文：王新旗

新能源汽车技术原理与维修（1）
——新能源汽车的发展背景与历史（上）

文：王新旗

1.新能源汽车是汽车发展历史的必然选择

电动车的历史比当代以汽油及柴油为动力的内燃机汽车都要早，根据资料记载，最早可追溯到1834年。美国人托马斯·达尔波特制造了一辆由不可充电的干电池驱动的电动三轮车，虽然只能短距离行驶，但他因此获得了美国电机行业的第一个专利。另一个同时期的苏格兰人罗伯特·安德森发明了电驱动的马车，这也是一辆使用不能充电的初级电池驱动的车辆。

汽车是“改变世界的机器”，但在21世纪却面临着能源资源和生态环境的严峻挑战，“节能、环保、低碳、绿色”已经是全社会共同努力奋斗的目标，我们步入了“世界改变汽车”的新技术革命时代。也就是说，能源供应、能源安全、区域性的空气质量、全球型的气候变暖……这些已成为全球汽车产业可持续发展所面临的挑战，同时也成为推动世界范围内新能源汽车研究的主要驱动力因素。

（1）能源危机是推进新能源汽车发展的决定因素

全球过度依赖日益枯竭、不可再生的石化能源，使世界经济面临风险。上世纪，全球爆发的三次石油危机，导致了战争和全球经济衰退，究其根源，能源供给和需求的不均衡导致了全球的经济生态的脆弱，能源危机深刻地影响着全球政治和经济的格局。

目前我国的汽车保有量已经超过日本，仅次于美国，成为世界第二大汽车保有国，对中国而言，能源匮乏和定价权的缺失，导致对外依存度居高不下。《2013年国内外油气行业发展报告》显示，在2013年我国石油的对外依存度就已经超过国际警戒线，达到58.1%，严重威胁到国内的能源安全。因此，为预防能源危机，中国推进新能源汽车的发展和普及具有长远战略意义。

（2）环境污染，减少碳排放是新能源汽车发展的主要因素

传统能源汽车在消耗大量燃油的同时，通过尾气排放出上百种不同化合物，其中已确认的污染物有固体悬浮细颗粒物（PM）、CO、HC、NOx、铅及SOx等，严重影响大气质量，造成环境污染，直接威胁到人类健康。譬如，HC和NOx是光化学烟雾最重要的前导反应物；CO和NOx也是形成酸雨的主要成分；固体悬浮细颗粒物（PM2.5）是形成雾霾天气的主要元凶之一；CO2会引发温室效应，致使大气升温造成“全球变暖”。以北京和上海为例，2014年环保部门的数据显示，固体悬浮细颗粒物（PM2.5）的25%来源于传统汽车。

根据有关资料统计，在石油消耗中，交通运输领域所占比例高达34%，碳排放量约占我国总体碳排放的23%。在2009年的哥本哈根全球气候会议上，前总理温家宝已经代表中国政府郑重承诺，到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降40%～45%。在这样严峻的减排压力下，作为全球第一大汽车市场，发展新能源汽车成为我国节能减排的必然选择。

2.新能源汽车的发展进程及相关指导政策

我国发展节能与新能源汽车的技术战略已形成“三纵三横”的布局。“三纵”指混合动力汽车的技术、纯电动汽车技术和氢燃料汽车技术同步发展作为不同阶段的产业化目标；“三横”是指电池及电池管理系统、电动机及驱动系统、能源动力总成控制系统为重点突破方向，它是实现不同阶段产业化目标的技术基础。

2012年5月，国家通过《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》（以下简称《规划》），明确提出了实施节能与新能源汽车技术创新工程、科学规划产业布局、加快推广应用和试点示范、积极推进充电设施建设、加强动力电池梯级利用和回收管理等五大任务。

（1）产业布局方面

要重点建设动力电池产业聚集区域，力争形成2～3家产销规模超过百亿W·h、具有关键材料研发生产能力的龙头企业，在正负极、隔膜、电解质等关键材料领域分别形成2～3家骨干生产企业。

（2）市场应用推广方面

要在大中型城市扩大公共服务领域新能源汽车示范推广范围，开展私人购买新能源汽车补贴试点，探索新能源汽车及电池租赁，充换电服务等多种商业模式，大力推广普及节能汽车。

（3）充电设施建设方面

重点在试点城市建设充电设施，将充电设施纳入城市综合交通运输体系规划和城市建设相关行业规划，积极试行个人和公共停车位分散慢充等充电技术模式。

同时《规划》也明确指出，以纯电驱动作为汽车工业转型的主要战略取向，重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平，争取到2020年新能源汽车产销量超过200万辆，累计产销量达到500万辆以上；当年生产的乘用车平均燃油消耗量降至每百公里5.0 L，同时新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平。

国际上，美国、日本和欧盟等在新能源汽车的发展历程中，都经历了多种的技术尝试，并结合自身的条件和优势进行了一些调整。各国在新能源汽车的技术开发中也存在各自的特点。比如美国更加注重能源的清洁型和较长行驶里程，对发展燃料电池较为关注；日本在混合动力汽车领域则投入更多精力，并以丰田、本田公司为代表，拥有技术上的巨大优势和市场上的广泛认可（2016年开始日本已转向燃料电池汽车的发展，并在市场上开始推广）；欧盟中以德国为代表则更为注重氢燃料发动机的研发并也取得了成功，但成本较高，技术安全性以及相关基础设施欠缺是阻碍其市场化的主要因素。

新能源汽车的发展主要面临技术和市场两个因素考验，也是最终决定何种技术为主导的重要可行性依据。因此我们应结合中国的国情，从这两个着手点突破，一个是相关核心技术的研发与突破；另一个是通过使用环境的改善获得市场的支持和认可。如果能充分利用国内巨大的市场需求，脚踏实地，认真做事，我们一定能在新能源汽车产业领域获得长足发展和进步。因此，发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，这在我国对新能源汽车发展的4个不变原则中也得到充分反映：国家发展新能源汽车战略不变；以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主战略取向不变；确定的节能与新能源汽车的规划目标不变；政府政策扶植的政策取向不变。

在2001年，我国就已经确定了节能与新能源汽车的战略，在“863”计划中列入了电动汽车这一重大专项。2009年7月1日正式实施《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》。随后在2010～2014年年底，为促进新能源汽车的发展又先后颁布实施了《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》、《节能和新能源汽车产业发展规划（2012-2020年)》、《关于进一步做好新能源汽车推广应用工作的通知》、《关于免征新能源汽车车辆购置税的通告》、《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》等一系列的政策和通知。总之，中央和地方每年都有指导和支持新能源汽车发展的相关政策出台。

2015年在《中国制造2025》中将新能源汽车制造定义为国家战略，为了规范新能源汽车的发展，颁布实施《新建纯电动乘用车企业管理规定》。从2015年开始，李克强总理的4次国务院常务会议报告中都提出了新能源汽车发展的相关指导意见，各种支持新能源汽车发展的落地政策也在不断实施中。由此可见，新能源汽车是基于能源安全、环境保护、技术竞争力、产业升级的国家战略。

3.目前主要新能源汽车厂家及车型

目前国内在纯电动汽车方面，北汽新能源在2015年实现了全国第一，全球第四的销量，旗下主要有E150EV、EV160、EV200、ES210和威旺307EV，以及2016年刚上市的EU260（图1）。如果算上混合动力，比亚迪目前是国内新能源汽车产销量的第一名，产品主要有e6及唐、宋（图2）、秦、F3DM，以及K9客车，与奔驰合资生产的腾势在市场也有不俗的表现。此外，一汽、东风、上汽、江淮、奇瑞、长安和吉利等整车企业也有新能源汽车的相关车型，其中江淮iEV系列车型也曾在电动汽车销售中位列前三甲。

美国车型除了大家耳熟能详的特斯拉，还有雪佛兰沃蓝达（插电式混合动力汽车）在国内进行销售；德国目前在国内销售的一款是宝马的i3，另一款是大众的e-up；日本之前主要的技术路线是混合动力，丰田普锐斯（Prius）是较为典型的代表，之后就是纯电动的日产聆风，目前全球销量第一位。将来燃料电池汽车将会成为日本新能源汽车的发展方向。

图1 EU260

图2 宋

4.新能源汽车的定义及分类

这里有新旧两个定义及分类说明，一个是国家2009年7月1日正式实施的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》对新能源定义是指采用非常规的车用燃料作为动力源（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。

基于此，根据动力源的不同，新能源汽车可以分为以下4大类。

第一类是仍以内燃机为动力源的新型燃料汽车。使用气体燃料，如氢气、压缩天然气、液化天然气和液化石油气，或使用不由原油裂化得到的液体燃料，如乙醇、生物柴油等生物燃料。

第二类是以太阳能为动力源的汽车。

第三类是以氢燃料电池为动力源的汽车。

第四类是电能可以作为动力源的汽车。其中，根据电力驱动的程度，进一步可以分为纯电动汽车、插电式混合动力汽车和内燃机动力为主电力驱动为辅的不具有插电功能的一般混合动力汽车。

很多读者可能对新能源车理解和认识还停留在以上这个层面，但现在我国对新能源汽车定义已经有了新的明确说明。根据国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》中明确新能源汽车的范围为插电式混合动力汽车（同时要求单次纯电行驶里程不小于50 km/h）、纯电动汽车和燃料电池汽车，并将常规混合动力汽车划归为节能内燃机汽车。

综上，我们认为新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源（如电能等非石油燃料）驱动的汽车。具体的分类如图3所示。

（1）混合动力汽车

图3 新能源汽车的分类

图4 典型插电式混合动力汽车动力（结构）工作简图

在谈及被我国认可的新能源混合动力汽车（增程式插电混合动力）之前，我们先了解一下传统上（技术层面）对混合动力汽车的定义。混合动力汽车也被称为复合动力汽车，其动力输出部分或全部依靠车载的内燃机提供，并根据对其他动力源（如电动源）的依赖程度分为弱混、轻混、中混和重混（全混），根据其动力输出的分配方式分为并联、串联和混联。

我们首先了解一下增程式混合动力汽车，它是在纯电动汽车上加装一套内燃机作为电力源的充电系统，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。

插电式混合动力汽车是可以直接由外接电源充电的重度混合动力汽车，而且电池容量较大，可以靠纯电力驱动行驶较远的距离（目前我国的要求是综合工况下行驶50 km），因此其对内燃机的依赖较少。在插电式混合动力中，电动机是主要的动力源，而内燃机作为备用动力，当动力电池能量消耗到一定的程度或电动机不能提供所需动力时才起动内燃机，以混合动力模式行驶，并适时向电池充电（图4）。

图5 典型纯电动汽车动力（结构）简图

图6 典型氢能源汽车动力（结构）工作简图举例

插电式混合动力汽车与增程式混合动力汽车虽然都属于可充电的混合动力汽车，但是它们之间却有本质的区别。插电式混合动力汽车是在重度混合动力汽车的基础上，再增加配置动力电池和充电接口，使用者可获得更多的纯电行驶里程；增程式混合动力汽车是在纯电动汽车的基础上，装备一个小型的辅助发动机组，以备电池电量不足时为电池充电（这里要说明，该种充电由于发动机功率的受限，它只是一定程度的补充，并不是只要发动机工作，就可以满足汽车各种工况下的电驱动所需电力）。

这里还有一个概念也需要特别说明，就是“充电”的概念。广义上讲，电池增加电能的过程就可以称为充电，这样在新能源汽车的工作过程中，动力电池有以下3种充电模式。

①内燃机的机械能通过电机系统转化为电能输入动力电池。

②车辆减速，通过电机（此时电动机将作为发电机）将车辆的动能转化为电能输入动力电池（即能量回收）。

③通过车载充电机或外部充电桩，将外部电源的电能输入动力电池（外接充电）。

因此，为了进行区分，通常将“充电”定义为以内燃机的机械能作为能力源的模式，可理解为狭义充电的概念，而能量回收不再称为充电，外部充电就特指前文所述第3种模式。

了解了这些，才能理解由于传统的混合动力系统汽车不具备外接充电功能，从而与插电式混合动力汽车有本质的区别；同时也能理解增程式的混合动力汽车既可以划分到混合动力汽车，也可算做纯电动汽车的原因了。

（2）纯电动汽车

纯电动汽车（BEV）是指以动力电池为唯一车载电源，并由电动机提供驱动扭矩的汽车，可简称为EV（图5）。其优点是：无排放污染，噪声低；能源转化效率高且多样化；使用和维修保养与内燃机汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车相比，纯电动汽车较为简单，动力传动部件更少，维护保养工作量更少。特别是电动机本身，使用范围广，不易受所处环境影响，所以纯电动汽车的服务成本和使用成本相对较低。

（3）氢能源汽车

氢能源汽车有2类，一类是氢能燃料电池汽车（或称燃料电池汽车）；另一类是氢内燃机汽车（或称氢能燃料汽车）。但是这两者又有很大的区别，前者是由氢燃料通过化学反应产生驱动电力（这点又不同于一般的纯电动汽车，纯电动汽车的电力是通过车载动力电池的反复充电获得的）；而氢内燃机汽车是以氢气为燃料，通过氢发动机（类似于传统能源的汽油发动机）直接燃烧氢气从而获得动力。总之两者都是以氢气为燃料，排放物是水，没有污染，因此氢能源汽车是传统汽车最理想的替代方案，也是最备寄予希望的绿色能源汽车（图6）。

限于中国市场推广重心及篇幅所限，后续相关文章提到的新能源汽车主要指的是纯电动汽车或混合动力汽车，暂时还不包括燃料电池汽车。

（待续）

王新旗，北京汇智慧众汽车技术研究院外聘专家团队成员，北京理工大学道路运输工程专业工程硕士，汽车维修工程师，国家职业技能竞赛注册裁判员。1998年开始从事汽车维修技术工作，2003年起先后在上海雷神、大陆汽车俱乐部、北京TTI以及ZF销售服务（中国）等公司担任高级培训师、培训经理等职。对美系、德系和日系车辆的电控发动机、底盘、自动变速器以及车身网络电气等系统，从理论到实践都有较深刻的理解和认识，培训、管理和课程开发经验丰富。