新能源汽车技术现状及发展趋势浅析

刘欣，李春

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

21 世纪，我国迎来了工业化水平提高和经济社会进步前所未有的发展契机，工业化水平的进步也大大地促进了我国的汽车产业，因此由汽车带来的环境问题也日益严重[1]。例如在汽车尾气中，含有对人体血液、神经系统有严重损害的有毒物质。除此之外，汽车噪声也是城市噪声的主要来源。相比传统燃油汽车而言，电动汽车的零排放或低排放和低噪声，将大大缓解燃油汽车对人类生活环境的污染[2]。

随着国内新能源汽车技术的发展，以及国家对新能源汽车在政策方面的支持，国内新能源汽车的产销量呈现逐年增加的趋势。据中国汽车工业协会统计数据显示，2020年我国新能源汽车产销达到了136.6万辆和136.7万辆，同比增长7.5%和10.9%。在新能源汽车产品中，纯电动汽车和插电式混合动力汽车产销均呈现增长趋势。随着新能源汽车技术的发展和变革，除了影响新能源汽车在销量方面的增长，也使得新能源汽车的产品种类也越来越多。这使得普通大众对新能源汽车的认识存在一定的难度。

因此，本文作者从新能源汽车的概念出发，一方面介绍不同类型的新能源汽车;另一方面，针对不同类型的新能源汽车的工作原理和结构特点进行说明。最后，分析了目前国内新能源汽车的发展现状。

1 新能源汽车分类

新能源汽车主要是指采用非常规的车用燃料作为动力来源的汽车，常规的车用燃料是指乙醇汽油、柴油等等。目前，针对新能源汽车的动力来源，绝大多数都采用电能、太阳能和氢能源，尤其是以电能为主。

新能源汽车的种类分为纯电动汽车、增程式混合动力汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池电动汽车。下面就不同种类的新能源汽车，其工作原理及结构特点进行介绍和说明。

1.1 纯电动汽车

纯电动汽车的英文为Battery Electric Vehicle，简称BEV，或者大多数情况下会简称为EV，即Electric Vehicle。由英文单词就可以理解，纯电动汽车就是指仅采用电池包中的电能来充当车辆的动力来源。纯电动汽车从技术难度上讲是最简单的一种新能源汽车。在结构上，它去掉了传统车辆上的发动机和变速箱，取而代之的是电机和高压电池包。

1.2 增程式混合动力汽车

增程式混合动力汽车的英文为Hybrid Electric Vehicle，简称为HEV。顾名思义，这种新能源汽车既具有传统车辆的燃油动力系统，也具备一定能量的高压电池包。从结构上，该类型车辆在原有传统车辆的基础上，增加了电力驱动系统的电机和高压电池包。这也表明，该类型车辆既可以使用发动机来给车辆提供动力，也可以使用电机来给车辆提供动力。另外，该类型车辆的特点是随车配置的高压电池包不可以采用外部电源来进行充电，仅仅依靠车辆自身的动力来补充电池包中的电能。从技术难度上和结构复杂程度上，该类型车辆相比纯电动汽车要复杂得多。

1.3 插电式混合动力汽车

插电式混合动力汽车的英文为Plug-in Hybrid Electric Vehicle，简称PHEV。该类型车辆相比增程式混合动力汽车在结构上基本一致，既同时具备普通车辆的燃油动力系统，也具备电动汽车的电力驱动系统。另外，它还具备能够为车辆高压电池包充电的充电系统。从技术难度和结构复杂程度上，该类型车辆介于纯电动汽车和增程式混合动力汽车之间。

1.4 燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车的英文为Fuel Cell Electric Vehicle，简称FCEV。它是指利用氢气等燃料和空气中的氧在催化剂的作用下，在燃料电池中经电化学反应产生的电能，并以此作为动力源来驱动的汽车。燃料电池电动汽车相比前文提到的3种类型的电动汽车在结构上存在相似之处，但是也存在不同点。相同点是都是利用电能来驱动车辆行驶，不同点是关于电能的来源不同。对于前文提到的3种类型的电动汽车，用来驱动车辆行驶的电能都是通过高压电池包来临时存储。当需要使用的时候，电池包进行电能的释放。而燃料电池电动汽车，驱动车辆行驶所用的电能是通过燃料电池的电化学反应，临时生成的电能。因此，在结构上存在一定的差别。对于燃料电池电动汽车，从整体的技术难度和部件的结构复杂程度上均比前文所述的3种电动汽车要复杂一些。

2 工作方式及结构特点

在了解了不同种类的新能源汽车的概念之后，下面主要对以上4种新能源汽车的工作原理及结构特点进行介绍，并且对每种新能源汽车结构的优缺点进行了简单的分析。

2.1 纯电动汽车

纯电动汽车的工作原理和结构布置较为简单。车辆的动力来源就是依靠电机将存储在高压电池包中的电能转换为车轮转动的机械能。能量的转换形式较为单一。纯电动汽车的动力系统布置简图如图1所示。

图1 纯电动汽车动力系统布置简图

当车辆正常行驶时，能量流动方向为电池包、电动机、变速箱到车轮。能量转化为电能转化为机械能。对于一些高端的纯电动汽车，该能量转化也可以逆向转化。能量流动方向为车辆的动能、变速箱、发电机到电池包，也就是动能转化为电能的过程，通常被称为制动能量回收。

对于纯电动汽车，电池包性能的好坏直接影响到电动汽车整车的性能，例如在安全性和续航性能方面。目前用于装配电池包的电芯主要有两类，一类是三元锂电池，一类是磷酸铁锂电池。两种电池的性能见表1。

表1 磷酸铁锂与三元锂电池特性

由表1可知，三元电池失效时，内部会产生氧气，而且反应剧烈，电池温度急剧上升，产气速率较快，导致电池来不及泄压可能会使单个电池燃烧甚至爆炸。而磷酸铁锂电池失效时，内部不产生氧气，反应速率较慢，且产气速率较慢，通过泄压阀泄气后，在电池包外部会出现明火燃烧，一般不会发生爆炸。这说明磷酸铁锂电池整体的安全性能要比三元锂电池要好一些。但是，由于磷酸铁锂的能量密度相比三元锂电池要小很多，使得配置磷酸铁锂的电池包在车辆续航里程方面的性能相比三元电池要逊色很多。

总结纯电动汽车的相关特性，其结构特点有以下几点：

(1)环保无污染，不产生废气，且噪声低;

(2)整车结构布置简单，要求技术门槛低;

(3)车辆续驶里程依赖电池特性强，且低温性能较差。

2.2 增程式混合动力汽车

增程式混合动力汽车的工作原理和结构布置相比纯电动汽车要复杂得多。按照车辆的动力来源划分，可以将增程式混合动力汽车的结构布置分为3种形式，分别为串联式、并联式和混联式。3种方式的动力系统布置简图如图2所示。

图2 增程式混合动力汽车动力系统布置简图

当结构布置为串联式时，虽然车辆既具备发动机，也具备电动机，但是驱动车辆行驶的只有电动机。发动机的作用是驱动发电机向电池包充电。当结构布置为并联式时，车辆的发动机和电动机都可以作为动力源向驱动轮输出动力。当结构布置为混联式时，此时的发动机既可以当做动力源直接驱动车辆行驶，也可以驱动发电机向电池包充电。另外，电动机也可以驱动车辆行驶。

目前，绝大多数的车型均采用混联式的结构布置形式。因为在该种布置结构下可以充分地利用发动机和电动机的各自优势。例如，当车辆需要在低速状态下行驶时，电动机的低速特性优于发动机，此时车辆采用电动机驱动车辆行驶。当车辆需要在高速状态下行驶时，发动机的高速特性优于电动机，则车辆采用发动机来驱动车辆行驶。同时，如果发动机的输出功率过剩，还可以驱动发电机向蓄电池充电。因此，对于增程式混合动力汽车，采用混联式的结构布置方案是最优的方案。但是该种结构布置形式对车辆在硬件和软件方面都要具备非常高的技术要求。

总结增程式混合动力汽车的相关特性，其结构特点有以下几点：

(1)环保方面低于纯电动汽车，但优于传统燃油汽车;

(2)可以充分地利用发动机和电动机的工作特性，综合提升能量利用率，但是结构布置复杂，技术难度高;

(3)可以有效地解决纯电动汽车续驶里程的问题，降低电动汽车受环境温度影响的程度。

2.3 插电式混合动力汽车

插电式混合动力汽车的工作原理和结构布置形式与增程式混合动力汽车基本一致。区别就是对于插电式混合动力汽车在增程式混合动力汽车的基础上增加了可以单独为电池包充电的充电系统。通过增加充电系统，可以降低混合动力汽车制造的技术难度，即采用并联式的结构布置形式即可。关于插电式混合动力汽车的结构特点与增程式混合动力汽车一致，这里不再进行赘述。

2.4 燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车的工作原理是利用氢气和空气中的氧气发生电化学反应后，形成电流使电动机来带动车辆行驶，其动力系统的布置简图如图3所示。

图3 燃料电池电动汽车动力系统布置简图

由图可知，在动力系统的布置中除了燃料电池，还配有高压电池包。这是因为燃料电池汽车在正常行驶状态下，仅依靠燃料电池既可以满足车辆的使用需求，而且燃料电池也会对高压电池包进行充电。当车辆需要加速时，为了满足车辆的用电功率，燃料电池和电池包会同时向电动机输送电能，以满足车辆的使用需求。另外，当车辆由静止状态转为行驶状态时，由于燃料电池的电化学反应需要一定的时间，此时由高压电池包向电动机输出电能。

对于燃料电池电动汽车，其技术难度和硬件要求相比纯电动汽车和混合动力汽车都要难得多。比如在硬件方面的储氢瓶、供氢阀、空压机等，相关部件的技术能力国外远远领先于国内。主要原因是燃料电池汽车的燃料采用的是氢气，而氢气是一种极易燃烧的气体，而且无色透明、无臭无味且难溶于水。这使得在相关部件的制造方面和安全性方面都提出了很高的技术要求。在燃料存储方面，由于采用高压存储，使得燃料电池电动汽车的续驶里程可以达到700 km以上。有的车型甚至可以到达900 km。另外，在污染物方面，燃料电池汽车同纯电动汽车一样，完全是零污染排放，最终的生成物只有水。总结燃料电池电动汽车的相关特性，其结构特点有以下几点：

(1)与纯电动汽车一样，环保无污染，不产生废气，且噪声低;

(2)相比混合动力汽车，由于不需要利用活塞等机械部件，使得能量整体的转换效率较高;

(3)加氢时间与加油时间相同，而且续驶里程较长;

(4)综合技术难度高，造车成本和用车成本较高，且需要配套加氢站。

3 新能源汽车的发展现状

从2008年开始，新能源汽车在国内开始崭露头角，一直到2020年，经过12年的发展，我国在新能源汽车技术方面有着非常大的进步和发展。尤其针对传统的新能源汽车，主要是指利用高压电池包作为临时储能的电动汽车。在产品种类方面，已经由最初的以纯电动汽车为主的技术路线，转变为目前的纯电动汽车和混合动力汽车共同发展的技术路线。另外，在核心部件方面，如高压电池和电机等，从使用性能和安全性能方面也有较大的提升。针对这一类型的新能源汽车，国内已经具备了一些非常成熟的零部件和整车的生产企业，并且在产品性能方面，已经可以与传统汽车制造强国相竞争。

但是对于新兴的新能源汽车，例如燃料电池电动汽车。不论是在部件生产，还是在整车制造方面，我国都还需要一定时间的发展和提升。目前，我国的燃料电池汽车主要应用在商用车、公交车和城市客车。原因是这些类型的车辆尺寸较大，便于储氢瓶和燃料电池发动机的布置。对于乘用汽车，由于生产成本较高，研发技术难度较大，因此国内还没有大批量生产和上市的相关车型。另外，制约燃料电池汽车发展的另一因素，是关于加氢站的布局。我国在加氢站的建设方面，仅有部分城市具有小规模布局。全国绝大部分城市和地区都还不具备加氢的能力。

4 结束语

近些年，随着一批造车新势力的加入，不仅推动了国内新能源汽车产品的高端化，更是积极地推进了我国的新能源汽车在智能化和网联化方面的发展。相信随着国内新能源汽车市场的不断扩大，以及国家对新能源汽车产业的持续支持，我国针对新能源汽车的生产制造，不仅在产品种类方面会更加的多元化，而且在技术方面也会越来越领先于传统的老牌汽车生产强国。