节能与新能源汽车的技术发展现状和基础设施建设

凌天钧

（上海汽车集团股份有限公司，上海 201804）

目前，节能与新能源汽车已经成为中国乃至全球汽车工业的一个火热的发展方向。发展节能与新能源汽车是全球节能减排的必然道路，也是全球汽车工业可持续发展的必然途径。

1 中国节能和新能源汽车发展规划

中国政府历来重视节能与新能源汽车的发展，从 “十五”规划、“十一五”规划到现在的 “十二五”规划，政府对节能与新能源汽车进行了大规模大范围的支持、投入，制订了短期、中期和长期的发展规划。

1.1 电动汽车 “十五”规划

在 “十五”规划期间，确立了能源多样化、驱动电气化的新能源汽车发展方向，并以燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车3种车型为 “三纵”，以驱动电机、动力电池和电子电控技术为“三横”的 “三纵三横”研究开发布局。“三纵三横”研究开发布局及其组织管理模型如图1所示。

1.2 电动汽车 “十一五”规划

在 “十一五”规划期间，对燃料电池汽车做了两个非常大的尝试，一是2008年北京奥运会的示范运行；另一个是2010年上海世博会的示范运行。燃料电池汽车实现了综合技术的跨越。

对于混合动力汽车，各大整车厂产品开发技术掌握得比较成熟，在掌握产品开发技术的配套上实现产业规模的突破，都有了自己的混合动力汽车产品。

对于纯电动汽车，各大整车厂都在积极开拓纯电动汽车产品。纯电动汽车技术满足产业化需求，并将实现商业应用的市场开拓。

在 “十一五”和 “十二五”规划之间，国家还出台了很多的计划、目标等，其中突出的是 “十城千辆”行动计划和 “五城”计划。

1.3 “十城千辆”行动计划

“十城千辆”行动计划，全称十城千辆节能与新能源汽车示范运行计划，是由科技部、财政部、发改委等部委在2009年初联合启动的。到2009年年中，示范运行城市增加到13个。2010年，示范城市已达到20个。

1）目标 用3年左右的时间，每年发展10个城市，每个城市推出1000辆包括混合动力汽车、纯电动汽车在内的新能源汽车。

2）推广 公交、出租、公务、市政、邮政等领域。

3）规模 力争使全国新能源汽车的运营规模到2012年占汽车市场份额的10%。

1.4 “五城”计划

2010年6月1日，财政部、科技部、工信部、国家发改委联合出台了 《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》，确定在上海、长春、深圳、杭州、合肥等5个城市启动私人购买新能源汽车补贴试点工作。

1.5 《节能与新能源汽车产业规划》意见稿

虽然 《节能与新能源汽车产业规划》（以下简称《规划》）呼之欲出，但到目前为止，始终没有正式出台。不同意见争论激烈。《规划》意见稿的主要内容如下。

1）《规划》意见稿确定了电动汽车作为汽车产业转型的重要战略方向，我国将最终实现插电式混合动力汽车和纯电动汽车的产业化，同时将加快研发燃料电池汽车技术。

2）《规划》意见稿中对未来十年新能源汽车的产业布局设定了目标:到2020年，培育形成1～2家新能源汽车产销规模超过100万辆的汽车企业集团，3～5家新能源汽车产销规模超过50万辆的汽车企业集团。

3）《规划》意见稿明确:到2020年，我国新能源汽车累计产销量要达到500万辆，其中，中、重度混合动力乘用车占乘用车年产销量的50%以上。而在制约电动车普及的成本方面，《规划》目标为:到2015年 （《规划》中的中期目标），动力电池系统能量密度达到120瓦时／公斤以上，成本降低至2元／瓦时；到2020年，动力电池系统能量密度达到200瓦时／公斤以上，成本降低至1.5元／瓦时。

4）《规划》意见稿明确:从2011到2020年的10年间，中央财政将投入1000亿元用于扶持新能源汽车产业。其中，500亿元为节能与新能源汽车产业发展专项资金，重点支持关键技术研发和产业化，促进公共平台等联合开发机制；300亿元用于支持新能源汽车示范推广；200亿元用于推广以混合动力汽车为重点的节能汽车。另外100亿元用于扶持核心汽车零部件业发展；50亿元用于试点城市基础设施项目建设。

5）《规划》意见稿中还强制政府采购规模化。各级政府及公共机构，实行节能与新能源汽车强制性采购，逐步扩大采购规模，至2015年新能源汽车采购比例不得低于10%，节能汽车不得低于50%。

综上所述，国家出台各种各样的规划、计划、目标和目录，都在围绕支持和推动节能与新能源汽车的发展，如国家五部委:汽车产业十二五规划；国家科技部:电动汽车十二五专项规划；国家发改委:产业结构调整指导目录；工信部:节能与新能源汽车产业发展规划。

所有这些规划、目录的出台都是为了达到如下的目标:①2020年成为全球NEV第一大国；②确定了电动汽车作为汽车产业转型的重要战略方向；③10年间，中央财政将投入1000亿元用于扶持新能源汽车产业。

2 节能和新能源汽车技术进展

2.1 混合动力汽车

典型混合动力轿车技术参数如表1所示。国际主要混合动力汽车汇总如表2所示。国际主要混合动力汽车典型技术方案如表3所示。

总的来说，从国内外已商业化的车型看，微混可节油5%～10%；轻混可节油10%～25%；中混可节油25%～35%；全混可节油≥35%。

国外混合动力汽车技术日臻成熟，产品陆续进入市场，通过应用提高了系统的实用化程度和产业化水平。混合动力汽车的技术优势已经成为各国汽车公司的竞争优势，正在改变汽车行业的市场格局。

国外在混合动力汽车的应用方面充分考虑到不同市场的需求、难易程度，以及综合考虑产品的实用性、成本的可接受性。

表1 典型混合动力轿车技术参数

表2 国际主要混合动力汽车汇总表

2.2 纯电动汽车

纯电动汽车与传统燃油车的比较见图2。国际主要纯电动汽车汇总如表4所示。从续驶里程及电机功率的角度考虑来看，国际主要纯电动汽车的技术方案如表5所示。

纯电动汽车关键技术——动力电池技术现状:车用电池系统分类见表6，车用电池系统与产业化的差距见表7，各种电芯技术的功率／能量密度比较见表8（国外供应商）和表9（国内供应商），国内主要锂电池生产企业状况见表10。

总的来说，纯电动汽车的发展受到世界各国的重视，各个主要汽车公司积极参与，在产品研发、示范和试用方面取得了很大进展。但因电池性能和成本不能完全满足电动汽车发展市场化的需求，应用范围偏重于小型车辆和城市公交客车。

表3 国际主要混合动力汽车典型技术方案

纯电动汽车的产业化推进，需要电池技术的进一步突破，需要综合利用过渡技术 （增程式、插电式混合等），需要充电设施不断完善。

2.3 燃料电池汽车

国外燃料电池汽车技术现状见表11。

2.3.1 燃料电池汽车示范运行现状

2.3.1.1 国外 （2010年前的数据）

1）GM旗下的Equinox车型 （图3）超过80000乘员乘坐；119辆车在4个国家示范运行；11000次加氢18000kg；示范运行了2个冬季；部分车辆已经运行48000多公里，总共示范运行里程1930000多公里。

2）HONDA旗下的Clarity车型 （图4）HONDA旗下的Clarity车型在北美和日本提供租赁服务。每月600美元的租赁价格还包括了日常维护和保险费用，相比国内日租200元的车还要便宜1／3。考虑到制造成本 （约一百万美元），本田无疑是在赔本赚吆喝。在美国提供租赁服务的地区，氢气价格和汽油价格相当，每次充满氢能够行驶450 km以上。

2.3.1.2 国内

表4 国际主要纯电动汽车汇总表

表5 国际主要纯电动汽车技术方案 （续驶里程及电机功率）

1）2008年北京奥运会示范运行 运营基地设在北京永丰产业基地的氢能华通加氢站内；共20辆领驭燃料电池轿车，其中神力电堆17辆，新源电堆3辆；每辆车的运营里程都超过1000km。

表6 车用电池系统分类

2）2010年上海世博会示范运行 运营基地设在世博新能源汽车济阳路基地内；共40辆上海牌燃料电池轿车和6辆燃料电池客车；总共的运营里程达到115000km。

2.3.2 燃料电池汽车产业化待解决的问题

1）成本问题 采用贵金属铂Pt作为催化剂，目前用量1.3～1.5 g／kW； 目前国内燃料电池堆成本达到约8000元／千瓦，以此估算，荣威燃料电池轿车使用的55 kW燃料电池系统成本将达到60多万元。

表7 车用电池系统与产业化的差距

表8 国外供应商各种电芯技术的功率／能量密度比较

表9 国内供应商各种电芯技术的功率／能量密度比较

表10 国内主要锂电池生产企业状况

表11 国外燃料电池汽车技术现状

2）耐久性问题 当前国内燃料电池系统寿命估计不足1000h，国际先进燃料电池寿命约2000h；而实现燃料电池产业化的目标寿命需超过5000 h，尚存在差距。

3）可靠性问题 目前广泛采用的全氟磺酸质子交换膜，在不同环境下将易导致膜内水的缺失或结冰，影响燃料电池性能。因此，冬、夏季极易导致燃料电池系统运行不稳定。

4）安全性问题 燃料电池汽车不但有高电压（＞300 V）动力线，而且还有高压储氢系统 （高达70MPa），高压电和氢安全问题比较突出。

5）基础设施问题 加氢站的缺乏阻碍了燃料电池汽车产业化的进程。

2.3.3 燃料电池汽车技术最新进展

2.3.3.1 系统集成技术

主要目标是使燃料电池汽车技术从系统实现功能集成水平很低到部分系统及零部件实现集成设计，最终实现各系统及零部件达到传统车的集成水平。

2.3.3.2 燃料电池系统技术

志愿服务的资金来源大体上可以分为三个部分。第一是政府财政给予的支持。第二是民间捐赠方面的资金支持。第三是商业交易所得的资金。不管是政府财政资助、还是社会捐赠，抑或是商业交易，志愿服务这些资金的获得都依赖于经济的蓬勃发展。发展才是硬道理，只有经济建设顺利稳健发展，政府、企业、个人才能创造更多的经济收益，志愿服务作为社会精神文明发展的有益补充才能分到更多的资金用于自身的发展。

1）贵重金属催化剂、电极材料的设计和工艺目标为每辆车小于10 g铂金。目前每车铂金需求与铂金成本对照见表12。

2）低成本的膜材料。

3）低成本的双极板材料:低镍含量的不锈钢；去除或者简化极板的涂层。

2.3.3.3 车载高压储氢技术

1）储氢压力从35～70 MPa 从35 MPa加压到70 MPa需要多消耗10%的能量，如图5所示；从35 MPa到70MPa能增加55%的氢气储存量，如图6所示。

表12 每车铂金需求与铂金成本对照表

2）从三型瓶到四型瓶的过渡 与三型瓶相比，四型瓶有如下特点:①同样的容量，四型瓶自重要轻20%；②更好的可靠性和更长的疲劳寿命；③材料成本更低。

2.3.3.4 氢安全设计

2）过流保护 流量超过20倍额定流量时，溢流阀自动关闭。

3）隔离设计 氢瓶、燃料电池和氢气管路与乘员舱隔离设计，防止泄漏的氢气进入乘员舱。

4）氢报警系统 车辆内部布置了＞4只氢传感器，在线检测车内氢气浓度，分级报警。达到1级报警时，系统关闭氢瓶阀门。每只传感器具有自检功能，当传感器工作异常时会发出故障信号并停止供氢。

5）碰撞安全 燃料电池汽车中安装了检测碰撞发生的惯性传感器，当发出碰撞时，通过控制系统可以立即关闭氢气供应。氢瓶布置在车辆后部车身纵梁保护范围内的相对安全位置，避免碰撞发生时直接破坏氢瓶。燃料电池轿车进行了实车碰撞试验和碰撞CAE分析，验证碰撞发生时的车辆氢安全性，并对氢系统的布置进行优化。

6）零部件控制 关键零部件通过国家 （国际）权威认证和测试。

7）远程监控 燃料电池轿车、大巴车配备远程监控系统，可以将车辆的氢报警状态实时传送到运行基地，基地人员可以全局掌控车辆的氢安全状态。

总的来说，国内外汽车公司将发展燃料电池汽车作为重要战略方向，并投入相当大的人力、物力、财力进行攻关，取得了重要进展。在短中期内，燃料电池汽车注重于示范运行，积累丰富的经验，以便推进燃料电池汽车的产业化。

3 新能源汽车基础设施建设

3.1 充电站

3.1.1 电动汽车的分类

1）集团车辆 包括:公交部门使用的各种公共交通客车、小巴等；环卫部门使用的街道清扫车、垃圾清运车、洒水车等；邮政部门使用的邮政配送车辆；电力供水等部门使用的电力工程车、工程抢修车等。特点:行驶特性有一定规律，有固定停车场所。

2）社会车辆 包括:公务车和出租车等。特点:随机性较强，行驶半径大。

3）私人车辆 特点:随机性极大，行驶里程短，停驶时间长。

3.1.2 充电站运营模式

充电站运营模式主要分为以下3种:常规充电、快速充电和电池更换。电动汽车充电设施的模式选择如表13所示。

表13 电动汽车充电设施的模式选择

3.1.3 充电站主要设备

充电站主要设备如图7所示。

2010年中国主要城市电动汽车充电站建设情况如表14所示。

表14 2010年中国主要城市电动汽车充电站建设情况

截至2010年，国内41个重点城市已建成电动汽车充电站76座。

为推广电动汽车进入市场，上海嘉定区计划在2011年年内建设770余根充电桩及4座充电站。到2012年，该区将实现电动汽车基础设备全覆盖，建成充电桩1.3万个，充 （换）电站15座，加氢站2座以上。

到2012年，杭州计划建成集中充电站4座、充（换）电站38座，充电桩3500套，以实现2012年底2万辆私人用新能源汽车的目标。

3.1.4 两大电网公司的充电站规划

1）国家电网 第1阶段 （2010年）充电站主设备总投资规模将达到3亿元，在27个网省公司建设75座充电站和6209个充电桩，初步建成电动汽车充电设施网络架构；第2阶段 （2011～2015年）投资140亿元，电动汽车充电站规模达到4000座，同步大力推广建设充电桩，初步形成电动汽车充电网络；第3阶段 （2016～2020年）投资180亿元，电动汽车充电站达到10000座，同步全面开展充电桩配套建设，建成完整的电动汽车充电网络。到2020年充电站主设备总投资将达到320亿元。

2）南方电网 为满足新能源汽车发展需要，南方电网将在深圳市建设各类新能源汽车充电站（桩）12750个，其中，公交快、慢速充电站各25个，公务车充电桩2500个，社会公共慢速充电桩10000个，社会公共快速充电站200个，建立新能源汽车示范运行管理信息化平台。

3.2 加氢站

3.2.1 全球加氢站概况

截至2009年底，全球投入使用的加氢站超过150座，半数在北美。加利福尼亚州是北美氢能基础建设的领导者，占有美国加氢站数量的半壁江山。全球及主要地区的加氢站情况如图8所示。

3.2.2 国内加氢站情况

中国现有3个加氢站，分别是北京加氢示范站、上海安亭加氢示范站和上海世博加氢站。

3.2.2.1 北京加氢示范站

位于北京中关村永丰高新技术产业基地新能源交通示范园内，是我国第一座固定车用加氢站。北京加氢示范站的运行，对2008北京 “绿色奥运、科技奥运”起到积极的推动作用。

3.2.2.2 上海安亭加氢站

属于中国科技部国家 “863计划”加氢站项目，是上海第一座加氢站。旨在推动中国燃料电池汽车的商业化进程。

3.2.2.3 上海世博加氢站

位于杨思路、济阳路路口，是世博会一项重要的基础配套工程。世博加氢站为世博会196辆氢燃料汽车提供清洁能源，实现世博园区内 “零排放”，日加氢规模达600多公斤。

上海世博加氢站设备如图9所示。

1）氢气长管拖车 世博加氢站共有2台氢气长管拖车，主要运输来自液化空气公司的氢气。

2）卸气柱 世博加氢站共有3台卸气柱，主要起连接作用，将长管拖车与加注压缩机连接起来。

3）氢气高压储罐 世博加氢站共有2套氢气高压储罐系统，主要用于储存高压氢气。

4）氢气加注压缩机 世博加氢站共有4台氢气加注压缩机，均为美国PDC公司的产品，主要用作氢气加压。在世博示范运行中，为移动加氢站加氢时增压，最高可以增压到43.8MPa。

5）加氢机 世博加氢站共有4台加氢机，如图10所示。其中1～3号为国产舜华加氢机，加氢压力为35MPa；4号为进口林德加氢机，加氢压力为70MPa。

6）加氢机制冷单元 世博加氢站共有1台加氢机制冷单元，主要为林德加氢机加氢前的氢气制冷。制冷后的氢气温度可达-20℃。主要用于SAICGM燃料电池汽车加氢。

7）移动加氢站 世博加氢站共有2台移动加氢站，主要为世博园区燃料电池观光车加氢，加氢压力为35MPa。

世博加氢站外供氢气工艺流程如图11所示。

4 结束语

对于节能与新能源汽车，争论的方面很多。比如是近程还是远程运行、是纯电还是混合动力、是充电还是换电、是锂电池还是铅酸电池。到底哪种更具有优势，目前尚无定论，企业、行业、专家、政府层面都各执一词。但是，我们不能等待争论的结果，而要在实践中寻求适合企业的发展方向，通过实践去检验、通过技术提升去解决存在的问题，逐步完善和优化。对新能源车要支持爱护，用务实心态来用心做事，老老实实做产品，认认真真做市场。