新能源汽车概论

2023年11月24日发(作者：斯柯达新款轿车)

第2章 新能源汽车类型

课 题：2.1 纯电动汽车

教学目的：掌握纯电动汽车的结构原理，驱动布置型式和特点

了解关键技术、主要技术指标和主要车型特点

教学重点：纯电动汽车的结构原理，驱动布置型式和特点

教学难点：纯电动汽车的结构原理，驱动布置型式和特点

类 型：新授课

教学方法：讲练结合

课 时：3

引 入：纯电动汽车是指以车载电源为动力，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。一般采用高效率充电蓄电池为动力源。纯电动汽车无需再用内燃机，

因此，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，电能是二

次能源，可以来源于风能、水能、热能、太阳能等多种方式。纯电动汽车可分为2种类型，

即用纯蓄电池作为动力源的纯电动汽车和装有辅助动力源的纯电动汽车。

一、纯电动汽车的类型

1.用纯蓄电池作为动力源的纯电动汽车

用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，只装置了蓄电池组，它的电力和动力传输系统

如图所示P27。

2.装有辅助动力源的纯电动汽车

用单一蓄电池作为动力源的纯电动汽车，蓄电池的比能量和比功率较低，蓄电池组的质

量和体积较大。因此，在某些纯电动汽车上增加辅助动力源，如超级电容器、发电机组、太

阳能等，由此改善纯电动汽车的启动性能和增加续驶里程。装有辅助动力源的纯电动汽车的

电力和动力传输系统如图所示。

二、纯电动汽车的结构原理

燃油汽车主要由发动机，底盘、车身和电气四大部分组成，纯电动汽车的结构与燃油汽

车相比，主要增加了电力驱动控制系统，而取消了发动机，由电力驱动主模块、车载电源模

块和辅助模块三大部分组成。当汽车行驶时，由蓄电池输出电能(电流)通过控制器驱动电动

机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车续驶里程与蓄电池容

量有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能地节省蓄电池

的能量。

1.电力驱动主模块

①组成：电力驱动主模块主要包括中央控制单元、驱动控制器、电机、机械传动装置

和车轮等。

②功用：将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动

时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。

2.车载电源模块

电源电源模块主要包括蓄电池电源、能量管理系统和充电控制器等。它的功用是向电动

机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。

3.辅助模块

辅助系统主要包括辅助动力源、动力转向系统、驾驶室显示操纵台和各种辅助装置等。

辅助系统除辅助动力源外，依据不同车型而不同。

三、纯电动汽车驱动系统布置形式

(1) 传统的驱动模式。图（a）与传统汽车驱动系统的布置方式一致，带有变速器和离合器，

只是将发动机换成电动机，属于改造型电动汽车。这种布置可以提高电动汽车的起动转矩，

增加低速时电动汽车的后备功率。

（2）电动机-驱动桥组合式驱动模式。图（b）和（c）取消了离合器和变速器，但具有减速

差速机构，由1台电动机驱动两车轮旋转。

（3）电动机-驱动桥整体式驱动模式。图（d）是将电动机装到驱动轴上，直接由电动机实

现变速和差速转换。

(4) 轮毂电机驱动模式。图（e）和（f）同图（d）布置方式比较接近，将电动机直接装到了

驱动轮上，由电动机直接驱动车轮行驶。

四、纯电动汽车的特点

（1）无污染，噪声低。纯电动汽车不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分

有益的，有“零污染”的美称；电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机噪声小。

（2）能源效率高，多样化。电动汽车的能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运

行。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减

速时能量的再利用。

**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。

除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。

（3）结构简单，使用维修方便。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，电动机无需保养维护，更重要的是电动汽车

易操纵。

（4）动力电源使用成本高，续驶里程短。目前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，

尤其是动力电池的寿命短，使用成本高。电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，电

动车的价格较贵。但随着电动汽车技术的发展，电动汽车存在的缺点会逐步得到解决。

五、电动汽车的关键技术

1．电池及管理技术

(1)关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的高效电池。

(2)电池组性能直接影响整车的加速性能、续驶里程以及制动能量回收的效率等。电池

的成本和循环寿命直接影响车辆的成本和可靠性，所有影响电池性能的参数必须得到优化。

2．电机及控制技术

(1)电动汽车的驱动电机是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱

动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的启动转矩，体积小、质量轻、效率高

且有动态制动强和能量回馈的性能。电动汽车所用的电动机正在向大功率、高转速、高效率

和小型化方向发展。

(2)随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。

3．整车控制技术

(1)新型纯电动汽车整车控制系统是两条总线的网络结构，即驱动系统的高速CAN总线

和车身系统的低速总线。

(2)实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加

问题，网络化实现的通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在汽车上应用的一个基

础，同时也为X-by-Wire技术提供有力的支撑。

4．整车轻量化技术

(1) 通过对整车实际使用工况和使用要求的分析，对电池的电压、容量、驱动电动机功

率、转速和转矩、整车性能等车辆参数的整体优化，合理选择电池和电动机参数。

(2) 通过结构优化和集成化、模块化优化设计，减轻动力总成、车载能源系统的重量。

(3) 积极采用轻质材料，如电池箱的结构框架、箱体封皮、轮毂等采用轻质合金材料。

(4) 利用CAD技术对车身承载结构件进行有限元分析研究，用计算和试验相结合的方式，

实现结构最优化。

六、纯电动汽车的主要技术指标

见P32

七、纯电动汽车车型实例

1.比亚迪e6纯电动汽车

2.北汽E150纯电动汽车

3.江淮同悦iEV

4.上汽荣威E50EV

5.日产Leaf纯电动汽车

6.特斯拉Model S

小 结：学习纯电动汽车的结构原理，传动系统布置形式和特点

作 业：课后习题

课 题：2.2 增程式电动汽车

教学目的：掌握增程式电动汽车的结构原理，驱动布置型式和特点

了解关键技术、主要技术指标和主要车型特点

教学重点：增程式电动汽车的结构原理，驱动布置型式和特点

教学难点：增程式电动汽车的结构原理，驱动布置型式和特点

类 型：新授课

教学方法：讲练结合

课 时：4

引 入：根据美国通用汽车公司Tate等人给出的定义，增程式电动车（Extended Range

Electric Vehicle, E-REV）是指整车在纯电动模式下可以达到其所有的动力性能，而当车

载可充电电池无法满足续驶里程要求时，打开车载辅助发电装置为动力系统提供电能，以延

长续驶里程。

增程式电动车是一种配有地面充电和车载供电功能的纯电驱动的电动汽车、电动自行车、

电动摩托车。其动力系统由动力电池系统、动力驱动系统、整车控制系统和辅助动力系统（APU）

组成。

一、增程式电动汽车结构0.5

1.组成：电驱动系统、发动机/发动机系统、功率分配装置、动力电池

2.电驱动系统由驱动电动机及牵引力驱动控制装置组成

发动机→燃油→化学能→发电机→三相交流电→发电机驱动控制器→直流电→功率分

配系统→动力输出

①需要大功率：功率分配系统→电能→驱动力控制系统逆变器→三相交流电→电动机

→汽车

②增程模式：增程模块提供电力有余则为蓄电池充电，平衡系统充放电，稳定系统电

压

③停车：通过外接电源充电

3.系统之间的数据传输由CAN总线完成

4.发动机、发电机和发电机驱动控制装置共同组成増程器系统

5.増程器只提供电能，来驱动电动机或者位动力电池充电，增加电动汽车的行驶里程

二、増程器的分类1.5

増程器是增程式电动汽车最重要的组件之一，与汽车的性能、油耗、燃油替代、原始成

本和运行成本密切相关。

1.按布置位置分类

（1）挂车式増程器

（2）插拔式増程器

（3）车载式増程器

2.按结构组成分类

（1）大容量蓄电池増程器

（2）燃料电池増程器

（3）发动机/发电机组増程器

三、增程式电动汽车原理0.5

在电池电量充足时，动力电池驱动电机，提供整车驱动功率需求，此时发动机不参与工

作。当电池电量消耗到一定程度时，发动机启动，发动机为电池提供能量对动力电池进行充

电。当电池电量充足时，发动机又停止工作，由电池驱动电机，提供整车驱动。

1.纯电动模式

（1）与发动机和发电机无关

（2）电池是唯一动力源，驱动电动机

2.增程模式

（1）条件：电池的电量达到预设的最低值，増程器系统启动

（2）发动机达到最佳工作状态，能量一部分驱动汽车，一部分位蓄电池充电

四、增程式电动汽车的特点0.5

1、可纯电动模式运行，所需电池容量小，造价低且不会发生缺电抛锚现象。

2、可插电式方模运行，在混合动力基础上进一步提高节油率。

3、电池充电功率小，不必建设大型充电设施。

4、电池充放电可以浅充浅放，有利于电池寿命。

5、具有外接充电方式，能利用夜间得低价低谷电充电。

6、结构简单，电机直驱，易于维修保养，易于实现产业化。

7、节能:发动机一直处于最佳工作状态，效率高，排放小。

8、 减排:综合节油率高，现有技术就可节油50%以上。

五、增程式电动汽车的主要技术指标0.5

1.动力电池

（1）能量密度

（2）循环寿命

（3）目标成本

2.车用电动机

（1）成本

（2）概率密度

（3）最高效率

3.电子控制

4.整车平台

（1）最高车速

（2）纯电续航里程

（3）附加成本

六、增程式电动汽车车型实例0.5

1.瑞麟X1增程式电动汽车

2.增程式电动宽体轻客V80 Hybrid

3.马自达Extender EV 增程式电动汽车

4.雪佛兰 VOLT 增程式电动汽车

小 结：学习增程式电动汽车的结构原理，传动系统布置形式和特点

作 业：课后习题

课 题：2.3 混合动力电动汽车

教学目的：掌握混合动力电动汽车的结构原理，驱动布置型式和特点

了解关键技术、主要技术指标和主要车型特点

教学重点：混合动力电动汽车的结构原理

教学难点：混合动力电动汽车的结构原理

类 型：新授课

教学方法：讲练结合

课 时：

引 入：所谓混合动力电动汽车，是指拥有两种不同动力源的汽车。这两种动力源在

汽车不同的行驶状态(如起步、低中速、匀速，加速，高速，减速或者刹车等)下分别工作，

或者一起工作，通过这种组合达到最少的燃油消耗和尾气排放，从而实现省油和环保的目的。

例：丰田普锐斯

一、混合动力电动汽车的定义与分类

1.混合动力电动汽车的定义1

（1）从狭义上讲，混合动力电动汽车是指同时装备两种动力源——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。既有蓄电池可提供电力驱

动，又装有一个相对小型内燃机的汽车。

（2）从广义上来讲，混合动力电动汽车指的是装备有两种具有不同特点驱动装置的车

辆。

（3）国际电子技术委员会对混合动力车辆的定义为：在特定的工作条件下，可以从两

种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。

2．混合动力电动汽车的分类

混合动力电动汽车分类方法较多，主要介绍6种分类方法。

（1）按照动力系统结构形式划分。根据混合动力电动汽车零部件的种类、数量和连接

关系，可以将其分为串联式混合动力电动汽车(SHEV)、并联式混合动力电动汽车(PHEV)和混

联式混合动力电动汽车(PSHEV)。

①串联式混合动力电动汽车是指车辆行驶系统的驱动力只来源于电动机的混合动力电

动汽车。

②并联式混合动力电动汽车是指车辆行驶系统的驱动力由电动机及发动机同时或单独

供给的混合动力电动汽车。

③混联式混合动力电动汽车是指具备串联式和并联式两种混合动力系统结构的混合动

力电动汽车。

（2）按照混合度划分。按照电动机相对于燃油发动机的功率比大小，可以将其分为微

混合型混合动力电动汽车、轻度混合（弱混合）型混合动力电动汽车、中度混合型混合动

力电动汽车和重度混合（强混合）型混合动力电动汽车。

①微混合型混合动力电动汽车是以发动机为主要动力源，不具备纯电动行驶模式的混

合动力电动汽车。

②轻度混合（弱混合）型混合动力电动汽车是以发动机为主要动力源，电动机作为辅

助动力，在车辆加速和爬坡时，电动机可向车辆行驶系统提供辅助驱动力矩，但不能单独驱

动车辆行驶的混合动力电动汽车。

③中度混合型混合动力电动汽车是以发动机和/或电动机为动力源的混合动力电动汽

车。

④重度混合（强混合）型混合动力电动汽车是以发动机和/或电动机为动力源，且电动

机可以独立驱动车辆行驶的混合动力电动汽车。

（3）按照外接充电能力划分。按照是否能够外接充电，可分为可外接充电型混合动力

电动汽车和不可外接充电型混合动力电动汽车。

①可外接充电型混合动力电动汽车是一种被设计成可以在正常使用情况下从非车载装

置中获取能量的混合动力电动汽车。

②不可外接充电型混合动力电动汽车是一种被设计成在正常使用情况下从车载燃料中

获取全部能量的混合动力电动汽车。

（4）按照行驶模式的选择方式划分。按照行驶模式的选择方式可分为有手动选择功能

的混合动力电动汽车和无手动选择功能的混合动力电动汽车。

①有手动选择功能的混合动力电动汽车是指具备行驶模式手动选择功能的混合动力电

动汽车，车辆可选择的行驶模式包括热机模式、纯电动模式和混合动力模式三种。

②无手动选择功能的混合动力电动汽车是指不具备行驶模式手动选择功能的混合动力

电动汽车，车辆的行驶模式根据不同工况自动切换。

（5）按照车辆用途划分。按照车辆用途可以分为混合动力电动乘用车、混合动力电动

客车和混合动力电动货车。

（6）按照与发动机混合的可再充电能量储存系统划分。按照与发动机混合的可再充电

能量储存系统不同，可以划分为动力蓄电池式混合动力电动汽车、超级电容器式混合动力

电动汽车、机电飞轮式混合动力电动汽车和动力蓄电池与超级电容器组合式混合动力电动

汽车。

二、混合动力电动汽车的结构原理1

1. 串联式混合动力电动汽车

串联式混合动力电动汽车系统结构主要由发动机、发电机、驱动电动机和蓄电池组等部

件组成。发动机仅仅用于发电，发电机发出的电能通过电动机控制器直接输送到电动机，由

电动机产生的电磁力矩驱动汽车行驶。

2.并联式混合动力电动汽车

并联式混合动力电动汽车系统结构主要是由发动机、电动机/发电机和蓄电池等部件组

成，有多种组合型式，可以根据使用要求选用。并联式混合动力系统采用发动机和电动机两

套独立的驱动系统驱动车轮。

3. 混联式混合动力电动汽车

混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，主要由发动机、发电机、电动机、行星齿轮

机构和蓄电池组等部件组成。

三、混合动力电动汽车的特点

混合动力电动汽车是将原动机、电动机、能量存储装置(蓄电池)等组合在一起，它们之

间的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是

当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。

1.较之纯电动汽车，混合动力电动汽车具有如下的优点：（p53表2-5）

(1) 由于有原动机作为辅助动力，蓄电池的数量和质量可减少，因此汽车自身重量可以

减小；

(2) 汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平；

(3) 借助原动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，无需消耗

蓄电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性

2.较之内燃机汽车，混合动力电动汽车具有如下的优点：（p53表2-6）

(1) 可使原动机在最佳的工况区域稳定运行，避免或减少了发动机变工况下的不良运行，

使得发动机的排污和油耗大为降低；

(2) 在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零排放；

(3) 可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，并可通过电动机回收汽车

减速和制动时的能量，进一步降低了汽车的能量消耗和排污。

四、混合动力电动汽车的关键技术1

1.驱动电动机及其控制技术

电动机系统时混合动力电动汽车的心脏，该系统包括混合动力机驱动装置、机械传动装

置和车轮。而电动机驱动装置是电力驱动系统的核心，针对混合动力电动汽车设计的混合动

力机驱动系统需要灵活有效地驱动车轮（或者提供辅助动力系统驱动车轮）。对于现代混合

动力电动汽车而言，混合动力电动汽车驱动系统需要满足一些基本的要求：

1)高功率密度和高瞬时输出功率；

2)在混合动力电动汽车低速或者爬坡时，能提供低速大转矩输出，高速时能为巡航提供

高速低转矩特性；

3)具有宽调速范围，包括恒转矩区和恒功率区；

4)转矩响应快速；

5)在较宽的转速和转矩工作区内，保持较高能量效率；

6)再生制动时，可实现高的能量回收效率；

7)在各种工况下，具有高的可靠性和鲁棒性；

8)价格合理。

目前用于混合动力电动汽车的电动力机种类有直流电动力机、感应电动力机、永磁无刷

直流电动力机或永磁同步电动力机、开关磁阻电动力机等。

2.动力电池及其管理系统

现代混合动力电动汽车的能量源是混合动力电动汽车商业化和能否全面推广的一个主

要问题。现在和将来一段时间，如何发展混合动力电动汽车的能量源是混合动力电动汽车领

域的一个主要研发内容。现代混合动力电动汽车的发展和推广所考虑的能量源应满足以下几

个方面的要求：

1)高比能量和能量密度；

2)高比功率和功率密度；

3)快速充电和深度放电的能力；

4)可循环使用，寿命能够满足高脉冲大电流充放电；

5)高充电和放电效率；

6)安全性能高且成本合理；

7)免维护；

8)环保且可以回收；

9)能与汽车工程有机结合。

目前的电动汽车能源还无法完全符合上述要求，但是采用多种能源的组合可以符合较多

的要求，如选用一种能源满足能量高，另一种能量满足功率高，这样两种能源组合就可以取

得较佳的效果。现在正在应用或还在开发的，具有一定前景的能量源有蓄电池、超级电容、

燃料电池和超高速飞轮组合等。目前用于混合动力电动汽车的蓄电池种类有铅酸电池、镍氢

电池、锂离子电池等。需要注意的是，混合动力电动汽车的电池和其他一般用途的电池在工

况和运行环境方面有显著的不同，因此必须由电化学专家、汽车专家和电气专家共同开发电

动汽车的电池才能满足要求。

3.整车能量管理控制系统

当前，混合动力电动汽车的车载能量源还比不上燃油汽车，因此为了最大限度地利用电

动汽车锁带有的能量源，以便增加行驶里程，需要设计相应的能量变换系统，并优化设计混

合动力电动汽车的能量管理系统。通过安装在混合动力车内的各种传感器，能量管理系统可

以得到所需要的全部信息，从而可以实现以下功能：

1)优化系统能量流；

2)可实时显示所剩的能量和可继续行驶的里程数；

3)提供最佳的驾驶模式；

4)可以制动过程中，获取能量并存储；

5)根据外界的气温，可实时调节车内的温度；

6)根据外界的光照条件，可自动调节车内外的灯光系统；

7)分析能源，尤其是蓄电池的工作记录；

8)诊断能源错误的工作方式，并监控能源的运行状况。

另外，通过把能量管理系统和混合动力电动汽车导航系统结合起来，就可以规划能源的

最佳利用，锁定充电站的位置。总之，能量管理系统可以最大限度地利用混合动力电动汽车

的能源、优化配置，使混合动力电动汽车高效运行。

4.动力传动系统匹配

5.能量再生制动回收系统

6.先进车辆控制技术在混合动力电动汽车上的应用

五、混合动力电动汽车的主要技术指标1

1.动力电池

（1）镍氢电池

（2）功率型锂离子电池

（3）超级电池

2.车用电动机

（1）能量密度

（2）功率密度

（3）使用寿命

（4）系统目标成本

3.电子控制

P56表2-8

4.整车平台

（1）节油率

（2）附加成本

六、混合动力电动汽车车型实例1

1. 普锐斯混合动力电动汽车

2. 凯美瑞混合动力电动汽车

3. 雷克萨斯混合动力电动汽车

4. 凯迪拉克凯雷德混合动力电动汽车

5.福特林肯混合动力车电动汽车

6. 比亚迪DM双模混合动力电动汽车

7.吉利帝豪混合动力电动汽车

小 结：学习混合动力电动汽车的结构原理，传动系统布置形式和特点

作 业：课后习题

课 题：2.4 燃料电池电动汽车

教学目的：理解燃料电池电动汽车的类型

掌握 燃料电池电动汽车的结构原理

理解 燃料电池电动汽车的特点

了解燃料电池电动汽车车型实例

教学重点：燃料电池电动汽车的结构原理

教学难点：燃料电池电动汽车的结构原理

类 型：新授课

教学方法：讲练结合

课 时：

引 入：20世纪60年代和70年代，美国首先将燃料电池用于航天，作为航天飞机

的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的

动力源。燃料电池电动汽车是利用氢气等燃料和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中

经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。

一、燃料电池电动汽车的类型1

1．纯燃料电池驱动的FCEV

纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。

2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动(FC+B)的FCEV

3．燃料电池与超级电容联合驱动(FC+C)的FCEV

这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。

4．燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动(FC+B+C)的FCEV

二、燃料电池电动汽车的结构原理2

燃料电池电动汽车的动力系统主要由燃料电池发动机、辅助动力源、DC/DC变换器、

DC/AC逆变器、电动机和动力电控系统等组成。

1. 燃料电池发动机

在FCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFC组的正常工作，除以PEMFC组为

核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物的处理系统、冷

却系统和电能转换系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动

机正常运转。

（1）以氢为燃料的燃料电池发动机系统

①氢气供应、管理和回收系统

②氧气供应和管理系统

③水循环系统

④电力管理系统

（2）以氢气为燃料的FCEV的总布置基本结构模型

①甲醇贮存装置

②燃烧器、加热器和蒸发器

③重整器

④氢气净化器

2. 辅助动力源

在FCEV上燃料电池发动机是主要电源，另外还配备有辅助动力源。根据FCEV的设计

方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同，可以用蓄电池组、飞轮储能器或超大容量电

容器等共同组成双电源系统。

（1）起步时，提供电力

（2）行驶时，储存电能

（3）加速或爬坡时，双电源供电模式

（4）制动时，储存反馈电能

3. DC/DC变换器

FCEV的燃料电池需要装置单向DC/DC变换器，蓄电池和超级电容器需要装置双向DC/DC

变换器。

（1）调节燃料电池的输出电压

（2）调节整车能量分配

（3）稳定整车直流母线电压

4. 驱动电动机

燃料电池电动汽车用的驱动电动机主要有直流电动机、交流电动机、永磁电动机和开关

磁阻电动机等。燃料电池汽车驱动电机的选型必须结合整车开发目标，综合考虑电动机的特

点。驱动电动机的详细内容见第4章。

5. 动力电控系统

燃料电池汽车的动力电控系统主要由燃料电池发动机管理系统( FCE-ECU) 、蓄电池管理

系统(BMS)、动力控制系统(PCU) 及整车控制系统(VMS)组成，而原型车的变速器系统会简化

很多。

（1）发动机管理系统

（2）蓄电池管理系统

（3）动力控制系统

（4）整车控制系统

三、燃料电池电动汽车的特点0.5

(1) 效率高。燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程，不受卡诺循环的限制，

能量转换效率较高，可以达到30%以上。

(2) 续驶里程长。采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，

其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。

(3) 绿色环保。燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。

采用其它富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生产物除水之外还可能有

少量的CO2，接近零排放。

(4) 过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过

载能力可达额定功率的200％或更大。

(5) 低噪音。燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其它

运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪音和振动都较小。

(6) 设计方便灵活。燃料电池汽车可以按照X－By－Wire的思路进行汽车设计，改变传

统的汽车设计概念，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。

燃料电池电动汽车的主要缺点有：

(1) 燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高。

(2) 辅助设备复杂，且质量和体积较大。

(3) 起动时间长，系统抗振能力有待进一步提高。

四、燃料电池电动汽车的关键技术1

1.燃料电池系统

燃料电池是燃料电池汽车发展的最关键技术之一。车用燃料电池系统的核心是燃料电池

堆。燃料电池堆技术发展趋势可用耐久性、低温启动温度、净输出比功率以及制造成本4

个要素来评判。燃料电池堆研究正在向高性能、高效率和更高耐久性方向努力。

降低成本也是燃料电池堆研究的目标，控制成本的有效手段是减少材料（电催化剂、电

解质膜、双极板等）的费用，降低（膜电极制作、双极板加工和系统装配等的）加工费。但

是如何在材料价格与系统性能之间做一个平衡，依然需要继续研究。以电催化剂为例，非铂

催化剂体系虽然在降低成本上有潜力，但是其性能却远远无法达到车用燃料电池系统的要求。

人们一直在努力降低铂的使用量，但即便是膜电极中有高负载量（如Pt担载量为1mg/cm2），

其性能也不能满足车用的功率需求。如何更有效地利用电催化剂的活性组分使活性组分长期

保持活性状态，延长催化剂使用寿命，是催化剂研究应该考虑的重点。

2.车载储氢系统

传统储氢方法有两种，一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢

气的容积小，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，但液体储存箱非常庞大，需

要极好的绝热装置来隔热。近年来，一种新型简便的储氢方法应运而生，即利用储氢合金（金

属氢化物）来储存氢气。

储氢技术是氢能利用走向规模化利用的关键。目前常用的车载储氢系统有高压储氢、低

温储存液氢和金属氢化物储氢3种基本方法。对于车载储氢系统，美国能源部提出在续驶里

程与标准汽油车相当的燃料电池汽车车载储氢目标是：质量储氢密度6Wt%、体积储氢密度

60kg/m2.纵观现有储氢方法，除了低温储存液氢技术，其他技术都不能达到以上指标。而低

温储存氢气的成本与能耗都很大，作为车载储氢并不是最佳选择。

如何有效减小储氢系统的重量与体积，是车载储氢技术研发的重点，一个比较理想的方

案是采用储氢材料与高压储氢复合的车载储氢新模式，即在高压储氢容器中装填重量较轻的

储氢材料，这种装置与纯高压储氢方式（﹥40MPa）相比，既可以降低储氢压力（约10MPa）

又可以提高储氢能力。复合式储氢模式的技术难点是如何开发吸、放氢性能好，成型加工性

良好、质量轻的储氢材料。

3.整车热管理

（1）燃料电池发动机的运行温度为60-70°C，实际的散热系统工作温度大致可以控制

在60°C。这样一来与整车运行环境温度相比，温差不大，造成燃料电池汽车无法像传统汽

车一样依赖环境温差散热。转而必须依赖整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散热。这

样从动力系统效率角度出发是不经济的，二者之间的平衡将是热管理开发方面必须关注的。

（2）目前整车各零部件的体积留给整车布置回旋的余地很小，造成散热系统设计的改

良空间不大，无法采用通用的解决方案应对，必须开发专用的零部件（如特殊构造或布置的

冷凝器、高功率的冷却风扇等）。这样就要求有丰富的整车散热系统的基础数据以支持相关

开发设计，而这点正好是目前国内整车企业欠缺的。

（3）与整车散热系统密切相关的车用空调系统开发也是整车企业必须关注的。由于燃

料电池汽车没有传统的汽油发动机，传统空调的压缩机动力源发生了颠覆性变化，改用纯电

动压缩机作为空调系统的动力源。这样在整车散热系统需求分析时，空调系统性能需求作为

整车散热系统的“负载”因素也成为散热系统开发的技术难点。

4.整车与动力系统的参数选择与优化设计

燃料电池汽车整车性能参数是整个燃料电池动力系统开发的信息来源，而虚拟配置的动

力系统的特性参数也影响整车性能。两者之间的参数选择是一个多变量多目标的优化设计过

程，而且参数选择与行驶工况和控制策略紧密相关，只有在建立准确的仿真模型的基础上，

经过反复寻优计算才能达到较好的设计结果。目前参数设计主要借助于通用的或专用的仿真

软件进行离线仿真，如ADVISOR、EASY5、PSCAD、V2ELPH、FAHRSIM等，其优点是方便快

捷，适合于在设计初期对系统性能进行宏观的预估和评价，但难以对动力系统进行深入仔细

的分析和设计。随着系统开发的不断深入，某些已经存在的部件或环节将会集成仿真回路进

行测试与研究，这些部件包括难建模部件、整车控制器及驾驶员等。为了实现虚拟模型与真

实部件的联系，必须建立实时的仿真开发环境。目前实时仿真在燃料电池汽车领域主要用于

整车控制器的在环仿真。例如，采用dSPACE建立整车控制的硬件在环仿真环境。而集成真

实部件的动力系统实时仿真测试环境，将是整车与动力系统的参数选择与优化设计的技术升

级方向。

5.多能源动力系统的能量管理策略

能量管理策略对燃料经济性影响很大，且受到动力系统参数和行驶工况的双重影响。目

前的开发方式一般是借助仿真技术建立一个虚拟开发环境，对动力系统模型进行合理简化，

从理论分析的角度得到最优功率分配策略与能量源参数和工况特征之间的解析关系。并从该

关系出发定量地分析功率缓冲器特性参数对最优功率分配策略的影响，为功率缓冲器的参数

选择提供理论依据。最终目的是定量分析工况特征参数与最有功率分配策略之间的映射关系，

完成功率分配策略的工况适应性研究。

完成能量管理策略的工况适应性开发后，其核心问题转变为功率分配优化，当然还必须

考虑一些限制条件，如蓄电池容量的限制和各部件额定值的限制等。可用作功率分配的决策

输入量很多，如SOC值、总线电压、车速、驾驶员功率需求等。按照是否考虑这些变量的

历史状态，可以把功率分配策略分为瞬时与非瞬时策略两大类。

作为能量管理策略中的一部分，制动能量回馈是提高燃料经济型的重要措施，也是一个

难点问题。必须综合考虑制动稳定性、制动效能、驾驶员感觉、蓄电池充电接受能力等限制

条件。制动系统关乎生命安全，而且制动过程通常很短暂，在研究初期一般你不直接进行道

路试验，而是在建立系统动态模型的基础上在进行细致的仿真研究。

五、燃料电池电动汽车的主要技术指标0.5

1.燃料电池

（1）电堆比功率

（2）系统比功率

（3）低温储存与启动

（4）寿命

2.车用电动机

（1）功率密度

（2）最高功率

3.电子控制

4.整车平台

（1）最高车速

（2）续航里程

（3）经济性

六、燃料电池电动汽车车型实例1

1.荣威950燃料电池电动汽车

2.丰田燃料电池电动汽车

3.奔驰B级F-Cell燃料电池电动汽车

4.现代途胜ix燃料电池电动汽车

小 结：学习燃料电池电动汽车的结构原理，传动系统布置形式和特点

作 业：课后习题

课 题：2.5 其他新能源汽车

教学目的：理解其他新能源汽车的类型

掌握其他新能源汽车的结构原理

理解其他新能源汽车的特点

了解其他新能源汽车车型实例

教学重点：其他新能源汽车的结构原理

教学难点：其他新能源汽车的结构原理

类 型：新授课

教学方法：讲练结合

课 时：

一、气体燃料汽车1

1.天然气汽车

天然气汽车是指以天然气作为燃料的汽车。按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气

汽车可以分为压缩天然气汽车（CNGV）和液化天然气汽车（LNGV）。

（1）压缩天然气

（2）液化天然气

（3）与同功率的传统燃油汽车相比

（4）与普通燃油汽车相比

（5）实例：

①东风雪铁龙爱丽舍CNG双燃料汽车

②陕汽德龙F3000重卡6×4LNG牵引车

2.液化石油气汽车1

（1）以液化石油气为燃料的汽车称为液化石油气汽车。液化石油气汽车和天然气汽车

结构类似，增加一套燃气供给系统。

（2）液化石油气与其他燃料比较的优点

（3）液化石油气汽车与燃油汽车相比，具有污染少、经济性和安全性好等优点，受到

各国的重视。为适应汽车能源变革的大趋势，世界上各汽车制造商都纷纷投资开发液化石油

气汽车，并制订各种优惠政策，推广使用液化石油气汽车。

(4)实例：

①Holden（霍顿）汽油/液化石油气双燃料汽车

②宝马GP3 GAS POWERED 改装车

二、生物燃料汽车1

生物燃料是指通过生物资源生产的醇类燃料和生物柴油等，可以替代由石油制取的汽油

和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。生物燃料汽车就是以生物燃料为能源的汽车。

1.甲醇燃料汽车

（1）定义：甲醇燃料汽车是指利用甲醇燃料做能源驱动的汽车。甲醇作为燃料在汽车

上的应用主要有掺烧和纯甲醇替代两种。

（2）发展：甲醇汽车的地位日益提升。甲醇的资源丰富，可以再生，属于生物质的能

源。合成甲醇可以固体（如煤、焦炭）液体（如原油、重油、轻油）木材干馏或气体（如天

然气及其他可燃性气体提取。在汽车上使用甲醇，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，可以降低尾气的害物的排放。

我国开展甲醇汽车研发和应用始于20世纪80年代，不少省、市及企业积极参与，取得

了大量的技术成果和宝贵经验，形成了一定的规模。“十一五”以来，甲醇作为车用替代燃

料逐步发展，《车用甲醇汽油（M85）》和《车用燃料甲醇》两项国家标准颁布实施，甲醇汽

车开发、试验等活动取得积极成果，特别是在柴油机上实现了技术突破，为甲醇燃料代替柴

油提供了可能。但多年来由于社会上对甲醇汽车的甲醛排放、安全性等问题存有争议，总体

上进展不大。

2009年全国政协委员、吉利控股集团董事长李书福今年的“两会”上，提交了一份《关

于尽快出台甲醇车国家标准的提案》，围绕甲醇燃料汽车的发展机遇，在国外甲醇汽车发展

的局限性及国内在甲醇燃料制造方面的优势等方面阐述了观点。2009年7月2日国家标准

化管理委员会发布公告称，《车用甲醇汽油（M85）》标准正式批准颁布，并将于2009年12

月1日起实施。据了解，该标准是甲醇汽油的首个产品标准。

奇瑞汽车公司已推出全新的甲醇汽车（整车）, 其基础是先前曾对甲醇发动机进行大量

的研发工作: 发动机本体开发: 压缩比变更、火花塞匹配、零部 件开发等。燃油系统开发:

解决油泵、油箱、油管、油滤的耐醇 问题。冷起动: 设计冷起动喷嘴, 增设起动用注油系

统。用单点喷射, 发动机ECU内集成冷起动系统控制程序, 冷起动操作自动启停等。 电控

开发: 使整体经济性能和排放性能等各项指标达到开发预期目标。车用润滑油也是影响甲醇

燃料发动机磨损程度的关键因素，所以应使用专用润滑油，奇瑞汽车公司已研发出这种甲醇

发动机的专用机油。

2001年，山西省成立了燃料甲醇与甲醇汽车领导组，在2009年更名为山西省新能源汽

车领导组。

2004年，山西开始M15甲醇汽油的试推广，到2013年时，全省大多数汽油均为M15。

而甲醇汽车改装和M85-M100甲醇汽油，则是在2007年开始推广的，并指定了省内几家有资

质的企业进行甲醇转换器和甲醇汽油的生产，开国内之先河。2012年2月，山西省及陕西、

上海三地已被列入高比例甲醇汽车试点省市。2013年1月20日，工信部日前正式通过了对

山西省晋中市甲醇汽车试点实施方案的备案审查，山西省甲醇汽车试点方案正式启动。2013

年3月13日，山西省甲醇汽车试点在晋中市正式启动，原机械工业部部长何光远、副省长

任润厚、原省级领导彭致圭以及国家工信部有关负责同志出席启动仪式。

2.乙醇燃料汽车

（1）定义：乙醇汽车是使用车用乙醇汽油作为主要的动力燃料的机动车。

一直以来，生物乙醇燃料备受争议，因为有人批评大规模使用乙醇作为燃料，会导致食

品价格上涨，此外，传统的制造乙醇过程中会消耗很多能源，因此，从所谓的“油井到车轮”

全过程来看，乙醇燃料并不环保。但是，通用汽车打算结束这种争论，在2008年北美车展

上，通用汽车大打“E85牌”，推出了多款E85乙醇燃料车，同时，作为推动车用能源多样

化的战略手段，正式宣布与美国Coskata能源公司携手，在乙醇燃料技术领域内开展合作。

（2）应用方式：

①掺烧

②纯烧

③变性燃料乙醇

④灵活燃料

（3）发展：

①世界上40多个国家不同程度的使用

②巴西是全球最早发展乙醇汽车的国家

③通用汽车的研究

④中国的发展

3. 二甲醚燃料汽车

二甲醚作为环保、清洁、安全的新型替代能源，已经得到国际社会的公认。二甲醚是汽

车发动机，特别是柴油发动机燃料的理想替代品。

（1）定义：指以二甲醚为能源的汽车。

（2）优点：

①十六烷值高

②动力性能好

③自燃温度低、滞燃期短、氮氧化物排放少

④污染少、环境性能好，在大气中，二甲醚在短时间内分解为水及二氧化碳，不会污

染环境

⑤资源较为丰富，对人体无毒。在汽车及民用燃料代替领域，二甲醚具有广阔的市场

前景。

（3）在我国，二甲醚燃料的环保性和作为能源多元化的途径之一，已经引起有关部门

的重视。国家科技部、教育部、国家自然科学基金委、中科院和有关部委先后启动了一批煤

基二甲醚制备和二甲醚发动机、汽车研发项目。

三、氢燃料汽车1

氢燃料汽车是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料燃烧，产生动力，

是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染，零排放，储量丰富

等优势，因此，氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。

（1）1984年，宝马公司胜场第一辆氢/汽油双燃料汽车BMW745i

（2）福特汽车公司问哦世界首个正式生产氢燃料发动机的厂商，6.8L V10发动机

（3）日本马自达公司2003奶奶展出RX-8 Hydrogen

（4）氢能由于具有清洁、高效、可再生等特点被誉为21世纪理想能源，但许多关键技

术尚未成熟，而且生产成本高昂，短期内很难实现产业化。

四、太阳能汽车1

太阳能汽车是利用太阳能电池将太阳能转换为电能，并利用该电能作为能源驱动行驶的

汽车，它是电动汽车的一种。太阳能汽车主要由太阳能电池组、自动阳光跟踪系统、驱动系

统、控制器、机械系统等组成。

（1）太阳电池组

（2）自动日光跟踪系统

（3）驱动系统

（4）机械系统

（5）太阳能汽车特点

①节约能源

②能源利用率高

③减少环境污染

④灵活、操控性好

小 结：学习天然气汽车、液化石油气汽车、甲烷燃料汽车、乙醇燃料汽车、二甲醚

燃料汽车、氢燃料汽车、太阳能汽车的基本知识。

作 业：课后习题