第二章　纯电动汽车

第一节　纯电动汽车概述

一、纯电动汽车概念

纯电动汽车（简称电动车）是指主要以电池为动力源，全部或部分由电动机驱动，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。纯电动汽车是涉及机械、电子、电力、微机控制等多学科的高科技技术产品，是与燃油汽车相对应的。纯电动汽车辆最早出现在英国，1834年Thomas Dwenport在布兰顿演示了采用不可充电的玻璃封装蓄电池的蓄电池车，此车的出现比世界上第一部内燃机型的汽车早半个世纪。电动汽车在20世纪20年代达到鼎盛时期，然而在燃油汽车出现后，纯电动汽车无论在整车质量、动力性能、行驶里程、机动性和灵活性方面越来越落后于燃油汽车。但在全球温室效应与能源问题逐渐受到各国政府的重视下，主要国家的污染法规渐趋严格，因此对低污染车辆的需求势必增加。随着各种高性能蓄电池和高效率电动机的不断出现，人们又把目光转向了零污染或超低污染排放的电动汽车。从20世纪70年代起，新一代纯电动汽车脱颖而出，涌现了各种高性能的纯电动汽车。例如，比亚迪E6纯电动车可续行300km，最高车速160km/h；长安奔奔纯电动车续行150km，最高车速120km/h；宝马　Mini纯电动车可续行240km，最高车速160km/h；三菱iMiEV纯电动车可续行150km，最高车速130km/h；日产Leaf纯电动车可续行160km，最高车速140km/h，只需30min可充电80％，而通过10min充电可行驶50km；奔驰SmartFortwo纯电动车可续行121km，最高车速135km/h，充电可行驶40km。

二、电动汽车的分类

图2-1所示为电动汽车的拓扑分类。传统汽车只有内燃机一种动力源，纯电动汽车或纯燃料电池电动汽车也只有电动机一种动力源，混合动力汽车则至少有两种动力源，动力蓄电池和氢燃料电池技术的发展将最终导致不同类型的汽车向纯电动机汽车和纯燃料电池电动汽车方向发展。电动汽车的发展不但是动力系统的变化，其传动系统等也将随之发生变化。

图2-1　电动汽车的分类

①纯电动汽车是完全由二次电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供能量，由电动机驱动的汽车，由于一次石化能源的日趋缺乏，纯电动汽车被认为是汽车工业的未来。典型的纯电动汽车结构如图2-2所示。动力蓄电池组输出电能驱动电动机，从而推动车辆行驶。蓄电池的电能通过充电系统在车辆行驶一定里程后进行补充。如图2-3所示，纯电动汽车主要由电力驱动控制系统、车载电源控制系统和辅助控制系统构成。电力驱动控制系统包括中央控制单元、驱动控制器、电动机、机械传动装置；车载电源控制系统包括充电控制器（能量源）、蓄电池（能量单元）及能量管理单元；辅助控制系统包括助力转向单元、温控单元和辅助动力源等。蓄电池纯电动汽车的特点是用户端真正实现了“零排放”，不依赖汽油，只要有电力供应的地方都能够充电，但是由于蓄电池的能量密度和功率密度比汽油或柴油低很多，因此纯电动汽车的连续行驶里程有限。

图2-2　纯电动汽车结构

图2-3　纯电动汽车控制系统的构成

②混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新车型。目前，混合动力电动汽车一般是指采用内燃机和电动机两种动力（图2-4），将现有内燃机与一定容量的储能器件，如高性能蓄电池或超级电容器，通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要的动力，蓄电池可由汽车中的内燃机驱动发电机充电的汽车。因此，混合动力电动汽车没有从根本上摆脱交通运输对石油资源的依赖问题，同时，当以内燃机为主提供动力时，无法有效降低车辆对环境的影响。因此从技术角度分析，混合动力电动汽车是电动汽车发展过程中一段时期内的一种过渡技术。

图2-4　典型混合动力电动汽车的结构

现在市场上的混合动力电动汽车一般根据行驶的循环工况进行多个能量源之间的优化控制。混合动力电动汽车一般分为串联式、并联式、混联式3类。串联式混合动力电动汽车是由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，用串联方式组成动力单元。发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到蓄电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。并联式是由并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系统提供转矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。混联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式结构特点，由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。此外，根据电动汽车的运行特征和功率水平，混合动力电动汽车又可以分成轻度混合型、中度混合型和重度混合型。轻度混合型电动汽车中，传统的发电机被输送带驱动的启动发电机所替代，其启动发电机功率一般为3～5kW，雪铁龙C3就是一款轻度混合型电动汽车，该类型电动汽车虽然只能节能5％～8％，但其成本只是提高几个百分点，容易被市场接受。中度混合型电动汽车的启动发电机一般置于发电机与变速器之间，其功率为7～12kW，本田公司混合动力版本的Civic和Accord，通用公司的Sverado和Sierra为该类型电动汽车。中度混合型电动汽车节能20％～30％，但是成本也增加了20％～30％。重度混合型电动汽车可以提供全面的混合性能，包括纯电能启动、怠速停机和再生制动等，相应的电动机功率为30～50kW，甚至更高。丰田公司作为混合动力技术的领导厂商，近年推出的第三代Prius和雷克萨斯CT200h电动机功率都达到了70kW以上。重度混合型电动汽车可以节能30％～60％，但成本也增加了30％～40％。混合动力电动汽车不仅包括以内燃机与蓄电池为能量源的类型，还有以压缩天然气发动机与蓄电池为能量源，甚至同时以多个驱动装置为能量源的混合动力电动汽车。但无论如何配置，这些混合动力电动汽车都有类似的连接类型和特点。混合动力电动汽车的特点是低排放，连续行驶里程长，但因为有多个驱动源导致其结构复杂，并且依赖原油。目前，混合动力电动汽车是电动汽车市场中的主流，它不仅具有广泛的应用范围，而且也逐渐为市场所接受。

③燃料电池电动汽车是以燃料电池作为动力源的电动汽车。燃料电池是利用氢气和氧气（或空气）在催化剂的作用下直接经电化学反应产生电能的装置，燃料电池电动汽车就是利用这种电能实现车辆驱动的。燃料电池电动汽车的基本构成如图2-5所示，燃料电池电动汽车具有无污染，只有水作为排放物的优点。但现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段。此外，燃料电池的理想燃料——氢气，在制备、供应、储运等方面距离产业化还有大量的技术与经济问题有待解决。在车上存储大量压缩氢气的安全性也需要认真对待。纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的特征如表2-1所示。电动汽车的发展路径如图2-6所示。

图2-5　燃料电池电动汽车的基本构成和工作原理

表2-1　纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的特征

图2-6　电动汽车发展路径