新能源汽車技術現狀及發展趨勢淺析

劉欣，李春

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

21 世紀，我國迎來了工業化水平提高和經濟社會進步前所未有的發展契機，工業化水平的進步也大大地促進了我國的汽車產業，因此由汽車帶來的環境問題也日益嚴重[1]。例如在汽車尾氣中，含有對人體血液、神經系統有嚴重損害的有毒物質。除此之外，汽車噪聲也是城市噪聲的主要來源。相比傳統燃油汽車而言，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境的污染[2]。

隨著國內新能源汽車技術的發展，以及國家對新能源汽車在政策方面的支持，國內新能源汽車的產銷量呈現逐年增加的趨勢。據中國汽車工業協會統計數據顯示，2020年我國新能源汽車產銷達到了136.6萬輛和136.7萬輛，同比增長7.5%和10.9%。在新能源汽車產品中，純電動汽車和插電式混合動力汽車產銷均呈現增長趨勢。隨著新能源汽車技術的發展和變革，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品種類也越來越多。這使得普通大眾對新能源汽車的認識存在一定的難度。

因此，本文作者從新能源汽車的概念出發，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構特點進行說明。最后，分析了目前國內新能源汽車的發展現狀。

1 新能源汽車分類

新能源汽車主要是指采用非常規的車用燃料作為動力來源的汽車，常規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，其工作原理及結構特點進行介紹和說明。

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車輛的動力來源。純電動汽車從技術難度上講是最簡單的一種新能源汽車。在結構上，它去掉了傳統車輛上的發動機和變速箱，取而代之的是電機和高壓電池包。

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車輛的燃油動力系統，也具備一定能量的高壓電池包。從結構上，該類型車輛在原有傳統車輛的基礎上，增加了電力驅動系統的電機和高壓電池包。這也表明，該類型車輛既可以使用發動機來給車輛提供動力，也可以使用電機來給車輛提供動力。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。從技術難度上和結構復雜程度上，該類型車輛相比純電動汽車要復雜得多。

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構上基本一致，既同時具備普通車輛的燃油動力系統，也具備電動汽車的電力驅動系統。另外，它還具備能夠為車輛高壓電池包充電的充電系統。從技術難度和結構復雜程度上，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，在燃料電池中經電化學反應產生的電能，并以此作為動力源來驅動的汽車。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構上存在相似之處，但是也存在不同點。相同點是都是利用電能來驅動車輛行駛，不同點是關于電能的來源不同。對于前文提到的3種類型的電動汽車，用來驅動車輛行駛的電能都是通過高壓電池包來臨時存儲。當需要使用的時候，電池包進行電能的釋放。而燃料電池電動汽車，驅動車輛行駛所用的電能是通過燃料電池的電化學反應，臨時生成的電能。因此，在結構上存在一定的差別。對于燃料電池電動汽車，從整體的技術難度和部件的結構復雜程度上均比前文所述的3種電動汽車要復雜一些。

2 工作方式及結構特點

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構特點進行介紹，并且對每種新能源汽車結構的優缺點進行了簡單的分析。

2.1 純電動汽車

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

圖1 純電動汽車動力系統布置簡圖

當車輛正常行駛時，能量流動方向為電池包、電動機、變速箱到車輪。能量轉化為電能轉化為機械能。對于一些高端的純電動汽車，該能量轉化也可以逆向轉化。能量流動方向為車輛的動能、變速箱、發電機到電池包，也就是動能轉化為電能的過程，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，內部會產生氧氣，而且反應劇烈，電池溫度急劇上升，產氣速率較快，導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，內部不產生氧氣，反應速率較慢，且產氣速率較慢，通過泄壓閥泄氣后，在電池包外部會出現明火燃燒，一般不會發生爆炸。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航里程方面的性能相比三元電池要遜色很多。

總結純電動汽車的相關特性，其結構特點有以下幾點：

(1)環保無污染，不產生廢氣，且噪聲低;

(2)整車結構布置簡單，要求技術門檻低;

(3)車輛續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構布置相比純電動汽車要復雜得多。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構布置分為3種形式，分別為串聯式、并聯式和混聯式。3種方式的動力系統布置簡圖如圖2所示。

圖2 增程式混合動力汽車動力系統布置簡圖

當結構布置為串聯式時，雖然車輛既具備發動機，也具備電動機，但是驅動車輛行駛的只有電動機。發動機的作用是驅動發電機向電池包充電。當結構布置為并聯式時，車輛的發動機和電動機都可以作為動力源向驅動輪輸出動力。當結構布置為混聯式時，此時的發動機既可以當做動力源直接驅動車輛行駛，也可以驅動發電機向電池包充電。另外，電動機也可以驅動車輛行駛。

目前，絕大多數的車型均采用混聯式的結構布置形式。因為在該種布置結構下可以充分地利用發動機和電動機的各自優勢。例如，當車輛需要在低速狀態下行駛時，電動機的低速特性優于發動機，此時車輛采用電動機驅動車輛行駛。當車輛需要在高速狀態下行駛時，發動機的高速特性優于電動機，則車輛采用發動機來驅動車輛行駛。同時，如果發動機的輸出功率過剩，還可以驅動發電機向蓄電池充電。因此，對于增程式混合動力汽車，采用混聯式的結構布置方案是最優的方案。但是該種結構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要求。

總結增程式混合動力汽車的相關特性，其結構特點有以下幾點：

(1)環保方面低于純電動汽車，但優于傳統燃油汽車;

(2)可以充分地利用發動機和電動機的工作特性，綜合提升能量利用率，但是結構布置復雜，技術難度高;

(3)可以有效地解決純電動汽車續駛里程的問題，降低電動汽車受環境溫度影響的程度。

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構布置形式與增程式混合動力汽車基本一致。區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上增加了可以單獨為電池包充電的充電系統。通過增加充電系統，可以降低混合動力汽車制造的技術難度，即采用并聯式的結構布置形式即可。關于插電式混合動力汽車的結構特點與增程式混合動力汽車一致，這里不再進行贅述。

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生電化學反應后，形成電流使電動機來帶動車輛行駛，其動力系統的布置簡圖如圖3所示。

圖3 燃料電池電動汽車動力系統布置簡圖

由圖可知，在動力系統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行充電。當車輛需要加速時，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輸送電能，以滿足車輛的使用需求。另外，當車輛由靜止狀態轉為行駛狀態時，由于燃料電池的電化學反應需要一定的時間，此時由高壓電池包向電動機輸出電能。

對于燃料電池電動汽車，其技術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、空壓機等，相關部件的技術能力國外遠遠領先于國內。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。這使得在相關部件的制造方面和安全性方面都提出了很高的技術要求。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駛里程可以達到700 km以上。有的車型甚至可以到達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。總結燃料電池電動汽車的相關特性，其結構特點有以下幾點：

(1)與純電動汽車一樣，環保無污染，不產生廢氣，且噪聲低;

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

(3)加氫時間與加油時間相同，而且續駛里程較長;

(4)綜合技術難度高，造車成本和用車成本較高，且需要配套加氫站。

3 新能源汽車的發展現狀

從2008年開始，新能源汽車在國內開始嶄露頭角，一直到2020年，經過12年的發展，我國在新能源汽車技術方面有著非常大的進步和發展。尤其針對傳統的新能源汽車，主要是指利用高壓電池包作為臨時儲能的電動汽車。在產品種類方面，已經由最初的以純電動汽車為主的技術路線，轉變為目前的純電動汽車和混合動力汽車共同發展的技術路線。另外，在核心部件方面，如高壓電池和電機等，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，國內已經具備了一些非常成熟的零部件和整車的生產企業，并且在產品性能方面，已經可以與傳統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，還是在整車制造方面，我國都還需要一定時間的發展和提升。目前，我國的燃料電池汽車主要應用在商用車、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動機的布置。對于乘用汽車，由于生產成本較高，研發技術難度較大，因此國內還沒有大批量生產和上市的相關車型。另外，制約燃料電池汽車發展的另一因素，是關于加氫站的布局。我國在加氫站的建設方面，僅有部分城市具有小規模布局。全國絕大部分城市和地區都還不具備加氫的能力。

4 結束語

近些年，隨著一批造車新勢力的加入，不僅推動了國內新能源汽車產品的高端化，更是積極地推進了我國的新能源汽車在智能化和網聯化方面的發展。相信隨著國內新能源汽車市場的不斷擴大，以及國家對新能源汽車產業的持續支持，我國針對新能源汽車的生產制造，不僅在產品種類方面會更加的多元化，而且在技術方面也會越來越領先于傳統的老牌汽車生產強國。