新能源汽车与车联网(微课版十三五江苏省高等学校重点教材)

第1章绪论 　　新能源汽车是指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、具有新技术和新结构的汽车。 　　本章分析了新能源汽车的分类与各自特点，从能源、环境和汽车新能源的角度阐述了发展新能源汽车的必要性，总结了国内外新能源汽车的发展现状、我国关于新能源汽车的相关政策，描述了新能源汽车未来的发展趋势。 　　1.1新能源汽车的分类与特点 　　1.1.1纯电动汽车 　　纯电动汽车（ElectricVehicle，EV）是指全部以储能动力源作为动力来源，使用电机驱动车轮行驶的汽车。根据使用的不同类型的电池，纯电动汽车可以分为铅酸电池电动汽车、镍氢电池电动汽车、鐂离子电池电动汽车、燃料电池电动汽车、太阳能电池电动汽车等。纯电动汽车所使用的电动机主要有直流电动机、交流（异步）电动机、开关磁阻电动机（SRM）、永磁无刷电动机等。 　　与传统燃油汽车相比，纯电动汽车的优点如下。 　　（1）无污染，噪声低。 　　由于传统燃油汽车使用内燃机作为动力来源，在发动机的混合气形成和燃烧过程中会产生许多有害排放物。对于汽油车，其主要有害排放物是CO、HC和NOx，而对于柴油车，除了CO、HC和NOx以外，还有微粒和烟度。纯电动汽车使用电动机，使用过程中不会产生有害排放物，即使将其所耗电量换算为发电厂的排放，除了硫和微粒外，其他污染物也显著减少。同时发电厂大多远离人口密集区域，运用相关环保技术将废气处理后再固定、集中地排放，造成的污染也更小。纯电动汽车的电动机在运行时噪声低。 　　（2）能量利用率高。 　　纯电动汽车的能量利用率高于传统燃油汽车。例如，在城市循环工况中，传统燃油汽车的怠速油耗、汽车附件（空调等）消耗及制动能量损耗相当大。而对于纯电动汽车，停车时驱动系统的能量损耗为零；在汽车减速行驶时，一部分制动能量（在传统燃油汽车中是损耗掉的）可通过电动机工作于发电状态予以回收，并存储于动力电池中而使得能量得以重复利用。 　　（3）能源来源多元化。 　　纯电动汽车使用的电力来源可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐能等多种能源转化而来。纯电动汽车可以避开用电高峰期，充分利用晚间用电低谷期的廉价电力进行充电，有利于减少电网压力，降低充电费用。 　　（4）结构简单。纯电动汽车与传统燃油汽车相比结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小，操作起来也更加容易。 　　纯电动汽车也存在一些缺点，例如，动力电池寿命短、使用成本高；电池单位质量存储的能量少；续驶里程短；能源补充速度慢等等。但随着科学技术的进步，上述缺点将逐步得到解决。图1-1为纯电动汽车特斯拉ModelX。 　　1.1.2混合动力汽车 　　1.混合动力汽车定义 　　混合动力（混动）汽车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车辆行驶状态由单个驱动系统提供或多个驱动系统共同提供。国际能源组织将具有如下特点的车辆界定为混合动力汽车。 　　（1）传送到车轮以推进车轮运动的能量，至少来自两种不同的能量转换装置（如内燃机、电动机等）。 　　（2）这些能量转换装置至少要从两种不同的能量储存装置（简称储能装置，如燃油箱、蓄电池）吸取能量。 　　（3）从储能装置流向车轮的这些通道，至少有一条是可逆的。 　　2.混合动力汽车分类 　　按照动力系统的结构不同，混合动力汽车可以分为串联式混合动力汽车（SHEV）、并联式混合动力汽车（PHEV）、混联式混合动力汽车（PSHEV）；按照燃料种类的不同，又可以分为汽油混合动力汽车和柴油混合动力汽车两种；按混合度（电动机功率与内燃机功率之比）的不同，又可以分为微混合汽车、轻度混合汽车和全混合汽车三种。目前国内市场上，混合动力汽车的主流是汽油混合动力汽车，国际市场上柴油混合动力汽车的发展也很快。 　　1）串联式混合动力汽车 　　串联式混动汽车的结构在三种布置形式中是*简单的，直接带动车轮的是电动机，发动机不直接参与带动车轮，只负责输出机械能。发电机接收机械能产生电能，再传递给电动机，从而驱动汽车，多余的能量则可以给蓄电池充电。串联式混合动力汽车在设计上有两种形式。一种是小功率发电机+大容量蓄电池，这种设计由蓄电池提供汽车的动力来源，而发电机的作用是增加续航能力，当达到蓄电池预设电量上限时充电停止，发动机关闭。而另一种设计形式是大功率发电机+小容量蓄电池。这种设计形式与上一种相反，以发动机作为主要动力来源，以蓄电池作为辅助动力来源，弥补发动机功率的不足。串联式的优点非常明显，其发动机功率不需要和道路负荷一致，这样就可以让发动机一直在*佳性能区间运作，且配备的小型发动机排放性能优良。但是缺点也显而易见，能量转换次数多，效率就自然下降，而且成本比较大。图1-2为串联式混合动力汽车。 　　2）并联式混合动力汽车 　　并联式布置形式在结构上直接参与了驱动，即发动机产生的机械能不只传递给发电机，而且传递给了和车轮直接相连的变速器。并联式混合动力汽车在设计上和上一种相似，可以是小功率发电机+大容量蓄电池，也可以是大功率发电机+小容量蓄电池。并联式经济性好，适用路况范围广，能量转换效率要比串联式混合动力汽车的能量转换效率高。和串联式相比，这种形式要求发动机与道路负荷耦合，而且与蓄电池的配合需要相当高的技术，所以复杂程度比较高。图1-3为并联式混合动力汽车。 　　3）混联式混合动力汽车 　　混联式混动车是上述两种布置形式的综合体，也是在并联式基础上的改进型。因为这种形式可以工作在上述任何一种形式下，要求配备两台电动机（发电机）。根据实际需要，进行不同的搭配有相当大的难度，测试不同情况下的搭配效果，得到*佳体验。一般的控制方法是：在汽车低速行驶时，汽车以串联方式运行；当汽车高速运行时，以并联方式运行。发动机单独驱动时和传统燃油汽车相同，发动机是处于经济转速区域，即巡航车速。路况变化依照串联或并联式的方法更改，使效率*大化，充电形式也是按照各自模式下的充电形式进行充电。混联式的优点包含另外两种形式的优点，而且得益于混联式结构的核心分配设备，能量传递更加合理便捷。 大功率，使内燃机在油耗低、污染少的　　混合动力汽车的优势在于：采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的**优工况下工作。在需要大功率时，由蓄电池来补充内燃机功率的不足；汽车工作在低负荷时，内燃机富余的功率可发电给蓄电池充电。由于内燃机可持续工作，蓄电池又可以不断充电，其续驶里程和普通汽车一样。另外，汽车制动、下坡、怠速时的能量可以通过蓄电池方便地回收。在繁华市区，可以关停内燃机，由蓄电池单独驱动，实现零排放。内燃机可以全方位地为耗能大的制冷、取暖、除霜等功能提供足够的动力，且可以利用现有的加油站加油，并让蓄电池保持在良好的工作状态，不会发生蓄电池的过充、过放问题，延长了蓄电池的使用寿命，降低了使用成本。 　　1.1.3燃料电池电动汽车 　　燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）是利用燃料电池电动系统作为动力的汽车，其工作原理是通过燃料电池发电产生电能，进而起动电动机驱动车辆行驶。 　　燃料电池是以电化学反应方式将燃料（氢气）和氧化剂（空气）的化学能转化为电能的能量转换装置。 　　按燃料的来源方式分类，燃料电池汽车可以分为直接燃料式和重整式。 　　按是否配备辅助源分类，燃料电池汽车可分为纯燃料电池电动汽车和燃料电池/辅助源混合驱动电动汽车。 　　按燃料电池提供的功率占整个行驶功率的比例不同，混合驱动燃料电池汽车可分为能量混合型和功率混合型。 　　1.燃料电池汽车的优势 　　（1）绿色环保。 　　燃料电池没有化学燃烧过程，当使用氢作为燃料时，排放物只有水，属于零排放；当使用甲醇、汽油等作为直接燃料或用于重整制氢时，排放物除了水之外只有少量的二氧化碳（CO2），排放量很低。 　　（2）能量效率高。 　　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，可达50%以上。 　　（3）车辆的续驶里程长。 　　采用燃料电池作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，燃料电池汽车的长途行驶能力接近于传统燃油汽车。 　　（4）噪声低。 　　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外无其他运动部件，因此与传统燃油汽车相比，运行过程中噪声和振动都比较低。 　　（5）部件布置灵活。在空间和重量上都可以对燃料电池组、电动机、辅助设备等部件进行灵活的布置。 　　2.燃料电池汽车的一些缺陷 　　（1）燃料电池汽车的基本性能需要进一步提高，满足方便、实用的需求。例如，提高燃料电池组的功率密度，加快其起动速度，增强电解质的温度适应范围等。 　　（2）目前的燃料电池辅助设备复杂，质量和体积较大，并且燃料电池系统及整车成本较高，成为推广燃料电池汽车的一个障碍。 　　（3）燃料供给体系尚需建设。为了实现燃料电池汽车的普及，必须改变现有燃料供给体系，建立新的适合燃料电池汽车的燃料供给系统。 　　1.1.4氢动力汽车 　　氢动力汽车是以氢为主要能量驱动的汽车。一般的内燃机通常注入柴油或汽油，氢动力汽车则改为使用氢气。 　　氢内燃机在汽车上的应用方式有3种：纯氢内燃机、氢/汽油双燃料内燃机、氢/汽油混合燃料内燃机。氢动力汽车与通常的电动汽车相比较，其动力方面的不同在于用的电力来自高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气，其原理是作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能来带动电动机工作，由电动