日本新能源汽车市场情况与技术发展趋势

【日】 黒川陽弘 安藤慧佑 山田英助 松岡亨卓

1 混合动力车

1.1 概况

目前,考虑到大气污染及温室效应等环境问题的影响,用户对于改善汽车燃油耗与净化废气排放的要求变得愈发强烈。汽车制造商为改善燃油耗而采用的一项对策是将内燃机与电机相组合,开发混合动力汽车(HEV)。近年来,通过外接对车载蓄电池进行充电的插电式混合动力汽车(PHEV)的保有量也在逐渐增加。

1.2 日本本土HEV普及状况

图1 日本国内HEV和PHEV保有量的变化情况

如图1所示,日本国内的HEV和PHEV的保有量正在逐年增加。2015年与2014年相比,不包括轻型汽车在内的HEV类乘用车的保有量增加了将近86万辆,总量达到了550万辆(约占当时日本国内乘用车总量3 935万辆的14%)。2011年以后,PHEV类乘用车的保有量也随之增加,2015年约为5.7万辆。同时,HEV类轻型汽车的保有量从2014年起也急剧增加,2015年的保有量约为23.9万辆。

1.3 日本国内上市的新型车辆

表1表示按照上市时间顺序的HEV和PHEV车型,同时列出了其在2016年的销售情况。

2016年1月,BMW公司向日本市场推出配装了插电式混合动力系统的225xe Active Tourer及330e iPerformance车型。225xe Active Tourer车型的驱动方式是通过发动机驱动前轮,而用电机驱动后轮,按照驾驶员的要求及行驶状况,可选择采用前轮驱动、后轮驱动以及四轮驱动;而330e iPerformance车型的驱动方式则仅限于后轮驱动方式。前者只用外部电力作为能源,即以电动车模式可使行驶路程达到42.4 km(JC08工况),混合动力综合燃油耗达到17.6 km/L(JC08工况);后者以电动车模式可使行驶路程达到36.8 km(JC08工况),混合动力综合燃油耗达到17.7 km/L(JC08工况)。此外,2016年1月VOLVO汽车公司在日本市场销售了能以电动模式行驶的插电式混合动力系统的XC90 T8车型。该车型是一款用发动机及电机驱动前轮,用电机驱动后轮的四轮驱动车辆,其以电动车模式行驶时采用后轮驱动方式,以电动车模式行驶的里程为35.4 km(JC08工况),混合动力综合燃油耗为15.3 km/L(JC08工况)。

2016年2月,本田公司销售了ODYSSEY HY-BRID(HEV)车型及ODYSSEY HYBRID ABSOLUTE车型。这两款车型的混合动力系统采用灵活的多模式驱动方式(i-MMD)。如图2所示,i-MMD配装有发电机及驱动电机,可灵活地在纯电动车模式,混合动力模式(发动机只用于发电),以及由发动机单独提供动力行驶的驱动模式之间进行切换。

2016年2月,铃木汽车公司上市了采用轻度混合动力系统的IGNIS HYBRID车型。该车配装有混合动力系统,通过配备有发电功能的电机,实现起动/发电一体化电机(ISG),并可利用减速时的能量发电,在加速工况下,可作为发动机的辅助功率输出。

2016年4月,本田汽车公司上市了Auris车型。该车的混合动力系统是在1.8 L发动机上配装了带有减速机构的丰田混合动力系统(THSⅡ)。

2016年5月,本田公司又销售了ACCORD HYBRID(HEV)车型,相对传统车型而言,由于提高了电机的扭矩及输出功率,并对锂离子蓄电池进行了小型化及轻量化的技术改良,燃油耗改善达1.6 km/L。

2016年6月,Volkswagen公司在日本市场销售了Passat GTE车型及Passat GTE Variant车型。其混合动力系统可在1.4 L双增压分层燃烧直接喷射(TSI)发动机与6档直接换档变速器(DSG)之间配置有电机,电机DSG一体化设计。在发动机与电机之间,电机与DSG之间分别设置有连接器。同时灵活运用电动车(EV)行驶模式、混合动力驱动模式及发动机单独驱动模式等3种行驶模式。EV模式下的行驶里程可达51.7 km(JC08工况),混合动力模式下的综合燃油耗为21.4 km/L(JC08工况)。

2016年7月,马自达公司销售了AXELA HYBRID(HEV)车型。该车型采用基本的混合动力系统配装有专门为混合动力开发的马自达创驰蓝天技术汽油机(SKYACTIV-G2.0),同时还包括驱动电机及发电机。

2016年9月,Mercedes-Benz汽车公司销售了GLC 350e 4MATIC Sports车型。此车成为该公司首次在全时四轮驱动系统(4MATIC)中组合了插电式混合动力系统的全新车型,EV模式下的行驶里程达30.1 km(欧洲参考值),混合动力模式下的综合燃油耗为13.9 km/L(JC08工况)。此外,2016年9月,本田公司销售了FREED HYBRID(HEV)车型及FREED+HYBRID(HEV)车型。2款车型的混合动力系统均采用1.5 L直喷发动机+7档双离合变速器(DCT)+电机的运动型混合动力智能式双离合驱动(i-DCD)(混合动力型式采用串、并联方式)。i-DCD电机作为混合动力车型专用车用驱动电机首次采用了全新材质的磁铁。

表1 2016年日本国内销售的主要混合动车汽车

2016年10月,Porsche汽车公司在日本市场上推出了Panamera 4E-HYBRID(PHEV)车型。EV模式行驶里程为50.0 km(欧洲参考值),混合动力模式下的综合燃油耗为百公里2.5 L(欧洲参考值)。此外,2016年10月,BMW公司销售了740e iPerformance车型。该车的混合动力系统在发动机上组合了可与8档自动变速器形成一体式的电机系统,在EV模式下的行驶里程为42.0 km(JC08工况),混合动力模式下的综合燃油耗为15.6 km/L(JC08工况)。

2016年11月,日产汽车公司销售了NOTE e-POWER车型。该车的混合动力系统组合了发电专用发动机与电动发电机以及驱动电机,其驱动电机采用与日产汽车公司的电动乘用车LEAF相同的款式。另外,2016年11月,铃木汽车公司销售了SOLIO HYBRID车型及SOLIO BANDIT HYBRID(均为HEV)车型。其混合动力系统包括配装了起动发电一体机(ISG)的轻度混合动力系统和组合了ISG的单元,既可发电,也可用于驱动电机(MGU),与用作变速器自动换档控制(AGS)的并联成混合动力系统。

2016年12月,丰田汽车公司销售了C-HR车型。该车型是该公司大力推行并适合全球汽车工业体系的第二款车型,使用与第一款车型PRIUS通用的技术平台。另外,2016年12月,铃木公司销售了LANDY(HEV)车型,该车型采用了日产汽车公司的灵活而简单的混合动力系统。

1.4 规范化、标准化动向

按照国际标准化组织(ISO)/TC 22(汽车)/SC 37(电动车)规范,对包括混合动力车、燃料电池车、蓄电池储能电动车的电动车开展全面的标准化推广活动。此外,目前主要的技术动向是工作组负责全面处理车辆性能问题,而HEV系统输出功率研究方案(ISO/CD 20762)正在研讨过程中,并旨在2018年建立上述决定方法的国际单位制(IS)。

表1 2016年日本国内销售的主要混合动车汽车(续表)

图2 本田公司HEV车的i-MMD的行驶模式

2 电动车

2.1 概要

由于EV从油井传递到车轮的总能量转换效率较高,温室效应气体的排放量也会相应减少。作为下一代与环境相协调的车辆技术目前备受关注。以2009年三菱公司的配装有锂离子电池的首款量产型EV“i-MiEV”的正式销售为开端,其保有量正在稳步增长。然而,2015年末的日本国内保有量并未达到10万辆。其主要原因是充电时间、续航里程(指1次充电后的连续行驶路程)、车辆成本等方面的问题,以及充电设备等基础设施方面的技术问题尚未得以解决。但随着续驶里程的延伸和车辆价格的不断降低以及充电设备的持续增设,由国家及部分自治团体提供费用补助金的援助性举措,可有效推动EV的普及。

2.2 EV的普及状况及为普及EV付出的努力

2.2.1 引进、销售状况

图3表示日本国内EV的保有量的变化情况。截至2008年,保有量呈减少趋势,如2004年为875辆,2008年仅为389辆,均不满1 000辆。但自2009年起,三菱公司开始销售“i-MiEV”,2010年日产汽车公司上市了LEAF车型以后,保有量逐渐呈现增加趋势,在2015年末时,保有量为80 511辆。表2归纳了2016年由各汽车制造商在日本本土上市的EV的主要技术参数。在2016年,日本国内销售的新型EV只有Tesla公司的Model X。另一方面,BMW公司对EVi3车略加改型,由于电池容量有所增加,一次充电后的行驶里程最长可达390 km。

图3 日本国内EV保有量的变化情况(各年度末)

2.2.2 为推广普及EV而付出的努力

日本经济产业省于2016年3月公布了“EV、HEV发展趋势图”,政府部门设定了各种车型的普及目标：到2020年,电动车及插电式混合动力汽车的保有量最高应为100万辆(2016年末的累计销售辆数约14万辆),到2030年,EV、PHEV的销售量占新车销售量的20%～30%,约占总保有量的16%。作为促进新能源车辆普及的议案,对基于电动车而备受关注的充电设施问题提出了建议。为消除充电不足导致的里程焦虑,应在普通道路车站、加油站、高速公路的停车场(PA)、服务区(SA)等公区场所广泛布设充电设施,该举措对于EV及PHEV的潜在市场的不断拓宽是必不可少的。

表2 2016年日本国内市场上销售的主要电动车的技术参数

此外,根据日本经济产业规定设立的费用补助项目,环保车型的费用补助金预算为137亿日元,完善新能源汽车充电基础设施的补助金预算为25亿日元。这两项经济补助项目,旨在不断提升电动车续航里程,并推进关于电动车的购买行为,同时大力支持充电基础设施的建设。根据日本国土交通省规定,通过地方交通的环保计划实施,预算为4亿日元,为促进电动车的普及,根据电动车的地域应用状况,需优先为其提供相关服务。

2.3 研究开发动向

在进行延长EV续驶里程等相关研究的同时,也在进行EV的新技术探索及普及活动。

2.3.1 车辆及电池

Tesla公司于2016年4月首次公布了新型EV“Model 3”。Model 3具有在6 s内加速至100 km/h的动力性能,按美国环境保护署(EPA)规定的燃油耗计测方法,需达到345 km以上的续驶里程。Volkswagen公司在2016年11月的洛杉矶汽车展览会上公布了电动车2017“e-Golf”,其蓄电池容量由24.2 k W·h增加到35.8 k W·h,电机的最高功率由86 k W增加到了100 k W,电机最大扭矩由269.5 N·m增加到了289.1 N·m。

日产汽车公司在2016年5月举办的汽车技术展览会上推出了其参展样品——高能量密度蓄电池,容量可达60 k W·h。此外,日本电气公司(NEC)及日立制作所正在研发与车载电机进行匹配的新一代高能量密度锂离子电池。

2.3.2 验证试验

2015年9月,日产汽车公司宣布,对开发了e-NV200车型的研发团队,可无偿借贷使用该电动车3年。基于该举措,同年已将e-NV200电动车分别借贷给冲绳县及横浜市的相关研发团队。各组织正在将EV作为防灾据点等设施的紧急备用电源,以此替代噪声大、排放问题严重的柴油机等发电设备。

日本的东芝公司和马来西亚的公共汽车运营公司PAPSB,采用最佳容量的蓄电池及10 min即可完成充电的大功率充电技术,开发了与柴油车性能相当的大型双层电动客车,并在马来西亚进行了相关的试验验证。

丰田公司为实现超小型EV“丰田i-ROAD”的量产,于2016年9月进行了该电动车的实车验证。该试验在东京内开展,并将其命名为“开放式道路研究项目”。这项活动可在一定时间内向居民借出“丰田i-ROAD”车型,以其作为驾乘体验的监测者,不仅要对该车型本身的使用需求加以验证,而且还需通过与具有较高技术水平的企业开展协作,以便获得远期规划及相关服务等,并验证“丰田i-ROAD”多样化需求可行性的实际计划。

日产汽车公司及兼松公司于2016年11月宣称,受新能源产业技术综合开发机构委托,启动了在美国加利福尼亚州北部城市圈的EV验证项目的观察及调研工作。该项目通过快速充电网的建设及面向EV驾驶员提供实时信息服务,同时推广EV的行动范围。由于在加利福尼亚州进行的实际验证项目中积累了与EV相关的各种数据,可通过调查、分析、研究而进行EV的普及,并建立了相关模型。

2.4 充电基础设施

2.4.1 设置状况

截至2015年,世界范围内所设置的公用普通充电桩、快速充电桩的累积数量已达到了19万台。图4表示不同国家的普通充电桩与快速充电桩的累积设置数量所占的份额。其中,普通充电桩的设置比例中国最高,此后排序为美国、荷兰、日本和法国。快速充电桩的设置比例最高的也是中国,其次分别是日本、美国、英国、挪威、德国。中国与日本的快速充电桩的设置比例呈现逐渐增多的趋势,荷兰及法国等国的普通充电桩设置比例也呈现逐渐增多的趋势。其中,荷兰通过企业用车制度以及税收优惠政策等举措,促使应用EV、PHEV的个人和企业均获益匪浅,PHEV的销售份额也在大幅增加(2013年的销售份额占总量的10%),此为普通充电桩设置数量逐渐增多的重要原因。

图4 截至2015年不同国家的普通、快速充电桩累积设置数量的比例(根据国际能源局(IEA)的统计值,包括交流充电桩和直流充电桩。交流充电桩中的普通充电桩需为交流电220 k W以下,快速充电桩则为交流电43 k W)

图5表示日本国内的普通充电桩、快速充电桩的累积出厂和设置数量。尽管2010年快速充电桩的数量为2009年的330%,2011年是2010年的260%,均得以大幅地增加,但在2013年仅为2012年的140%,增加幅度已有所减小,但近年来再次呈现快速增长的态势,如2014年为2013年的150%,2015年为2014年的210%。从普通充电桩的保有量看,自2012年以后,2013年及2014年相比其各自的前一年,普通充电桩的保有量均以150%～170%的比例逐步递增。

图5 截至2015年日本国内普通、快速充电桩累积出厂和设置数量(普通充电桩根据出厂数量推定设置数量,快速充电桩由设置部位数推定设置数量)

2015年12月,日本经济产业省发布的新闻公报使相关法规得以放宽,即可在快速充电桩附近设置普通充电桩。由此,已在高速公路的服务区(含停车点)及普通道路的车站(含加油站、便利店)设置了快速充电桩,可利用相同的受电设备设置普通充电桩。以往虽然也有快速充电桩与普通充电桩同时设立的实例,但由于法规放宽等相关举措,目前仍有望进一步扩大普通充电桩的保有量。

2.4.2 提高充电桩输出功率

为了延长电动车的续驶里程,实现车载蓄电池容量的不断提升,充电桩呈现出向高功率发展的趋势。在日本国内,CHA de Mo协会发行的CHA de Mo说明书V.1.2中,快速充电桩的最大电流从125 A提高到了400 A。由此,预计CHA de Mo标准的最大150 k W的充电桩可进入市场销售。在国外,BMW、Daimler公司、美国Ford汽车公司、Volkswagen汽车公司、Audi公司和Porsche公司这6家汽车制造商将共同在欧洲建设最大功率可达到350 k W的快速充电网络,并于2017年开始施工。在欧洲地区将设置约400处快速充电网络,以350 k W的高功率进行充电,假定电流为350 A,电压会达到1 000 V。

2.4.3 无线充电系统

无线充电技术可大幅提高待充电用户的便捷性,作为一项可为行驶途中车辆充电的技术而备受关注。为使其得以实用化,就项目而言,有以下几项需要关注：(1)无辐射,采取了电磁兼容性(EMC)对策,提升人体防护性能及相应安全对策;(2)互换性;(3)无线充电装置的广泛设置,有效的控制技术;(4)建立标准;(5)颁布与完善法规;等。

关于标准化,2016年5月,美国汽车工程师学会(SAE)发布了汽车用无线充电的准则J2954。该准则以电磁感应方式与电场共振方式为对象,规范了使用频域及充电桩的输出功率等级等参数指标。除此之外,国际电工委员会(IEC)及国际标准化组织(ISO)也开展了关于无线充电系统标准化的讨论。在日本国内,以宽频带无线充电讨论会(BWF)为中心,与汽车工业协会及日本汽车研究所开展联合研究,同时也开展了关于无线充电标准的讨论。

2018年,Daimler公司预计在新上市的量产型PHEV车型上首次配装无线充电系统(其由高通公司制成,最大输出功率为3.6 k W)。日本国内将在2020年,将无线充电系统引入市场,并预计于2020年以后普及无线充电技术。

2.5 相关规范化、标准化动向

按照ISO/TC 22(汽车)/SC 37(电动车)/WG 1工作组的部署,正在进行以下法规、标准的修订与审议：ISO 6469-1“电动车-蓄电装置的安全”;ISO 6469-2“关于电动车运转操作的安全”;ISO 6469-3“电动车-电气安全”。作为特别事项,ISO 12405-3“锂离子电池组件的安全要件”,目前已决定统一合并到目前审议中的ISO 6469-1第三版中。此外,关于热连续试验,作为ISO 6469-1的补充材料,将通过其他方式开展相关研究。

3 燃料电池车

3.1 概要

燃料电池车(FCV)可用于替代以汽油、柴油为燃料的传统内燃机汽车,并需配装有高压氢气罐。FCV利用氢气与氧气的电化学反应而获得动力来源。因此,其与电动车一样并不直接排放CO2与氮氧化物(NOx),属于零排放车辆(ZEV),目前正在进行逐步推广普及。2002年12月,日本开始向政府和公共机关办事机构租赁销售的FCV进行技术改良,终于领先于世界,并于2014年12月15日在日本国内率先实现量产,同时得以上市销售。

2016年3月22日,由日本经济产业省修订的“氢·燃料电池战略发展路线图”,表明了其未来的发展目标：2020年将使FCV保有量达4万辆;2025年,将使FCV保有量达20万辆左右;2030年将使FCV保有量达80万辆左右。此外,关于向FCV提供燃料的加氢站,目标是到2020年建成160处,至2025年建成约320处的加氢站。

3.2 FCV与加氢站开发动向

3.2.1 FCV研发动向

继丰田汽车公司推出“MIRAI”车型后,2016年3月10日,本田销售了“CLARITY FUEL CELL”车型,燃料电池车CLARITY的燃料电池动力总成不断追求小型化。由于需配装在发动机罩内,作为率先应用于轿车领域的FCV,其在世界范围内首次实现承载5人车型。另外,由于与同时销售的可移动型外部供电器——电力输出器相组合,可将其作为“移动电源”进行供电,并可提供相当于普通家庭大约7日的用电量。同时,可在遭遇灾害等紧急情况下作为移动发电设备而得以应用。

自丰田公司的MIRAI上市以后,日本国内FCV乘用车的保有量截至2015年3月末仅为150辆,2016年3月末为630辆。经济产业省发布的“氢·燃料电池战略路线图”展示了到2020年将使FCV保有量达到4万辆的战略目标,期待未来FCV将得以广泛普及。

除了乘用车以外,丰田L&F公司于2016年7月26日发布消息称,自2016年秋季开始销售燃料电池叉车(FC叉车)(图6),使用与MIRAI车相同的燃料电池(单电池)。氢气的储存压力为35 MPa,运转时间为8 h。美国在2003-2015年间已经引进了6 200辆以上的FC叉车,也期待在日后FC叉车能得以普及应用。

图6 丰田L&F公司推出的FC叉车

2016年10月21日,丰田汽车公司发布消息称,将从2017年初销售燃料电池城市客车(FC客车)(图7)。该车型采用了专门为MIRAI开发的丰田燃料电池系统(TFCS)。

未来,以燃料电池作为驱动车的系统,还会在乘用车以外的各种车辆上得以应用。

图7 丰田汽车的燃料电池公共汽车

3.2.2 加氢站设置的动向

对于FCV而言,加氢站是不可或缺的,从2013年日本国内已对加氢站开始了面向商业化的推广建设。在日本国内,加氢站是以四大城市圈(东京圈、中京圈、关西圈和北部九州圈),以及与连接四大城市圈的公路沿线为中心而开展建设。在2016年12月,日本国内有80所加氢站已投入正常运营,其中东京圈有35所,中京圈21所,关西圈11所,北部九州圈有10所,其他地方3所。2016年4月6日,都窪市的北部关东3县首座商用加氢站开始运营。图8为该加氢站开始商业运营仪式。其为一座移动式加氢站,在其后方安装了供给氢气所必需的大型整套设备拖车。移动式加氢站在普及的初期阶段被认为是有效的方法,日本全国80所加氢站中有29所是移动式加氢站。

日本经济产业省“氢·燃料电池战略路线图”展示了关于加氢站建设的目标,到2020年,将建设约160所加氢站,期待未来的加氢站与FCV同时在日本国内得以普及与应用。

图8 日本都窪市春日加氢站开始运营仪式

3.3 燃料电池相关规范化、标准化的动向

日本经济产业省于2016年6月30日制定了关于FCV相互认可的规章制度等。这是将联合国规范(UNR134)引入至日本国内的举措,将促进FCV的高压氢气罐等的输入、输出及进一步高效化。但是,UNR134并没有归纳、集中与材料(针对氢脆性的解决方案)有关的讨论。由于各国均要开展材料的安全确认工作,可以应用以往日本国内的材料规范。关于这项材料的评估,迫切要求采用作为全球统一的试验方法。

关于国际标准化,已通过了ISO/TC 22(汽车)/SC 37(电动车)以及ISO/TC 197(氢气技术),并对FCV开展标准化活动。通过这些审议,FCV的安全性、车载氢气罐及加氢站的安全性、氢燃料规格等项目正在按照ISO审议步骤分别开展研究讨论。

针对最近的国际规范(IS)及面向短期内国际规范的发展趋势,在ISO/TC 22/SC 37方面,已于2015年9月发布了ISO 6469-4(碰撞后的安全)标准。并且,同样与电动车安全有关的ISO 6469-2(关于操作、运转的安全)和ISO 6469-3(高电压安全)的2项规范已于2018年发布。

ISO/TC 197方面,ISO 19880-1(加氢站的规范)已于2018年发布。另外,在该加氢站的规范化过程中,讨论了保证氢气质量标准的必要性,在新的ISO 19880-8标准中,将日本列为议长国并开始了审议,该规范目前已于2017年内发布。另一方面,ISO 14687(氢燃料规格)已于2018年发布。另外,ISO 17268(氢气连接管、阀类)也设立了相应目标,并正式进入投票阶段。该系列与氢气技术相关的国际规范,将会引领欧洲国家氢气市场的开拓以及法律、法规方面条款的完善。继续进行了燃料容器-氢气罐(ISO 19881)以及氢气罐用安全阀(ISO 19882)的审议,应力求与前述的联合国规范(UNR134)相结合,以便进入审议的最终阶段。

4 电动车研究现状与趋势

2016年,日本国内外汽车制造商也推出了与HEV、EV及FCV等密切相关的诸多新产品与新技术。表3示出了2016年1～2月,配装在日本国内上市的新型汽车(也包括租赁销售)或者经全面改良的在乘用车上得以应用的驱动电机。部分轻度HEV上采用直流同步电机,而许多车辆则采用交流同步电机。由于车型的不同,HEV需采用最高输出功率为10～135 k W的各种电机。另一方面,EV及FCV则配装有最高功率为130～193 k W的高功率电机。

2016年,虽然未曾销售新型的商用HEV及EV车型,然而目前仍有关于EV载货车的新闻报道,这类载货汽车的最高输出功率分别为185 k W和125 k W,最大扭矩分别为380 N·m和500 N·m。

最新电机的研究开发动向是以小型化与高效率化为重点,例如通过绕组的卷绕方法使形状最佳化,以及提高绕组的占空因数等方式以实现目标。主要包含有高电压驱动、降低铁损、绕组转换等方法。不仅对电机进行了高效化改进,而且也推进了逆变器的高功率密度化及高效化,电机与逆变器相结合,同时也有力推进了整个电机驱动系统的小型化及高功率密度化。

表3 电动乘用车上配装的主要电机