新能源汽车技术的技术原理和优缺点

何国俊

Abstract： As China continues to make breakthroughs in technological innovation， the development of the manufacturing industry is advancing by leaps and bounds， and the development of the automobile industry has also been qualitatively improved. Through an in-depth analysis of the composition principles and application advantages and disadvantages of China's new energy electric vehicles， this article fully elaborates the necessity and importance of China's new energy electric vehicle technology development. New energy electric vehicle manufacturing technology plays an extremely important role in promoting the transformation and upgrading of my China′s modern industry and the sustainable development of my country′s low-carbon and environmentally friendly economy. The public correctly understands the advantages and disadvantages of China′s new energy vehicles for the popularization of new energy vehicles and the entire industry. The continued development of the company is also extremely important.

关键词： 新能源汽车;技术及其工作原理;优缺点;新能源电动汽车技术

Key words： new energy vehicles;technology and its working principle;advantages and disadvantages;new energy electric vehicle technology

中图分类号：U46                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0245-03

0  引言

随着我国经济飞速发展，GDP不断提高，汽车已经从之前的奢侈品成为了现在老百姓日常的必须品。目前我国汽车保有量已超过3亿辆，汽车技术也有了长足发展，但石油资源的枯竭和环境问题对传统燃油汽车工业提出了更为苛刻的要求。因此遵循国家能源转型战略，研发和使用由清洁能源提供动力的新能源汽车是解决环境污染、应对能源危机的有效方法。大力发展节能减排，低碳环保技术是我国现代工业、农业、乃至现代服务业融合发展的一个必然趋势，应及时结合上述信息材料认真落实国家相关政策举措，为未来我国推进新能源电动汽车制造技术和现代交通运输领域的融合发展应用做出有效政策支持。本文将从新能源汽车的技术原理和优缺点入手分析新能源汽车良好的发展趋势和需要突破的技术瓶颈。

1  新能源汽车的工作原理

目前常见的新能源汽车有纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车，其中纯电动汽车和混合动力汽车技术较成熟，市场保有量较大。纯电动汽车利用动力电池存储的电能驱动电动机运转，让汽车连续行驶。混合动力汽车有两个或多个能同时工作的驱动系统，车辆的行驶功率依据车辆实际的行驶状态由单个或多个驱动系统提供。燃料电池电动汽车实际上是纯电动汽车的一种，只是电池的工作原理不同，燃料电池通过电化学反应将化学能转化为电能，一般利用氢气充当电化学反应的还原剂，用空气中的氧气充当氧化剂。下面以纯电动汽车为例简要说明其工作原理。

纯电动汽车主要由驱动电机、动力电池组和电控系统组成。电动机取代传统汽车的发动机驱动汽车行驶，其动力性可轻松超越普通内燃机，动力输出的快速响应能力也远高于发动机，反应更灵敏。电动机是电动汽车的心脏，在纯电动汽车中承担着发电和电动双重功能，在正常行驶时发挥电动功能，将动力电池的电能转化成机械能供给整车，而在降速或者长下坡滑行时发挥发电功能，将车轮的动能转化成电能，存储在动力电池中进行能量回馈。纯电动汽车中的驱动电机应根据其特性选择调速范围宽、调速特性稳定的电机，使其可以在一个较大的速度范围内稳定高效的产生转矩，纯电动汽车不需要复杂的变速器和传动机构就可以驱动车辆，能大大降低能量损耗。

动力电池组是纯电动汽车的能量源，它通过串并联原理將电芯组成500-1000V的高压直流电池组，再通过DC/DC转换器供给所需的不同电压。但由于制造工艺、工作环境、使用习惯等因素的不同，同一电池包中的不同电池单体会有所差异，这就需要电池管理系统（BMS）对电池组进行科学的管理，以达到性能稳定、延长寿命的功效。电池制造成本高、充电时间长、续驶里程短等问题也是制约纯电动汽车发展的主要问题。近年来，新能源汽车行业也在努力突破电池问题，目前镍氢电池和锂离子电池成为各大新能源车企的新宠。其中镍氢电池以充电时间块，循环寿命长，不存在重金属污染等优点被称为“绿色电池”，但镍氢电池能量密度较低制约其发展;锂离子电池有较高的能量密度，寿命较长，稳定性也有显著提高，非常适合纯电动汽车动力电池，是未来纯电动汽车的主力电池类型。

电控系统是电动汽车的神经中枢，它将驱动电机、动力电池和其他辅助系统连接起来，并且有序控制汽车正常工作。电力驱动控制系统按工作原理可分为动力电池管理模块、驱动电机管理模块和辅助模块三大部分。电力驱动主模块由中央控制单元、驱动控制器、驱动电机和机械传动装置等组成。中央控制单元根据加速踏板和制动踏板的输入信号，控制驱动电机起动、加速、减速和制动。驱动电机控制器的功能是接收中央控制单元的命令，进而控制电机速度、驱动转矩和旋转方向;车载电源模块主要由动力电池组、电池管理系统和充电控制器三部分组成。电池管理系统主要功能有：根据整车用电需求通过DC/DC转换器给辅助系统提供12V低压电或给驱动电机提供高压直流电的功能;电池包内电池单体一致性偏差引起某个电池性能变化很大时，电池管理系统指令均衡模块启动，进行均衡，保证系统正常工作的功能;故障诊断功能;保证充电功能;历史数据存储功能;通信功能;热管理功能;安全管理功能;能量管理功能;电池状态估计功能;数据采集功能等。

2  新能源电动汽车相关技术应用原理及优缺点分析

2.1 燃料电池汽车技术原理及优缺点

燃料电池是一种将电化学能转化成电能的能量转化装置，它使氢气和空气中的氧气发生氧化反应（燃烧）从而产生电流，且氢与氧化学反应后只生成水，整个过程清洁高效，能量利用率可达到60%以上。氢燃料电池汽车通常由燃料电池堆、氢气储气罐、动力电池、燃料电池、直流升压转换器、动力电机和动力控制单元组成。工作时氢气通过导气板通入阳极，在阳极催化剂的作用下1个氢分子分解成2个氢质子，并且释放出两个电子，阳极的反应为：H2→2H++2e。氧气（空气）通过导气板通入电池阴极，在阴极催化剂的催化下，氧分子和氢离子结合电路传导来的电子发生反应生成水，阴极的反应是：O2+4H++4e→2H2O。在外电路中，电子的定向移动形成直流电，因此只要不断提供氢气和氧气（空气）就可以不断产生直流电，供给汽车行驶。

与传统汽车相比，燃料电池汽车可以达到零排放，可有效改善环境污染问题，且氢气来源广泛、用之不竭，是一种理想的可再生能源。燃料电池将化学能直接转化成电能，不会产生大量废气和废热，转化效率高、电池寿命长、维护工作量小。与纯电动汽车相比，燃料电池汽车加注氢气时间短（3-5分钟），使用方便。但目前燃料电池汽车市场保有量不高，主要原因是对制造者和销售者包括消费者都有一定的技术要求，还有很多技术难题没有攻克。再有就是汽车造价太高，难以推广，虽然随着技术的改进成本有所下降，但想大面积普及还有一段路要走。最后是基础设施配套困难，氢气的罐装需要有一定量的基础配套设施做辅助，但推动建设需要一定时间和资金。

2.2 纯电动汽车的技术原理及优缺点

纯电动汽车以车载动力电池为动力，用电机驱动汽车行驶，其主要由电力驱动控制系统、底盘、车身和各种辅助装置组成。电力驱动控制系统是整车的核心，也是目前整个行业的技术难点，决定性能特征及续航里程。纯电动汽车工作原理可大致总结为：蓄电池-电流-电力调节器-电动机-动力传动系统-驱动汽车行驶。与传统燃油汽车相比纯电动汽车增加了电机、调速控制器、动力电池、车载充电器这四个部件，其能量主要是通过柔性的电线传递而不是通过刚性齿轮或者传动轴传递，再加上舍去了发动机、变速器、燃油箱、冷却和排气系统，使得整车布置比较灵活，可实现造型或功能上的个性化设计，动力响应也比传统汽车快。此外纯电动汽车使用电能驱动，在行驶过程中无废气排出，不污染环境，符合国家的“碳中和”政策需求，能源利用率可达到80%以上，比传统汽车更加节约能源。运行时噪音、振动小，整车舒适性和驾驶体验佳，且可在用电低峰时充电，可以平抑电网的峰谷差，使发电设备得到充分利用。

但目前纯电动汽车并没有占据绝对的市场份额主要是因为：整车控制技术不完善，专业维修人员缺少，社会认可度不高，配套设施普及率低。动力电池寿命短、重量大、造价高，维护技术和回收再利用体系不成熟，以及充电时间长、续航里程短，受气温影响大，在北方寒冷地区很难拓展市场等。

2.3 混合动力汽车的技术原理及优缺点

混合动力汽车一般是指由燃料发动机和电池电动机共同运行来驱动的汽车。由于纯电动汽车技术还不成熟，目前传统燃油汽车的霸主地位依然不可动摇。随着石油燃料的燃烧，大气污染、全球变暖、石油开采殆尽等环境问题一一出现，汽车厂商们纷纷推出混合动力汽车试图替代传统燃油汽车。混合动力汽车分为微度混合动力、中度混合动力、全混合动力和插电式混合动力四种。

微度混合动力汽车有自动启停功能，是在传统内燃机的起动电机上加装了皮带驱动启动电机，当汽车处于长时间怠速时暂停发动机工作，从而降低了油耗和排放。严格来讲，微混合动力汽车的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力，所以不算是真正的混合动力汽车。

中度混合动力汽车采用ISG系统，装备有高压电动机，在汽车加速或大负荷工作时电动机帮助发动机共同驱动汽车，可改善发动机动力不足、输出响应滞后的问题，提高了整车性能。这种系统混合程度可以达到30%且技术较成熟，应用广泛。

全混合动力汽车采用272-650V的高压起动电机，混合度可达50%以上。工作时通过车载蓄电池供电，电动机可以在匀速巡航或起动工况下独立驱动汽车，发动机只是在加速或电池电量不足的情况下补充驱动，可更好结合电机和内燃机的优点，目前应用也很广泛。

插电式混合动力汽车是一种将纯电动系统和现有混合动力系统相结合的产物，在工作时由于有外接插入式充电系统，车辆可以在电动状态下行驶较长里程，将内燃机的工作比例进一步缩小，可有效解决目前纯电动汽车续航里程短的问题。

混合动力汽车的优点：混合动力汽车延续传统汽车的用车习惯，客户接受程度高，政府和企业也无需投资新建充电装置和加油站;由于在起步、加速等大功率运行时有电动机的辅助，使得混合动力汽车燃油经济性高、排放低、整车行驶性能优越;在低速或怠速时利用电动机工作可有效降低机械噪音。

混合动力汽车缺点：混合动力汽车拥有两套驱动系统，这使得整车质量和造价增加，控制复杂，目前技术也不成熟;它主要依靠势能和电能的不停转化从而达到节能的目的，所以在频繁制动、减速时相对节能，而处于长时间匀速行驶时节能效果就会大大降低。

3  新能源电动汽车关键技术特点研究及我国未来发展战略方向

21世纪是科学技术发展日新月异的时代，也是节能减排最为迫切的时代，尤其凸显在汽车制造产业。汽车的智能化、电动化已经成为发展潮流和趋势。汽车与能源、信息通信及人工智能等领域的加速融合正在推动汽车行业技术改革和能源消费结构的变革，这对建设清洁美丽世界、构件人类命运共同体具有重要意义。也使得新能源汽车产业迎来了前所未有的发展机遇。新能源汽车关键技术主要集中在电池、电机和电子控制系统三方面。

在电池方面应瞄准国际前沿技术，大力发展功率型动力电池和超级电容技术，在电池的输入输出特性、安全性、各单体的一致性、使用寿命、热管理技术和制造成本方面下手，提高动力电池模块化发展，不断研究新型电池技术，为新能源汽车长期发展做好准备。研究的重点应放在新型锂离子电池的设计、性能预测及安全评价上，并通过技术验证，建立动力电池创新发展技术研发体系，为新能源汽车发展提供科技支撑;在电机方面应从新材料、新结构、绝缘栅双极型晶体管芯片封装、驱动系统混合集成和新型传动结构等方面着手，开发效率高、材料利用率高和环境适应性强的电机。同时应兼顾混合动力大规模产业化的需求，开发适用于混合动力汽车的新型电动机和发动机，为新能源汽车大规模普及提供技术支撑;在电子控制系统方面纯电动汽车应利用高性能的整车控制器、专用芯片和智能网联技术重点开发先进的容错性高、實时性强的分布式控制系统，该系统应具备高校、智能和低噪声的特点，可实现智能充电及远程监控技术。混合动力汽车应重点研发高性能的混合动力系统整车控制器，开发混动专用控制算法、混动专用实时控制网络协议、多部件之间动态协调控制算法，以满足混动汽车大规模产业化技术需求。

得益于新能源汽车的碳排放优势和性能优势，近几年来世界主要的汽车强国纷纷表示将其提升至国家战略高度，多国已提出“禁止销售燃油汽车时间表”。未来新能源汽车产业发展潜力大、市场前景广。我国新能源汽车行业既有北汽、比亚迪、吉利等传统车企领跑，也有蔚来、威马、小鹏等造成新势力的强势崛起。在行业格局正在形成的今天，传统车企需加速转型布局，造车新势力须加大融资建厂规模。我国新能源汽车产销量全球领先，累计已超过200万辆。在政府的引导和新能源汽车行业的共同努力下，近几年我国推出了26项国家标准，796项国内外专利，在新能源汽车研发方面取得了巨大进展。未来，商用车将率先电动化，目前公交车电动化已经普及，出租车和物流车由于管理较方便，有望迎来新一轮的电动化热潮;随着新能源汽车市场保有量的不断增长，产业链条已趋于完整，充电基础设施配套不足的矛盾会越来越明显，其整体建设规模已严重滞后，未来，新能源汽车配套产业将逐步完善;我国新能源汽车会越来越具有中国特色，目前纯电动汽车已初见成效，但续航里程短、电池造价高等弊端也摆在面前。因此，燃料电池、插电式、增程式技术作为新能源汽车行业的补充会大力发展，今后将重点突破动力电池和燃料电池的关键核心技术，增加车辆续航能力;随着第一批纯电动汽车动力电池接近报废年限，动力电池回收问题日益凸显，但电池回收法律法规尚不完善，回收利用体系尚不健全，回收利用成本高、盈利难，回收技术和再加工工艺水平不高，未来需加速建设动力电池回收体系，建立废旧动力电池回收、运输、存储等相关法律法规，为新能源汽车持续发展提供新的增长动力。

4  结束语

虽然我国新能源汽车起步晚，目前技术尚不成熟，但在政府的大力扶持和整个行业的不断努力下，相关政策法规日趋健全，技术和配套设施日益完善，社会大众的接受度也有了很大提高，市场发展稳定有序、销量逐年上升。经过近几年的持续发展，已经取得了优秀战果。我国在汽车控制系统、智能网联技术等领域也取得了突破性进展，越来越多的新技术被用在了新款车型上，行业发展可谓蒸蒸日上。节能环保是新能源汽车的特点也是最大的优点，是新能源汽车未来发展的巨大优势所在。新能源汽车利用存储在动力电池中的电能来驱动电动机，使汽车行驶。但续航里程短、受环境温度影响大、电池造价高等缺点也是制约新能源汽车发展的难题。基于环境保护意识的提高和能源安全的考虑，新能源汽车未来仍然是我国能源转型和“碳平衡”战略的排头兵，技术瓶颈和配套设施问题将在全行业的共同努力下一一突破，未来必将拉动我国汽车产业技术革新和经济增长。相信随着技术的不断进步，在不远的未来一定能突破技术难关，解决新能源汽车弊端，让新能源汽车真正称为交通运输领域的顶梁柱。

参考文献：

[1]冯义，刘子文，孙堃，等.专利分析法在国内新能源汽车技术创新研究中的应用[J].陕西电力，2019，047（011）：35-40，47.

[2]郭敏，张昊，陈茜雯.我国新能源汽车技术创新态势研究——基于国内1988—2018年专利数据的分析[J].河南科学，2020，38（01）：134-143.

[3]车万华.新能源汽车技术服务技能大赛促进职业教学改革[J].农机使用与维修，2020（02）：102-103.

[4]陈新，宋敬滨，李彦.基于《悉尼协议》范式下新能源汽车技术专业建设的研究[J].内燃机与配件，2019（03）：255-257.

[5]闫亚林.基于“1+X”证书制度下新能源汽车技术专业人才培养方案优化研究——以杭州职业技术学院为例[J].汽车实用技术，2020（08）：240-243.

[6]江俊豪.浅析新能源汽车技术技能竞赛选拔训练与赛前准备应对策略[J].时代汽车，2020（15）：33-34.

[7]刘佳庚，赵美红.职业院校融合岗位能力的专业课程体系构建——以新能源汽车技术专业为例[J].电大理工，2020（02）：44-47.

[8]杨蔚.“互联网+”背景下高职新能源汽车技术课程的翻转课堂教学研究[J].南方农机，2020，51（04）：99.