新能源汽车结构与原理

一、新能源汽车概述

工信部《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》中，新能源汽车定义为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。

按照动力提供形式可分为：

（1）电动汽车

（2）混合动力汽车

（3）燃料电池电动汽车

（4）氢发动机汽车

（5）其他新能源汽车等

二、新能源汽车的分类

（一）纯电动汽车

1、定义：纯电动汽车(BatteryElectricVehicle,简称BEV)，指完全由可充电电池（如铅酸电池、镍氢电池或锂离子电池）提供电能，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，纯电动汽车传动动力驱动简图如下图所示。

2、基本构造与原理

目前市场上的纯电动汽车有些是在燃料（汽油或柴油）汽车基础上改进而来，有些则是全新研发的，不同品牌车型在基本构造基础上会有所不同，但基本功能模块不变，其基本构造主要由三部分构成：底盘与车身、车载电源模块、电力驱动主模块，如下图所示。

（1）底盘与车身

纯电动汽车的底盘要略简单于传统燃料汽车，但仍是整个汽车的基体，提供驾乘空间，为各部件提供支承，同时也将电动机的动力进行传递和分配，并按驾驶员的意图(加速、减速、转向、制动等)行驶。

（2）高压电力驱动系统

高压电力驱动系统按功能可分为车载电源模块、电力驱动主模块和辅助模块三部分。

1）车载电源模块主要由电源、能源管理系统和充电控制器三部分组成。

电源：为电动汽车提供动力来源。

能源管理系统：其主要功能是在汽车行驶中进行能源分配，协调各功能部分工作的能量管理，使有限的能量源最大限度地得到利用。

充电控制器：充电控制器是把电网供电制式转换为对高压电池充电要求的制式，即把交流电转换为相应电压的直流电，并按要求控制其充电电流。充电指示、接口、充电桩如下图所示。

2）电力驱动主模块由中央控制单元、驱动控制器及电动机三部分组成。

中央控制单元不仅是电力驱动主模块的控制中心，也要对整辆纯电动汽车的控制起协调作用。

驱动控制器（实物如下图所示）功能是按中央控制单元的指令、电动机的速度和电流反馈信号，对电动机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。

电动机（如下图所示）在纯电动汽车中被要求承担着电动和发电的双重功能，即在正常行驶时发挥其主要的电动机功能，将电能转化为机械旋转能；而在降速和下坡滑行时又被要求进行发电，将车轮的惯性动能转换为电能。

3）电气与其他辅助系统

现在市场上的纯电动汽车电气系统基本可以实现与传统汽车相同的各项功能（如照明、空调、便捷系统、仪表显示与信息娱乐系统、防盗系统等等）。

空调系统：纯电动汽车没有传统的发动机作为空调压缩机动力源，也不能提供作为汽车空调冬天制热用的热源，一般均采用电动空调压缩机（如下图所示）和电加热系统（如下图所示）的解决方案。

仪表显示与信息娱乐系统：纯电动汽车的组合仪表（如下图所示）除了常规显示以外一般还提供诸如电动行驶里程、电驱动瞬间耗电量、电驱动平均耗电量、充电过程信息、驾驶模式选择、可用功率（目前可用的功率）等等相关信息。

（二）混合动力汽车（HybridElectricVehicle,HEV）

广义上说，混合动力汽车（Hybrid Vehicle）是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供。

通常所说的混合动力汽车，一般是指油电混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle, HEV），即采用传统的内燃机（柴油机或汽油机）和电动机作为动力源，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。

根据混合动力驱动的联结方式，一般把混合动力汽车分为三类：

串联式混合动力汽车（SHEV）主要由发动机、发电机、驱动电机等三大动力总成用串联方式组成了HEV的动力系统。

并联式混合动力汽车（PHEV）的发动机和驱动电机都是动力总成，两大动力总成的功率可以互相叠加输出，也可以单独输出。

混动式混合动力汽车（PSHEV）综合了串联式和并联式的结构而组成的电动汽车，主要由发动机、电动-发电机和驱动电机三大动力总成组成。

串联式混合动力系统（基本原理示意图如下图所示）即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。串联结构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。

并联式混合动力系统（基本原理示意图如下图所示）是在普通汽车的基础上加装一套电能驱动系统(电动机和高压电池)，发动机和电动机都能单独驱动车轮，也可以同时工作，共同驱动车辆行驶。当高压电池电量不足时，发动机还能带动电动机（此时为发电机）为高压电池充电。

（1）纯电动模式

发动机关闭，电池为电动机供电，驱动车辆行驶，该模式多用于中低速行驶（基本原理示意图如下图所示）。

（2）纯燃油模式

发动机启动，驱动车辆行驶，同时能够带动电动机反转为动力电池充电（基本原理示意图如下图所示）。

（3）混合模式

发动机与电动机同时驱动模式这种工况下发动机与电动机同时启动，驱动车辆行驶，该模式多用于爬坡、急加速以及其他高负荷工作的情况下，（基本原理示意图如下图所示）。

混联式混合动力系统（基本原理示意图如下图所示）即在并联的基础上加入一个发电机，即普通汽车+电动机+发电机=混联。但它不具备普通燃油汽车上配置的变速箱，通常是一种所谓“ECVT”行星齿轮结构的耦合单元替代了变速箱，起到连接、切换两种动力以及减速增扭的作用。也有一些厂家在混联结构中使用普通的变速箱，如双离合变速器、无级变速器(CVT)等，但是效果远不及这种ECVT变速结构。与并联式工作模式相比，有些混联式增加了充电模式，即在电动机驱动车辆的时候发动机起动，带动发电机为蓄电池充电。

轻度混合动力（MicroHybrid），有时也称微混，指车辆拥有两种或以上的能源但只用其中的一种能源（传统内燃机）进行驱动，电动系统一般只在起动、动能回收等工况下工作，由此可以在一定程度上提高车辆的能源使用效率。

中度混合动力（MildHybrid）从结构上来说也可称之为并联式油电混合系统，但混动效果有限，一般只在启停控制、有限的辅助发动机、制动能量回收等工况下工作。

全混式混合动力汽车指车辆可以单独依靠内燃机或电动机、或二者混合提供动力的方式来驱动车辆的前进，结构上也可称为混联式系统（Power-SplitHybrid）。

燃料电池汽车本质上也是电动汽车，只不过“电池”是氢氧混合燃料电池。和普通化学电池相比，燃料电池可以补充燃料（即补充氢气），一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料，但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。

燃料电池本质是水电解的“逆”装置，如下图所示，主要由3部分组成，即阳极、阴极、电解质（图中的质子交换膜）。其阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应，两极之间是电解质。现以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例说明其工作原理：PEMFC工作时,经加湿的H2和02分别进入阳极室和阴极室, 经电极扩散层到达催化层和质子交换膜的界面,分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应。阳极反应生成的质子(H+、通过质子交换膜传导到达阴极,阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。产生的水以水蒸气或冷凝水的形式随过剩的阴极反应气体从阴极室排出。