汽车基础及其构造 5

920第十四章新能源汽车构造921目录第一节概述第二节纯电动汽车构造第三节混合动力电动汽车构造第四节燃料电池电动汽车构造922第一节概述9231.掌握新能源汽车的分类。2.了解新能源汽车的特点。学习目标924一、新能源汽车的分类1.纯电动汽车如图所示，纯电动汽车是指驱动能量完全由电能提供、由电机驱动的汽车。电机的驱动能量来源于车载可充电储能系统或其他能量储存装置。纯电动汽车具有零排放、噪声小等优点，但其发展受限于电池技术和充电基础设施的普及度（影响续航里程）。纯电动汽车9252.混合动力电动汽车如图所示，混合动力电动汽车是指能够同时或交替使用可消耗的燃料（如汽油、柴油）和可再充电能量/能量储存装置（如动力蓄电池）这两类车载储存的能量驱动的汽车。其设计初衷是综合两种动力源的优势，以提升能效并降低排放。混合动力电动汽车9263.燃料电池电动汽车如图所示，燃料电池电动汽车（主要是氢燃料电池电动汽车）是以燃料电池系统作为单一动力源或者是以燃料电池系统和可充电储能系统作为混合动力源的电动汽车。其特点是加氢时间短、续航里程长，但氢气的制取、储运成本以及加氢站基础设施建设仍是当前的主要挑战。燃料电池电动汽车9274.其他新能源汽车此外，新能源汽车还包括压缩天然气汽车（如图所示）、甲醇燃料汽车和太阳能辅助驱动汽车等，目前在市场中的占比相对较小。压缩天然气汽车928二、新能源汽车的特点1.能源利用效率高新能源汽车（包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车）在能量转化效率方面普遍优于传统内燃机汽车。2.环境污染小纯电动汽车和燃料电池电动汽车在行驶过程中可实现零排放，不产生二氧化碳、氮氧化合物等尾气污染物。此外，新能源汽车运行噪声较小，有助于缓解城市噪声污染问题。9293.能源来源多样化新能源汽车的能源来源广泛。电能可通过太阳能、风能、水能、核能等多种清洁方式获取；氢气作为燃料电池的主要能源，可以通过水电解、天然气重整等多种途径制备，具备良好的能源适应性。4.结构简单、维护方便新能源汽车采用动力蓄电池或燃料电池作为动力源，省去了传统发动机及其配套系统。9305.动力响应迅速新能源汽车尤其是纯电动汽车在加速时可瞬时输出最大转矩，动力响应灵敏，能提供更直接、迅速的加速感受。6.静音和舒适性提升新能源汽车在运行过程中噪声很小，可以营造更安静、舒适的驾乘环境，尤其适用于城市拥堵路况和长途出行场景。7.智能化集成度高新能源汽车通常集成先进的智能驾驶辅助系统，如自适应巡航、车道保持、自动紧急制动等。931第二节纯电动汽车构造9321.掌握纯电动汽车动力系统的组成及各部分的作用和工作原理。2.掌握纯电动汽车的工作过程。学习目标933一、纯电动汽车动力系统的组成如图所示，纯电动汽车动力系统的组成以动力蓄电池、驱动电机、电控系统为核心，辅以高压配电、热管理、充电等模块，形成电能驱动的闭环体系。纯电动汽车动力系统的组成1—动力蓄电池2—驱动电机3—电控系统9341.动力蓄电池动力蓄电池简称动力电池，是纯电动汽车的核心储能装置，其组成如图所示。动力蓄电池的组成1—上壳体2—电池模组3—带底板及冷却系统的电池壳体4—底盘防护结构

5—电芯管理控制器6—高压连接器7—连接排8—电池管理系统935（1）蓄电池的分类1）按封装形式分类。按照封装形式不同，蓄电池可分为圆柱形电池、方形电池和软包电池三大类。2）按电解质的物理状态分类。按照电解质的物理状态不同，蓄电池可分为液态锂离子电池和固态锂离子电池（固态电池）两大类。936（2）锂离子电池的工作原理锂离子电池是一种以锂离子嵌入化合物为正极材料的二次电池，其负极为碳素材料（通常为石墨），正极为含锂的化合物（如磷酸铁锂或磷酸钴锂等），电解质为有机溶剂。与传统锂电池不同，锂离子电池中不存在金属锂，而是通过锂离子在正、负极之间的迁移实现电能的储存与释放。937锂离子电池的充电和放电过程示意图如图所示。锂离子电池的充电和放电过程示意图9382.驱动电机（1）驱动电机的作用1）提供动力。驱动电机是纯电动汽车的核心动力源，通过将电能转化为机械能，驱动汽车行驶，是汽车行驶的主要驱动力来源。2）控制汽车速度和加、减速。3）能量回收。在汽车减速或制动时，驱动电机可以切换为发电机模式，将汽车的动能转化为电能，并通过电机控制器将电能回馈到动力蓄电池中，实现能量回收。9394）提高能效。驱动电机的效率通常高于传统发动机，尤其是在低转速和高转矩输出时，能够更有效地利用电能，减少能量损失。5）减小噪声和振动。与传统发动机相比，驱动电机运行时的噪声和振动较小，能够提供更安静、更舒适的驾驶体验。6）环保性。驱动电机不排放尾气，符合环保要求，有助于减少空气污染和温室气体排放。7）支持多种运行模式。驱动电机可以根据汽车的运行状态灵活调整工作模式，确保汽车在不同工况下都能高效运行。8）结构简单，维护方便。与传统发动机相比，驱动电机的结构更简单，零部件数量更少，维护成本更低。940（2）驱动电机的组成驱动电机主要由定子、转子、电机控制器、传感器、冷却系统、电机壳体和端盖等组成，如图所示。驱动电机的组成a）驱动电机总成b）驱动电机分解图1—电机壳体和传感器2—转子3—定子4—冷却系统5—端盖6—电机控制器9411）定子。定子是驱动电机的固定部分，通常由铁心和绕组等组成。定子的主要作用是产生旋转磁场，为转子提供驱动力。在驱动电机中，定子绕组通入三相交流电，形成旋转磁场，从而驱动转子旋转。2）转子。转子是驱动电机的旋转部分，通常由永磁体或绕组等组成。转子在定子产生的旋转磁场作用下旋转，将电能转化为机械能，驱动汽车行驶。在能量回收时，转子也可以作为发电机的一部分，将机械能转化为电能。9423）电机控制器。电机控制器是驱动电机的核心控制单元，负责接收整车控制器（VCU）的指令，并根据指令调节驱动电机的转速、转矩和旋转方向。电机控制器通过逆变器将直流电转变为交流电，以适应驱动电机的运行需求。4）传感器。传感器用于监测驱动电机的运行状态，如转速、位置和温度等。常见的传感器包括位置传感器（如旋转变压器）和温度传感器等。这些传感器将实时数据反馈给电机控制器，确保驱动电机按照预设参数稳定运行。9435）冷却系统。冷却系统用于保持驱动电机在运行过程中的温度稳定，防止过热。常见的冷却方式包括水冷和风冷。水冷却系统通过冷却液循环带走驱动电机产生的热量，而风冷却系统则通过空气流动进行散热。6）电机壳体和端盖。电机壳体和端盖为驱动电机提供物理保护，防止外部环境对驱动电机内部零部件造成损害。同时，电机壳体和端盖也起固定和支撑驱动电机内部结构的作用。944（3）驱动电机的工作原理纯电动汽车的驱动电机主要采用永磁同步电机，其工作原理是基于电磁作用实现机电能量转化。当电机控制器将直流电转变为三相交流电输入驱动电机的定子绕组时，会在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场与转子永磁体建立的励磁磁场相互作用，根据磁极间的吸引与排斥原理，产生电磁转矩，驱动转子以同步转速旋转，最终通过输出轴将机械能传递至传动系统，为汽车提供驱动力。9453.电控系统（1）电控系统的组成纯电动汽车就是一个高度集成的电气化系统，主要包括车载充电系统、动力蓄电池管理系统（BMS）、电机控制器、车身控制系统（BCM）和信息传输与显示系统等。这些系统都要整合在一个总的整车控制系统中，这个总的整车控制系统称为电子控制系统或电控系统。946（2）电控系统的工作原理电控系统通过传感器实时采集汽车的各种状态信息，如动力蓄电池的电压、电流和温度，驱动电机的转速和转矩，以及汽车的运行状态（车速、转向角度）和驾驶员的操作指令（加速踏板、制动踏板）等。这些信息被传输至整车控制器，整车控制器作为电控系统的“大脑”，对采集到的数据进行综合分析和处理，并发出控制指令。947整车控制器根据预设的控制策略和算法，生成相应的控制信号，并通过电机控制器调节驱动电机的运行状态，实现汽车的加速、减速和能量回收。同时，整车控制器通过动力蓄电池管理系统控制动力蓄电池的充放电过程，确保动力蓄电池在安全范围内运行。此外，整车控制器还管理车身控制系统，控制汽车的辅助系统。在能量回收过程中，整车控制器协调电机控制器使驱动电机进入发电机模式，将机械能转化为电能，并通过动力蓄电池管理系统将电能回馈至动力蓄电池。948电控系统通过信息传输与显示系统，将汽车的运行状态数据实时显示给驾驶员，并支持汽车与外部设备的通信。电控系统通过不断地信号采集、数据处理、控制执行和反馈调节，确保汽车在各种工况下的安全、高效运行，实现对纯电动汽车的全面控制。949二、纯电动汽车的工作过程如图所示，纯电动汽车的工作过程可分为能量输入、能量转化、动力输出和能量回收等关键阶段。纯电动汽车的工作过程示意图1—充电口2—驱动电机和电机控制器3—动力蓄电池9501.能量输入通过充电口（交流或直流）将外部电能输入至动力蓄电池。交流充电通常通过车载充电器将交流电转变为直流电，再储存至动力蓄电池；而直流充电则直接将高压直流电输入动力蓄电池，充电速度快，但需要更高规格的充电桩支持。充电过程中，动力蓄电池管理系统实时监控动力蓄电池的电压、电流和温度，确保充电安全并延长使用寿命。9512.能量转化动力蓄电池输出直流电，经过电机控制器中的逆变器转变为三相交流电。逆变器通过控制半导体器件的开关频率和占空比，将直流电转变为交流电，并调节交流电的频率和幅值，以适应驱动电机的运行需求。电机控制器根据整车控制器的指令，精确控制驱动电机的转速、转矩和旋转方向。9523.动力输出驱动电机将交流电能转化为机械能，通过减速器将动力传递至车轮，驱动汽车行驶。减速器的主要作用是调整驱动电机的高转速、小转矩输出为适合汽车行驶的低转速、大转矩输出，同时优化动力传递效率。在加速或爬坡时，整车控制器通过电机控制器增大驱动电机的输出转矩；在减速或制动时，整车控制器协调驱动电机进入能量回收模式。9534.能量回收在制动或减速过程中，驱动电机反转进入发电机模式，将汽车的动能转化为电能。电机控制器通过调节逆变器的工作状态，将产生的交流电转变为直流电，并通过动力蓄电池管理系统将电能回馈至动力蓄电池。能量回收强度通常由整车控制器根据车速、制动深度和电池状态动态调节，以最大化能效并减少机械制动的磨损。954第三节混合动力电动汽车构造9551.了解混合动力电动汽车的分类及其特点。2.熟悉混合动力电动汽车动力系统的组成及各部分的作用。3.熟悉混合动力电动汽车在不同工况下的工作过程。学习目标956一、混合动力电动汽车的分类1.按动力系统结构型式分类按照动力系统结构型式的不同，混合动力电动汽车分为串联式、并联式和混联式。（1）串联式混合动力电动汽车如图所示，串联式混合动力电动汽车是指汽车的驱动力只来源于驱动电机的混合动力电动汽车。其特点是发动机不直接驱动车轮，而专门用于驱动发电机为动力蓄电池充电或为驱动电机供电，从而使发动机可以始终保持在最高效、最经济的转速区间运行，显著提升了燃油经济性并降低了排放。957串联式混合动力电动汽车示意图958（2）并联式混合动力电动汽车如图所示，并联式混合动力电动汽车是指汽车的驱动力由驱动电机和发动机同时或单独供给的混合动力电动汽车。其特点是发动机和驱动电机两大动力源可以同时驱动车轮，这使得汽车能够根据不同的行驶需求灵活切换驱动模式。并联式混合动力电动汽车示意图959（3）混联式混合动力电动汽车如图所示，混联式混合动力电动汽车是指同时具有串联式和并联式驱动方式的混合动力电动汽车。其特点是通过复杂的动力分配装置（如行星齿轮机构）和智能控制系统，能平顺地在多种工作模式间切换。混联式混合动力电动汽车示意图9602.按外接充电能力分类（1）可外接充电式混合动力电动汽车可外接充电式混合动力电动汽车是指正常使用情况下可从非车载装置中获取电能的混合动力电动汽车。其最大特点是配备大容量电池，可通过外部电源充电，能实现较长距离的纯电行驶，足以满足日常通勤，在使用成本上接近纯电动汽车；同时，在电量耗尽后能自动切换为混合动力模式，利用发动机工作，完美解决了纯电动汽车的里程焦虑问题。961（2）不可外接充电式混合动力电动汽车不可外接充电式混合动力电动汽车是指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。其特点是电池容量较小，完全依赖于发动机高效运行时产生的富余动力和回收汽车制动时产生的能量进行充电，因此，无须外接充电，使用便利性与传统内燃机汽车无异。其设计核心在于通过驱动电机的辅助与调节，使发动机始终维持在最高效的工作区间，从而实现大幅降低油耗和排放的目的，是一种无须改变驾驶习惯的实用节能方案。962二、混合动力电动汽车动力系统的组成混合动力电动汽车动力系统主要由发动机、驱动电机、动力蓄电池、动力耦合装置、电机控制器和整车控制器等组成，如图所示。混合动力电动汽车动力系统的组成1—驱动电机和动力耦合装置2—动力蓄电池

3—电机控制器4—发动机5—整车控制器9631.发动机发动机是混合动力电动汽车动力系统的重要动力源。发动机在汽车中高速行驶、急加速或负载较大等工况下提供主要动力，驱动汽车行驶；在动力蓄电池电量较低时，发动机带动发电机为动力蓄电池充电。2.驱动电机驱动电机是混合动力电动汽车动力系统的关键执行部件，具备驱动与发电双重功能。在汽车起步、低速行驶、加速等工况下，驱动电机独立或与发动机协同提供动力，驱动汽车；在汽车制动、减速时，驱动电机切换为发电机模式，将动能转化为电能储存至动力蓄电池，实现能量回收。9643.动力蓄电池动力蓄电池是混合动力电动汽车动力系统的能量储存核心，不仅能为驱动电机提供电能，保障其动力输出，还能储存驱动电机能量回收产生的电能和发动机带动发电机发电产生的电能。4.动力耦合装置根据汽车行驶工况，动力耦合装置协调发动机和驱动电机的动力输出，进行合理分配、整合或切换。动力耦合装置通过行星齿轮机构或多离合器系统等整合发动机和驱动电机动力，实现动力模式的平顺切换，再通过变速器等传递至驱动轮。9655.电机控制器电机控制器是驱动电机的核心控制单元，它接收整车控制器的指令，精确调节驱动电机的转矩和转速，实现驱动电机驱动与发电功能的高效切换和稳定运行。6.整车控制器整车控制器是混合动力电动汽车动力系统的顶层决策中心，它通过传感器网络实时获取汽车运行状态和驾驶员意图，并基于全局优化算法，对发动机、驱动电机、动力耦合装置等子系统发出协调控制指令，以实现动力性、经济性和排放性能的最佳平衡。966三、混合动力电动汽车的工作过程1.起步和低速行驶阶段如图所示，在汽车的起步和低速行驶阶段，动力系统采用以驱动电机驱动为主的策略，以提高能效并优化驾驶体验。起步和低速行驶阶段的工作过程示意图1—动力蓄电池2—电机控制器3—驱动电机

4—行星齿轮机构5—减速齿轮6—发电机7—发动机9672.中高速行驶阶段当汽车中高速平稳行驶时，发动机成为主要动力源。如图a所示，发动机输出的动力通过动力耦合装置分为两路：一部分用于直接驱动车轮，另一部分用于驱动发电机发电，所产生的电能可立即供给驱动电机，辅助发动机共同驱动汽车，这就是驱动电机辅助驱动模式。如图b所示，若驱动需求不大，发动机产生的富余能量则可通过发电机转化为电能，直接储存至动力蓄电池，这就是行车充电模式。这种模式适用于高速公路巡航等中高速行驶环境，能确保动力系统的整体效率和燃油经济性。968中高速行驶阶段的工作过程示意图a）驱动电机辅助驱动模式b）行车充电模式9693.加速行驶阶段如图所示，当汽车需要加速行驶时，发动机和驱动电机共同参与工作。发动机提供主要动力，同时动力蓄电池释放电能，增大驱动电机的驱动力，实现双重动力驱动。这种模式能提供强劲的动力输出，满足汽车在高负荷工况下的需求。加速行驶阶段的工作过程示意图9704.制动能量回收如图所示，当踩下制动踏板或松开加速踏板时，汽车的惯性带动车轮继续旋转，车轮带动驱动电机旋转。此时驱动电机切换为发电机模式，将机械能转化为电能并储存至动力蓄电池，实现能量的回收利用。这种模式能有效减少能量浪费，进一步提升汽车的燃油经济性。制动能量回收的工作过程示意图9715.停车与怠速管理如图所示，当汽车完全停止时，发动机和驱动电机均停止工作，汽车进入完全静止状态。这种自动启停技术能避免发动机在怠速状态下的燃油消耗，降低排放，提升整体能效。停车与怠速管理的工作过程示意图972第四节燃料电池电动汽车构造9731.了解燃料电池电动汽车动力系统的组成及各部分的作用。2.了解燃料电池电动汽车的工作过程。学习目标974一、燃料电池电动汽车动力系统的组成与纯电动汽车相比，燃料电池电动汽车在车身、底盘、电气系统等方面基本相同，二者的核心区别在于能量供给方式：燃料电池电动汽车在前部布置了燃料电池发电系统（包括燃料电池堆和储氢罐），替代了纯电动汽车中容量庞大的动力蓄电池。但是，燃料电池电动汽车仍保留了一个容量较小的动力蓄电池，主要用于辅助驱动、回收制动能量和缓冲系统功率。975燃料电池电动汽车动力系统主要由燃料电池堆、储氢罐、动力蓄电池、驱动电机、变速器、电机控制器、辅助系统和整车控制系统（包括整车控制器）等组成，如图所示。通常，驱动电机、变速器和电机控制器集成在一个电驱动总成内。燃料电池电动汽车动力系统的组成1—储氢罐2—燃料电池堆3—电驱动总成4—整车控制器5—动力蓄电池9761.燃料电池堆燃料电池堆是燃料电池电动汽车的“心脏”，即核心能量转化装置。它由多个燃料电池单元堆叠而成，通过氢氧电化学反应将化学能转化为电能，为汽车提供动力。燃料电池堆的性能直接影响燃料电池电动汽车的动力输出和效率。9772.储氢罐储氢罐用于储存高压氢气。目前，车载储氢罐普遍采用70MPa等级的高压气瓶，其内胆为高分子材料，外围缠绕碳纤维复合材料以保证强度和安全。储氢罐设计的核心安全要求是实现可靠的高压密封性。储氢罐的容量直接影响燃料电池电动汽车的续航里程，其整体设计必须满足高压安全标准，以确保氢气的安全储存与释放。3.动力蓄电池动力蓄电池作为辅助电源，主要作用是储存电能和回收制动能量。燃料电池电动汽车的续航里程不仅取决于储氢罐容量，还与动力蓄电池的协同工作和能量管理策略密切相关。9784.电驱动总成电驱动总成负责将电能转化为机械能，驱动汽车行驶，其构成与纯电动汽车基本相同，主要包括驱动电机、变速器和电机控制器。驱动电机将电能转化为机械能，直接驱动车轮，驱动电机的功率和效率是影响燃料电池电动汽车性能的重要因素。电机控制器将燃料电池堆和动力蓄电池输