教你看懂电动车 电动车基础知识解析

  [汽车之家新能源/环保技术] 想买车又没号对于施行限购政策城市的人们来说慢慢的变成了一种难以名状的痛，既然如此，那您有没有考虑过买台电动汽车来让自己解脱一下呢？近年来国家对新能源产业的扶持力度不断加大，特别是针对电动汽车更是不遗余力，各种刺激政策的相继出台，使之自选购环节便存在着很多先天优势，免摇号就是这里面之一，但作为一种新兴商品，电动汽车无论从构造、参数还是评价标准来说都与传统燃油汽车有很大差异，如何挑选，怎么样去使用维护，对很多人而言都是一头雾水。因此，今天我们就详细为您介绍一下，购买电动汽车所需了解的一些基础知识，以便您在购车前更加理性，底气更足。

  在国家颁布的各种新能源车优惠政策方面，基本上以电动车为主，包括纯电动汽车和插电式（含增程式）混合动力汽车，这两种（也可以说三种）车都有共同的特点：可以以纯电动方式行驶，使用的动力电池不包括铅酸电池，而且有外部的充电插口。另外，包含其中的燃料电池汽车，也是以电能驱动车辆行驶。综合以上的原因，并且更符合消费者的称呼，我们把纯电动汽车、插电式（含增程式）混合动力汽车、燃料电池汽车统称为“电动车”。

  纯电动车顾名思义就是纯粹靠电能驱动的车辆。尽管被冠以“新能源车”这个看起来十分前卫而又富有科技感的称谓，但抛开那些各式各样的外表和配备，电动车的动力系统其实十分简单，简单到用两个部分就可以概括：电能储存系统，也就是电池组，以及提供驱动力的电动机。如果按照这样的视角看待纯电动车，你就会发现，其实在高端展厅耀眼灯光之下价值百万的特斯拉豪华电动车和小时候玩的迷你四驱车其实没什么两样。当然，这仅仅是从驱动形式来讲的，如今的纯电动车辆在电池材料、电池管理、电动机以及车载设备的技术复杂程度远远超出了你的想象，这也就是为什么纯电动车的价格往往并不便宜。

  插电混合动力车型在国内还算不上普及，但“混合动力”这个名词对中国消费者并不陌生，我们大家常常能够正常的看到以丰田普锐斯和雷克萨斯CT200h为代表的日系混合动力车型在路上穿梭。插电混合动力，就应该“插电”的混合动力，因此我们应该首先先了解一下什么是混合动力车型。

  混合动力按照不同的定义可以有多种分类方式，其中一种为按照内燃机和电动机动力的混合度进行分类。目前国内普遍采用的混动系统按混合度分类标准为：

  除此之外，另一种较为常见的分类方式是按照动力系统的连接方式，可以将目前现有的混合动力车型分为串联、并联和混联三种形式。其中在串联形式中，内燃机发动机并不直接提供动力，也不能单独带动车轮，而仅仅用作带动发电机为电池充电，提供电动机运行的电能。这种形式通常也被称为增程式，我们将在后面为您详细介绍。

  与串联形式相对应的就是并联。在并联系统中，发动机和电动机与车轮均有机械连接，都可以单独带动车轮，同时也可以协同工作，共同驱动车辆。目前，并联混动系统多用于微混与轻混车型，电动机更多地用于车辆起步和加速时动力的辅助来源。

  除了串联和并联的形式，目前用到最多的是混联混动系统。混联系统综合了串联和并联的特点，两种动力单元即可以单独驱动车辆，也可以共同协作，同时混联系统由于具有单独的发电机，不再像并联系统那样使用电动机作为发电机使用，因此发动机还可以与电动机共同工作时对电池组做充电，从理论上讲，也能轻松实现串联（即增程式）的工作方式。

  了解了混合动力车型的分类之后，我们再回过头来了解什么是插电混合动力车型。顾名思义，插电（plug-in），就应该通过介入外界电源来对动力电池组进行充电。从理论上来说，只要满足这一点的以上任何一类混合动力车型都属于插电混合动力车型。不过，我们身边最常见的插电混合动力车型都采用了混联的结构。

  增程式混合动力车型，从结构上来说就是我们之前所讲过的串联式混合动力车型，当电池组电量充足时采用纯电动模式行驶，而当电量不足时，车内的内燃机发动机启动，带动发电机为电池充电，提供电动机运行的电力。由于仅为发电运行的内燃机可以长期运转在较为经济的工况下，因此相比于传统燃料车型，增程式混合动力车型在增程状态下依然具有燃耗方面的优势，同时具有电动车运行平顺的优点。目前我们可以看到的最典型的增程式混合动力车型为雪佛兰的沃蓝达Volt，宝马i3增程版、以及依旧前途不明的Fisker Karma。增程式混合动力车型采用插电和发动机带动发电机发电两种方式对电池组进行充电。

  当然，由于增程式混合动力车型都能够最终靠“插电”的方式为电池组充电，因此增程式混合动力车型也被我们算作插电式混合动力车型中较为独特的一类。

  燃料电池是一种主要通过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，将燃料中的化学能转换成电能的电池。目前最常见的燃料为氢，一些碳氢化合物例如天然气、醇、和甲烷等有时亦会作燃料使用。燃料电池有别于原电池，因为需要稳定的氧和燃料来源，以确保其运作供电。这种电池的优点是可以不间断的提供稳定电力，直至燃料耗尽。目前最接近量产的燃料电池车型为丰田的FCV，已经预计在明年3月份在日本上市，同年夏天进入欧洲市场。这款燃料电池车拥有两个70MPa的高压储氢罐，搭载了一台功率122Ps（90kW）、扭矩260N·m的电动机，在日本JC08模式下测试续航里程可达700km。

  氢燃料电池车型的排放清洁（理论上仅排放水），相比纯电动车续航里程有了大大的提升，同时当燃料耗尽后可以向传统燃油车辆那样迅速补充氢燃料，无需长时间充电。当然，氢燃料电池车对于厂家的技术水平要求很高，因此目前普及起来相对困难。

  通过前面的讲解，想必您已经对电动汽车的分类有了一定了解，但如果要购买电动车，仅仅明白其类别如何划分显然还远远不够。电池作为电动车的动力源，一直以来被视为电动车发展的重要标志性技术，也是制约电动车发展的重要瓶颈，其性能好坏直接关系到整车续航里程的长短，因此掌握一些与电池相关的基本知识对日后购买电动车会大有帮助。

  电池从广义上讲主要可分为化学电池、物理电池和生物电池三大类，其中化学电池和物理电池已经应用于量产电动汽车中，而生物电池则被视为未来电动车电池的重要发展方向之一。出于对目前实际应用情况的考虑，我们只对化学电池及物理电池进行详细介绍，如若您对生物电池亦抱有兴趣，可另行参阅其它资料。

  化学电池是目前电动汽车领域应用最为广泛的电池种类，如镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都属于这一范畴。从结构角度上讲，其可进一步分成蓄电池及燃料电池两大类别，我们目前所见的绝大多数电动车都采用蓄电池技术进行驱动，如丰田普锐斯、特斯拉MODEL S等。当然，这里所讲的蓄电池并不是我们日常所讲的汽车电瓶，而是对可重复充电电池的统称，其中车载电瓶通常使用的铅酸蓄电池仅仅是细分门类的一种。

  由于电动车蓄电池种类较多，其中很大部分已经被目前市场所淘汰，且对其晦涩原理进行大篇幅讲解并不能对实际购车带来多大帮助，所以我们先通过一个表格大致了解下这些电池的种类和基本特性，然后就目前市场上常见的几种蓄电池进行详细说明。

  锂电池是目前电动车上最常用的电池种类之一，虽然其从1970年诞生至今时间并不算长，但凭借能量密度高、循环使用寿命长等特点迅速占据了电动汽车电池市场的绝大部分江山。如今，在售电动汽车配备的锂电池主要有磷酸铁锂电池及三元锂电池两种，且这两种电池在自身特点上存在显著差异，因此我们有必要对其进行一番细致的讲解与对比。

  对于电动车用电池，大多数人可能都鲜有认知，因此，我们不妨举个例子来帮助大家理解。最近，由比亚迪同戴姆勒共同出资成立的全新电动车品牌腾势即将上市销售，而其所搭载的正是磷酸铁锂电池。相比于早期的锰酸锂电池，磷酸铁锂电池在能量密度上并未有太大差别，约为100-110Wh/kg，但其热稳定性是目前车用锂电池中最好的，当电池温度处于500-600℃高温时，其内部化学成分才开始分解，而同属锂电池的钴酸锂电池在180-250℃时就内部化学成分就已处于不稳定状态。换而言之，磷酸铁锂电池的安全性在锂电池中首屈一指，也正因如此，其也成为目前电动车电池的主要门类之一。

  与磷酸铁锂电池相比，特斯拉MODEL S使用的三元锂电池在重量能量密度上要高出许多，约为200Wh/kg,这也就意味着同样重量的三元锂电池比磷酸铁锂电池的续航里程更长。不过其缺点也显而易见，当自身温度为250-350℃时，内部化学成分就开始分解，因此对电池管理系统提出了极高的要求，需要为每节电池分别加装保险装置，除此之外，由于单体体积很小，所以单车要的电池单体数量非常庞大，以MODEL S为例，7000余节18650三元锂电池才能满足一辆车的装配用量，这无疑又为电池管理系统进一步加大了控制难度。因此，目前市场在售车型中，只有特斯拉一家使用的是三元锂电池。

  镍氢电池是目前除锂电池外另一主流电动车动力电池种类，于上世纪90年代后逐渐发展开来，如以丰田普锐斯为代表的很多混合动力汽车均采用此类电池作为储能元件。其能量密度与普通的锂电池差距并不大，约为70-100Wh/kg，但由于电池单体电压仅为1.2V，是锂电池的1/3，因此在需求电压一定的情况下，其电池组的体积要比锂电池大上一些。

  与锂电池一样，镍氢电池也需要电池管理系统，不过其更注重电池的充放电管理。之所以存在这样的区别，主要是源于镍氢电池具有“记忆效应”，即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减，而过度充电或放电，都可能加剧电池的容量损耗（锂电池此项特性几乎可忽略不计）。因此对于厂商来说，镍氢电池控制系统在设定上都会主动避免过度充放电，如将电池的充放电区间人为控制在总容量的一定百分比范围内，以降低容量衰减速度。

  燃料电池其实不是“电池”，准确地说是一个大的发电系统。其因能量转换效率高、无污染、寿命长、运行平稳等特点被业界公认为未来汽车的最佳能源。简单来说，燃料电池是通过化学反应将化学能转换为电能的一种装置，而能量的来源主要是依靠不断供给燃料及氧化剂产生的。

  理论上讲，燃料电池能采用的燃料种类很多，甚至是传统内燃机所用燃料均可，不过真正能起电化学反应的，仅仅是其中的氢和氧化剂中的氧，因此，氢燃料电池是目前燃料电池的研究核心。

  就当今市场而言，燃料电池汽车离我们并不遥远。据此前报道，世界首款量产燃料电池汽车丰田FCV将于明年3月在日本正式销售。该车配备了两个70MPa的高压燃料堆，输出功率为122Ps(90kW)，续航里程可达700km(日本JC08工况下）。除此之外，其添加燃料仅需3分钟，相比传统电动汽车的充电时间要快上很多。目前在日本与之相关的各种政策也紧罗密布地相继制定出台，不过国内何时能够买到还不得而知，只能再耐心等待一段时日。

  物理电池顾名思义，就是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称，如超级电容、飞轮电池等都属于物理电池的家族成员。

  超级电容是一种介于传统电容与电池之间的电源元件，其主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，期间不发生化学反应，因此被归为物理电池的范畴。与之前所介绍的化学电池相比，超级电容三大明显优势，首先，其反复充放电达数十万次（传统化学电池只有几百至几千次），寿命上要比化学电池高出很多；其次，超级电容在充放电时的功率密度极高，瞬间可放出大量电能，可满足车辆更加宽泛的电力需求；第三，工作环境适应能力更佳，通常室外温度在-40℃-65℃时，其都能稳定正常工作（传统电池一般为-20℃～60℃）。

  当然，有优势就会有不足，能量密度低就是制约超级电容发展的首要瓶颈，所以，目前其主要应用于车辆启动系统、军事及少量公交车辆，至于是否可作为家用车动力电源使用，还需等能量密度难题有所突破后方可知晓。

  飞轮电池是上世纪90年代提出的一种新概念电池，也属于物理电池的一种。简单来说就是利用类似飞轮转动时产生能量的原理来实现自身充放电的。在2010年10月美国勒芒系列赛最后一轮中，保时捷911 GT3混合动力赛车就首次正式使用飞轮电池技术，而其便是鼎鼎大名的保时捷918 Spyder的前身。不过这两款车型的飞轮电池均仅作辅助能源使用，其功能类似于我们常见的制动能量回收系统。即便如此，我们依然有理由相信，随着技术的不断发展及价格进一步降低，飞轮电池的应用前景将十分广阔。

  不得不承认，现阶段制约电动车发展或者性能的因素很大一部分都源自电池技术，在上面的文章中我们介绍了目前市面上能够买到的电动车所使用的电池类型。电池的充放电速度以及能量密度固然重要，但作为驱动车轮的电机，它本身的性能也会影响电动车的行驶表现。就像电池一样，各厂商在电动机的应用方面也在摸索中前行。

  相比之下，电动机的发展趋势还是更明朗一些，从现已成熟的电动机技术来看，开关磁阻电动机在各个技术特性方面似乎更符合电动车的使用需要，但尚未得到普及，永磁同步电动机已经开始装配在一些量产车上，例如腾势、宝马i3，应用较广泛的是异步电动机，此外，如果按电流类型划分还可分为直流电动机和交流电动机两种。通过下面的表格，我们大家可以先大致了解下4种较为典型的电动机的性能特性。

  电池储存电能，电能是以直流电的方式从电池输出经过转换器传至电动机。直流电动机按有刷直流电动机和无刷直流电动机区分，有刷直流电动机因维护不方便被无刷直流电动机取代，无刷直流电动机已成为入门级电动车所使用的最为普遍的一种类型。

  在技术特性上，无刷直流电动机可分为具有直流电动机特性的无刷直流电动机以及具有交流电动机特性的无刷直流电动机。我们所讨论的范畴仅限较为主流的直流电动机特性的无刷直流电动机。

  根据电动车对电动机的技术要求，直流电动机能够满足电动车运行的基本需求，另外，无刷直流电动机也不需要用户在用车期间去考虑它的维护问题，基于这样的特性，无刷直流电动机成为入门级电动车的首选。

  之所以说它是入门级电动机的首选是因为这种电动机自身也存在一些弊端，这些弊端会成为阻碍它在电动车行业里的发展。

  直流电动机的转速范围不算宽泛，而且最高转速仅为6000rpm左右，这样的转速属性很难满足电动车的工况需求，所以，有些厂商通过为其匹配二级减速器或具备一定传动齿比范围的CVT变速箱来弥补直流电动机在转速方面的短处。显然，这样的技术结构在空间布置以及重量控制方面对整车的设计都有不利的影响。当然，也可以只为电动机匹配一个单级减速器，但车辆的动力性能以及最高车速都会受到影响。

  一款产品或者一种技术得到广泛应用的原因一定离不开成本和功能这两方面的平衡，异步电动机在电动车领域的普及就能说明这一点。异步电动机的拥趸者中除了国内大多数厂商推出的电动车产品外，还包括在电动车阵营中独树一帜的特斯拉MODEL S。在技术方面，异步电动机为什么能够得到普及？

  异步电动机也可被归纳到交流电动机范畴。变频调速是电动机首先要具备的功能，因为，纯电动车的车轮由电动机和差速器组成的传动机构进行驱动，电动机本身的转速范围即可满足车辆的行驶需要，因此，从技术结构来看，变速箱不再是整个动力系统的必要装置，但是，在变频调速的性能方面，还是对电动机提出了较高的要求，另外，倒车也是日常驾驶时经常遇到的问题，所以，还需要电动机能够自如的在正反转状态间切换。

  异步电动机具备变频调速的能力，其效果相当于我们所理解的装配有无级变速箱的车辆在加速时发动机转速与车速较为线性的对应关系。而上面提到的倒车问题，异步电动机也可轻易通过自身正反转的切换给予满足。

  异步电动机实现动能回收也更为容易。车辆滑行或制动时，车轮反拖电动机转动，在这个工况下，电动机可进行发电并将电能回收到电池中，以此延长车辆的续航能力。

  功能上能够满足电动车的技术需求，但其自身结构并不复杂，由此带来的是坚固耐用、工作状态稳定、成本易控等优势。

  事实上，永磁同步电动机的结构与上面提到的直流电动机相似，这样便可具备无刷直流电动机结构简单、运行可靠、功率密度大、调速性能好等特点。与此同时，由于永磁同步电动机采用的驱动方式不同于直流电动机，所以，在噪音以及控制精度环节，永磁同步电动机更胜一筹。

  永磁同步电动机的使用对于电动车的乘坐舒适性也有帮助。通常情况下，我们把乘员舱的静音性当做衡量一款汽车舒适性的因素之一，对于一般用户而言，这样的衡量标准电动车同样适用。目前的电动车大多只提供一级减速器，所以，电动机的转速较高，受电动机驱动方式、装配精度以及各个部件间的匹配等因素影响，车辆行驶时电动机发出的噪音有可能影响到车内乘员的乘坐舒适性。当然，我们并不能否然整车隔音工程的作用，但仅评价对噪音源的控制，永磁同步电动机还是有一定优势，另外，它的体积也更小，换言之，布置更为灵活，更轻的自重对整车重量也有所贡献。宝马i3所使用的正是永磁同步电动机。

  从技术优势来看，永磁同步电动机应该成为高端电动车必用的一个类型，但事情也没有这么绝对，特斯拉MODEL S使用的则是上面介绍的异步电动机类型，尽管在重量和体积方面，异步电动机并不占优势，但其转速范围广泛以及高达20000rpm左右的峰值转速即使不匹配二级差速器也能够满足该级别车型高速巡航的转速需求，至于重量对续航能力的影响，高单位体积内的包含的能量的18650电池能够“掩盖”电机重量的劣势。此外，异步电机稳定性优秀也是特斯拉选择其的重要原因。

  开关磁阻电动机是一个很具发展潜力的电动机，在同样具备结构简单、坚固耐用、工作可靠、效率高等优势外，它的调速系统可控参数多和经济指标比上述电动机都要好。功率密度也更高，这意味着电动机在重量更轻且功率大，当电流达到额定电流的15%时即可实现100%的起动转矩。另外，更小的体积也使得电动车的整车设计更为灵活，可以将更大的空间贡献给车内，更为重要的是，这种电动机的成本也不高。

  虽然开关磁阻电动机的结构简单，但控制系统的设计相对复杂，特别是在研发阶段，现有技术很难为其建立准确的数学模型。在实际运转过程中，电动机本身发出的噪音以及振动是电动车无法“容忍”的，尤其是负载运行的工况下，这两点尤为明显。综上所述，这类电动机或许在未来能够通过技术优化克服致命硬伤的前提下，广泛应用于电动车领域，能够帮助电动车的续航能力有所提升。

  而诞生于100年前的轮毂电机到现在仍旧停留在概念阶段，目前，很多配套厂商都能够拿出轮毂电机以及驱动车桥的设计方案，但少有厂商能够予以采纳，轮毂电机给簧下质量带来过重的负担是阻碍它发展的原因之一。

  现阶段，除了上面谈到的电池容量、电动机等问题，充电技术也是阻碍电动车普及的因素之一。如何智能、快速地为电动车充电是众多汽车厂商研发的重中之重。对电动车而言，充电装置要能满足安全性、便利性、经济成本、效率等多方面的要求，目前市面上多见的充电方式有充电桩充电站这样的常规充电方式、无线充电方式、更换电池。

  目前，部分市售电动车配备了便携式充电设备，车主可使用车上自带的便携式充电设备，利用民电或商电为车辆补充电能，也可以到专用充电站式、充电桩进行充电。

  目前，随车搭配的便携式充电设备允许电流多为10A或16A，利用这些便携式充电设备就可以使用家中的插座进行充电，不过需要注意的是，家中的插座也包含有10A以及16A的区分，空调所用插座一般为16A，其余大部分用电器的插座是10A，不同的电流会对电动车充电时间产生一定的影响。

  常规充电方式为电池充满电的时间约为8小时左右，因此很多车主选择夜间或电费低谷时为爱车充电。当需要极短时间内给电池充满电时，常规充电方式便显得“捉襟见肘”了，此时，是快速充电登场的时候了，最近电动车领域大红大紫的特斯拉就支持快速充电模式。

  这种充电方式一般以高充电电流在短时间内为电池充电，虽然在设备安装成本上相比常规充电方式要高，但其充电时间与内燃机加注燃油的时间十分接近。

  不过需要注意的是并非所有电动车都可以进行快速充电，这是由于快速充电时，短时间内电池会承受较大电流的“冲击”，因此会导致普通电池出现过热现象，存在安全隐患。因此，车辆开发之初，需要针对快速充电选择特殊电池，当然，无论如何优化电池，快速充电始均会对电池寿命产生一定影响。

  上面的常规充电方式中，无论是使用16A、10A电流的传统方式，还是使用高充电电流的快速充电，其都会受到“线的羁绊”，充电装置以及充电时使用的线路令其多少会受到场地制约，无线充电则在一定程度上解决了这个问题。多通过布置在地面的供电线圈及车辆底部的受电线圈，通过线圈间产生的磁共振取代传统输电线为车辆充电，不过这种充电方式对于供、受电线圈的间距要求较高。

  除了上面讲到车充电方式外，还有一种特殊的“充电方式”，即更换电池组。这种充电方式是在车辆蓄电池电量耗尽时，通过特定的更换站，用充满电的电池组替换已经耗尽电量的电池组。

  下面这段视频是我们在展会上拍到的北汽新能源提供的电动车更换电池演示视频，其通过机械臂完成电池更换，速度方面相比人工更换更快捷。

  目前，杭州部分地区试点运行的电动出租车更换电池速度已经可以控制在5分钟内，不过这种更换电池的方法需要不同品牌车型匹配相同电池组，且需要对电池的物理尺寸、电气参数进行统一，加之存在无法确定电池品质始终如一、基站建设过少等问题，限制了这种更换电池方式在国内的推广。

  就国内现已出台的政策而言，免于摇号可谓是购买电动汽车的最大推手。但如何选择适合自己的电动车，想必对于个人而言依旧是首要难题。通过上文介绍，当前市场上采用镍氢电池、磷酸铁锂电池及三元锂电池的电动汽车续航能力已经基本可以满足人们日常出行的使用需要，且随着基础设施及法律法规的逐步完善，在使用上亦会日趋便捷。

  当然，有些人可能对纯电动汽车还是心存忌惮，担心因续航里程限制所带来的不便，既然如此，插电式混合动力车型也是不错之选，虽然其不如纯电动汽车那样无需加油，但在续航能力及地域适应性上优势明显，可打消远途出行的顾虑。总的来说，无论您选择购买任何一种电动车，只有对相关知识详加了解，理性选择，才可真正坐享其所带来的愉悦与便利。（图/文 汽车之家 科技）