新能源汽車技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)淺析

劉欣，李春

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

21 世紀(jì)，我國(guó)迎來(lái)了工業(yè)化水平提高和經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步前所未有的發(fā)展契機(jī)，工業(yè)化水平的進(jìn)步也大大地促進(jìn)了我國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)，因此由汽車帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重[1]。例如在汽車尾氣中，含有對(duì)人體血液、神經(jīng)系統(tǒng)有嚴(yán)重?fù)p害的有毒物質(zhì)。除此之外，汽車噪聲也是城市噪聲的主要來(lái)源。相比傳統(tǒng)燃油汽車而言，電動(dòng)汽車的零排放或低排放和低噪聲，將大大緩解燃油汽車對(duì)人類生活環(huán)境的污染[2]。

隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，以及國(guó)家對(duì)新能源汽車在政策方面的支持，國(guó)內(nèi)新能源汽車的產(chǎn)銷量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷達(dá)到了136.6萬(wàn)輛和136.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)7.5%和10.9%。在新能源汽車產(chǎn)品中，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)銷均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展和變革，除了影響新能源汽車在銷量方面的增長(zhǎng)，也使得新能源汽車的產(chǎn)品種類也越來(lái)越多。這使得普通大眾對(duì)新能源汽車的認(rèn)識(shí)存在一定的難度。

因此，本文作者從新能源汽車的概念出發(fā)，一方面介紹不同類型的新能源汽車;另一方面，針對(duì)不同類型的新能源汽車的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。最后，分析了目前國(guó)內(nèi)新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 新能源汽車分類

新能源汽車主要是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來(lái)源的汽車，常規(guī)的車用燃料是指乙醇汽油、柴油等等。目前，針對(duì)新能源汽車的動(dòng)力來(lái)源，絕大多數(shù)都采用電能、太陽(yáng)能和氫能源，尤其是以電能為主。

新能源汽車的種類分為純電動(dòng)汽車、增程式混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和燃料電池電動(dòng)汽車。下面就不同種類的新能源汽車，其工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行介紹和說(shuō)明。

1.1 純電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車的英文為Battery Electric Vehicle，簡(jiǎn)稱BEV，或者大多數(shù)情況下會(huì)簡(jiǎn)稱為EV，即Electric Vehicle。由英文單詞就可以理解，純電動(dòng)汽車就是指僅采用電池包中的電能來(lái)充當(dāng)車輛的動(dòng)力來(lái)源。純電動(dòng)汽車從技術(shù)難度上講是最簡(jiǎn)單的一種新能源汽車。在結(jié)構(gòu)上，它去掉了傳統(tǒng)車輛上的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，取而代之的是電機(jī)和高壓電池包。

1.2 增程式混合動(dòng)力汽車

增程式混合動(dòng)力汽車的英文為Hybrid Electric Vehicle，簡(jiǎn)稱為HEV。顧名思義，這種新能源汽車既具有傳統(tǒng)車輛的燃油動(dòng)力系統(tǒng)，也具備一定能量的高壓電池包。從結(jié)構(gòu)上，該類型車輛在原有傳統(tǒng)車輛的基礎(chǔ)上，增加了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)和高壓電池包。這也表明，該類型車輛既可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)給車輛提供動(dòng)力，也可以使用電機(jī)來(lái)給車輛提供動(dòng)力。另外，該類型車輛的特點(diǎn)是隨車配置的高壓電池包不可以采用外部電源來(lái)進(jìn)行充電，僅僅依靠車輛自身的動(dòng)力來(lái)補(bǔ)充電池包中的電能。從技術(shù)難度上和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上，該類型車輛相比純電動(dòng)汽車要復(fù)雜得多。

1.3 插電式混合動(dòng)力汽車

插電式混合動(dòng)力汽車的英文為Plug-in Hybrid Electric Vehicle，簡(jiǎn)稱PHEV。該類型車輛相比增程式混合動(dòng)力汽車在結(jié)構(gòu)上基本一致，既同時(shí)具備普通車輛的燃油動(dòng)力系統(tǒng)，也具備電動(dòng)汽車的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。另外，它還具備能夠?yàn)檐囕v高壓電池包充電的充電系統(tǒng)。從技術(shù)難度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上，該類型車輛介于純電動(dòng)汽車和增程式混合動(dòng)力汽車之間。

1.4 燃料電池電動(dòng)汽車

燃料電池電動(dòng)汽車的英文為Fuel Cell Electric Vehicle，簡(jiǎn)稱FCEV。它是指利用氫氣等燃料和空氣中的氧在催化劑的作用下，在燃料電池中經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能，并以此作為動(dòng)力源來(lái)驅(qū)動(dòng)的汽車。燃料電池電動(dòng)汽車相比前文提到的3種類型的電動(dòng)汽車在結(jié)構(gòu)上存在相似之處，但是也存在不同點(diǎn)。相同點(diǎn)是都是利用電能來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，不同點(diǎn)是關(guān)于電能的來(lái)源不同。對(duì)于前文提到的3種類型的電動(dòng)汽車，用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛的電能都是通過(guò)高壓電池包來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)。當(dāng)需要使用的時(shí)候，電池包進(jìn)行電能的釋放。而燃料電池電動(dòng)汽車，驅(qū)動(dòng)車輛行駛所用的電能是通過(guò)燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)，臨時(shí)生成的電能。因此，在結(jié)構(gòu)上存在一定的差別。對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車，從整體的技術(shù)難度和部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上均比前文所述的3種電動(dòng)汽車要復(fù)雜一些。

2 工作方式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在了解了不同種類的新能源汽車的概念之后，下面主要對(duì)以上4種新能源汽車的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并且對(duì)每種新能源汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。

2.1 純電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車的工作原理和結(jié)構(gòu)布置較為簡(jiǎn)單。車輛的動(dòng)力來(lái)源就是依靠電機(jī)將存儲(chǔ)在高壓電池包中的電能轉(zhuǎn)換為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。能量的轉(zhuǎn)換形式較為單一。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，能量流動(dòng)方向?yàn)殡姵匕㈦妱?dòng)機(jī)、變速箱到車輪。能量轉(zhuǎn)化為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。對(duì)于一些高端的純電動(dòng)汽車，該能量轉(zhuǎn)化也可以逆向轉(zhuǎn)化。能量流動(dòng)方向?yàn)檐囕v的動(dòng)能、變速箱、發(fā)電機(jī)到電池包，也就是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，通常被稱為制動(dòng)能量回收。

對(duì)于純電動(dòng)汽車，電池包性能的好壞直接影響到電動(dòng)汽車整車的性能，例如在安全性和續(xù)航性能方面。目前用于裝配電池包的電芯主要有兩類，一類是三元鋰電池，一類是磷酸鐵鋰電池。兩種電池的性能見(jiàn)表1。

表1 磷酸鐵鋰與三元鋰電池特性

由表1可知，三元電池失效時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氧氣，而且反應(yīng)劇烈，電池溫度急劇上升，產(chǎn)氣速率較快，導(dǎo)致電池來(lái)不及泄壓可能會(huì)使單個(gè)電池燃燒甚至爆炸。而磷酸鐵鋰電池失效時(shí)，內(nèi)部不產(chǎn)生氧氣，反應(yīng)速率較慢，且產(chǎn)氣速率較慢，通過(guò)泄壓閥泄氣后，在電池包外部會(huì)出現(xiàn)明火燃燒，一般不會(huì)發(fā)生爆炸。這說(shuō)明磷酸鐵鋰電池整體的安全性能要比三元鋰電池要好一些。但是，由于磷酸鐵鋰的能量密度相比三元鋰電池要小很多，使得配置磷酸鐵鋰的電池包在車輛續(xù)航里程方面的性能相比三元電池要遜色很多。

總結(jié)純電動(dòng)汽車的相關(guān)特性，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

(1)環(huán)保無(wú)污染，不產(chǎn)生廢氣，且噪聲低;

(2)整車結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單，要求技術(shù)門(mén)檻低;

(3)車輛續(xù)駛里程依賴電池特性強(qiáng)，且低溫性能較差。

2.2 增程式混合動(dòng)力汽車

增程式混合動(dòng)力汽車的工作原理和結(jié)構(gòu)布置相比純電動(dòng)汽車要復(fù)雜得多。按照車輛的動(dòng)力來(lái)源劃分，可以將增程式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)布置分為3種形式，分別為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。3種方式的動(dòng)力系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 增程式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

當(dāng)結(jié)構(gòu)布置為串聯(lián)式時(shí)，雖然車輛既具備發(fā)動(dòng)機(jī)，也具備電動(dòng)機(jī)，但是驅(qū)動(dòng)車輛行駛的只有電動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向電池包充電。當(dāng)結(jié)構(gòu)布置為并聯(lián)式時(shí)，車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)都可以作為動(dòng)力源向驅(qū)動(dòng)輪輸出動(dòng)力。當(dāng)結(jié)構(gòu)布置為混聯(lián)式時(shí)，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)既可以當(dāng)做動(dòng)力源直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛，也可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向電池包充電。另外，電動(dòng)機(jī)也可以驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

目前，絕大多數(shù)的車型均采用混聯(lián)式的結(jié)構(gòu)布置形式。因?yàn)樵谠摲N布置結(jié)構(gòu)下可以充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的各自優(yōu)勢(shì)。例如，當(dāng)車輛需要在低速狀態(tài)下行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)的低速特性優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)車輛采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。當(dāng)車輛需要在高速狀態(tài)下行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的高速特性優(yōu)于電動(dòng)機(jī)，則車輛采用發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。同時(shí)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率過(guò)剩，還可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向蓄電池充電。因此，對(duì)于增程式混合動(dòng)力汽車，采用混聯(lián)式的結(jié)構(gòu)布置方案是最優(yōu)的方案。但是該種結(jié)構(gòu)布置形式對(duì)車輛在硬件和軟件方面都要具備非常高的技術(shù)要求。

總結(jié)增程式混合動(dòng)力汽車的相關(guān)特性，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

(1)環(huán)保方面低于純電動(dòng)汽車，但優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車;

(2)可以充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的工作特性，綜合提升能量利用率，但是結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，技術(shù)難度高;

(3)可以有效地解決純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的問(wèn)題，降低電動(dòng)汽車受環(huán)境溫度影響的程度。

2.3 插電式混合動(dòng)力汽車

插電式混合動(dòng)力汽車的工作原理和結(jié)構(gòu)布置形式與增程式混合動(dòng)力汽車基本一致。區(qū)別就是對(duì)于插電式混合動(dòng)力汽車在增程式混合動(dòng)力汽車的基礎(chǔ)上增加了可以單獨(dú)為電池包充電的充電系統(tǒng)。通過(guò)增加充電系統(tǒng)，可以降低混合動(dòng)力汽車制造的技術(shù)難度，即采用并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)布置形式即可。關(guān)于插電式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與增程式混合動(dòng)力汽車一致，這里不再進(jìn)行贅述。

2.4 燃料電池電動(dòng)汽車

燃料電池電動(dòng)汽車的工作原理是利用氫氣和空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，形成電流使電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)車輛行駛，其動(dòng)力系統(tǒng)的布置簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

由圖可知，在動(dòng)力系統(tǒng)的布置中除了燃料電池，還配有高壓電池包。這是因?yàn)槿剂想姵仄囋谡Ｐ旭偁顟B(tài)下，僅依靠燃料電池既可以滿足車輛的使用需求，而且燃料電池也會(huì)對(duì)高壓電池包進(jìn)行充電。當(dāng)車輛需要加速時(shí)，為了滿足車輛的用電功率，燃料電池和電池包會(huì)同時(shí)向電動(dòng)機(jī)輸送電能，以滿足車輛的使用需求。另外，當(dāng)車輛由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為行駛狀態(tài)時(shí)，由于燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)需要一定的時(shí)間，此時(shí)由高壓電池包向電動(dòng)機(jī)輸出電能。

對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車，其技術(shù)難度和硬件要求相比純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車都要難得多。比如在硬件方面的儲(chǔ)氫瓶、供氫閥、空壓機(jī)等，相關(guān)部件的技術(shù)能力國(guó)外遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。主要原因是燃料電池汽車的燃料采用的是氫氣，而氫氣是一種極易燃燒的氣體，而且無(wú)色透明、無(wú)臭無(wú)味且難溶于水。這使得在相關(guān)部件的制造方面和安全性方面都提出了很高的技術(shù)要求。在燃料存儲(chǔ)方面，由于采用高壓存儲(chǔ)，使得燃料電池電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程可以達(dá)到700 km以上。有的車型甚至可以到達(dá)900 km。另外，在污染物方面，燃料電池汽車同純電動(dòng)汽車一樣，完全是零污染排放，最終的生成物只有水?？偨Y(jié)燃料電池電動(dòng)汽車的相關(guān)特性，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

(1)與純電動(dòng)汽車一樣，環(huán)保無(wú)污染，不產(chǎn)生廢氣，且噪聲低;

(2)相比混合動(dòng)力汽車，由于不需要利用活塞等機(jī)械部件，使得能量整體的轉(zhuǎn)換效率較高;

(3)加氫時(shí)間與加油時(shí)間相同，而且續(xù)駛里程較長(zhǎng);

(4)綜合技術(shù)難度高，造車成本和用車成本較高，且需要配套加氫站。

3 新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

從2008年開(kāi)始，新能源汽車在國(guó)內(nèi)開(kāi)始嶄露頭角，一直到2020年，經(jīng)過(guò)12年的發(fā)展，我國(guó)在新能源汽車技術(shù)方面有著非常大的進(jìn)步和發(fā)展。尤其針對(duì)傳統(tǒng)的新能源汽車，主要是指利用高壓電池包作為臨時(shí)儲(chǔ)能的電動(dòng)汽車。在產(chǎn)品種類方面，已經(jīng)由最初的以純電動(dòng)汽車為主的技術(shù)路線，轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗募冸妱?dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車共同發(fā)展的技術(shù)路線。另外，在核心部件方面，如高壓電池和電機(jī)等，從使用性能和安全性能方面也有較大的提升。針對(duì)這一類型的新能源汽車，國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備了一些非常成熟的零部件和整車的生產(chǎn)企業(yè)，并且在產(chǎn)品性能方面，已經(jīng)可以與傳統(tǒng)汽車制造強(qiáng)國(guó)相競(jìng)爭(zhēng)。

但是對(duì)于新興的新能源汽車，例如燃料電池電動(dòng)汽車。不論是在部件生產(chǎn)，還是在整車制造方面，我國(guó)都還需要一定時(shí)間的發(fā)展和提升。目前，我國(guó)的燃料電池汽車主要應(yīng)用在商用車、公交車和城市客車。原因是這些類型的車輛尺寸較大，便于儲(chǔ)氫瓶和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的布置。對(duì)于乘用汽車，由于生產(chǎn)成本較高，研發(fā)技術(shù)難度較大，因此國(guó)內(nèi)還沒(méi)有大批量生產(chǎn)和上市的相關(guān)車型。另外，制約燃料電池汽車發(fā)展的另一因素，是關(guān)于加氫站的布局。我國(guó)在加氫站的建設(shè)方面，僅有部分城市具有小規(guī)模布局。全國(guó)絕大部分城市和地區(qū)都還不具備加氫的能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

近些年，隨著一批造車新勢(shì)力的加入，不僅推動(dòng)了國(guó)內(nèi)新能源汽車產(chǎn)品的高端化，更是積極地推進(jìn)了我國(guó)的新能源汽車在智能化和網(wǎng)聯(lián)化方面的發(fā)展。相信隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，以及國(guó)家對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)支持，我國(guó)針對(duì)新能源汽車的生產(chǎn)制造，不僅在產(chǎn)品種類方面會(huì)更加的多元化，而且在技術(shù)方面也會(huì)越來(lái)越領(lǐng)先于傳統(tǒng)的老牌汽車生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。