節能與新能源汽車的技術發展現狀和基礎設施建設

凌天鈞

（上海汽車集團股份有限公司，上海 201804）

目前，節能與新能源汽車已經成為中國乃至全球汽車工業的一個火熱的發展方向。發展節能與新能源汽車是全球節能減排的必然道路，也是全球汽車工業可持續發展的必然途徑。

1 中國節能和新能源汽車發展規劃

中國政府歷來重視節能與新能源汽車的發展，從 “十五”規劃、“十一五”規劃到現在的 “十二五”規劃，政府對節能與新能源汽車進行了大規模大范圍的支持、投入，制訂了短期、中期和長期的發展規劃。

1.1 電動汽車 “十五”規劃

在 “十五”規劃期間，確立了能源多樣化、驅動電氣化的新能源汽車發展方向，并以燃料電池汽車、混合動力汽車、純電動汽車3種車型為 “三縱”，以驅動電機、動力電池和電子電控技術為“三橫”的 “三縱三橫”研究開發布局。“三縱三橫”研究開發布局及其組織管理模型如圖1所示。

1.2 電動汽車 “十一五”規劃

在 “十一五”規劃期間，對燃料電池汽車做了兩個非常大的嘗試，一是2008年北京奧運會的示范運行；另一個是2010年上海世博會的示范運行。燃料電池汽車實現了綜合技術的跨越。

對于混合動力汽車，各大整車廠產品開發技術掌握得比較成熟，在掌握產品開發技術的配套上實現產業規模的突破，都有了自己的混合動力汽車產品。

對于純電動汽車，各大整車廠都在積極開拓純電動汽車產品。純電動汽車技術滿足產業化需求，并將實現商業應用的市場開拓。

在 “十一五”和 “十二五”規劃之間，國家還出臺了很多的計劃、目標等，其中突出的是 “十城千輛”行動計劃和 “五城”計劃。

1.3 “十城千輛”行動計劃

“十城千輛”行動計劃，全稱十城千輛節能與新能源汽車示范運行計劃，是由科技部、財政部、發改委等部委在2009年初聯合啟動的。到2009年年中，示范運行城市增加到13個。2010年，示范城市已達到20個。

1）目標 用3年左右的時間，每年發展10個城市，每個城市推出1000輛包括混合動力汽車、純電動汽車在內的新能源汽車。

2）推廣 公交、出租、公務、市政、郵政等領域。

3）規模 力爭使全國新能源汽車的運營規模到2012年占汽車市場份額的10%。

1.4 “五城”計劃

2010年6月1日，財政部、科技部、工信部、國家發改委聯合出臺了 《關于開展私人購買新能源汽車補貼試點的通知》，確定在上海、長春、深圳、杭州、合肥等5個城市啟動私人購買新能源汽車補貼試點工作。

1.5 《節能與新能源汽車產業規劃》意見稿

雖然 《節能與新能源汽車產業規劃》（以下簡稱《規劃》）呼之欲出，但到目前為止，始終沒有正式出臺。不同意見爭論激烈。《規劃》意見稿的主要內容如下。

1）《規劃》意見稿確定了電動汽車作為汽車產業轉型的重要戰略方向，我國將最終實現插電式混合動力汽車和純電動汽車的產業化，同時將加快研發燃料電池汽車技術。

2）《規劃》意見稿中對未來十年新能源汽車的產業布局設定了目標:到2020年，培育形成1～2家新能源汽車產銷規模超過100萬輛的汽車企業集團，3～5家新能源汽車產銷規模超過50萬輛的汽車企業集團。

3）《規劃》意見稿明確:到2020年，我國新能源汽車累計產銷量要達到500萬輛，其中，中、重度混合動力乘用車占乘用車年產銷量的50%以上。而在制約電動車普及的成本方面，《規劃》目標為:到2015年 （《規劃》中的中期目標），動力電池系統能量密度達到120瓦時／公斤以上，成本降低至2元／瓦時；到2020年，動力電池系統能量密度達到200瓦時／公斤以上，成本降低至1.5元／瓦時。

4）《規劃》意見稿明確:從2011到2020年的10年間，中央財政將投入1000億元用于扶持新能源汽車產業。其中，500億元為節能與新能源汽車產業發展專項資金，重點支持關鍵技術研發和產業化，促進公共平臺等聯合開發機制；300億元用于支持新能源汽車示范推廣；200億元用于推廣以混合動力汽車為重點的節能汽車。另外100億元用于扶持核心汽車零部件業發展；50億元用于試點城市基礎設施項目建設。

5）《規劃》意見稿中還強制政府采購規模化。各級政府及公共機構，實行節能與新能源汽車強制性采購，逐步擴大采購規模，至2015年新能源汽車采購比例不得低于10%，節能汽車不得低于50%。

綜上所述，國家出臺各種各樣的規劃、計劃、目標和目錄，都在圍繞支持和推動節能與新能源汽車的發展，如國家五部委:汽車產業十二五規劃；國家科技部:電動汽車十二五專項規劃；國家發改委:產業結構調整指導目錄；工信部:節能與新能源汽車產業發展規劃。

所有這些規劃、目錄的出臺都是為了達到如下的目標:①2020年成為全球NEV第一大國；②確定了電動汽車作為汽車產業轉型的重要戰略方向；③10年間，中央財政將投入1000億元用于扶持新能源汽車產業。

2 節能和新能源汽車技術進展

2.1 混合動力汽車

典型混合動力轎車技術參數如表1所示。國際主要混合動力汽車匯總如表2所示。國際主要混合動力汽車典型技術方案如表3所示。

總的來說，從國內外已商業化的車型看，微混可節油5%～10%；輕混可節油10%～25%；中混可節油25%～35%；全混可節油≥35%。

國外混合動力汽車技術日臻成熟，產品陸續進入市場，通過應用提高了系統的實用化程度和產業化水平。混合動力汽車的技術優勢已經成為各國汽車公司的競爭優勢，正在改變汽車行業的市場格局。

國外在混合動力汽車的應用方面充分考慮到不同市場的需求、難易程度，以及綜合考慮產品的實用性、成本的可接受性。

表1 典型混合動力轎車技術參數

表2 國際主要混合動力汽車匯總表

2.2 純電動汽車

純電動汽車與傳統燃油車的比較見圖2。國際主要純電動汽車匯總如表4所示。從續駛里程及電機功率的角度考慮來看，國際主要純電動汽車的技術方案如表5所示。

純電動汽車關鍵技術——動力電池技術現狀:車用電池系統分類見表6，車用電池系統與產業化的差距見表7，各種電芯技術的功率／能量密度比較見表8（國外供應商）和表9（國內供應商），國內主要鋰電池生產企業狀況見表10。

總的來說，純電動汽車的發展受到世界各國的重視，各個主要汽車公司積極參與，在產品研發、示范和試用方面取得了很大進展。但因電池性能和成本不能完全滿足電動汽車發展市場化的需求，應用范圍偏重于小型車輛和城市公交客車。

表3 國際主要混合動力汽車典型技術方案

純電動汽車的產業化推進，需要電池技術的進一步突破，需要綜合利用過渡技術 （增程式、插電式混合等），需要充電設施不斷完善。

2.3 燃料電池汽車

國外燃料電池汽車技術現狀見表11。

2.3.1 燃料電池汽車示范運行現狀

2.3.1.1 國外 （2010年前的數據）

1）GM旗下的Equinox車型 （圖3）超過80000乘員乘坐；119輛車在4個國家示范運行；11000次加氫18000kg；示范運行了2個冬季；部分車輛已經運行48000多公里，總共示范運行里程1930000多公里。

2）HONDA旗下的Clarity車型 （圖4）HONDA旗下的Clarity車型在北美和日本提供租賃服務。每月600美元的租賃價格還包括了日常維護和保險費用，相比國內日租200元的車還要便宜1／3。考慮到制造成本 （約一百萬美元），本田無疑是在賠本賺吆喝。在美國提供租賃服務的地區，氫氣價格和汽油價格相當，每次充滿氫能夠行駛450 km以上。

2.3.1.2 國內

表4 國際主要純電動汽車匯總表

表5 國際主要純電動汽車技術方案 （續駛里程及電機功率）

1）2008年北京奧運會示范運行 運營基地設在北京永豐產業基地的氫能華通加氫站內；共20輛領馭燃料電池轎車，其中神力電堆17輛，新源電堆3輛；每輛車的運營里程都超過1000km。

表6 車用電池系統分類

2）2010年上海世博會示范運行 運營基地設在世博新能源汽車濟陽路基地內；共40輛上海牌燃料電池轎車和6輛燃料電池客車；總共的運營里程達到115000km。

2.3.2 燃料電池汽車產業化待解決的問題

1）成本問題 采用貴金屬鉑Pt作為催化劑，目前用量1.3～1.5 g／kW； 目前國內燃料電池堆成本達到約8000元／千瓦，以此估算，榮威燃料電池轎車使用的55 kW燃料電池系統成本將達到60多萬元。

表7 車用電池系統與產業化的差距

表8 國外供應商各種電芯技術的功率／能量密度比較

表9 國內供應商各種電芯技術的功率／能量密度比較

表10 國內主要鋰電池生產企業狀況

表11 國外燃料電池汽車技術現狀

2）耐久性問題 當前國內燃料電池系統壽命估計不足1000h，國際先進燃料電池壽命約2000h；而實現燃料電池產業化的目標壽命需超過5000 h，尚存在差距。

3）可靠性問題 目前廣泛采用的全氟磺酸質子交換膜，在不同環境下將易導致膜內水的缺失或結冰，影響燃料電池性能。因此，冬、夏季極易導致燃料電池系統運行不穩定。

4）安全性問題 燃料電池汽車不但有高電壓（＞300 V）動力線，而且還有高壓儲氫系統 （高達70MPa），高壓電和氫安全問題比較突出。

5）基礎設施問題 加氫站的缺乏阻礙了燃料電池汽車產業化的進程。

2.3.3 燃料電池汽車技術最新進展

2.3.3.1 系統集成技術

主要目標是使燃料電池汽車技術從系統實現功能集成水平很低到部分系統及零部件實現集成設計，最終實現各系統及零部件達到傳統車的集成水平。

2.3.3.2 燃料電池系統技術

志愿服務的資金來源大體上可以分為三個部分。第一是政府財政給予的支持。第二是民間捐贈方面的資金支持。第三是商業交易所得的資金。不管是政府財政資助、還是社會捐贈，抑或是商業交易，志愿服務這些資金的獲得都依賴于經濟的蓬勃發展。發展才是硬道理，只有經濟建設順利穩健發展，政府、企業、個人才能創造更多的經濟收益，志愿服務作為社會精神文明發展的有益補充才能分到更多的資金用于自身的發展。

1）貴重金屬催化劑、電極材料的設計和工藝目標為每輛車小于10 g鉑金。目前每車鉑金需求與鉑金成本對照見表12。

2）低成本的膜材料。

3）低成本的雙極板材料:低鎳含量的不銹鋼；去除或者簡化極板的涂層。

2.3.3.3 車載高壓儲氫技術

1）儲氫壓力從35～70 MPa 從35 MPa加壓到70 MPa需要多消耗10%的能量，如圖5所示；從35 MPa到70MPa能增加55%的氫氣儲存量，如圖6所示。

表12 每車鉑金需求與鉑金成本對照表

2）從三型瓶到四型瓶的過渡 與三型瓶相比，四型瓶有如下特點:①同樣的容量，四型瓶自重要輕20%；②更好的可靠性和更長的疲勞壽命；③材料成本更低。

2.3.3.4 氫安全設計

2）過流保護 流量超過20倍額定流量時，溢流閥自動關閉。

3）隔離設計 氫瓶、燃料電池和氫氣管路與乘員艙隔離設計，防止泄漏的氫氣進入乘員艙。

4）氫報警系統 車輛內部布置了＞4只氫傳感器，在線檢測車內氫氣濃度，分級報警。達到1級報警時，系統關閉氫瓶閥門。每只傳感器具有自檢功能，當傳感器工作異常時會發出故障信號并停止供氫。

5）碰撞安全 燃料電池汽車中安裝了檢測碰撞發生的慣性傳感器，當發出碰撞時，通過控制系統可以立即關閉氫氣供應。氫瓶布置在車輛后部車身縱梁保護范圍內的相對安全位置，避免碰撞發生時直接破壞氫瓶。燃料電池轎車進行了實車碰撞試驗和碰撞CAE分析，驗證碰撞發生時的車輛氫安全性，并對氫系統的布置進行優化。

6）零部件控制 關鍵零部件通過國家 （國際）權威認證和測試。

7）遠程監控 燃料電池轎車、大巴車配備遠程監控系統，可以將車輛的氫報警狀態實時傳送到運行基地，基地人員可以全局掌控車輛的氫安全狀態。

總的來說，國內外汽車公司將發展燃料電池汽車作為重要戰略方向，并投入相當大的人力、物力、財力進行攻關，取得了重要進展。在短中期內，燃料電池汽車注重于示范運行，積累豐富的經驗，以便推進燃料電池汽車的產業化。

3 新能源汽車基礎設施建設

3.1 充電站

3.1.1 電動汽車的分類

1）集團車輛 包括:公交部門使用的各種公共交通客車、小巴等；環衛部門使用的街道清掃車、垃圾清運車、灑水車等；郵政部門使用的郵政配送車輛；電力供水等部門使用的電力工程車、工程搶修車等。特點:行駛特性有一定規律，有固定停車場所。

2）社會車輛 包括:公務車和出租車等。特點:隨機性較強，行駛半徑大。

3）私人車輛 特點:隨機性極大，行駛里程短，停駛時間長。

3.1.2 充電站運營模式

充電站運營模式主要分為以下3種:常規充電、快速充電和電池更換。電動汽車充電設施的模式選擇如表13所示。

表13 電動汽車充電設施的模式選擇

3.1.3 充電站主要設備

充電站主要設備如圖7所示。

2010年中國主要城市電動汽車充電站建設情況如表14所示。

表14 2010年中國主要城市電動汽車充電站建設情況

截至2010年，國內41個重點城市已建成電動汽車充電站76座。

為推廣電動汽車進入市場，上海嘉定區計劃在2011年年內建設770余根充電樁及4座充電站。到2012年，該區將實現電動汽車基礎設備全覆蓋，建成充電樁1.3萬個，充 （換）電站15座，加氫站2座以上。

到2012年，杭州計劃建成集中充電站4座、充（換）電站38座，充電樁3500套，以實現2012年底2萬輛私人用新能源汽車的目標。

3.1.4 兩大電網公司的充電站規劃

1）國家電網 第1階段 （2010年）充電站主設備總投資規模將達到3億元，在27個網省公司建設75座充電站和6209個充電樁，初步建成電動汽車充電設施網絡架構；第2階段 （2011～2015年）投資140億元，電動汽車充電站規模達到4000座，同步大力推廣建設充電樁，初步形成電動汽車充電網絡；第3階段 （2016～2020年）投資180億元，電動汽車充電站達到10000座，同步全面開展充電樁配套建設，建成完整的電動汽車充電網絡。到2020年充電站主設備總投資將達到320億元。

2）南方電網 為滿足新能源汽車發展需要，南方電網將在深圳市建設各類新能源汽車充電站（樁）12750個，其中，公交快、慢速充電站各25個，公務車充電樁2500個，社會公共慢速充電樁10000個，社會公共快速充電站200個，建立新能源汽車示范運行管理信息化平臺。

3.2 加氫站

3.2.1 全球加氫站概況

截至2009年底，全球投入使用的加氫站超過150座，半數在北美。加利福尼亞州是北美氫能基礎建設的領導者，占有美國加氫站數量的半壁江山。全球及主要地區的加氫站情況如圖8所示。

3.2.2 國內加氫站情況

中國現有3個加氫站，分別是北京加氫示范站、上海安亭加氫示范站和上海世博加氫站。

3.2.2.1 北京加氫示范站

位于北京中關村永豐高新技術產業基地新能源交通示范園內，是我國第一座固定車用加氫站。北京加氫示范站的運行，對2008北京 “綠色奧運、科技奧運”起到積極的推動作用。

3.2.2.2 上海安亭加氫站

屬于中國科技部國家 “863計劃”加氫站項目，是上海第一座加氫站。旨在推動中國燃料電池汽車的商業化進程。

3.2.2.3 上海世博加氫站

位于楊思路、濟陽路路口，是世博會一項重要的基礎配套工程。世博加氫站為世博會196輛氫燃料汽車提供清潔能源，實現世博園區內 “零排放”，日加氫規模達600多公斤。

上海世博加氫站設備如圖9所示。

1）氫氣長管拖車 世博加氫站共有2臺氫氣長管拖車，主要運輸來自液化空氣公司的氫氣。

2）卸氣柱 世博加氫站共有3臺卸氣柱，主要起連接作用，將長管拖車與加注壓縮機連接起來。

3）氫氣高壓儲罐 世博加氫站共有2套氫氣高壓儲罐系統，主要用于儲存高壓氫氣。

4）氫氣加注壓縮機 世博加氫站共有4臺氫氣加注壓縮機，均為美國PDC公司的產品，主要用作氫氣加壓。在世博示范運行中，為移動加氫站加氫時增壓，最高可以增壓到43.8MPa。

5）加氫機 世博加氫站共有4臺加氫機，如圖10所示。其中1～3號為國產舜華加氫機，加氫壓力為35MPa；4號為進口林德加氫機，加氫壓力為70MPa。

6）加氫機制冷單元 世博加氫站共有1臺加氫機制冷單元，主要為林德加氫機加氫前的氫氣制冷。制冷后的氫氣溫度可達-20℃。主要用于SAICGM燃料電池汽車加氫。

7）移動加氫站 世博加氫站共有2臺移動加氫站，主要為世博園區燃料電池觀光車加氫，加氫壓力為35MPa。

世博加氫站外供氫氣工藝流程如圖11所示。

4 結束語

對于節能與新能源汽車，爭論的方面很多。比如是近程還是遠程運行、是純電還是混合動力、是充電還是換電、是鋰電池還是鉛酸電池。到底哪種更具有優勢，目前尚無定論，企業、行業、專家、政府層面都各執一詞。但是，我們不能等待爭論的結果，而要在實踐中尋求適合企業的發展方向，通過實踐去檢驗、通過技術提升去解決存在的問題，逐步完善和優化。對新能源車要支持愛護，用務實心態來用心做事，老老實實做產品，認認真真做市場。