第1章　概述

1.1　電動汽車的分類、運行特點及電能補給方式

1.1.1　電動汽車的分類

按照我國2009年7月1日正式實施的《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)則》，新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料，但采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，制成的技術(shù)原理先進(jìn)，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。新能源汽車包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發(fā)動機汽車等（圖1-1）。

電動汽車是全部或部分由電能驅(qū)動電動機作為動力系統(tǒng)的汽車，按照目前技術(shù)的發(fā)展方向或車輛驅(qū)動原理，可劃分為純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車三種類型。

1.1.1.1　純電動汽車

純電動汽車是完全由可充電蓄電池（如鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池或鋰離子蓄電池）提供動力源的汽車。純電動汽車由底盤、車身、蓄電池組、電動機、控制器和輔助設(shè)施六部分組成。由于電動機具有良好的牽引特性，因此純電動汽車的傳動系統(tǒng)不需要離合器和變速器。車速控制由控制器通過調(diào)速系統(tǒng)改變電動機的轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)。現(xiàn)在純電動汽車技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，國外發(fā)達(dá)國家和我國都有部分車型投入量產(chǎn)和商業(yè)化運營。純電動汽車具有如下優(yōu)點。

①減少對石油資源的依賴，實現(xiàn)能源利用的多元化。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力、風(fēng)力、光、熱等，解除人們對石油資源日見枯竭的擔(dān)心。

②減少環(huán)境污染。純電動汽車本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其他污染物也顯著減少，由于發(fā)電廠大多遠(yuǎn)離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動的，煙塵集中排放，清除各種有害排放物較容易，已有了相關(guān)技術(shù)。

③能源轉(zhuǎn)換效率高。純電動汽車的能源效率超過汽油機汽車，特別是在城市運行，汽車走走停停，行駛速度不快，純電動汽車更加適宜。原油經(jīng)過粗煉，送至電廠發(fā)電，發(fā)出的電充入蓄電池，再由蓄電池驅(qū)動純電動汽車，其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠停俳?jīng)汽油機驅(qū)動汽車高。

按我國現(xiàn)行電價和油價水平，純電動汽車的運行費用低于傳統(tǒng)汽車，具有較好的經(jīng)濟性。但是目前純電動汽車還存在著續(xù)駛里程較短、蓄電池價格較高等缺點。

雖然純電動汽車已有100多年的歷史，但一直僅限于在某些特定范圍內(nèi)應(yīng)用，市場規(guī)模較小。主要原因是由于各種類型的蓄電池普遍存在價格高、壽命短、外形尺寸和重量大、充電時間長等缺點。目前采用的鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子電池，根據(jù)其實際裝車時的循環(huán)壽命和市場價格，可估算出純電動汽車從各種動力蓄電池上每取出1kW·h電能所必須付出的費用。

在估算純電動汽車從各種動力蓄電池上每取出1kW·h電能所必須付出的費用時，假設(shè)蓄電池最高可充電的荷電狀態(tài)（SOC）為0.9，放電SOC為0.2，即實際可用的蓄電池容量僅占總?cè)萘康?0%。由電網(wǎng)供電價為0.5元/（kW·h），蓄電池的平均充放電效率為0.75，粗略計算中可知，從電網(wǎng)取電僅需0.5元/（kW·h），但充入蓄電池，再從蓄電池放電，鉛酸蓄電池每提供1kW·h電能的價格為3.05元左右，其中2.38元為蓄電池折舊費，0.67元為電網(wǎng)供電費，而從鎳氫蓄電池中每提供1kW·h電能的，費用為9.6元，鋰離子電池為10.2元，即后兩種先進(jìn)的蓄電池供電成本是鉛酸蓄電池的3倍多。

目前國內(nèi)市場上用柴油機發(fā)電，價格大致為3元/（kW·h），若用汽油機發(fā)電，供電價格估計為4元/（kW·h），即從鉛酸蓄電池提供電能的價格大致與柴油機發(fā)電價格相等，僅從取得能量的成本來考慮，采用鉛酸蓄電池比汽油機驅(qū)動有一定的價格優(yōu)勢，但是由于鉛酸蓄電池太過笨重，充電時間又長，因此只被廣泛用于車速小于50km/h的各種場地車、高爾夫球車、垃圾車、叉車以及電動自行車上。實踐證實鉛酸蓄電池在這一低端產(chǎn)品市場上有較強的競爭力和實用性。

相對于鉛酸蓄電池，鎳氫蓄電池在能量體積密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。鎳氫蓄電池雖然具有較高的比能量和比功率、相對壽命較長等優(yōu)點，但由于鎳金屬占其成本的60%，導(dǎo)致鎳氫蓄電池價格居高不下。鎳氫蓄電池并非是電動汽車的理想蓄電池，其可能只是一種過渡性的蓄電池。目前，鎳氫蓄電池仍是近期和中期電動汽車使用的首選動力蓄電池，隨著鋰離子電池的大規(guī)模生產(chǎn)和成本的降低，鎳氫蓄電池終將退出。

鋰離子電池技術(shù)發(fā)展很快，近10年來，其比能量由100W·h/kg增加到180W·h/kg，比功率可達(dá)2000W/kg，循環(huán)壽命達(dá)1000次以上，工作溫度范圍達(dá)-40～55℃。近年，由于磷酸鐵鋰離子電池的研發(fā)有重大突破，又大大提高了鋰離子電池的安全性。目前已有許多發(fā)達(dá)國家將鋰離子電池作為電動汽車用動力蓄電池的主攻方向。預(yù)計到2020年后，鋰離子電池的性價比有望達(dá)到可以和鉛酸蓄電池競爭的水平，而成為未來電動汽車的主要動力蓄電池。

純電動汽車的技術(shù)難度小于插電式混合動力汽車，目前國內(nèi)即將上市的純電動汽車的各項性能指標(biāo)已經(jīng)可以滿足一般用戶的需求，技術(shù)已經(jīng)基本成熟。在低端市場，純電動汽車的經(jīng)濟性優(yōu)勢十分明顯。充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)滯后影響了純電動汽車使用的便利性，是目前制約純電動汽車發(fā)展的最主要因素。隨著充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷完善，純電動汽車的發(fā)展速度會比較快，尤其在低端市場，純電動汽車的份額會顯著提高。但由于充電因素的制約，在高端市場普及難度很大。

1.1.1.2　混合動力汽車

由于完全由動力蓄電池驅(qū)動的純電動汽車，其性價比長期以來都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，難于與其競爭。自20世紀(jì)90年代以來，世界上各大汽車公司都著手開發(fā)混合動力汽車，日本豐田公司在1997年率先向市場推出“先驅(qū)者”（Prius）混合動力汽車，并在日本、美國和歐洲各國市場上均獲得較大成功，累計產(chǎn)銷量已超過60萬輛。隨后日本本田，美國福特、通用以及歐洲一些大公司，也紛紛向市場推出各種類型的混合動力汽車。

普通混合動力汽車是指那些采用常規(guī)燃料的，同時配以蓄電池、電動機來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型。混合動力汽車按照混合度（即電動機功率與發(fā)動機功率之比或使用電的比例與使用燃油的比例）的不同，又可以分為微混、輕混、中混、強混等。普通混合動力汽車的優(yōu)點如下。

①采用混合動力后可按平均需用的功率來確定發(fā)動機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。在需要大功率時（發(fā)動機功率不足），由蓄電池來補充；負(fù)荷少時，富余的功率可用于發(fā)電，給蓄電池充電，發(fā)動機可持續(xù)工作，蓄電池又可以不斷被充電。

②因為有了蓄電池，可以十分方便地回收制動、下坡、怠速時的能量，并作為電能再次利用，從而減少能源的浪費。

③在繁華市區(qū)，可關(guān)停發(fā)動機，由蓄電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)“零”排放。

④可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。

缺點是長距離高速行駛基本不能省油，有兩套動力，再加上兩套動力的管理控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)較難，價格較高。

普通混合動力汽車?yán)冒l(fā)動機的富余功率給蓄電池充電，無需外接充電，雖然節(jié)能效果明顯，但是沒有從根本上擺脫交通運輸對石油資源的耗用問題。因此，普通混合動力汽車是電動汽車發(fā)展過程中一段時期內(nèi)的一種過渡性技術(shù)。

普通混合動力汽車在目前的新能源汽車中技術(shù)最成熟并已成功實現(xiàn)了商業(yè)化，由于不需要充電，因此普通混合動力汽車的使用便利性在新能源汽車中是最好的。目前普通混合動力汽車的綜合成本要高于燃油汽車，在經(jīng)濟性方面的明顯劣勢會嚴(yán)重影響普通混合動力汽車的發(fā)展。

近幾年發(fā)展起來的插電式混合動力汽車（plug-in hybrid vehicle，PHV）是一種新型的混合動力汽車。通過外接充電電源為蓄電池充電，充電后可僅憑充電蓄電池作為動力驅(qū)動電動汽車行駛。另外，在蓄電池的剩余電量用完后，并不是切換至發(fā)動機行駛模式，而是通過發(fā)動機帶動發(fā)電機，利用由此產(chǎn)生的電力為蓄電池充電，繼續(xù)用電動機驅(qū)動行駛。插電式混合動力汽車更接近于純電動汽車，而且它在一定程度上解決了純電動汽車?yán)m(xù)航里程短和需要及時充電的問題，即使行駛到?jīng)]有充電設(shè)施的地方，也可以作為一般的混合動力汽車來使用。

插電式混合動力汽車的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是目前國內(nèi)只有幾家領(lǐng)先企業(yè)掌握了插電式混合動力汽車的核心技術(shù)，其他大部分汽車生產(chǎn)企業(yè)還處于研發(fā)階段。插電式混合動力汽車使用的便利性不如燃油汽車，但優(yōu)于純電動汽車，基本達(dá)到了消費者可接受的范圍。由于國家政策的傾斜，目前插電式混合動力汽車的綜合成本已經(jīng)低于燃油車。在國家補貼政策的強力支持下，近期插電式混合動力汽車很可能成為增長速度最快的新能源汽車。

1.1.1.3　燃料電池電動汽車

燃料電池電動汽車是指以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，依靠電動機驅(qū)動的汽車。燃料電池電動汽車的工作原理是，作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能供給電動機運行，進(jìn)而驅(qū)動汽車行駛。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料電池電動汽車是無污染汽車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2～3倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面看，燃料電池技術(shù)是內(nèi)燃機技術(shù)的最好替代，燃料電池電動汽車代表了電動汽車未來的發(fā)展方向。

現(xiàn)階段，燃料電池的許多關(guān)鍵技術(shù)還處于研發(fā)試驗階段，此外，燃料電池的理想燃料——氫，在制備、供應(yīng)、儲運等方面還有著大量的技術(shù)與經(jīng)濟問題有待解決。因此，燃料電池電動汽車目前和今后一段時間尚不具備商業(yè)化的條件。

1.1.2　電動汽車的運行特點及電能補給方式

1.1.2.1　電動汽車的運行特點

（1）公交車　公交車用來滿足公共交通的需要，由專職司機駕駛、維護(hù)，由城市公交公司或企業(yè)投資運營，且行駛路線固定，一般在首末站都建有大型停車場，夜間停運。因公交車停運造成的負(fù)面影響較大，要求一次充電至少應(yīng)滿足單程運行里程，緊急情況下應(yīng)能實現(xiàn)電能的快速補充，公交車可利用停運時段充電。

（2）特殊園區(qū)用車　特殊園區(qū)用車指用于風(fēng)景名勝、旅游景點、城市水源保護(hù)區(qū)等服務(wù)、觀光等車輛。特殊園區(qū)用車服務(wù)目標(biāo)明確，車輛相對集中，使用頻繁，一次充電難以滿足每日運行要求，內(nèi)部建有集中停車場，特殊園區(qū)用車可利用停運時段充電。

（3）城市環(huán)衛(wèi)、市區(qū)快遞送收車輛　城市環(huán)衛(wèi)、市區(qū)快遞送收車輛是為了滿足城市環(huán)境衛(wèi)生、郵件送收要求而運營的車輛，如街道清掃車、垃圾清運車、道路清障車、沖洗車、灑水車、市區(qū)快遞送收車等。此類車輛的運行線路固定，在所屬單位或企業(yè)內(nèi)都有自己的停車場，有停運時段。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，此類車輛平均每車每日運行距離約為100km，一次充電基本滿足單程運行里程，停運時段可充電。

（4）工程車　市政工程搶險車、建筑運輸車等用于滿足市政建設(shè)、搶險維修需要，所屬單位或企業(yè)內(nèi)有停車場，車輛用于為特定區(qū)域提供服務(wù)，要求隨時待命、隨時出動。一次充電基本滿足往返運行里程，停運時段可充電。

（5）政府公務(wù)車、企業(yè)商務(wù)車、其他社會車輛　滿足公務(wù)、商務(wù)出行需要，所屬單位或企業(yè)內(nèi)有停車場，一般夜間停運。車輛的行駛線路、里程一般能預(yù)估，特殊情況用車時線路和里程多變。一次充電基本滿足往返運行里程，夜間停運可充電，同時應(yīng)在其相應(yīng)的出行范圍內(nèi)提供必要的快速補充電能設(shè)施。

（6）出租車　出租車運行線路和區(qū)域具有不確定性，具有很大的隨機性。據(jù)統(tǒng)計，目前省會城市出租車每車每日的平均運行里程約為300km，一次充電續(xù)駛里程難以滿足當(dāng)日運行要求，且用電量變化大。根據(jù)其一次充電后的續(xù)駛里程，應(yīng)在其相應(yīng)的出行范圍內(nèi)提供必要的充電設(shè)施。出租車停運時間短，對充電時間要求高。

（7）私家車　滿足個人出行需要，線路、里程一般能預(yù)先估計，車輛停放在家庭車庫或小區(qū)停車場。夜間基本停運，可充分利用低谷時段充電。

1.1.2.2　電動汽車的電能補給方式

電動汽車的充電可以由地面的充電樁完成，地面充電樁的主要功能是有效地完成電動汽車蓄電池的電能補給。電動汽車的種類和運行特點決定了其能源補給方式。按照蓄電池是否與車體分離，可分為整車充電方式和蓄電池更換方式兩種。

（1）整車充電方式　當(dāng)車輛進(jìn)行補充充電時，充電樁與充電車輛通過充電插頭進(jìn)行連接，蓄電池?zé)o需從車輛上卸下直接進(jìn)行充電。優(yōu)點是充電操作過程簡單，不涉及蓄電池存儲、蓄電池更換等過程。但車輛充電時間占用了車輛的運營時間，車輛利用率較低，不利于保持蓄電池組的均衡性以及延長蓄電池組的使用壽命。

（2）蓄電池更換方式　當(dāng)車輛進(jìn)行補充充電時，將需要充電的蓄電池從車輛上卸下，再給車輛安裝已充滿電的蓄電池，車輛即離開繼續(xù)運營，對卸載下的蓄電池采用地面充電系統(tǒng)進(jìn)行補充充電。采取蓄電池地面充電方式有利于提高車輛使用效率，提高蓄電池使用壽命，但對車輛及蓄電池更換設(shè)備提出了更高的要求。

由此可見，不同的電能補給方式有其自身的特點和適用范圍。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)車輛的種類、數(shù)量和運行效率，以及蓄電池的數(shù)量、性能、系統(tǒng)配置成本以及管理等眾多因素進(jìn)行選擇，并可將多種方案有機結(jié)合，實現(xiàn)電動汽車的最優(yōu)運營。

根據(jù)以上分析，將電動汽車按照電能補給方式進(jìn)行分類。

（1）適合采用整車充電方式的車輛　城市環(huán)衛(wèi)車、市區(qū)快遞送收車輛、工程車、政府公務(wù)用車、企業(yè)商用車、私家車。這些車輛可充分利用夜間停運時段進(jìn)行充電，滿足下一次的行駛里程需要。

（2）適合采用蓄電池更換充電方式的車輛　出租車、社會運營車輛。這些車輛需要及時快速補充電能，盡量增加運營時間，獲得更大的經(jīng)濟效益。

（3）適合采用整車充電方式和蓄電池更換方式結(jié)合的車輛　公交車、特殊園區(qū)用車、社會運營車輛。既考慮這些車輛蓄電池的使用性能和壽命，又保證車輛運營時間，提高利用率。這些車輛在停運期間可采用整車充電方式，而在運營期間采用蓄電池更換方式。此外，車輛動力蓄電池的配備可根據(jù)車輛情況采取不同的方案，例如，對于數(shù)量大而且屬于同一公司的車輛可以由車輛所屬公司建立蓄電池存儲間，而對于數(shù)量少且歸屬權(quán)相對分散的車輛可以由蓄電池配送中心配送蓄電池，減少一次性投資和更換成本。

（4）適合采用車載充電機充電的車輛（如私家車輛）　私家車輛由于使用時間較短，停運時一般停放在停車場或者地下車庫內(nèi)，此時可利用停車場提供的交流電源為車輛充電，由于一般私家車輛蓄電池容量較小，沖電功率也較小，充電機可配置在車上，因此可充分利用低谷電價階段進(jìn)行充電，以最大限度降低運行成本。