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1、总结新能源汽车技术与发展概述新能源汽车产业技术与发展概述1 技术路线1.1 新能源汽车分类在长期研究开发进程中，各国政府、科研机构及国际汽车企业对传统内燃机汽车与新能源汽车发展趋势形成了共识：在未来20年，汽油和柴油仍将是汽车主要的能量来源，但传统汽油机汽车的市场份额将在此后明显下降，而柴油车仍将在重型车辆领域继续保持很高的市场份额；新能源汽车的近期解决方案是传统内燃机新技术和替代燃料汽车；中期方案是混合动力汽车大幅度降低油耗和排放；远期方案是纯电动汽车和燃料电池汽车，特别是资源极为丰富、且没有排放污染的氢燃料电池汽车将重新定义世界汽车产业发展格局。这种新能源汽车的宏观发展路径，也将成为包括中

2、国在内的各国发展新能源汽车的基本依据。电动汽车是高新技术与可持续发展模式的交叉点，节能减排与低碳经济的亮点，新一代汽车产业发展的焦点。现代电动汽车一般可分为三类：纯电动汽车（BEVBattery Electric Vehicle）、混合动力电动汽车（HEVHybrid Electric Vehicle ）和燃料电池电动汽车（FCEVFuel Cell Electric Vehicle）。1.1.1 混合动力汽车混合动力是指那些采用传统燃料的，同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照燃料种类的不同，主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。目前国内市场上，混合动力车辆的

3、主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。混合动力汽车的优点是：1、采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。2、因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。6、可让电池保

4、持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。缺点:长距离高速行驶基本不能省油。1.1.2 纯电动汽车电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车，大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，解除人们对

5、石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。有专家认为，对于电动车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程，与混合动力相比，电动车更需要基础设施的配套，而这不是一家企业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。 优点:技术相对

6、简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。缺点: 目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些试用结果比汽车贵，有些结果仅为汽车的13，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。1.1.3 燃料电池汽车燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高23倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。 单个

7、的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。 近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划在2004年以前将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。 与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： 、零排放或近似零排放。 、减少了机油泄露带来

8、的水污染。 、降低了温室气体的排放。 、提高了燃油经济性。 、提高了发动机燃烧效率。 、运行平稳、无噪声。1.1.4 氢动力汽车氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染，零排放，储量丰富等优势，因此，氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。与传统动力汽车相比，氢动力汽车成本至少高出20%。中国长安汽车在2007年完成了中国第一台高效零排放氢内燃机点火，并在2008年北京车展上展出了自主研发的中国首款氢动力概念跑车“氢程”。随着“汽车社会”的逐渐形成，汽车保有量在不断地呈现上升趋势，而石油等资源却捉襟见肘，另一方面，吞下大量汽油的车辆不断排放着有害气体和污染物质。最

9、终的解决之道当然不是限制汽车工业发展，而是开放替代石油的新能源，燃料电池车的四轮快速又安静地滚过路面，辙印出新能源的名字氢。几乎所有的世界汽车巨头都在研制新能源汽车。电曾经被认为是汽车的未来动力，但蓄电池漫长的充电时间和重量使得人们渐渐对它兴味索然。而目前（指2009年）的电与汽油合用的混合动力车只能暂时性地缓解能源危机，只能减少但无法摆脱对石油的依赖。这个时候，氢动力燃料电池的出现，犹如再造了一艘诺亚方舟，让人们从危机中看到无限希望。 以氢气为汽车燃料这种说法刚出来时吓人一跳，但事实上是有根据的。氢具有很高的能量密度，释放的能量足以使汽车发动机运转，而且氢与氧气在燃料电池中发生化学反应只生成

10、水，没有污染。因此，许多科学家预言，以氢为能源的燃料电池是21世纪汽车的核心技术，它对汽车工业的革命性意义，相当于微处理器对计算机业那样重要。 优点：排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物。 缺点：氢燃料电池成本过高，而且氢燃料的存储和运输按照目前的技术条件来说非常困难，因为氢分子非常小，极易透过储藏装置的外壳逃逸。另外最致命的问题，氢气的提取需要通过电解水或者利用天然气，如此一来同样需要消耗大量能源，除非使用核电来提取，否则无法从根本上降低二氧化碳排放。1.1.5 燃气汽车燃气汽车是指用压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)和液化天然气(LNG)作为燃料的汽车。近年来，世界上各国政府都积极

11、寻求解决这一难题，开始纷纷调整汽车燃料结构。燃气汽车由于其排放性能好，可调正汽车燃料结构，运行成本低、技术成熟、安全可靠，所以被世界各国公认为当前最理想的替代燃料汽车。目前，燃气仍然是世界汽车代用燃料的主流，在我国代用燃料汽车中占到左右。美国的目标是，到年，公共汽车领域有的汽车使用天然气，的出租车和班车改为专用天然气的汽车；到年，德国天然气汽车数量将达到万至万辆，加气站将由目前的座增加到至少座。业内专家指出，替代燃料的作用是减轻并最终消除由于石油供应紧张带来的各种压力以及对经济发展产生的负面影响。近期，中国仍将主要用压缩天然气、液化气、乙醇汽油作汽车的替代燃料。汽车代用燃料能否扩大应用，取决于

12、中国替代燃料的资源、分布、可利用情况，替代燃料生产与应用技术的成熟程度以及减少对环境污染等；替代燃料的生产规模、投资、生产成本、价格决定着其与石油燃料的竞争力；汽车生产结构与设计改进必须与燃料相适应。以燃气替代燃油将是中国乃至世界汽车发展的必然趋势。我国应尽快组织力量，制定出国家级燃气汽车政策。考虑到我国能源安全主要是石油的状况，发展包括燃气汽车在内的各种代用燃料汽车，已是刻不容缓的事，根据国情应该做到：一是要限制燃气价格，使油、气价格之间保持合理的差价，如四川省、重庆市的油、气差价，即可保证燃气汽车适度发展；二是鉴于加气站投资大，回收期长，政府适当给予一定补贴，在加气站售出的气价和汽车用户因

13、用气节省的燃料费用之间，调节好利益分配；三是对加气站的所得税，应参照高新技术产业开发区政策，采取免二减三的税收政策；四是将加气站用电按照特殊工业用电对待，电价从优；另外，对加气站用地，能按重大项目和环保产业对待，特事特办，不要互相推诿、扯皮，积极采用国外先进建站标准，科学确定消防安全距离，节省土地资源。 1.1.6 生物乙醇汽车乙醇俗称酒精，通俗些说，使用乙醇为燃料的汽车，也可叫酒精汽车。用乙醇代替石油燃料的活动历史已经很长，无论是从生产上和应用上的技术都已经很成熟，近来由于石油资源紧张，汽车能源多元化趋向加剧，乙醇汽车又提到议事日程。 目前世界上已有40多个国家，不同程度应用乙醇汽车，有的已

14、达到较大规模的推广，乙醇汽车的地位日益提升。在汽车上使用乙醇，可以提高燃料的辛烷值，增加氧含量，使汽车缸内燃烧更完全，可以降低尾气的害物的排放。乙醇汽车的燃料应用方式：一、掺烧，指乙醇和汽油掺合应用。在混合燃料中，乙醇和容积比例以“E”表示，如乙醇占10%，15%，则用E10，E15来表示，目前，掺烧占乙醇汽车占主要地位。二、纯烧，即单烧乙醇，可用E100%表示，目前应用并不多，属于试行阶段；三、变性燃料乙醇，指乙醇脱水后，再添加变性剂而生成的乙醇，这也是属于试验应用阶步；四、灵活燃料，指燃料既可用汽油，又可以使用乙醇或甲醇与汽油比例混合的燃料，还可以用氢气，并随时可以切换。如福特，丰田汽车均

15、在试验灵活燃料汽车（FFV）1.1.7 其他新能源车1. 提高旧能源汽车的效率目前的汽柴油内燃机热效率小于30%，如果算上机械效率以及其他的能量传递损失，则总效率仅占燃料放出热能的15%左右。毫无疑问，如果能够提高热机的效率，则可在一定程度上缓解目前的石油危机。2. 空气动力汽车利用空气作为能量载体，使用空气压缩机将空气压缩到30MP以上，然后储存在储气罐中。需要开动汽车时将压缩空气释放出来驱动启动马达行驶。优点是无排放、维护少，缺点是需要电源、空气压力（能量输出）随着行驶里程加长而衰减、高压气体的安全性。3. 飞轮储能汽车利用飞轮的惯性储能，储存非满负载时发动机的余能以及车辆长大下坡、减速行

16、驶时的能量，反馈到一个发电机上发电，再而驱动或加速飞轮旋转。飞轮使用磁悬浮方式，在70000r/min的高速下旋转。在混合动力汽车上作为辅助，优点是可提高能源使用效率、重量轻储能高、能量进出反应快、维护少寿命长，缺点是成本高、机动车转向会受飞轮陀螺效应的影响。 4. 超级电容汽车 超级电容器是利用双电层原理的电容器。在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。优点是充电时间短、功率密度大、容量大、使用寿

17、命长、免维护、经济环保等，缺点是功率输出随着行驶里程加长而衰减，受环境温度影响大等。目前新能源汽车具有良好的市场，但毕竟是处于发展阶段，如：成本，价格，销售和技术等还面临着很都困难。主要新能源汽车特点比较混合动力汽车纯电动汽车燃料电池汽车驱动方式内燃机+电机驱动电机驱动电机驱动能量提供装置内燃机,蓄电池蓄电池燃料电池基础设备需求加油站/电网充电设备电网充电设备氢气、甲醇等充气站等碳排放量低排量零排量超低排量或零排量主要特点续航里程长，仍部分依赖汽柴油续航里程短，初始成本高能源效率高、续航里程长、成本高商业化进程已规模化量产有销售，但未规模化仍处于研发试制试验阶段主要难题蓄电池效率和电池管理系统

18、电池安全性及效率和充电网点成本高昂，制氢技术有待突破1.2 电动车核心技术1.2.1 电池组及管理系统技术1、基本概念与原理动力电池组动力电池组是由多个蓄电池通过并联和串联满足电动汽车使用要求的动力源，由于单体动力电池能量有限，端电压较低，电动汽车需要采用多块电池进行串、并联组合成动力电池组。目前动力电池组采用的蓄电池一般为铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。铅酸电池(Lead-acid battery)是一种电极主要由铅及其氧化物制成、电解液为硫酸溶液的化学贮能装置。它比汽油机驱动有一定价格优势，目前被广泛用于车速小于50km/h的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车、叉车以及电动自行车上。实践证实铅

19、酸电池在这一低端产品市场上有较强的竞争力和实用性。但是它存在比能量小、太过笨重，较严重的铅、酸污染等问题。 镍氢电池(Ni-H battery)是采用镍氧化物作为正极，储氢金属作为负极，碱液作为电解液的化学贮能装置。有比能量与比功率高，可高倍率充放电，循环寿命长以及无记忆效应、无污染、可免维护、使用安全等优点，但是由于镍金属占其成本的60%，导致镍氢电池价格居高不下。锂离子电池(Liion battery)是以含锂的化合物作正极，以碳素材料为负极，有机电解液作为电解液的化学贮能装置。它没有金属锂存在，只有锂离子，充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的摇摆式运动状态。目前世界上以磷酸铁锂电池为

20、代表的锂离子电池的研发有重大突破，既提高它的比能量和循环寿命，又大大提高了电池的安全性。全球许多发达国家将锂离子电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。我国拥有锂资源优势，锂离子电池产量到2009年已占全球市场的38%，预计到2015年以后，锂离子电池的性能价比有望达到可以和铅酸电池竞争的水平，而成为未来电动汽车的主要动力电池。几种动力电池产品性能价格参数：电池类型铅酸电池镍氢电池磷酸铁锂电池比能量(Wh/kg)3240557090120循环寿命(次)30045050080010003000价格(元/Wh)1.252.8环境影响铅、酸污染无无电池管理系统电池管理系统（BMSBattery Man

21、agement System）是对动力电池组进行参数采集与监测、安全保护、智能充放电控制，状态监测与荷电量评估的电子装置。BMS一般由监测单元(用于测量电压、电流和温度等)、均衡充电控制、控制单元和输入输出等接口组成，最基本的功能是监控电池的工作状态(电池的电压、电流和温度)、预测动力电池的电池组荷电量(SOC)和相应的剩余行驶里程，进行电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电量严重不均衡现象，最大限度地利用电池存储能力和循环寿命。 由于电动汽车电池组中众多动力电池之间存在制造工艺、材质、使用环境、接线方式等差异，单个电池之间存在容量、端电压和内阻的不一致在所难免，在车上的布置分散

22、、动力电池单体的使用环境不同，导致电池组单体电池之间不一致性的积累和恶化，使用充电机直接为电池组进行整体充电，必然导致单个电池之间不一致性的加剧，出现个别电池的过电压充电，严重影响电池组的安全和使用寿命，对电池组的均衡充电成为必须解决的难题；动力电池特性呈高度非线性，而电池的充放电的电压、工作范围又有严格要求；使得电池管理系统成为电动汽车的关键技术和零部件。 2、国内外发展动态与趋势;动力电池组及管理系是世界各国研发的热点。锂离子电池技术发展很快，近10年来，其比能量由100Wh/kg增加到130Wh/kg，比功率可达2000W/kg，循环寿命达1000次以上，工作温度范围达-4055。美国U

23、SABC在2002年制定的锂离子电池技术发展目标如表2所示。 尽管我国锂电池生产量位居世界第三，车用锂电池的产业化正在迅猛发展，比亚迪研发的磷酸铁锂电池的比能量目前已经很接近100Wh/Kg，但在产品档次、技术水平方面与日本、美国存在一定差距，合格率和成本仍需要改进。电池管理系统技术正朝着智能化、集成化方向发展，并积极形成产业标准，将会与整车控制系统和智能充电系统等其他子系统集成为一个整体，从而实现小型、低耗和降低生产成本。 3、应用前景由于环保汽车在全球范围内受到重视，今后几年，车用锂电池市场将迅速扩大。日本富士经济研究所最近得出的研究报告称：“预计到2014年，该市场的规模将迅速扩大至2.

24、25万亿日元(约合248亿美元)，是2008年的约215倍。” 我国2012年6月发布的节能与新能源汽车产业发展规划中的目标，到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆，燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展。1.2.2 电机及驱动系统技术1、基本概念与原理电动机及其驱动系统是电动汽车（EV）的心脏。典型电动汽车的电机驱动系统如图1所示，主要由电子控制器、功率转换器和电动机构成。在驾驶员的控制下，电机驱动系统将储能装置如蓄电池、超级电容等的能量通过电动机、传动装置和差速器

25、转换为车轮的动能。电动机将电能转换成机械能用于驱动车辆，或反之，在刹车或者下坡过程中，也可以将机械能转化为电能进行再生制动将能量回馈到对车载储能装置。功率变化器用来对电动机提供特定的电压和电流。电子控制器根据驾车要求，通过对功率转换器提供控制信号来控制功率变换器，进而调整电动机的运行，以产生特定的转速和转矩。电子控制器分为三个功能单元：传感器、接口电路和处理器。传感器把测得的数据，如电压、电流、温度、速度、转矩和磁通等信号转换为电信号，这些信号被处理成适当的电平后，输入处理器。处理器的输出信号经过放大，经由接口电路，驱动功率变换器的功率半导体器件。图1 电动汽车的电机驱动系统目前使用较多的电动

26、汽车用驱动电机主要有直流有刷、永磁电机、交流异步电机、开关磁阻电机等四种，它们的性能对比如表1。表3 电动汽车用电动机机驱动系统的性能比较电动机类型直流电机感应电机永磁电机磁阻电机功率密度差一般好一般转速转矩特性一般好好好转速范围小一般大最大效率差一般高一般易操作性最好好好好可靠性差好一般好成本高低高较高结构尺寸大一般小小质量重一般轻轻控制性好好好一般综合性能差一般最好好直流电机结构简单，技术成熟，具有交流电动机所不可比拟的优良电磁转矩控制特性，所以直到20世纪80年代中期，仍是国内外电动汽车用电机的重要研发对象。但是，直流电动机价格高、体积和质量大，因此在电动汽车上的应用受到了限制。感应电机

27、也是较早用于电动汽车驱动的一种电机，它的调速控制技术比较成熟，具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点。结合现代数字控制技术，其控制性能优良、动态响应迅速，适合电动汽车的控制。永磁电机采用高能量的永磁体为励磁机构。永磁电机在初期由于其控制较直流电机和感应电机复杂，但随着现代控制技术和电子技术的不断进步，其控制变得相对容易。永磁电机具有功率密度高、高效率等特点，是电动汽车最有希望的驱动电机。磁阻电机是基于磁阻力矩的原理，通过电力电子的换相来产生持续力矩一种比较新型的电机。磁阻电机的转子结构只有铁芯，因此它的结构是非常紧凑而结实的；其调速

28、范围也比较宽。磁阻电机的最大缺点是噪声和振动，而且与永磁电机相比体积也偏大。磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。缺点是工作时噪音大、转矩波动大，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低，而且其控制也相对复杂。2、国内外发展动态与趋势目前在电动汽车中，主要的几种驱动系统包括直流电机斩波调速系统、感应电机变频调速系统、永磁同步电机变频调速系统和开关磁阻电机调速系统等。随着控制技术的日臻成熟，在电动汽车的应用中，交流电机取代直流电机已大势所趋。美国以及欧洲研制的电动汽车目前多采用交流电机，日本

29、研制的电动汽车则多采用相对效率较高的永磁电机。磁阻电动机具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行，控制灵活、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。近几年，美、英、法、德等国纷纷将电动轮技术应用于军用越野车和轻型坦克上，并取得了重大成果。国内电动汽车用驱动电机系统也主要采用交流异步电机、永磁电机、开关磁阻电机这三种电机，目前以永磁电机为主要产品。永磁化、数字化和集成化是我国车用驱动电机系统有三个技术发展方向：永磁化是指永磁电机具有功率密度和转矩密度高、效率高、便于维护的优点。采用矢量控制的驱动控制系统，可使永磁电动机具有宽广的调速范围。数字化不仅包括驱动控制的数字化，驱动到数控系统接口

30、的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。用软件最大程度上地代替硬件，除完成要求的控制功能外，还可以具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。集成化主要体现在两个方面的集成化：电机与变速箱的总成及电机与控制器的集成。集成利于减小整个系统的重量和体积，并可以有效的降低系统的制造成本。国外一些研发实力比较雄厚的公司的德国大陆汽车集团、德国博世集团等已有小批量生产。国内厂商刚起步，还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，并且尚不能有效地降低成本，达到较高的可靠性。3、应用前景直流电机的体积一般比较大，而且需要定期维护，可靠性不能满足汽车应用，所以在现代的新能源汽车上，直流电机的使用越来越少

31、了，趋势是用交流电机。交流电机当中，交流感应电机是一类得到广泛应用的电机，现在绝大部分在用的电机都是属于交流感应电机。交流感应电机优点是成本比较低，制造工艺非常成熟。电机本身的调速范围也比较宽，弱磁方面可以得到控制。但它的缺点在于体积一般比较大，而且效率偏低。磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。但其应用由于其噪声大、输出转矩波动大而受到限制。随着设计和制造水平的提高，磁阻电机工作噪声必将进一步降低，磁阻电机将会越来越多的应用在电动汽车上。永磁电机是目前大家都热衷于采用的一种电机。它最大的特点是体积小、效率高。具有比较宽的恒功率调速范围。尤其是在乘用车上，越来越多的制造厂商包括丰田、本田、福特、通用等都采用永磁电机。因此永磁电机代表了电动汽车用电机的发展方向。1.2.3 整车控制系统技术1、基本概念与原理整车控制器是混合动力、纯电动及燃料电池车辆的主控制器，它通过采集各种传感器