新一代汽車的最新發(fā)展趨勢和未來展望

【日】 荻野法一

0 概述

隨著中國、印度等發(fā)展中國家經(jīng)濟水平的飛速發(fā)展，由于能源需求劇增等因素，能源安全問題（尤指能源穩(wěn)定供應等）、溫室效應等問題得以逐漸凸顯，汽車行業(yè)制定相應解決對策已成為當務之急，目前以電動汽車（EV）為核心的新一代汽車技術得以迅猛發(fā)展。

如對EV進行分類，可將其劃分為以下4種類型：由外部充電、只利用蓄電池儲存的電能行駛的純電動汽車（BEV）；配裝于內燃機汽車上，同時配備有蓄電池與電機，提高了行駛效率的混合動力汽車（HEV）；提升了HEV的蓄電池容量，與BEV同樣可從外部實現(xiàn)充電的插電式混合動力汽車（PHEV）；還有以氫為燃料的燃料電池（FC）發(fā)電實現(xiàn)行駛的燃料電池汽車（FCV）。

本文就新一代汽車中的BEV、FCV等車型，介紹EV的市場發(fā)展趨勢，并展望了EV的發(fā)展前景。

1 能源、環(huán)境問題與新一代汽車

為了降低對石油的依賴程度并削減CO2排放量，圖1示出了汽車能源的發(fā)展路線。圖1將能源路線劃分為“一次能源”、“汽車燃料”、“汽車動力”等3個階段。就能源路線而言，目前以汽油、輕柴油作為燃料的內燃機汽車依然占據(jù)主流市場。

通常，作為“一次能源”的生物質能、核能、常規(guī)自然能源（如水能、太陽能、風能）可抑制CO2排放，又可降低對石油的依賴程度，在國民經(jīng)濟建設中具有一定的發(fā)展?jié)摿Γ米髌嚾剂蠒r，如生物燃料、氫能、電能等則相對更具發(fā)展前景。

在采用生物燃料的前提下，車輛行駛中雖會排放CO2，而成為燃料的生物質亦會吸收大氣中的CO2，因此，可使CO2的總排放量較少。關于采用生物燃料汽車的相關技術課題目前并不多，而且解決生物燃料的供給依然是一項重要的課題。

在大力發(fā)展氫能與電能的前提下，不僅可通過自然能源來制備氫能或用于發(fā)電，而且同樣可利用礦物燃料來實現(xiàn)該目標，發(fā)電時通過復合燃燒系統(tǒng)（CCS）而有望削減CO2排放量，將氫能與電能作為燃料（或動力）的汽車對削減CO2排放量而言是卓有成效的。

針對汽車行業(yè)的能源及環(huán)境問題，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省于2010年4月發(fā)布了“新一代汽車戰(zhàn)略2010”的有關文件，揭示了關于汽車及相關企業(yè)與全社會在中、長期內滿足法規(guī)要求的新戰(zhàn)略方針。

2014年，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省在“新一代汽車戰(zhàn)略2010”文件的基礎上，進一步歸納整理了“汽車工業(yè)戰(zhàn)略2014”文件，該文件制定的目標是到2030年新一代汽車，即 HEV、BEV、PHEV、FCV、清潔型柴油車（CDV）在日本國內乘用車市場的新車銷量中要求所占比例至少應達到50%～70%（表1）。

圖1 汽車能源發(fā)展路線［1］

表1 日本國內新一代汽車的普及目標［2］（在日本國內乘用車市場上新車銷量中各類車型所占比例的目標）

2017年日本國內制定的“未來投資戰(zhàn)略2017”文件也設定了如下目標：到2030年，新一代汽車在日本國內乘用車市場的新車銷量中所占比例可達50%～70%。

2 EV的開發(fā)與普及

2．1 EV發(fā)展史

20世紀70年代以后，BEV曾有過2次興盛期。第一次興盛期是指為滿足20世紀70年代美國的排放法規(guī)，從而盛行的與BEV密切相關的一段研究時期。但隨著后續(xù)針對汽油車的廢氣排放處理技術得以確立，對BEV的關注程度也有所降低。

20世紀90年代，美國加利福尼亞州頒布了零排放汽車（ZEV）法規(guī)。ZEV法規(guī)規(guī)定了在加利福尼亞州汽車市場的新車銷量中，ZEV所占的比例要求達到至少10%。當時的ZEV即指BEV，于是由日本、美國的知名汽車制造商所引領的BEV研究浪潮又得以風靡一時，這就是BEV的第二次研發(fā)興盛期。

在BEV的第二次研發(fā)興盛期，還曾出現(xiàn)日本、美國的知名汽車生產(chǎn)商致力于BEV研發(fā)工作的實例，相比以往的BEV，20世紀90年代的BEV的動力性能得到了跨躍性提高。此外，就一次充電的行駛里程而言，早期的BEV即使拆除車內座椅，通常也只能行駛幾十公里的路程，而后續(xù)研發(fā)的新型BEV，在確保了與汽油車相同的車內空間后，可實現(xiàn)續(xù)航里程超200km的優(yōu)異性能。該項性能的提高得益于永磁同步電機以及鎳氫電池、鋰離子電池等高性能電池的應用，見表2。

這些20世紀90年代的BEV，雖然其性能相比以往的BEV有所提高，但其續(xù)航里程、充電時間、車輛成本等方面依然有進一步提升的空間。

尤其是當時的公共充電基礎設施并未得以完善，一次充電時長曾需數(shù)小時以上。同時，一次充電后的行駛路程較短，對于BEV而言是致命的弱點，其在當時并未成為具有較強實用性的車型。

表2 日本國內20世紀90年代的BEV

20世紀90年代后半期，隨著HEV的隆重推出，針對FCV的開發(fā)競爭也日漸活躍起來，知名汽車制造商的開發(fā)重點逐漸轉移到HEV和FCV等領域，而BEV在其第二次興盛期也并未得以普及。

關于FCV，從2002年起，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省開始實施日本氫能及燃料電池（JHFC）驗證計劃。該計劃被設定為2個階段，自2002年到2010年，在為期9年的時間內逐步實施了JHFC計劃。

在JHFC計劃的實施過程中，日本國內外的汽車制造商也各有參與，如針對FCV開展的公路行駛試驗，針對加氫站的實用性及安全性試驗等。

自2011年以后，逐步開展了JHFC3計劃，以基礎設施建設、運營商為主體所設立的氫氣供應、技術研究組合（HYSUT）為主體并開展了相關工作。HYSUT是以氫氣供應基礎設施的建設及商務環(huán)境的營造、整備為目的，于2009年7月設立的法人團體。該團體由要求通過氫氣供應以實現(xiàn)低碳社會的相關能源企業(yè)、汽車制造商等組成，并開展了相關活動。

2．2 電動車輛的近期市場發(fā)展趨勢

2009年，三菱公司開始銷售i－MiEV車型，拉開了將BEV正式投放日本國內市場的序幕。2010年日產(chǎn)汽車公司也開始銷售其頗具代表性的BEV，即電動乘用車LEAF車型。

日產(chǎn)汽車公司在2010年開始上市銷售的LEAF車型，其當時一次充電后的續(xù)駛里程為200km，而隨著車載蓄電池的大容量化，截至2017年，其續(xù)駛里程已提升至400km，是初期的2倍。而另一方面，車輛售價也在逐步降低（表3）。

表3 日本國內BEV性能的逐步提升（以日產(chǎn)公司LEAF車為例）

在2011年，其作為解決BEV一次充電的續(xù)駛里程問題的全新車型，有效地結合了BEV與HEV兩類車型的技術優(yōu)勢，PHEV也隨之開始正式上市銷售。

在短途運輸工況下，PHEV可以與BEV同樣通過外部充電并利用電能行駛，而在長途運輸工況下，則以汽油機作為動力來源，按HEV模式行駛。

表4示出了日本具有代表性的PHEV的主要技術規(guī)格。

表4 日本國內已上市銷售且具有一定代表性的PHEV

關于PHEV，其車截蓄電池已逐漸向大容量化發(fā)展，目前，BEV的行駛路程為60km左右。在日常行駛過程中，可通過BEV模式運作。

就FCV而言，2014年，豐田公司的“MIRAI”車型開始面向用戶銷售。本田公司推出的一款FCV車型“Clarity Fuel Cell”，于2016年以 Leas為代號開始正式上市銷售。

為隨車攜帶氫燃料，配置了承壓能力為70MPa的壓縮儲氫罐，一次充填氫氣后的續(xù)航里程為600km以上，氫氣填充所需時間約為3min，其便捷性相比傳統(tǒng)汽油車也毫不遜色（表5）。

表5 日本國內已上市銷售的FCV

圖2示出了BEV、PHEV、FCV及HEV保有量隨著時間的變化趨勢。如圖2所示，自1997年豐田公司的HEV從Plius車型上市銷售以后，各大汽車生產(chǎn)商都在不斷拓展其車型型譜。2016年末時，日本國內的HEV保有量為700萬輛，已逐漸步入正式普及階段。對這類HEV的發(fā)展歷程進行仔細觀察可知，從1997年開始正式上市銷售，歷時10余年至2009年，其已得到了快速普及。

圖2 EV保有量的變化趨勢

就BEV、PHEV而言，2009年三菱汽車公司推出i－MiEV車型，2010年日產(chǎn)汽車公司推出LEAF車型，2011年豐田公司的Plius PHV陸續(xù)開始投放市場。自2009年起，時隔7年后，日本國內BEV、PHEV的總保有量為16萬輛左右，已得到穩(wěn)步增長。不過，也存在車型依然較少的情況。最近，也有各大汽車生產(chǎn)商發(fā)布擴大EV型譜的相關信息。

3 基礎設施建設的發(fā)展趨勢

3．1 充電用基礎設施

為了普及BEV，同時減少里程焦慮，建設分布于日本國內各地、便于進行即時充電的基礎設施是必不可少的。當前，日本國內上市銷售的普通BEV，可通過普通充電方式（交流）和快速充電方式（直流）進行充電。

普通充電方式通常在居民住宅區(qū)設置相應充電樁，使用單相交流200V電源，功率為3kW左右?？焖俪潆姺绞絼t是將3相200V、50kW的交流電整流為直流電，按最大功率50kW進行快速充電。

在通常情況下，在住宅區(qū)、辦公區(qū)、旅館等地長時間泊車的情況下，采用普通充電方式效果更佳，而在中、長路程行駛途中，需要在短時間內進行燃料（電能）補給時，采用快速充電方式則更為適宜。

關于充電樁的建設也得到了國家、地方政府等方面的支持，目前日本國內正在大力建設并完善該類基礎設施。就快速充電樁的建設進程而言，截至2018年5月，日本國內已有7 300處左右（圖3）。

圖3 快速充電樁保有量隨時間的變化［3］

關于普通充電樁，目前尚無準確的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不過，可以看到包括插電式的普通充電樁在內，其保有量已達到快速充電樁的2倍以上，并且正在作為一般用途的充電設施而進行完善。

面向日本全國的高速公路服務區(qū)及停車場也在逐步設置快速充電樁，從而為駕駛BEV進行長途行駛的用戶提供便捷的充電服務及良好的駕乘體驗。

構建遍布日本全國的充電網(wǎng)絡的結果表明，在20世紀90年代BEV的第二次興盛期中未能解決的關鍵性問題如行駛里程、充電時間等已得到了大幅改善。

3．2 氫氣供應基礎設施

根據(jù)從已投入實施的JHFC計劃中所得到的經(jīng)驗，當前，以日本4大都市圈為中心的地區(qū)，正在緊鑼密鼓地進行商用加氫站的建設。對于商用加氫站的建設，自2014年起就已按照經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省頒布的加氫站設備經(jīng)濟補助項目的規(guī)定，推行了針對商用加氫站建設等方面的經(jīng)濟補助。到2018年4月，日本全國已有100所商用加氫站投入商業(yè)運營。

加氫站有“固定式”與“移動式”2種類型，在面向FCV普及的初期階段，運用“移動式”加氫站以供多地使用的方式立竿見影。“固定式”可分為“現(xiàn)場型”和“場外型”，前者是在加氫站內制備氫氣，后者則是像汽油加油站那樣，采用從其他地點運送氫氣至加氫站的方式。

為了正式普及FCV，針對加氫站的建設是當務之急，日本政府在2017年發(fā)表的“氫氣基本戰(zhàn)略”中，公布了設置加氫站的目標：到2020年，日本將建成約160處加氫站；到2030年，將建成約900處左右的加氫站。同時，對FCV保有量的預設目標是：到2020年為4萬輛左右；到2025年，保有量為20萬輛左右；到2030年，保有量將達80萬輛左右（圖4）。

圖4 針對FCV等車型引進情況的說明［4］

為實現(xiàn)這一目標，2018年2月，汽車制造商、加氫站建設商、金融投資者等共同參與成立了日本加氫站網(wǎng)絡聯(lián)合公司（JHYM）。

日本政府及民間團體的共同努力為FCV用加氫站的建設起到了重要推動作用。

4 EV的未來發(fā)展前景

4．1 關于BEV、PHEV今后的普及

在現(xiàn)階段，難以預料BEV、PHEV今后會按怎樣的發(fā)展模式進行普及。不過，在日本由于已有關于HEV的良好的普及示例，因此，下文將根據(jù)HEV過去的普及情況進行分析。

首先，以HEV開始上市銷售的1997年為起點，根據(jù)HEV的銷售實績，圖5中示出了各年度的累積銷量，也同時示出了HEV保有量的發(fā)展趨勢。

圖5 BEV與HPEV的累積銷售量的趨勢預測

到2016年末，HEV的累積銷量約為753萬輛，保有量約為700萬輛。

其次是BEV與PHEV，作為政府設定的目標，日本提出到2030年，日本國內新車銷量中BEV與PHEV所占比例應為20%～30%，未來將依然延續(xù)該銷售比例，并根據(jù)2016年的實際銷售比例，再按等比例增加銷售比例，為此預測了各年度的銷售比例。由該銷售比例預測出其銷量，求出2017年以后的累積銷量的預測值。

其計算結果顯示，2030年度的累積銷售預測值為2030年的新車銷售中BEV和PHEV所占銷售比例的30%時可達530萬輛，所占銷售比例為20%時，可達400萬輛。

如圖5中累積銷售量預測值的發(fā)展趨勢所示，作為政府設定的目標是到2030年新車銷售中的BEV和PHEV所占銷售比例為20%～30%。從HEV以往的銷售情況可以推測，這并非無法實現(xiàn)的目標。

但是，根據(jù)HEV發(fā)展的情況，充電供應基礎設施目前已建設成全國性充電網(wǎng)絡，還有BEV和PHEV并未充分降低其售價（與原有車輛售價相差無幾，且充電基礎設施待進一步完善），所以，不能簡單地斷定其能與HEV同樣得到普及。

為了實現(xiàn)BEV和PHEV普及的目標，仍需完成以下工作：加強充電基礎設施（如充電樁）的建設，構建全國性充電網(wǎng)絡，讓用戶感覺到充電的便捷性，降低車輛售價，擴充車型型譜，以便為用戶提供更多選擇。

4．2 期待電動車輛發(fā)揮新的作用

目前，正在重點研究的一個課題是BEV和PHEV將作為電力系統(tǒng)的一部分而開拓全新的應用領域，也就是將BEV和PHEV作為電力系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的汽車不同，BEV和PHEV上將配置大容量蓄電池，構成能與電力系統(tǒng)實現(xiàn)電氣連接的系統(tǒng)，其并入電網(wǎng)（電力系統(tǒng)）的時間比例也較長。這也是靈活地利用該方式并將BEV和PHEV并入到電力系統(tǒng)中的模式。

表6列出了電動汽車未來在電力系統(tǒng)中所能發(fā)揮的作用。在此，將電力公司的配電網(wǎng)（通常指6kV配電設備）稱為“Grid”。關于車輛到家庭的供電方式（V2H），在東日本大地震后，已實現(xiàn)了商品化，在購入BEV的同時引進這種家用供電設備的情況也較為頻繁。根據(jù)目前研究，將來有望引起廣泛關注的是從電網(wǎng)到電動車的供電方式（G2V）以及從電動車到電網(wǎng)的供電方式（V2G）?？蓪⒋罅緽EV和PHEV接入至電力系統(tǒng)中，構建電力系統(tǒng)側可控負荷或將其作為虛擬發(fā)電設備（VPP）而使用。

表6 未來電動車在電力系統(tǒng)中所起到的作用

而且，F(xiàn)CV也與V2G、V2H密切相關，其具備作為電源的功能。從BEV的車載蓄電池儲存的電能看，目前，上市銷售的蓄電池儲能約為幾十kW·h，而FCV可利用儲備的氫能進行發(fā)電，所以，可輸出的電能比BEV車更大。就發(fā)電量而言，F(xiàn)CV用于V2G、V2H的前景比BEV更為廣闊。

5 結論

就當前的汽車動力來源而言，內燃機汽車在未來的一段時間內依然將作為主流車型。但為了應對能源安全及溫室效應等問題，以氫氣或電能為動力來源的發(fā)展路線將是必經(jīng)之路。

近年來，不僅在歐美等發(fā)達國家，而且，也包括中國等發(fā)展中國家在內，汽車的電動化也是大勢所趨，EV將在世界范圍內逐漸得以普及。

在該背景下，隨之而來的話題是“新一代汽車競爭的優(yōu)勝者是BEV還是FCV？”不過，BEV和FCV各有其優(yōu)勢及劣勢，目前認為將來BEV更適用于短途及小型車輛，而FCV則更適用于長途及大型車輛，需發(fā)揮其各自的優(yōu)勢。2類車型將長期處于品牌競爭及技術互通的狀態(tài)，并將得以協(xié)同發(fā)展。