里程较长（一般为50千米以上）。插电式混合动力汽车的百公里综合油耗比混合动力汽车更低，如普锐斯插电版在纯电模式可以行驶30千米，使百公里油耗低至2L，比混动版节油约3L（普锐斯混动版和凯美瑞混动版油耗相当），而且充电时间也不长，一般数小时即可充满。如果能够保持良好的充电习惯，用车费用直追纯电动汽车，并且无须担心任何续航问题。但是插电式混合动力汽车由于动力电池的容量更大，电池组的增大也进一步提高了整车售价，而部分地区不对其进行补贴，如北京就只补贴纯电动汽车，不补贴插电式混合动力汽车。图2-16 普通混合动力汽车和插电式混合动力汽车■并联式插电混合动力汽车长什么样？
并联式插电混合动力汽车（见图2-17）内有两套驱动系统，大多是在传统燃油车的基础上增加电动机、电池、电控而成，电动机与发动机共同驱动车轮。车内只有一台电机，驱动车轮的时候充当电动机，如图2-18所示，不驱动车轮的时候充当发电机给电池充电。图2-17 并联式插电混合动力汽车结构图2-18 并联式插电混合动力系统的能量及动力传递
并联式插电混合动力的优势在于：电动机、发动机共同驱动车轮，没有功率浪费的问题，譬如电动机功率为50kW，发动机功率为100kW，只要传动系统能承受，整车功率就是150kW；
在纯电模式下，同样有电动汽车安静、使用成本低的优点。而在混合动力模式下，有非常好的起步扭矩，加速性能出色；
因为只是在变速器上增加了一台电动机（有变速器输入端和输出端两种增加方法），在传统燃油车基础上改动较小，成本也比较低。
这种模式的缺点是：在混合动力模式下，发动机不能保证一直在最佳转速下工作，油耗比较高。只有在堵车时因为可以自带发动机启停功能，油耗才会低；
因为只有一台电机，不能同时发电和驱动车轮，所以发动机与电动机共同驱动车轮的工况不能持久。持续加速时，电池的能量会很快耗尽，转成发动机单独驱动模式。
这一类的代表车型包括：比亚迪秦、奔驰S500并联式插电混合动力版（百公里油耗2.8L）如图2-19所示。图2-19 奔驰S500并联式插电混合动力版■双电机插电式混合动力四驱车长什么样？
双电机插电式混合动力四驱车一般是一前一后放置两台电机，其中一台电机与发动机集成在一起，另外一台电机则单独放置，如图2-20所示。这种系统最大的特点是可以在前轮驱动、后轮驱动、四轮驱动三种模式间切换。追求加速性能的时候，采用四轮驱动模式；高速行驶时，车辆重心后移，可以用后轮驱动，以便拥有更高的效率，达到省电（省油）的目的；低速行驶时，前轮驱动有更高的效率，可以采用前轮驱动模式。比亚迪唐、保时捷918等（见图2-21）都是双电机插电式混合动力四驱车型。图2-20 双电机插电式混合动力结构图2-21 双电机四驱插电式混合动力车型图2-21 双电机四驱插电式混合动力车型（续）
双电机的优点：在纯电模式下，具有安静、使用成本低的优点，发动机可以一直控制在最佳转速，油耗低、噪声小、振动小。在混动模式下，两台电机与发动机一起工作，使车辆具有非常好的起步和加速性能。在充电模式下，一台电机充当发电机为动力电池充电。
双电机的缺点：结构复杂，拥有两台电机、一台发动机、一个变速器，配套的控制器、电池、传动系统、油路等一个也不能少，制造成本要高于其他类型的插电式混合动力车型，车的总重量也会大一些。为了让两台电机和一台发动机能够协调配合，需要不同的工作模式，控制系统相对比较复杂，对控制技术的要求比较高。■什么是三擎四驱汽车？“三擎四驱”中的“三擎”，指的是三个“引擎”，分别是一个汽油发动机、两个电机；四驱是指四轮驱动。以比亚迪唐为例，其三擎是指“2.0TI发动机（见图2-22）+前桥电机（见图2-23）+后桥电机（见图2-24）”这三个“引擎”，可同时实现动力输出，提供更强劲的动力享受，如图2-25所示。图2-22 比亚迪唐的2.0TI发动机图2-23 比亚迪唐的前桥电机
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