環保汽車技術動向

陳志耀　周彩芳　陳邦棟

摘 要：為解決由能源問題帶來的溫室效應問題以及應對燃比法規，汽車行業對HEV/PHEV/BEV/FCEV等新能源類環保汽車的技術發展越來越關注，環保汽車的市場前景也越來越明朗化，世界對環保汽車的發展方向也提出了一系列要求以及展望。

關鍵詞：環保 內燃機 電動汽車 技術

1 引言

從內燃機發明到現在，汽車的主要動力源為石化燃料。由于汽車越來越多，大量使用石化燃料產生的有害氣體排放以及溫室氣體引發的環境問題，氣候問題變得越來越嚴重。同時，2015年后，美國ZEV法規提升了對尾氣排放、CO2管制的要求，使得整個汽車市場不可避免的對使用替代內燃機動力源的環保汽車技術研發快速推進化，且環保車市場的模式正在以混動車（HEV）、插電式混動車（PHEV）、電動車（BEV）、氫燃料汽車（FCEV）的發展方向急劇變化中。本文將簡單介紹各類環保汽車的基本原理、環保汽車的技術動向以及對中國汽車市場的展望。

2 環保汽車原理介紹

2.1 以電能源為基礎的汽車

第一代環保車是混動車和插電式混動車，而電動車和氫燃料汽車為第二代環保汽車。

電能源汽車是指普通內燃機發動機和電力發動機都一同安裝在車上，或僅有電力發動機的汽車，包括混動車、插電式混動車、電動車和氫燃料汽車。汽車通過電能源驅動電機為汽車提供動力，從而取代內燃機發動機，降低汽車尾氣的排放。

BEV為完全以電能源驅動引擎，唯一動力的環保汽車。其只依靠動力電池和驅動電機來給車輛提供動力來供它行駛，它主要由底盤、車身、動力電池、驅動電機、電氣設備等輔助系統組成。其完全無尾氣排出，低噪音、節能省錢。但目前BEV的續航里程無法達到人們所期望的標準，且相比同檔次的燃油車更貴，充電時間較長，充電樁的普及也無法滿足現狀。

目前市場上較為經典的代表BEV為特斯拉及五菱宏光mini，見圖1。

2.2 混動車與插電式混動車介紹

什么是混動車？混動車是結合內燃機和電發動機兩種類型的動力來驅動，相對于現有的內燃發動機而言，可以實現更高的燃比。混動車是根據車輛的速度或行駛狀態等來適當控制發動機和電機的力，極大化的保持汽車運行的效率性的一種汽車。在低速行駛時，混動車出發時以電機的力來驅動引擎行駛。在加速行駛時，發動機則成了主動力源，而電機則成為了輔助動力源。在高速行駛時，只有發動機驅動引擎進行行駛，且由發動機的驅動來實現對電池的充電。在停車時，發動機引擎會停滯，且電機驅動引擎自動準備。HEV與PHEV的基本結構概念見圖2。

混動車相對于傳統內燃機汽車有什么優勢呢？首先，混動車相對于傳統內燃機汽車，提高了發動機的效率，燃比提升了將近2倍。同時，一氧化碳、氮氧化物的排出量也可以減少10%～15%左右。且行駛過程中，自身的發電機可以對電池進行充電，因此不需要額外的充電站對電池進行充電。

插電式混動車即家庭用等外部電力充電入電池中即可使用的HEV。PHEV與HEV最大的區別是前者只能通過充電使用電動驅動汽車，后者是通過燃油運轉汽車，產生電能。和HEV類似，PHEV的電池容量比較小。能量一般在20KWh左右，可完全電驅動行駛100km左右。

世界上最早批量生產的HEV是1997年東京車展上展示的日本豐田普銳斯。

2.3 氫燃料汽車介紹

氫燃料汽車（FCEV）是使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發生化學反應，從而產生出電能啟動電動機，進而驅動汽車的一種新型環保汽車。FCEV的基本結構見圖3。

FCEV相對于傳統汽車以及電動車來說，有著以下優勢。1、基本沒有尾氣排出;2、減少了機油泄漏帶來的水污染;3、行駛過程中基本沒有噪音;4、有著更高的燃燒效率，是一般發動機的能源效率的2倍;5、比電動車的充電時間更短，基本在3分鐘至10分鐘內即可對電池充滿電;6、氫燃料加注站相對于電動車的充電樁或充電站設置更簡單，可以在現有的加油站上進行改善即可使用。

FCEV相對于電動車以及傳統汽車具有那么多優勢，為何汽車的商用化比較緩慢呢？首先FCEV的造價非常高昂，僅是能量轉換中的化學催化劑成本就讓人望而卻步。同時，FCEV擺脫不了的一種金屬——鉑金，是整臺車必不可少的一種材料，但它僅為氫燃料轉換的一種催化劑，而它的貴重程度是黃金的四倍，這就使得FCEV的造價必然無法便宜。在材料方面，FCEV成本頗高，在氫燃料電池的原料制氫方面，技術基本掌握在豐田、本田等供應商上，國產供應商很難有技術上的突破，這就使得該方面的成本不會太低。除了制氫外，儲氫技術也是關鍵，相對于運輸與儲存技術相當成熟的燃油，以及幾乎只需前期基礎電網設施建設的電能，氫燃料的運輸與加氫儲存都尚在起步階段，而這些不斷深化的技術也將更多開發成本疊加在了消費市場當中[1]。

世界上最早的量產型氫燃料汽車為現代途勝IX，在2013年日內瓦車展首次公開。

3 環保汽車動向及前景

3.1 內燃機汽車的前景

根據2015年巴黎協定的規劃意見，到2035年為止，對于除了混動車之外的內燃機汽車，石油汽車的平均油耗要減少37%，柴油車要減少32%。因為目前市場以及技術水平限制，市場還需要由發動機以及電機結合的混合汽車技術，所以預計到2030年-2035年為止，混動車在全世界市場占有率會達到11%的峰值。預計從2030-2035年開始，混動車以及內燃機汽車將逐步減少。

B2DS是2015年巴黎協定的展望計劃，其要求限制地球升溫幅度比起工業化之前增加不超過2℃，同時提出要努力實現1.5℃的目標，并且提出在本世紀下半葉實現溫室氣體人為排放與清除之間的平衡。B2DS展望是非常高的目標，預計完成起來會有很多困難。估計到2060年為止許多汽車還是只能使用內燃機或混動車的。所以增加內燃機的熱效率，減少溫室氣體排放技術的開發和使用仍是非常重要的[2]。

3.2 混合動力汽車的前景

混動汽車是通過內燃機和電機來驅動，引擎具有兩種動力源的汽車。混動汽車預計從2030-2035年開始逐步減少。對于一般混動汽車來說，一氧化碳、氮氧化物的排出量可以減少10%-15%。對發動機以及電機高度控制的混動車，CO2的排放量可以減少將近一半，排出的尾氣最大也可以減少至90%。但是混動車因為復雜的系統，且同時包含發動機以及電機，使得車輛造價較貴[3]。

3.3 電動汽車的前景

為了應對溫室氣體導致的氣候變化，全世界各國的電動汽車市場正在快速成長中。以2018年為例，全世界電動車和2017年同比增長了200萬輛，總數突破510萬輛。根據國際能源機構的2019能源展望，預計到2040年為止電動汽車將占新型汽車銷量的75%。

但是電動汽車的急速增長，會對電力系統產生重大的影響。為了通過電動汽車的普及來解決氣候變化問題，就必須肩負起把電力生產方式由現在的以化石燃料為主轉換為太陽能以及風能等新再生能源的課題。

3.4 氫燃料汽車的前景

氫燃料汽車是在電池上使用氫氣和氧氣的化學反應產生的電能驅動引擎行駛的電動汽車。氫燃料汽車相對內燃機汽車來說，沒有尾氣排出、低噪音、能源效率是內燃機的2倍，可以解決溫室氣體以及石油緊缺的問題。且燃料充電時間較短，一次充電的行駛里程也比普通的電動車要長[4]。

雖然世界上許多大型汽車公司往后數年內都有上市氫燃料汽車的計劃，但是一年生產數十萬輛以上的氫燃料汽車預計還是較難的。但是長期來看還是需要使用氫氣汽車的，所以氫燃料汽車的技術開發是很重要的。中國對氫燃料汽車的普及計劃，到2025年為止10萬輛，預計到2035年為止普及100萬輛。

4 中國汽車市場的展望

中國市場2018年電動汽車銷量約140萬輛，約占18年世界電動汽車銷量的72%。這個數據離不開中國政府的大力支持，要求中國汽車市場以電動汽車市場為主導。

中國汽車工程學會發布了汽車技術路線圖2.0，路線圖中包含了預計到2035年將停止生產一般內燃機汽車的內容。計劃把目前占中國汽車生產5%的電動汽車為首的新能源汽車比重在2025年提高至20%，2030年提高至40%，2035年提高至50%。混動汽車HEV/PHEV的比重也要實現在2025年 增加到40%，2035年增加至45%，2035年增加至50%的目標。其結果就是一般內燃機汽車將在2035年后完全退出。同時計劃擴大對氫燃料汽車的普及，2025年為止計劃普及10萬輛，2035年為止普及至100萬輛，計劃以公交車等商用車為中心來進行推廣。

參考文獻：

[1]林潔如. 氫燃料汽車：新能源汽車的新趨勢[J]. 新產經，2018，（08）：64-66.

[2]陸建明. 汽車動力變革中的內燃機發展趨勢探究[J]. 內燃機與配件，2021，（13）：180-181.

[3]丁良昊. 混合動力汽車的利弊及發展前景分析[J]. 農家參謀，2018，（07）：296.

[4]甄旭東，耿杰. 氫燃料汽車在未來課程教學改革中的應用探討[J]. 汽車零部件，2020，（09）：99-101.