新能源汽車技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢淺析

劉欣，李春

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

21 世紀(jì)，我國迎來了工業(yè)化水平提高和經(jīng)濟(jì)社會進(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)了我國的汽車產(chǎn)業(yè)，因此由汽車帶來的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重[1]。例如在汽車尾氣中，含有對人體血液、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源。相比傳統(tǒng)燃油汽車而言，電動汽車的零排放或低排放和低噪聲，將大大緩解燃油汽車對人類生活環(huán)境的污染[2]。

隨著國內(nèi)新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，以及國家對新能源汽車在政策方面的支持，國內(nèi)新能源汽車的產(chǎn)銷量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年我國新能源汽車產(chǎn)銷達(dá)到了136.6萬輛和136.7萬輛，同比增長7.5%和10.9%。在新能源汽車產(chǎn)品中，純電動汽車和插電式混合動力汽車產(chǎn)銷均呈現(xiàn)增長趨勢。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，也使得新能源汽車的產(chǎn)品種類也越來越多。這使得普通大眾對新能源汽車的認(rèn)識存在一定的難度。

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，針對不同類型的新能源汽車的工作原理和結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行說明。最后，分析了目前國內(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)的車用燃料作為動力來源的汽車，常規(guī)的車用燃料是指乙醇汽油、柴油等等。目前，針對新能源汽車的動力來源，絕大多數(shù)都采用電能、太陽能和氫能源，尤其是以電能為主。

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

1.1 純電動汽車

純電動汽車的英文為Battery Electric Vehicle，簡稱BEV，或者大多數(shù)情況下會簡稱為EV，即Electric Vehicle。由英文單詞就可以理解，純電動汽車就是指僅采用電池包中的電能來充當(dāng)車輛的動力來源。純電動汽車從技術(shù)難度上講是最簡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 增程式混合動力汽車

增程式混合動力汽車的英文為Hybrid Electric Vehicle，簡稱為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)動機(jī)來給車輛提供動力，也可以使用電機(jī)來給車輛提供動力。另外，該類型車輛的特點是隨車配置的高壓電池包不可以采用外部電源來進(jìn)行充電，僅僅依靠車輛自身的動力來補充電池包中的電能。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汽車要復(fù)雜得多。

1.3 插電式混合動力汽車

插電式混合動力汽車的英文為Plug-in Hybrid Electric Vehicle，簡稱PHEV。該類型車輛相比增程式混合動力汽車在結(jié)構(gòu)上基本一致，既同時具備普通車輛的燃油動力系統(tǒng)，也具備電動汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)。另外，它還具備能夠為車輛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汽車和增程式混合動力汽車之間。

1.4 燃料電池電動汽車

燃料電池電動汽車的英文為Fuel Cell Electric Vehicle，簡稱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，并以此作為動力源來驅(qū)動的汽車。燃料電池電動汽車相比前文提到的3種類型的電動汽車在結(jié)構(gòu)上存在相似之處，但是也存在不同點。相同點是都是利用電能來驅(qū)動車輛行駛，不同點是關(guān)于電能的來源不同。對于前文提到的3種類型的電動汽車，用來驅(qū)動車輛行駛的電能都是通過高壓電池包來臨時存儲。當(dāng)需要使用的時候，電池包進(jìn)行電能的釋放。而燃料電池電動汽車，驅(qū)動車輛行駛所用的電能是通過燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)，臨時生成的電能。因此，在結(jié)構(gòu)上存在一定的差別。對于燃料電池電動汽車，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種電動汽車要復(fù)雜一些。

2 工作方式及結(jié)構(gòu)特點

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

2.1 純電動汽車

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

圖1 純電動汽車動力系統(tǒng)布置簡圖

當(dāng)車輛正常行駛時，能量流動方向為電池包、電動機(jī)、變速箱到車輪。能量轉(zhuǎn)化為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。對于一些高端的純電動汽車，該能量轉(zhuǎn)化也可以逆向轉(zhuǎn)化。能量流動方向為車輛的動能、變速箱、發(fā)電機(jī)到電池包，也就是動能轉(zhuǎn)化為電能的過程，通常被稱為制動能量回收。

對于純電動汽車，電池包性能的好壞直接影響到電動汽車整車的性能，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，內(nèi)部會產(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)致電池來不及泄壓可能會使單個電池燃燒甚至爆炸。而磷酸鐵鋰電池失效時，內(nèi)部不產(chǎn)生氧氣，反應(yīng)速率較慢，且產(chǎn)氣速率較慢，通過泄壓閥泄氣后，在電池包外部會出現(xiàn)明火燃燒，一般不會發(fā)生爆炸。這說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)純電動汽車的相關(guān)特性，其結(jié)構(gòu)特點有以下幾點：

(1)環(huán)保無污染，不產(chǎn)生廢氣，且噪聲低;

(2)整車結(jié)構(gòu)布置簡單，要求技術(shù)門檻低;

(3)車輛續(xù)駛里程依賴電池特性強，且低溫性能較差。

2.2 增程式混合動力汽車

增程式混合動力汽車的工作原理和結(jié)構(gòu)布置相比純電動汽車要復(fù)雜得多。按照車輛的動力來源劃分，可以將增程式混合動力汽車的結(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種方式的動力系統(tǒng)布置簡圖如圖2所示。

圖2 增程式混合動力汽車動力系統(tǒng)布置簡圖

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

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。因為在該種布置結(jié)構(gòu)下可以充分地利用發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的各自優(yōu)勢。例如，當(dāng)車輛需要在低速狀態(tài)下行駛時，電動機(jī)的低速特性優(yōu)于發(fā)動機(jī)，此時車輛采用電動機(jī)驅(qū)動車輛行駛。當(dāng)車輛需要在高速狀態(tài)下行駛時，發(fā)動機(jī)的高速特性優(yōu)于電動機(jī)，則車輛采用發(fā)動機(jī)來驅(qū)動車輛行駛。同時，如果發(fā)動機(jī)的輸出功率過剩，還可以驅(qū)動發(fā)電機(jī)向蓄電池充電。因此，對于增程式混合動力汽車，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)增程式混合動力汽車的相關(guān)特性，其結(jié)構(gòu)特點有以下幾點：

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

(2)可以充分地利用發(fā)動機(jī)和電動機(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汽車?yán)m(xù)駛里程的問題，降低電動汽車受環(huán)境溫度影響的程度。

2.3 插電式混合動力汽車

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

2.4 燃料電池電動汽車

燃料電池電動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，形成電流使電動機(jī)來帶動車輛行駛，其動力系統(tǒng)的布置簡圖如圖3所示。

圖3 燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)布置簡圖

由圖可知，在動力系統(tǒng)的布置中除了燃料電池，還配有高壓電池包。這是因為燃料電池汽車在正常行駛狀態(tài)下，僅依靠燃料電池既可以滿足車輛的使用需求，而且燃料電池也會對高壓電池包進(jìn)行充電。當(dāng)車輛需要加速時，為了滿足車輛的用電功率，燃料電池和電池包會同時向電動機(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，由于燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)需要一定的時間，此時由高壓電池包向電動機(jī)輸出電能。

對于燃料電池電動汽車，其技術(shù)難度和硬件要求相比純電動汽車和混合動力汽車都要難得多。比如在硬件方面的儲氫瓶、供氫閥、空壓機(jī)等，相關(guān)部件的技術(shù)能力國外遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國內(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，而且無色透明、無臭無味且難溶于水。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。在燃料存儲方面，由于采用高壓存儲，使得燃料電池電動汽車的續(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)燃料電池電動汽車的相關(guān)特性，其結(jié)構(gòu)特點有以下幾點：

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

(2)相比混合動力汽車，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)加氫時間與加油時間相同，而且續(xù)駛里程較長;

(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年開始，新能源汽車在國內(nèi)開始嶄露頭角，一直到2020年，經(jīng)過12年的發(fā)展，我國在新能源汽車技術(shù)方面有著非常大的進(jìn)步和發(fā)展。尤其針對傳統(tǒng)的新能源汽車，主要是指利用高壓電池包作為臨時儲能的電動汽車。在產(chǎn)品種類方面，已經(jīng)由最初的以純電動汽車為主的技術(shù)路線，轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗募冸妱悠嚭突旌蟿恿ζ嚬餐l(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。針對這一類型的新能源汽車，國內(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)汽車制造強國相競爭。

但是對于新興的新能源汽車，例如燃料電池電動汽車。不論是在部件生產(chǎn)，還是在整車制造方面，我國都還需要一定時間的發(fā)展和提升。目前，我國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，便于儲氫瓶和燃料電池發(fā)動機(jī)的布置。對于乘用汽車，由于生產(chǎn)成本較高，研發(fā)技術(shù)難度較大，因此國內(nèi)還沒有大批量生產(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

近些年，隨著一批造車新勢力的加入，不僅推動了國內(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。相信隨著國內(nèi)新能源汽車市場的不斷擴(kuò)大，以及國家對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)支持，我國針對新能源汽車的生產(chǎn)制造，不僅在產(chǎn)品種類方面會更加的多元化，而且在技術(shù)方面也會越來越領(lǐng)先于傳統(tǒng)的老牌汽車生產(chǎn)強國。