二、新能源汽车的结构及工作原理

新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车及氢发动机汽车等类型。

（一）纯电动汽车

纯电动汽车（BEV）指以车载电源（如铅酸蓄电池、镍氢蓄电池或锂离子蓄电池）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，如图1-14所示。

电机作为纯电动汽车最重要的驱动系统，与传统燃油汽车的内燃机有很大不同，其结构特点是比较灵活。首先，能量由电缆传递，因此纯电动汽车的各部件可灵活布置；其次，电动汽车的布置不同会影响系统结构，选用不同类型的电机会影响电动汽车的质量、尺寸等。最后，不同的补充能源装置具有不同的硬件和结构，其储能装置也不同。图1-15所示为纯电动汽车组成。

如图1-16所示，纯电动汽车可分为三个子系统，即电力驱动与传动子系统、能源子系统和辅助控制子系统。

①电力驱动与传动子系统由电控单元、功率转换器、电机、机械传动装置和驱动车轮组成。

②能源子系统由主电源（动力蓄电池）、能量管理系统和充电系统构成。

③辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。

1. 纯电动汽车工作原理

纯电动汽车整车电器框架原理如图1-17所示，整车控制器（VCU）根据整车各类信号以及CAN总线信息对动力系统和电附件进行综合能量管理，降低电耗。依据CAN总线上动力系统和电附件的故障信息进行故障诊断和安全处理，并在专用仪表系统上显示故障信息和处理措施，提高整车的主动安全性能。

（1）驱动行驶阶段

动力蓄电池为驱动电机提供电能，驱动电机将电能转化为机械能，通过驱动桥驱动车辆行驶，如图1-18所示。

（2）滑行、制动阶段

在车辆滑行和制动时，在惯性作用下，车辆带动驱动电机转动，驱动电机作为发电机产生电能为动力蓄电池充电，完成制动能量回收，如图1-19所示。

根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，整车控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的通断，而功率转换器的功能主要是调节电机与电源之间的功率流，如图1-20所示。

纯电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时，功率流的方向是反向的，如图1-21所示。

能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一起控制充电并监测电源的使用情况，如图1-22所示。

辅助动力供给系统用于供给纯电动汽车辅助系统不同等级的电压，并提供必要的动力。它主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给纯电动汽车输入信号外，转向盘输入信号也很重要，动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车的转向。

2. 纯电动汽车电驱动系统的典型结构形式

纯电动汽车电驱动系统典型结构形式大体分为如下五种。

（1）前置前轮驱动

前置前轮驱动结构形式由发动机前置前轮驱动的燃油汽车发展而来，即由电机替代发动机，仍采用内燃机汽车的传动系统，它由电机、离合器、变速器和差速器组成。其中，离合器是用来切断或接通电机到车轮之间动力的机械装置；变速器是一套具有不同传动比的齿轮机构，驾驶人可选择不同的传动比，把转矩传给车轮；汽车在转弯时，内侧车轮的转弯半径小，外侧车轮的转弯半径大，差速器使内外车轮以不同转速转动。前置前轮驱动结构复杂、效率低，不能充分发挥电机驱动的优势，如图1-23所示。

（2）固定传动比的减速器

如果用固定传动比的减速器，去掉离合器，则可减小机械传动装置的质量，缩小其体积。由电机、固定传动比的减速器和差速器组成的电驱动系统，具有良好的通用性和互换性，便于在现有的汽车底盘上安装，使用、维修也较方便，如图1-24所示。

（3）横向前置

这种结构与燃油汽车发动机横向前置、前轮驱动的布置方式类似，把电机、固定传动比减速器和差速器集成为一个整体，用两根半轴连接驱动轮。这种结构在小型电动汽车上应用比较普遍，如图1-25所示。

（4）双电机结构

双电机结构如图1-26所示，就是采用两个电机通过固定传动比的减速器，分别驱动两个车轮。两个电机的转速可以分别调节控制，便于实现电子差速，进而省去机械差速器。

（5）轮毂电机

装在车轮里的电机称为轮毂电机，如图1-27所示。这种电机为内转子、外定子结构，它能提供较大的传动比来放大输出转矩。高速内转子电机具有体积小、质量小和成本低的优点。它可进一步缩短从电机到驱动轮的传递路径。为将电机转速降低到理想的车轮转速，可采用固定传动比的行星齿轮变速器，它能提供大传动比，而且输入和输出轴可布置在同一轴线上。

另一种使用轮毂电机的纯电动汽车结构是采用低速外转子电机，如图1-28所示。彻底去掉了机械减速器，电机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，车轮转速和纯电动汽车的车速控制完全取决于电机的转速控制。低速外转子电机结构简单，无需齿轮变速传动机构，但其体积大、质量大、成本高。

为了提高电机效率并减小电机体积，宁德时代生产的新型电机（盘式轮毂电机，简称盘毂电机）采用轴向磁场设计，相比传统径向磁场电机，在体积、重量、效率方面拥有天然优势，为新能源汽车轮边结构的布置提供了可能。结合盘毂的设计与调教，电机效率突破“双90”（盘毂电机+控制器效率实测达到95.2%、盘毂电机最高效率点超过96.3%），功率密度达到传统电机的1倍。

盘毂直驱电机相比目前客车应用效果最好的电机，体积减小62%，质量减轻185kg，可直接安装于车桥上，省去传动轴，系统效率更高。盘毂电机与传统客车电机对比如图1-29所示。

盘毂电机可广泛应用于新能源乘用车、客车、货车、物流车及环卫车等，为车辆能耗降低、布置结构创新提供新的解决方案。

3. 纯电动汽车关键技术

发展电动汽车必须解决好四个方面的关键技术：电池技术、电机驱动及控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术。

（1）电池技术

电池是电动汽车的动力源，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池，如图1-30所示。

到目前为止，电动汽车车用电池经过了4代的发展，已取得了突破性的进展。第4代燃料电池是当今理想的车用电池，但目前还处于实验阶段，一些关键技术还有待突破，如图1-31所示。

（2）电机驱动及控制技术

电机驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车具有良好的使用性能，驱动电机就应具有调速范围宽、转速高、起动转矩大、体积小、质量小和效率高等特性，并有与动态制动强度相关的能量回馈系统。目前，电动汽车车用电机主要有直流电机（DCM）、感应电机（IM）、永磁无刷电机（PMBLM）和开关磁阻电机（SRM）四类，如图1-32所示。

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。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统，如图1-33所示。

（3）电动汽车整车技术

电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电机外，车体本身也包含很多高新技术，有些节能措施比提高电池储能能力更易于实现。采用轻质材料（如镁、铝、优质钢材及塑料复合材料）优化结构，可使汽车自身质量减轻30%～50%。塑料部件可以吸收较小的撞击能量，而不会像普通钢板部件那样留下凹痕，车漆损伤也不会导致腐蚀，如图1-34所示。

电动汽车实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减小50%；汽车车身，特别是车身底部更加流线形化，可使汽车所受的空气阻力减小50%，如图1-35所示。

（4）能量管理技术

动力蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性，就必须以比能量高、使用寿命长、比功率大的动力蓄电池作为动力源，如图1-36所示。

而要使电动汽车具有良好的工作性能，就必须对动力蓄电池进行系统管理，因此能量管理系统是电动汽车的智能核心，如图1-37所示。

4. 电动汽车结构组成

电动汽车的结构组成基本类似，本书以北汽纯电动汽车为例展示各部件，各部件在车身上的分布位置如图1-38所示。

（1）动力蓄电池

动力蓄电池是纯电动汽车的“心脏”，安装于车身底部，如图1-39所示。动力蓄电池要具有提供电能、电量计算、温度/电压/湿度检测、漏电检测、异常情况告警、充放电控制、预充电控制、电池一致性检测、系统自检等功能。在车辆行驶过程中，通过SOC检查动力蓄电池的荷电状态。SOC为State Of Charge的缩写，指动力蓄电池的荷电状态，SOC显示的数值是剩余电量与额定电量之比的百分数值。随着动力蓄电池电量的消耗，SOC表上指针指示的数值会逐渐减小。当SOC减小到30%以下时，SOC表上的电量不足指示灯会点亮，提示用户尽快对车辆进行充电。

（2）驱动电机

驱动电机是将电能转换成机械能的一种设备。它利用通电线圈（即定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子，形成转矩。驱动电机的外形结构如图1-40所示，其主要作用如下。

①驱动电机控制器将动力蓄电池提供的直流电转化为交流电，然后输出给电机。

②通过电机的正转来实现整车加速、减速；通过电机的反转来实现倒车。

③通过有效的控制策略，控制动力总成以最佳方式协调工作。

（3）电机控制器

电机控制器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率来控制交流电机的电力控制设备，是电机系统的控制中心，如图1-41所示。电机控制器内含功能诊断电路，当诊断出异常情况时，它会激活一个错误代码，发送给整车控制器。

（4）整车控制器

整车控制器（Vehicle Control Unit，VCU）是电动汽车专用微控制器，由微处理器、存储器、输入/输出接口、模数转换器，以及整形、驱动等大规模集成电路组成，如图1-42所示。整车控制器和车辆其他系统的控制单元，如动力蓄电池管理系统、电机控制器、外围驱动模块等，通过CAN总线连接起来。

整车控制部分主要是判断驾驶者的意愿，根据车辆行驶状态和电池、电机系统的状态及各系统传感器传出的信息，依据内存的程序和数据，进行运算、处理、判断，然后输出指令到电机控制器，控制驱动电机的转向、转速和转矩，同时控制电动空调系统以及其他外围系统的工作。

（5）充电系统

新能源汽车充电系统是新能源汽车主要的能源补给系统，充电系统分为常规充电（图1-43，俗称慢充）系统、快速充电（图1-43，俗称快充）系统和无线充电系统（图1-44）三种类型。

1）车载慢充系统。慢充系统使用220V单相民用交流电，通过整流变换，将交流电变换为高压直流电，给动力蓄电池供电。

慢充系统主要部件：供电设备（电缆保护盒、充电桩、充电线等）、慢充接口、车内高压线束、高压配电盒、车载充电机、动力蓄电池等。车载充电机（On-board Charger），相对于传统工业电源，具有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境等特点。车载充电机工作过程中需要协调充电桩、电池管理系统等。

2）快充系统。快充系统一般使用工业380V三相直流电，通过功率变换后，直接用高压大电流通过母线给动力蓄电池充电。

快充系统主要部件：电源设备（快充桩）、快充接口、车内高压线束、高压配电盒、动力蓄电池等。

3）无线充电。无线充电技术指具有电池的装置不需要借助电导线，而是利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术，在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来充电的一项技术，源于无线电力输送技术。

无线充电原理就是电磁感应原理。通过发射线圈的交流电根据安培定律产生振荡磁场，磁场通过接收线圈在法拉第感应定律下产生交流电，进而达到充电目的。

（6）DC/DC变换器

DC/DC变换器相当于传统汽车的发电机，将动力蓄电池的高压电转换为低压电，给蓄电池及低压系统供电，具有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境等特点。DC/DC变换器如图1-45所示，它将动力蓄电池输出的高压直流电转化为12V低压直流电，供给整车低压用电设备使用。

汽车转向助力电机、制动系统真空助力泵电机以及车身电气（包括灯光、仪表、信号、风扇电机等）都需要12V直流电；高压系统的控制部分也要用到12V直流电电源。因此，汽车必须配备12V蓄电池，必须有为12V蓄电池充电的系统——DC/DC变换器，以便将动力蓄电池提供的320V以上的直流电转换为12V直流电。

DC/DC变换器安装于前机舱位置，其主要功能是在车辆起动后将动力蓄电池输入的高压电转换成12V电向蓄电池充电，以保证行车时低压用电设备正常工作。

（7）PDU总成

电源分配单元（PDU）是将车载充电机模块、DC/DC变换器模块、PTC控制器及高压配电模块“三合一”集成的产品，将原本生产过程需要多次装配的部件进行集成化设计，提高装配效率和生产效率。目前，为了提高整车动力系统运行可靠性，北汽新能源将PDU和电机控制器进行了集成化设计，研发出“四合一”PEU集成模块，如图1-46所示。此模块已经应用在北汽新能源EU系列乘用车上。

（8）T-BOX

T-BOX（图1-47）继承老款车型数据采集终端功能，通过车辆总线网络实时采集车辆数据信息，并根据需要存储到产品内部的存储介质，传送到监控平台。支持发送远程控制命令，对充电及空调系统进行远程控制。

此外，T-BOX还提供网络支持大屏的各项在线娱乐功能及车载Wi-Fi。T-BOX组成包括T-BOX、T-BOX通信天线、T-BOX GPS天线。通过T-BOX的指示灯可初步判断其工作状态。

（9）电动汽车仪表

电动汽车仪表为驾驶人提供电动汽车运行的重要信息，同时也是维修人员发现和排除故障的重要工具。仪表均集中安装在驾驶室转向盘前方的仪表板上。在电动汽车仪表板上，装有各种检测仪表和信号装置，用来监视和测量电动汽车行驶过程中各系统和主要部件的工作情况。它显示了电动汽车的工作状况。不同款车型的仪表不尽相同，如图1-48所示。

（二）混合动力汽车

混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同时装备两种动力源——热动力源（传统的汽油机或者柴油机）与电动力源（电池与电机）的汽车。

目前，混合动力汽车大部分采用传统的内燃机和电机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统驱动汽车，如图1-49和图1-50所示。使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，因此可以使用传统汽油或者柴油，也有的发动机经过改造使用其他燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇等。

混合动力汽车的燃油经济性高，而且行驶性能优异，在起步、加速时有电机辅助，可以降低油耗，辅助发动机的电机可以在起动瞬间产生强大转矩。

1. 混合动力汽车的构造

为了充分了解混合动力汽车的结构，下文将对其主要的动力总成元件进行详细的介绍，如图1-51所示。

（1）发动机

混合动力汽车可以广泛地采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等，利用它们各自的优势，可以构成不同特点的混合动力系统。

丰田油电混合动力系统中安装的发动机与以往机型相比，具有低油耗、高输出的特性，如图1-52所示。

（2）电机

混合动力汽车的电机可以选择直流电机（图1-53）、交流异步电机（图1-54）、永磁同步电机（图1-55）和开关磁阻电机（图1-56）等。随着混合动力汽车的发展，直流电机已经很少采用，多数采用了交流异步电机和永磁同步电机，开关磁阻电机的应用也得到重视，还可以采用特种电机作为混合动力汽车的驱动电机，例如轮毂电机就很有前景，如图1-57所示。

奥迪Q5混合动力汽车电机如图1-58所示，奔驰S400混合动力汽车电机如图1-59所示。

（3）动力蓄电池

混合动力汽车常用的动力蓄电池包括超级电容、电化学电池、燃料电池和锌空气电池等如图1-60所示。动力蓄电池一般作为混合动力汽车的辅助能源，只在汽车起动发动机或电机辅助驱动时才使用。

（4）动力分配装置

在并联和混联系统中，机械的动力分配装置是耦合发动机和电机功率的关键部件，如图1-61所示。它不仅具有较高的机械复杂性，还直接影响整车控制策略，因而成为混合动力系统开发的重点和难点。目前采用的动力复合方式有转矩复合、速度复合和双桥动力复合。

2. 混合动力汽车工作原理

插电式混合动力汽车的动力蓄电池容量相对较小，外部充电，可以用纯电模式行驶，动力蓄电池电量耗尽后再以混合动力模式（以内燃机为主）行驶，并适时向动力蓄电池充电。

图1-62所示为插电式混合动力汽车电气原理。插电式混合动力汽车具备发动机智能自动起停功能，判定条件有SOC、转速、气压、车速等。起停切换点不再是一个车速定值，而是一个通过优选算法，由程序计算出的速度区间（一般为20～40km/h），同时二代系统行驶状态下松加速踏板，特定工况下发动机进入停机模式，此时会听到轻微撞击声，并非故障。

3. 混合动力汽车的智能控制系统

发动机和混合动力系统都有各自的ECU和控制软件，将它们集成在混合动力汽车中，利用CAN总线将它们连接起来，实现信息共享和统一指挥，在混合动力系统工作时，发动机按混合动力系统的指令工作。当混合动力系统关闭或有故障时，发动机按加速踏板指令工作，如图1-63所示。

混合动力汽车的控制系统有以下功能：

①使混合动力汽车的动力性能达到或接近现有内燃机汽车的水平。

②最大限度地发挥电机驱动的辅助作用，使混合动力汽车的燃料消耗量尽量降低，实现发动机的节能化。

③实现多能源控制。混合动力汽车关键的控制技术，是对内燃机驱动系统和电机驱动系统实现双重控制。发动机与电机系统应进行最有效的组合和实现最佳的匹配。

④在环保方面，达到“超低污染”的环保标准。

⑤操作装置和操作方法上沿用自内燃机汽车。

在保证车辆动力性能的前提下，使发动机动力性适中，保证电力驱动系统发挥最大效率，既能满足车辆对动力性能的要求，接近内燃机汽车的动力性水平，又能降低燃料消耗并减少排放。因此，必须经过动力匹配计算和优化设计来选择所需的发动机。

4. 混合动力汽车分类及工作过程

随着全球汽车工业的迅猛发展，石油资源供应的日趋紧张，世界各国积极寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量，大力开发新型节能环保汽车。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。本模块将混合动力汽车按照动力混合形式分为以下三类。

（1）完全混合动力驱动

将一台大功率电机与内燃机组合在一起，以纯电动方式来驱动车辆行驶。一旦条件许可，该电机会辅助内燃机工作。

内燃机与电机之间有一个离合器，可以通过它断开这两个系统。内燃机只在需要时才接通工作，如图1-64所示。一部分动能在制动时又可作为电能使用（能量回收）。

（2）中混合动力驱动

中混合动力驱动在技术和部件方面都与完全混合动力驱动一致，只是不能以纯电动方式驱动车辆行驶，如图1-65所示。一部分动能在制动时又可作为电能使用（能量回收）。

（3）微混合动力驱动

使用微混合动力驱动结构，电动部件（起动机/发电机）只用来执行起动-停止功能。一部分动能在制动时又可作为电能使用（能量回收）。这种结构不能以纯电动方式驱动车辆行驶，如图1-66所示。

5. 普锐斯混合动力系统工作原理

THS-Ⅱ使用发动机和MG2提供的两种动力，并以MG1作为发电机。系统根据各种车辆行驶状态优化组合这两种动力。HEV ECU始终监视SOC状态、蓄电池温度、动力蓄电池冷却液温度和电载荷状况。在READY指示灯点亮，变速器置于P位或车辆倒车时，如果监视项目不满足条件，则HEV ECU发出指令起动发动机驱动MG1，并为HEV蓄电池充电。THS-Ⅱ系统根据图1-67列出的车辆行驶状况综合控制发动机、MG1和MG2驱动车辆。

1）READY灯点亮状态。READY指示灯点亮、变速杆置于P位或者R位时，如果HEV ECU监视的项目满足条件，则混合动力汽车ECU起动MG1从而起动发动机。运行期间，为防止MG1太阳轮的反作用力带动MG2的环齿轮并驱动驱动轮，MG2接通电流以施加制动。这个功能叫作“反作用制动”，如图1-68所示。

在发动机进入正常运转状态时，MG1由发动机起动转变为发电机，为HEV蓄电池充电，如图1-69所示。

2）起动工况。车辆起步后，仅由MG2驱动。此时，发动机保持停止状态，MG1以反方向旋转，不发电，如图1-70所示。

只有MG2工作时，如果需要增加驱动转矩，则MG1起动，进而起动发动机。同样，如果混合动力汽车ECU监视的项目，如SOC状态、蓄电池温度、动力蓄电池冷却液温度和电载荷状态等，与规定值有偏差，则MG1起动，进而起动发动机，如图1-71所示。

在发动机进入正常运转状态时，MGl由发动机起动转变为发电机，为混合动力汽车蓄电池充电。如果需要增加驱动转矩，则发动机将起动作为发电机的MG1，并转变为“发电机微加速”模式，如图1-72所示。

3）发动机微加速时/（C）。如图1-73所示，发动机微加速时，发动机的动力由行星齿轮组分配。其中一部分动力直接输出，剩余动力用于MG1发电。通过变频器，电力输送到MG2，MG2输出动力。

4）发动机低载荷巡航时/（D）。如图1-74所示，车辆以低载荷巡航时，发动机的动力由行星齿轮组分配。其中一部分动力直接输出，剩余动力用于MG1发电。通过变频器，电力输送到MG2，MG2输出动力。

5）节气门全开加速时/（E）。车辆从低载荷巡航转换为节气门全开加速模式时，系统将在保持MG2动力的基础上，增加动力蓄电池的动力，如图1-75所示。

6）发动机减速：

①以D位减速行驶。发动机停止工作，动力为零。这时，车轮驱动MG2作为发电机运行，并为动力蓄电池充电，如图1-76所示。车辆从较高速度开始减速时，发动机以预定速度继续工作，保护行星齿轮组。

②B位减速行驶。如图1-77所示，车辆以B位减速行驶时，车轮驱动MG2，使MG2作为发电机工作，并为动力蓄电池及MG1供电。这样，MG1保持发动机转速并施加发动机制动。此时，发动机燃油供给被切断。

③制动减速时。车辆减速时，如果驾驶人踩下制动踏板，制动防滑控制ECU计算所需的再生制动力，并发送信号到HEV ECU。接收到信号后，HEV ECU在符合所需再生制动力的范围内增加再生制动力。这样，可以控制MG2产生充电电量，如图1-78所示。

7）倒车时/（G）。车辆倒车时，仅由MG2为提供动力。这时，MG2反向旋转，发动机不工作，MG1正向旋转但并不发电，如图1-79所示。

只有MG2驱动车辆时，如果HEV ECU监视的项目，例如SOC状态、动力蓄电池温度、冷却液温度和电载荷状态与规定值有偏差，则MG1起动，进而起动发动机，如图1-80所示。

发动机将起动作为发电机工作的MG1，并为动力蓄电池充电，如图1-81所示。

8）电机驱动模式控制。为减少深夜行车、停车时的噪声和在车库中短时间减少排放，可以手动按下仪表板上的EV模式开关，使车辆只受MG2的驱动，如图1-82所示。

按下EV模式开关后，组合仪表中的EV模式指示灯点亮，如图1-83所示。

选择EV模式时，发动机停止工作，车辆继续在只有MG2工作的状态下行驶，除非车辆发生以下情形：

①EV模式开关关闭。

②SOC下降到规定值以下。

③车速超过规定值。

④加速踏板角度超过规定值。

⑤动力蓄电池温度偏离正常工作范围。

如果动力蓄电池在标准SOC下，车辆在平坦路面上连续行驶1～2km后，EV模式将关闭，如图1-84所示。

（三）燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车在车身、动力传动系统、控制系统等方面与普通电动汽车基本相同，主要区别在于燃料电池的工作原理与动力蓄电池不同，燃料电池系统由蓄电池组、高压储氢瓶、氢燃料电池、燃料电池升压器、驱动电机等组成，如图1-85所示。

1. 燃料电池系统基本结构

燃料电池系统基本结构如图1-86所示。

2. 氢燃料电池系统工作原理

氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散，与电解质发生反应后放出电子，通过外部的负载到达阳极，如图1-87所示。

燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经过燃烧直接转化为电能，即通过电化学反应将化学能转化为电能，实际上就是电解水的逆过程，通过氢与氧的化学反应生成水并释放电能。电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车大多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。

燃料电池的能量转换效率不受卡诺循环的限制，能量转化效率高。其排放物主要是水，非常清洁，不产生任何有害物质。因此，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府和整车企业的重视，被认为是21世纪的洁净、高效发电技术之一。

3. 燃料电池电动汽车的类型与结构

燃料电池电动汽车（FCEV）利用氢气和空气中的氧，在催化剂的作用下，在燃料电池中经电化学反应产生电能，以此作为主要动力源，如图1-88所示。

（1）燃料电池单独驱动FCEV

燃料电池单独驱动结构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，如图1-89所示。

（2）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV

燃料电池与辅助蓄电池联合驱动结构为一典型的串联式混合动力结构，如图1-90所示。在该动力系统结构中，燃料电池和辅助蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统，从而驱动汽车前进。在汽车制动时，驱动电机变为发电机模式，蓄电池储存回馈的能量。

（3）燃料电池与超级电容联合驱动FCEV

燃料电池与超级电容联合驱动结构与燃料电池+辅助蓄电池结构相似，如图1-91所示。它只是把辅助蓄电池换成了超级电容。相对于辅助蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，功率密度大，在回收制动能量方面比辅助蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量密度较小。

（4）燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动FCEV

燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动FCEV的动力系统结构也为串联式混合动力结构，如图1-92所示。燃料电池、辅助蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统，驱动汽车前进。在汽车制动时，驱动电机变为发电机模式，辅助蓄电池和超级电容储存回馈的能量。

这种结构相比燃料电池+辅助蓄电池的结构形式，优点更加明显，尤其是在部件效率、动态特性、制动能量回馈等方面，但其缺点也一样明显：

①增加了超级电容，增大了系统质量。

②系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度随之增大。

课后思考题

1. 简述新能源汽车的定义。

2. 简述新能源汽车可以分为哪些类别。

3. 简述电动汽车工作原理。

4. 简述世界上较知名的10款新能源汽车。

5. 简述混合动力汽车工作原理。

6. 尝试阐述我国自主品牌的新能源汽车车型。