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【幹貨】汽車技術帖 No.1——新能源汽車主要技術特征

來源: http://www.guuzhang.com/portal.php?mod=view&aid=956

【幹貨】汽車技術帖 No.1——新能源汽車主要技術特征  
作者：奉瑋 李正偉
行業近況
預計到 2020 年中國的汽車平均燃油限值將達到百公里 5L，相對 目前將下降 30%以上，新能源汽車特別是純電動汽車的推廣將是 現實的解決方案。我們中金汽車團隊未來將定期推出新能源汽車 技術介紹性文章，以更好的跟蹤了解這一新興產業。

評論 目前我國將插電式混合動力汽車（PHEV，含 EREV）、純電動汽 車（EV）和燃料電池汽車（FCEV）歸為新能源汽車，分別對應 過渡、中期和長期的汽車節能環保技術路線；將普通的混合動力 汽車（HEV）認定為節能型汽車。

混合動力汽車擁有至少兩種動力源，目前多半采用傳統的內燃機 和電動機作為動力源，一般不依賴外部充電電源。按照混合程度 的不同又分為微混、中混和全混三種類型，不同的混合類型節油 效果不同，所需的電池容量和電壓也不同。按照動力系統的聯結 方式，混合動力系統分為串聯、並聯和混聯三種方式。

插電混汽車相對普通混合動力系統，可以外部充電，電池容量更 大，在純電行駛模式下可以行駛 50 公里以上，電池電量耗盡後再 以混合動力模式行駛。插電混是並聯式或者混聯式混合動力型式， 保留了較多的傳統機械部件，結構上更複雜；而串聯式的增程式 汽車因其更簡單的結構和更高效的性能，開始受到更多整車廠商 的關註。

純電動汽車以車載電源為動力，電機作為驅動系統，省去了油箱、 發動機、變速器、冷卻系統和排氣系統，動力系統的布臵大大簡 化，而且能量轉換效率更高，同時相對傳統汽車對環境的影響更 小，成為各國中期的汽車節能環保技術，但目前面臨著電池成本 高、續航里程短、充電時間長等問題。燃料電池因為其能夠有效 避免續航里程短和充電時間長的問題，長期來看有望取代鋰電池 純電動汽車。

中國從“十五”確定了電動汽車三縱三橫的基本技術體系，目前 主推純電動公交車和小型電動車，在家用轎車市場推進插電式混 合的應用。新能源汽車的核心技術是電池、電機和電控，電池性 能與成本、電池管理系統和電機關鍵零部件成為制約中國純電動 汽車推廣的瓶頸。
風險 技術路線的不確定性。  

一、節能與新能源汽車是降低油耗和碳排放的主要途徑
基於國家能源戰略和環保要求，汽車節能減排已經成為了全球推行的戰略，各國政府紛 紛出臺了符合各自國家戰略的燃油限值和碳排放指標，到 2020 年中國的汽車平均燃油 限值將達到百公里 5L，相對目前將下降 30%以上。

為降低能源消耗和減少 CO2 排放，各國政府紛紛推出鼓勵或強制推廣節能與新能源汽 車政策。從目前各國發展的情況來看，混合動力、電動和燃油電池汽車成為三條主要的 技術路線，分別對應過渡、中期和長期的汽車節能環保技術路線。

二、節能與新能源汽車的動力系統區別
目前我國將插電式混合動力汽車（PHEV，含 EREV）、純電動汽車（EV）和燃料電池 汽車（FCEV）歸為新能源汽車；將普通的混合動力汽車（HEV）認定為節能型汽車。 這些車型均需要動力蓄電池，但是能量來源和動力裝臵的布臵有所不同。

混合動力汽車擁有至少兩種動力源，使用其中一種或多種動力源提供部分或者全部動力 的車輛，目前實際中多半采用傳統的內燃機和電動機作為動力源。使用的電動力系統中 包括高效強化的電動機、發電機和蓄電池。


插電式混合動力汽車（PHEV，含 EREV）在廣義上仍是混合動力汽車的一種，但普通 混合動力車的電池容量較小，不能外部充電，不能用純電模式較長距離行駛，僅在起/ 停、加/減速的時候供應/回收能量；插電式混合動力車的電池容量相對比較大，可以外 部充電，可以用純電模式行駛，電池電量耗盡後再以混合動力模式行駛。

電動汽車（Electric Vehicles，簡稱 EV）完全由可充電電池提供動力源的汽車。但受限 於目前動力電池的價格高、壽命短、重量大、充電時間長等缺點尚未完全大規模應用。

燃料電池汽車（Fuel cell vehicles），是電動汽車的一種，其核心部件燃料電池讓氫氣和 氧氣通過化學反應而不是燃燒方式，直接變成電能。燃料電池化學反應除了電能外的副 產品主要產生水，因此燃料電池汽車被稱為綠色的新型環保汽車。  

目前中國中央政府對新能源汽車的購買給予大量的補貼，以降低消費者的首次購買成 本，推動新能源汽車的普及。盡管 2014 年的新能源汽車補貼相對 2013 年下降了 5%左 右，但是整體來看補貼力度依然很大。預計未來隨著新能源汽車的滲透率逐步提升，政 府補貼還會進一步降低直至完全退出。


以目前中國市場最熱的新能源車型之一的比亞迪秦為例，該車型的市場售價在 18-20 萬 元左右。消費者購買該款插電式混合動力除了享受中央政府的 3.3 萬元的補貼之外，地 方政府大多會按照 1：1 的比例再次給予相應的補貼，車主獲得補貼相當於汽車售價的 30%以上。此外車主還享有車輛購臵稅的減免，總體享有的補貼和稅收優惠在 8-9 萬元 左右。消費者實際需要支付的金額在 10 萬左右，基本與一輛普通的合資品牌經濟型轎 車售價無異
如果在上海等車牌管制的區域，還可以免費獲得價值 7-8 萬的車牌使用權，消費者購買 新能源汽車的動力更是大大增強，使得比亞迪的秦在上海市場供不應求。   

三、混合動力汽車（HEV）主要技術特征
普通的混合動力汽車（HEV）一般是指油電混合汽車，這種混合動力汽車一般不依賴外 部充電電源，目前這種汽車在中國劃分為節能汽車。按照混合程度的不同又分為微混、 中混和全混三種類型，不同的混合類型節油效果不同，所需的電池容量和電壓也不同， 如下表所示：


混合汽車根據混合動力驅動的聯結方式，混合動力系統主要分為以下三類：

一是串聯式混合動力系統。串聯式混合動力系統一般由內燃機直接帶動發電機發電，產 生的電能通過控制單元傳到電池，再由電池傳輸給電機轉化為動能，最後通過變速機構 來驅動汽車。電池對在發電機產生的能量和電動機需要的能量之間進行調節，從而保證 車輛正常工作。


二是並聯式混合動力系統。並聯式混合動力系統有兩套驅動系統：傳統的內燃機系統和 電機驅動系統。兩個系統既可以同時協調工作，也可以各自單獨工作驅動汽車。這種系 統適用於多種不同的行駛工況，尤其適用於複雜的路況。該聯結方式結構簡單，成本低。 本田的 Accord 和 Civic 采用的是並聯式聯結方式。


三是混聯式混合動力系統。混聯式混合動力系統的特點在於內燃機系統和電機驅動系統 各有一套機械變速機構，兩套機構或通過齒輪系，或采用行星輪式結構結合在一起，從 而綜合調節內燃機與電動機之間的轉速關系。與並聯式混合動力系統相比，混聯式動力 系統可以更加靈活地根據工況來調節內燃機的功率輸出和電機的運轉。此聯結方式系統 複雜，成本高。豐田的 Prius 采用的就是混聯方式。


四、新能源汽車主要技術特征
目前我國將插電式混合動力汽車（PHEV，含 EREV）、純電動汽車（EV）和燃料電池 汽車（FCEV）歸為新能源汽車，其技術路線也各有特點。

插電式混合動力汽車（PHEV）的技術特征

相對於普通的混合動力汽車，除了起停，制動能量回收外，插電混最重要突破是可以在 純電行駛模式下行駛較長的行程，一般在 50 公里以上。
不同於傳統汽油動力與電驅動結合的混合動力，插電式混合動力驅動原理、驅動單元都 與電動車無異，但這類車上裝備有一臺為電池充電的發動機。在日常使用過程中，只要 單次使用不超過電池可提供的續航里程（一般 50 公里），它就可以做到零排放和零油耗， 在日常中可以當作一臺純電動汽車使用，而發動機的存在又可以解決消費者的里程焦 慮。



而相對於純電動汽車，插電式混合動力汽車電池容量較小，在目前電池成本費用高昂的 情況下，插電式混合動力可以以相對純電動較低的價格進入家庭，尤其是在受國內政府 的重視後又有了相應的補貼，價格優勢更加明顯。

插電混的典型代表是比亞迪秦，該車裝備了 13 kWh 的電池，理論上可以純電行駛 70 公里，而一臺 1.5T 的汽油機又解決了消費者對長途行駛的需求。

增程式混合動力汽車（EREV）的技術特征

目前在插電式混合動力汽車之外，又有一種增程式混合動力汽車開始受到市場關註；增 程式電動車顧名思義就是在車輛上追加了增程器，以進一步提升純電動汽車的續航里 程，避免頻繁地停車充電和用戶的旅程焦慮。

增程式混合動力與插電式混合動力汽車的工作模式非常類似，兩者都可以由動力電池單 獨輸入能量以行駛在純電動模式下，且當動力電池容量接近設定的下限後都轉由另外一 種動力源繼續提供車輛所需的能量。

但從驅動角度分看，增程式電動車不論工作在純電動模式還是增程模式下，其車輪始終 僅由電機獨立驅動，而插電式混合動力汽車如果工作在混合動力模式下，發動機會與電 機一起（經動力耦合後）參與到驅動車輪的行列。  


從混合系統選型看，增程式電動車是串聯式混合動力型式，而插電式混合動力汽車是並 聯式或者混聯式混合動力型式。此外增程式在沒有追加增程器之前是純電動汽車，增程 器的部署基本不影響原有車輛的動力系統結構。而插電式混合動力汽車由於前身是混合 動力汽車，保留了較多的傳統機械部件，結構上更複雜一些，成本也略高。

增程式車型的典型代表是寶馬 I3 和通用的 Volt，在增加了一臺 0.65L 兩缸發動機之後， 寶馬 I3 的綜合續航里程可以達到 300 公里以上。

增程式因其動力電池以及驅動系統在設計之初就匹配較好以達到既定的性能指標（如最 高速度、最大爬坡度等），增程器（發動機與發電機的組合）的存在與否不影響整車的 設計性能。而插電式混合動力汽車因為發動機也參與驅動的緣故，對電池與驅動系統的 匹配要求就不會很高。

純電動汽車（EV）的技術特征

純電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各 項要求的車輛。由於對環境影響相對傳統汽車較小，其前景被廣泛看好。

此外純電動車省去了油箱、發動機、變速器、冷卻系統和排氣系統，動力系統的布臵大 大簡化，而且相比傳統汽車的內燃汽油發動機動力系統，電動機和控制器的成本更低， 且純電動車能量轉換效率更高。

在使用過程中，除了沒有二氧化碳的排放之外，其成本也是相對傳統內燃機大大降低的， 但是因為目前電池價格的居高不下等因素，純電動汽車尚沒有大規模的進入到普通消費 者的家庭。  

純電動汽車典型的代表是 Tesla Model S 和日產 Leaf。其中 Tesla Model S 主打豪華路線， 售價超過 7 萬美金，競爭車型也多是保時捷等豪華超跑品牌，其 85 KWh 可以為達到 502 km 的續航里程，徹底解決了消費者的續航里程焦慮，其良好的動力性和超酷的外 形設計讓其一經推出，就在美國受到消費者特別是高端用戶的瘋狂追捧。

日產 Leaf 走的經濟型路線，搭載的 24 KWh 的電池可以保證 161 公里的續航里程，解 決大部分消費者的日常使用，而不到 3 萬美金的售價也在大部分普通消費者的承擔範圍 內，目前 Leaf 是單一品牌銷量最大的純電動汽車。

燃料電池汽車（FCEV）的技術特征

豐田汽車日前發布了其燃料電池汽車 Mirai，有望在明年開始正式銷售，成為首款批量 化生產的燃料電池乘用車。

燃料電池汽車將作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發生化學反應， 產生出電能發動電動機，由電動機帶動汽車。相比傳統汽/柴油車以及以純電動汽車為 代表的其他新能源車型，燃料電池汽車完全做到了零排放、零汙染，同時不會讓消費者 感受到任何的里程焦慮。完成單次氫燃料補給僅需約數分鐘，遠遠快於純電動汽車的充 電時間。

燃料電池汽車是廣義上是電動汽車的一種，在動力系統布臵上，也需要蓄電池、電機以 及電控系統等純電動汽車的關鍵零部件。由於其可以真正做到零排放、零汙染，成為了 各國政府認可的在長期替代目前傳統汽車理想車型。

五、節能與新能源汽車三大核心系統

中國從“十五”開始了電動汽車重大課題專項，確定了電動汽車三縱三橫的基本技術體 系，燃油電池汽車、混合動力汽車、純電動汽車，以及電池、電機、電控。並在“十二 五”提出了純電驅動的轉型戰略，繼續堅持三縱三橫。“十二五”以來，中國在純電驅 動的技術戰略轉型的指導下，車型開發方面，重點推廣大中型城市純電動客車和小型電 動車；以及逐步在家用轎車推廣插電式混合動力汽車。


不論是混合動力汽車、純電動汽車還是燃料電池汽車，核心技術在於電池、電機和電控 技術，而在整車成本構成中，電池價值量最大，電池的性能與價格構成新能源汽車大規 模應用的最主要的制約因素。

電池系統：電池作為新能源汽車特別是純電動汽車能源提供裝臵，也是最為核心的部件。 目前電池的能量密度、循環壽命、技術成熟度以及成本等關鍵性指標成為制約電動汽車 大規模產業化的因素，電池在整個純電動汽車中的成本占比達到 30%以上。

經過多重因素平衡，鋰電池開始成為主流的新能源汽車用動力電池。

電池管理系統：由於新能源汽車電池必須具有大功率，如果鋰電池的單體容量過大，容 易產生高溫，誘發不安全因素，所以對於汽車用的電池必須通過串並聯的方式形成電池 組。如 Tesla Model S 的電池系統采用了松下的近 7000 顆 18650 電池，而作為管理這一 龐大電池組的 BMS 已經成為 Tesla 的核心技術之一。

而在電池組工作中，單個電池的生產不一致性和使用環境的細微差別，會造成電池壽命 的差別，進而對整個電池組的壽命和性能產生不利影響。為減小這些不利因素，新能源 汽車會采用 BMS 實時監控、自動均衡、智能充放電的電池，起到保障電池安全、延長 電池壽命、並估算剩余電量等重要功能。電池管理系統成為新能源汽車的核心技術之一。

電機系統：電機作為電動汽車的動力輸出裝臵，需要具有高效率、高適應性和輕量化的 特征，以保證整車的性能。

目前新能源汽車開始采用永磁電機作為主流的動力輸出系統，永磁電機的優點在於結構 簡單，運行可靠；體積小，質量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣 等顯著優點，這些優點正是新能源汽車所需要的。

除了轉子和定子外，永磁電機的核心零部件是矽鋼、磁鋼、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極型晶體管，用以控制電機電路開關）、電容器、接插件和軸承等， 特別是 IGBT 目前已經成為我國永磁電機大規模工業化應用需要迫切攻克的難題。  





(源自中金汽車)


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