浅析新能源汽车应用前景与相关车型代表

周梦菲 任熠

（武汉理工大学，武汉430000）

主题词：新能源汽车 混合动力汽车 纯电动汽车 燃料电池汽车

1 前言

地球上的能源不是取之不尽用之不竭的，能源的过度使用导致生态系统平衡遭到破坏，为解决这一连锁反应带来的一系列问题，如今各国都在相应提出各种政策应对，其中大多都涉及新能源汽车的开发与使用。奥巴马于2010 年将新能源汽车提升到国家战略层面，并于2012 年启动电动汽车国家创新计划EV Everywhere 的同时，将新能源汽车产业的主攻方向定为纯电动汽车，并在短期内大力发展充电式混合动力汽车。欧盟则从20 世纪90 年代开始重点强调节约能源，尽可能多地应用可再生能源和生物燃料，并在日后以此为基础大力发展新能源汽车。而日本早在20世纪70 年代汽车产业赶超美国时便提出电动汽车发展战略。政策的支持为新能源汽车发展提供了强有力的保障。

根据全国能源信息平台统计[1]，2019 年底我国新能源汽车保有量达到381 万辆，预测在2020 年将持续保持增长，其中新能源乘用车销量有望超过130万辆，也就是说2020 年新能源汽车的保有量将会超过510万辆，中国是全球新能源汽车最大的市场。这种一路向好的走势也反映出市场对新能源汽车的接纳程度逐渐提高，未来新能源汽车的发展前景广阔。

传统内燃机汽车虽然应用极其广泛，但其能源利用率低下、排放物污染环境等问题一直饱受诟病。新能源汽车的出现在满足使用需求的同时，可以实现节能、减排、低碳，所以新能源汽车是汽车行业可持续发展的必然趋势。

2 新能源汽车分类及车型代表

新能源汽车根据其动力系统的不同具体可以分成3 类：纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车[2]。以下将对比3 类新能源汽车的突出优势和发展局限，并结合一款目前市场上常见的新能源汽车类型进行简要分析。

2.1 纯电动汽车

纯电动汽车，是指所有的动力都来自于电动机的汽车，与传统内燃机汽车的本质区别是组成动力系统的机械不同。传统内燃机汽车以汽油作为能源，通过发动机实现化学能到机械能的转化，从而驱动车辆行驶。同样，电动机通过车体自带的电池电能驱动电动机，从而驱动车辆行驶。传统汽车通过加油站补充燃料，纯电动汽车则通过充电桩补充电量。

2.1.1 纯电动汽车应用的优势

(1)能量形式单一，控制简便

在传统汽车中，信息大多都以电信号的形式进行传输，所以为了方便信息的整合、处理与反馈，曲轴转矩等发动机运行数据需通过传感器等元件的测量，传输到电子电路中进行能量形式的转换，这无疑给汽车动力系统的控制增添了不少困难。而纯电动汽车的能量形式大多都是电信号，在控制体系与技术方面较传统汽车更简单，因此，维修也更加方便、快捷。

(2)电动机驱动噪声小

传统汽车发动机的噪声是长期以来影响乘驾体验的重要因素，内燃机的噪声控制范围极其有限，而电动机运行时的噪声远小于传统内燃机的噪声，大大提高了驾驶员及乘客的舒适感。

(3)无污染，零排放

纯电动汽车既没有传统汽车CO、HC、NOX、PM 等污染物的直接排放，也不需直接使用化石燃料驱动，且未使用的电能可经过电池对其进行储存、回收，并且制动时也能进行一定的能量回收，进一步保证能源利用效率和汽车的长时间运行。

2.1.2 纯电动汽车应用的局限性

(1)电池寿命短，续驶里程较低

传统内燃机汽车的续驶里程在400～800 km 之间，一般为500 km 左右。而纯电动汽车的续驶里程在100～500 km 之间，一般在300 km 左右，与传统内燃机汽车差距较为明显。更远的续驶里程需要纯电动汽车具有更大的电池容量，容量更大则电池质量越大，质量越大电池运载自身的能量也越大，容易产生更多能源的浪费。且电池过大，纯电动汽车的安全性也会受到影响，严重时可能会导致车体发生爆炸，威胁驾驶人及乘客的人身安全。且国内城市道路目前充电桩数量较少，无法像传统内燃机汽车对加油站的需求一样满足纯电动汽车对充电桩的需求。综合考虑，纯电动汽车的续驶里程是制约其发展的主要因素，短时间内无法达到传统汽车续驶里程指标。

(2)成本较高，经济性较差

对比丰田RAV4车型的汽油版与纯电动版[3]，发现纯电动版的购车成本比汽油版高出20万元，虽保养与维修成本只有汽油车的1/3，但因电池组寿命有限，需定期更换，整车寿命成本也比汽油版高出将近20 万元。这样控制“车型”变量相同的对比，也在一定程度上凸显出纯电动汽车在市场销售时的劣势。

(3)对“无污染，零排放”的争议

虽说纯电动汽车在自身运行过程中不会产生有害污染物的排放，但由于现今我国仍普遍采用火力发电的方式大量获取电能，从空气污染的角度考虑，发展新能源汽车的目的是为了减少有害物质的排放，另一方面却又因为纯电动汽车驱动所需要的电能获取方式加剧了空气污染，所以对纯电动汽车是否完全无污染、零排放的问题，国际上存在些许争议的声音[4]。

2.1.3 纯电动汽车车型代表—特斯拉2017 款Model X 100D简要分析

车型名称中的“100”指电池容量为100 kW·h；“D”代表双电机。这款车型新车2017 官方指导价为79.4 万元左右，鉴于其现已停产，且厂商会根据时间推移对旧款车型进行下架停产处理，所以对不同年份的同系列车型价格进行对比，表1 是近4 年特斯拉Model X 系列的官方网站给出的当年相应车型售价，从表中数据可以得出该系列车型价格没有特别大的变化，甚至在配置提升的同时能够以更低的价格购得1 辆新车，并且在电池容量保持在100 kW·h 的前提下推出了长续驶版车型适应大众的需要。Model X系列自上市销售开始，其独具特色的鹰翼式车门及亮眼的外形是一大卖点，且具有前备箱和后备箱双重储物空间，也比普通SUV 具有更大的车内空间。它的动力系统由2 台最大输出功率为193 kW 的交流异步电机组成，分别驱动前轮和后轮。鉴于电动机的可调速特性，变速箱设置为固定齿比变速箱，汽车行驶速度最高可达250 km/h。储能单元由上千节平铺在车辆底部的18650 三元锂离子动力电池组成。由于电池容量达到100 kW·h，特斯拉Model X 100D的官方给出的续驶里程高达552 km，这个数据在纯电动汽车的行列中已非常优秀，几乎能与传统内燃机汽车竞争。

表1 特斯拉Model X系列近4年官方当年车型相应售价

该车型最具有特色的地方在于驾驶此纯电动汽车的科技感和未来感以及其极佳的起步加速性，2017款车型官方给出的100 km/h 加速时间仅为5 s，最新2019 款车型官方发布的100 km/h 加速时间更是只需要2.8 s；其次便是对比同价位的汽油车，特斯拉Model X 100D的保养费用大大降低，大致为5万元，保养周期更长。纯电动汽车起动加速时间短的特点，让乘客感受到近似赛车般强劲的“推背感”。其缺点是城市充电桩配备严重不足，且比起传统汽油车3 min可加满油箱的速度，该车型充电30 min 最多也只能充电60 kW·h。且此车不宜在高速公路上行驶，其续驶里程在实际驾驶过程中并不能达到官方给出的500 km 以上，夏天的城市续驶极限在450 km 左右，冬天如果开启车内空调则续驶里程在330 km左右，并且随着电池的长时间使用，续驶里程会有进一步明显缩减。所以纯电动汽车在续驶里程、经济性等方面还有非常大的进步空间。

2.2 燃料电池汽车

燃料电池汽车以燃料电池作为提供驱动汽车行驶电能的来源，不同于纯电动汽车通过对车载电池的充放电，从而提供电能使电动机运转驱动汽车行驶，燃料电池汽车需要通过为电池加注填充燃料的方式，补充电池的电量从而实现对电机的供能。与传统汽油车相比，燃料电池汽车同样是将燃料的化学能最终转化成汽车行驶的机械能，但不同的是燃料电池汽车能量转换的过程并非通过直接燃烧氧化，没有废气或污染物排放，排放物多为清洁环保物质。目前国内外重点研究及应用的是氢燃料电池[5]，以下的优势与局限性也主要针对氢燃料电池展开阐述。

2.2.1 燃料电池汽车应用的优势

(1)工作效率高，且结构简单

目前已知的大多的氢燃料电池汽车，汽车效率可达50%～70%左右，而传统内燃机汽车的效率只有大约11%[6]，可见在能源使用效率方面，燃料电池汽车较高于内燃机汽车。同样因为燃料电池汽车无需发生燃料的氧化燃烧和热机做功，损耗的能量较少的同时，动力系统所需的零部件种类与数量也相应减少，主要围绕燃料电池、驱动电机、能源储备装置、控制单元这几个方面展开，有利于整车控制与布置的同时，也能帮助车辆有效地实现轻量化。

(2)节能环保

目前大多燃料电池汽车采用氢作为补充燃料，最终生成的排放物只有水。没有具有污染性、毒性及对人身体有害的物质生成。而且氢能可从地球上丰富的水资源中提取，相比于化石燃料具有更大的能量来源，甚至在未来有可能从自身排放的水中重新分离出氢能，实现能源的循环使用。

(3)续驶里程较高

由于燃料电池工作效率较高，同体积的氢燃料与汽油相比，省去了无法回收利用的热量损失、机械损耗、腐蚀等能量损耗，氢燃料电池产生的能量能更大限度地用于驱动车辆行驶。若采用轮毂电机的布置形式，将产生的电能直接作用于车轮上，那么可能实现行驶普通燃油车3倍以上的续驶里程而无需补充氢燃料，较大程度的填补了新能源汽车中纯电动汽车只能实现城区短途行驶的缺憾。

2.2.2 燃料电池汽车应用的局限性

(1)氢气的储存、制备和运输不易

虽然氢气可从地球上丰富的水资源中获取，但氢气易燃易爆的性质，使其储存与运输过程显得尤为艰难。况且每一辆氢燃料电池汽车上均需要配备储氢装置，无疑是汽车安全性一项极大的挑战。再者，补充氢燃料的加氢站等基础设施的建设并不像纯电动汽车充电站的建设来得方便，也在一定程度上限制了燃料电池汽车的发展。

(2)成本造价高，经济性不高

目前市面上广泛使用的燃料电池为质子交换膜燃料电池，其中的质子交换膜需要使用贵金属材料Pt作为催化剂。而稀土金属资源本就匮乏，开采制造加工成本更是昂贵[7]。况且氢气的难储存难运输，也导致车用加注氢气的价格昂贵[8]。所以氢燃料电池无法大规模投入使用，与其高昂的成本有极大的关系。

(3)燃料电池核心技术研发难道大

相较于日韩欧美国家，我国燃料电池汽车起步较晚，核心的电堆功率和高压储氢罐的技术较为落后。且在全球范围内只有美国杜邦公司可以提供“质子交换膜”技术，多项技术受限于他国。电池寿命方面也仅仅只有5 000 h，尚处在试验研发阶段[9]。众多技术的不成熟也限制燃料电池汽车的发展。

2.2.3 燃料电池汽车车型代表—丰田Mirai简要分析

与纯电动汽车相比，燃料电池汽车成本更高，售价更贵，目前市场中存在的燃料电池汽车更是少数，所以丰田Mirai 可以说是燃料电池汽车史上的里程碑。鉴于中国加氢站资源不足，所以该车型尚未进入中国市场销售，在国外市场也多以租赁的形式进行运营。在美国，2016 款丰田Mirai 于2019 年10 月上市，当时的售价在58 325美元（折合37万元人民币左右），除去政府补贴后价格不到45 000 美元（折合人民币约28.6 万元左右），但其实相比于购买，长租使用该车型的形式在成本上能节省不少，尤其是可免去加注氢燃料的费用。2019 年若以长租的形式使用该车,每月租金为499 美元（折合人民币约3 163 元），且3 年租赁期间加氢费全免。丰田Mirai 氢燃料电池组的最大发电功率为114 kW，驱动电机最大功率为113 kW，最大扭矩为335 N·m，全车有2 个70 MPa 的储氢罐，若2 个全部充满的话，支持车辆行驶650～700 km[5]。加速性能虽然与纯电动汽车相似，但是由于其储氢装置的体积与质量均较大，稍显笨拙。同样因为车辆配备2 个储氢罐，车内空间与车后储存空间也比传统汽油车小了一些。

该车型最不便利的地方是补充氢燃料。加氢站的数量远远不及加油站的数量，而且与充电桩数量相比也是少之又少。截止2019 年7 月，美国旧金山湾区的加氢站仅有11个，而充电站如果只算快速充电站也有至少200 个，加油站更是不胜枚举。虽然加氢过程较便利，只需花费大约5 min，但与纯电动汽车车主日常通勤可以晚上回家充电相比，确实需要浪费不少精力与时间。而且在燃料价格方面，如果丰田公司没有提出相应的免费加氢政策的话，车主需要花费25 美分/km（折合人民币1.76 元/km）的费用，是纯电动车每公里行驶成本大约7～8 倍，对比传统汽油轿车，如以每百公里油耗为9 L、燃油价格为6.3 元/L 计算，燃油成本为0.567 元/km，由此可见燃料电池电动车成本确实比纯电动汽车与传统汽油车的成本高得多。所以，进一步限制了燃料电池汽车在市场中的渗透。

2.3 混合动力汽车

混合动力汽车就是具有2 种或2 种以上可驱动车辆行驶能源的汽车，并且在同一辆车上可以体验不同的2 种能源分别驱动和2 种能源混合一起驱动的3 种驱动模式。混合动力的方式很多，油电混合、气电混合、电电混合，所以混合动力汽车不一定是指汽油车和纯电动汽车的混合。应用混合动力技术，大约可以节约超过30%的能量。

混合动力汽车的分类众多，大多是油电混合，大体上可以分为插电式和油电式2 种，这2 种类型的区别在于获取电能的方式，插电式混合动力汽车既可通过电网对电池充电补充电能，也可以通过发动机驱动发电机运转从而为电池补充电能，即该车既可充电也可加油。而油电式混合动力汽车只能通过发电机驱动电动机运转补充电能，即该车只能加油，不能充电，电能仅作为辅助能源驱动汽车行驶。但从能量混合方式角度来说，混合动力汽车类似电路的布置，可以分为串联式、并联式与混联式[10]。串联式即车辆的驱动力只来源于电动机，并联式即汽车的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给，混联式即同时具有串联与并联2种形式的驱动方式。

2.3.1 混合动力汽车应用的优势

（1）有效降低油耗，能量利用率高

介于混合动力汽车有使用多种能源驱动行驶的能力，车辆可以在不同的行驶工况以不同的能源驱动方式行驶，将传统汽油车不可避免需要低效率消耗燃油的工况用储存的电能代替，根据调查统计，使用混合动力汽车，与同款汽油车相比，节油率在10%～30%左右。并且在一定程度上混合动力汽车可以像纯电动汽车一样进行制动能量回收，能量利用效率更大，弥补了传统汽油车能量利用效率的缺陷。

（2）提高内燃机工作效率，同时降低对电池的要求

能源的混合使用提供了更多不同的混合模式，对混合动力汽车来说，驾驶的机动性更强。并且与传统内燃机汽车发动机采用Otto 循环不同，混合动力汽车采用的Atkinson 循环没有怠速工况而采用怠速停机，并且减少了过程中的泵气损失，膨胀比加大使热能更充分转化为机械能，填补传统内燃机的短板，有效提高工作效率[6]。并且辅助内燃机共同驱动汽车的蓄电池部分，也无需与纯电动汽车电池部分功能严格一致，依据油电混合程度的差异，可以相应适当降低电池的配置。

（3）可作为传统汽油车到纯电动汽车的过渡车型

目前市场上应用的混合动力汽车大多为油电混合，发挥纯电动汽车一部分优势的同时，也没有完全摒弃已研究较透彻的内燃机技术。比起纯电动汽车与燃料电池汽车，混合动力汽车的技术更为成熟。且由于未完全放弃使用汽油，大众的接受度较高，使用感受与传统内燃机汽车类似，但更为清洁环保节省能源，也是混合动力汽车在新能源汽车市场占比较多的主要原因。

2.3.2 混合动力汽车应用的局限性

（1）车体质量大

因为混合动力汽车至少有2 种驱动能量，所以至少需要2 种能量对应的驱动机械，市场上的油电混合汽车，至少需要发动机、发电机、电池、变速箱、能量耦合装置等部件，不管是与传统汽油车还是纯电动汽车相比，需要的部件更多，所以车体总重更大、占用空间更多，一定程度上会增加油耗，也会带来更多的能量损耗。

（2）动力控制系统复杂

因为混合动力汽车涉及多种形式能源的共同使用，所以动力系统需要设计的部分较多[11]，且不同能量形式终究是要以1 种形式工作，能量形式的转换必不可少。再者，混合动力汽车涉及能量利用回收，且不同工况下发电机与内燃机有不同的使用状态，需提前在控制系统进行大量的数据监测运算与数学模型建立，比只有一种能量控制的车辆复杂不少。

2.3.3 混合动力汽车车型代表—宝马X1 混动版简要分析

宝马X1混动版是1辆插电式混合动力汽车，动力系统包含1 个1.5T 直列3 缸涡轮增压发动机和1 个容量17.8 kW·h 的电池组。1.5T 的3 缸发动机最大功率为100 kW，最大扭矩220 N·m 的动力输出，而后轴电机最大输出功率为70 kW，最大扭矩为165 N·m，综合起来功率达到170 kW，最大扭矩385 N·m，这比大部分配备2.0T 发动机的传统内燃机汽车具有更强的动力。宝马X1汽油版本身自带3种驾驶模式，混动版加上电动部分还有3 种模式，外加D 挡与S 挡2 个挡位，一共有18 种搭配驾驶方式，以适应不同的行驶工况。目前2020 款宝马X1 汽油驱动型共有4 种配置，最低配置官网售价为27.88 万元，最高配置官方售价为33.98 万元，而2020 款宝马X1 插电混动版只有唯一一款车型，官方售价为39.98 万元，其价格比汽油版最高配置车型售价还要高出6万元。虽然目前生产在售的混动版车型只有2020 款，但查询近3 年该车型插电混动版的价格，2017款售价为39.88万元，2018款售价为39.68 万元，2019 款售价为39.38 万元，售价始终保持在40万元左右。

这款车型的车内空间较大，没有因为发动机、电动机兼备而牺牲车内空间，具有低油耗、低噪声、油电切换平稳的优点。与传统汽油车油耗9～11 L/100 km相比，这款车型的油耗可降至2～4 L/100 km 左右，且车辆行驶时驾驶员几乎感觉不到油电转化的“突兀感”。但是，也有不少车主表示，自己花了比传统汽油车型更高的价格却依旧是同样的配置，而目前市区充电桩等基础设施建设不完备，在电池电力不足时，油耗甚至比同样车型的汽油版更高，且充电的时间3 h起步。且对比市面大多汽车均使用的4 缸发动机，3缸发动机在冬天冷车起动时抖动和噪声还是较大。若能有效提高混合动力汽车性能与价格的匹配程度，那么混合动力汽车有望早日取代传统内燃机汽车，成为道路上的主流车型。

3 结束语

（1）纯电动汽车具有便于控制、清洁高效、噪声小的优点，目前国内新能源汽车市场也已上市大量纯电动汽车车型，但充电设备不足与续驶里程有限仍然是一个短期之内会限制其发展的因素。

（2）燃料电池汽车具有工作效率高、节能环保、能量效率高的优点，但是目前在国内甚至国际市场上，仍然是一种小众车型，由于其成本造价高昂、氢能源不易获得、核心技术研发难度较大的问题，近几年可能还无法达到上市普及的目标。

（3）混合动力汽车具有能量利用率高、控制灵活的优点，在国内外市场上出现较高的渗透率，但由于其整车整备质量高、动力系统控制复杂，且相对传统汽车成本略高，使广大消费者一时难以转换观念，未来可能需要更多政策的扶持以及环保观念的普及，才能使混合动力汽车更好的融入汽车市场。

目前中国新能源汽车市场成为全球新能源汽车的领导者，但是总体上新能源汽车的发展还处在导入期到成长期阶段，国家和地方政府都在积极有序、推出政策支持新能源汽车发展。虽然纯电动汽车的续驶里程有限、燃料电池汽车的成本技术要求高、混合动力电池动力控制复杂等方面存在或多或少的问题，尚未找到更合适有效的解决办法，从而无法使新能源汽车得到广泛应用。但是在日益严苛的节能及环保要求，以新能源汽车创新技术的不断完善、技术日益成熟的背景之下，特别是随着电池技术的发展，能量密度的不断提升和成本的下降，会逐步解决顾客的里程焦虑问题，加氢站和充电站的越来越普及，会解决新能源汽车能源补给的问题，未来新能源汽车会不断提升与传统内燃机汽车的竞争力，市场份额会不断提高。