环保汽车技术动向

陈志耀　周彩芳　陈邦栋

摘 要：为解决由能源问题带来的温室效应问题以及应对燃比法规，汽车行业对HEV/PHEV/BEV/FCEV等新能源类环保汽车的技术发展越来越关注，环保汽车的市场前景也越来越明朗化，世界对环保汽车的发展方向也提出了一系列要求以及展望。

关键词：环保 内燃机 电动汽车 技术

1 引言

从内燃机发明到现在，汽车的主要动力源为石化燃料。由于汽车越来越多，大量使用石化燃料产生的有害气体排放以及温室气体引发的环境问题，气候问题变得越来越严重。同时，2015年后，美国ZEV法规提升了对尾气排放、CO2管制的要求，使得整个汽车市场不可避免的对使用替代内燃机动力源的环保汽车技术研发快速推进化，且环保车市场的模式正在以混动车（HEV）、插电式混动车（PHEV）、电动车（BEV）、氢燃料汽车（FCEV）的发展方向急剧变化中。本文将简单介绍各类环保汽车的基本原理、环保汽车的技术动向以及对中国汽车市场的展望。

2 环保汽车原理介绍

2.1 以电能源为基础的汽车

第一代环保车是混动车和插电式混动车，而电动车和氢燃料汽车为第二代环保汽车。

电能源汽车是指普通内燃机发动机和电力发动机都一同安装在车上，或仅有电力发动机的汽车，包括混动车、插电式混动车、电动车和氢燃料汽车。汽车通过电能源驱动电机为汽车提供动力，从而取代内燃机发动机，降低汽车尾气的排放。

BEV为完全以电能源驱动引擎，唯一动力的环保汽车。其只依靠动力电池和驱动电机来给车辆提供动力来供它行驶，它主要由底盘、车身、动力电池、驱动电机、电气设备等辅助系统组成。其完全无尾气排出，低噪音、节能省钱。但目前BEV的续航里程无法达到人们所期望的标准，且相比同档次的燃油车更贵，充电时间较长，充电桩的普及也无法满足现状。

目前市场上较为经典的代表BEV为特斯拉及五菱宏光mini，见图1。

2.2 混动车与插电式混动车介绍

什么是混动车？混动车是结合内燃机和电发动机两种类型的动力来驱动，相对于现有的内燃发动机而言，可以实现更高的燃比。混动车是根据车辆的速度或行驶状态等来适当控制发动机和电机的力，极大化的保持汽车运行的效率性的一种汽车。在低速行驶时，混动车出发时以电机的力来驱动引擎行驶。在加速行驶时，发动机则成了主动力源，而电机则成为了辅助动力源。在高速行驶时，只有发动机驱动引擎进行行驶，且由发动机的驱动来实现对电池的充电。在停车时，发动机引擎会停滞，且电机驱动引擎自动准备。HEV与PHEV的基本结构概念见图2。

混动车相对于传统内燃机汽车有什么优势呢？首先，混动车相对于传统内燃机汽车，提高了发动机的效率，燃比提升了将近2倍。同时，一氧化碳、氮氧化物的排出量也可以减少10%～15%左右。且行驶过程中，自身的发电机可以对电池进行充电，因此不需要额外的充电站对电池进行充电。

插电式混动车即家庭用等外部电力充电入电池中即可使用的HEV。PHEV与HEV最大的区别是前者只能通过充电使用电动驱动汽车，后者是通过燃油运转汽车，产生电能。和HEV类似，PHEV的电池容量比较小。能量一般在20KWh左右，可完全电驱动行驶100km左右。

世界上最早批量生产的HEV是1997年东京车展上展示的日本丰田普锐斯。

2.3 氢燃料汽车介绍

氢燃料汽车（FCEV）是使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车的一种新型环保汽车。FCEV的基本结构见图3。

FCEV相对于传统汽车以及电动车来说，有着以下优势。1、基本没有尾气排出;2、减少了机油泄漏带来的水污染;3、行驶过程中基本没有噪音;4、有着更高的燃烧效率，是一般发动机的能源效率的2倍;5、比电动车的充电时间更短，基本在3分钟至10分钟内即可对电池充满电;6、氢燃料加注站相对于电动车的充电桩或充电站设置更简单，可以在现有的加油站上进行改善即可使用。

FCEV相对于电动车以及传统汽车具有那么多优势，为何汽车的商用化比较缓慢呢？首先FCEV的造价非常高昂，仅是能量转换中的化学催化剂成本就让人望而却步。同时，FCEV摆脱不了的一种金属——铂金，是整台车必不可少的一种材料，但它仅为氢燃料转换的一种催化剂，而它的贵重程度是黄金的四倍，这就使得FCEV的造价必然无法便宜。在材料方面，FCEV成本颇高，在氢燃料电池的原料制氢方面，技术基本掌握在丰田、本田等供应商上，国产供应商很难有技术上的突破，这就使得该方面的成本不会太低。除了制氢外，储氢技术也是关键，相对于运输与储存技术相当成熟的燃油，以及几乎只需前期基础电网设施建设的电能，氢燃料的运输与加氢储存都尚在起步阶段，而这些不断深化的技术也将更多开发成本叠加在了消费市场当中[1]。

世界上最早的量產型氢燃料汽车为现代途胜IX，在2013年日内瓦车展首次公开。

3 环保汽车动向及前景

3.1 内燃机汽车的前景

根据2015年巴黎协定的规划意见，到2035年为止，对于除了混动车之外的内燃机汽车，石油汽车的平均油耗要减少37%，柴油车要减少32%。因为目前市场以及技术水平限制，市场还需要由发动机以及电机结合的混合汽车技术，所以预计到2030年-2035年为止，混动车在全世界市场占有率会达到11%的峰值。预计从2030-2035年开始，混动车以及内燃机汽车将逐步减少。

B2DS是2015年巴黎协定的展望计划，其要求限制地球升温幅度比起工业化之前增加不超过2℃，同时提出要努力实现1.5℃的目标，并且提出在本世纪下半叶实现温室气体人为排放与清除之间的平衡。B2DS展望是非常高的目标，预计完成起来会有很多困难。估计到2060年为止许多汽车还是只能使用内燃机或混动车的。所以增加内燃机的热效率，减少温室气体排放技术的开发和使用仍是非常重要的[2]。

3.2 混合动力汽车的前景

混动汽车是通过内燃机和电机来驱动，引擎具有两种动力源的汽车。混动汽车预计从2030-2035年开始逐步减少。对于一般混动汽车来说，一氧化碳、氮氧化物的排出量可以减少10%-15%。对发动机以及电机高度控制的混动车，CO2的排放量可以减少将近一半，排出的尾气最大也可以减少至90%。但是混动车因为复杂的系统，且同时包含发动机以及电机，使得车辆造价较贵[3]。

3.3 电动汽车的前景

为了应对温室气体导致的气候变化，全世界各国的电动汽车市场正在快速成长中。以2018年为例，全世界电动车和2017年同比增长了200万辆，总数突破510万辆。根据国际能源机构的2019能源展望，预计到2040年为止电动汽车将占新型汽车销量的75%。

但是电动汽车的急速增长，会对电力系统产生重大的影响。为了通过电动汽车的普及来解决气候变化问题，就必须肩负起把电力生产方式由现在的以化石燃料为主转换为太阳能以及风能等新再生能源的课题。

3.4 氢燃料汽车的前景

氢燃料汽车是在电池上使用氢气和氧气的化学反应产生的电能驱动引擎行驶的电动汽车。氢燃料汽车相对内燃机汽车来说，没有尾气排出、低噪音、能源效率是内燃机的2倍，可以解决温室气体以及石油紧缺的问题。且燃料充电时间较短，一次充电的行驶里程也比普通的电动车要长[4]。

虽然世界上许多大型汽车公司往后数年內都有上市氢燃料汽车的计划，但是一年生产数十万辆以上的氢燃料汽车预计还是较难的。但是长期来看还是需要使用氢气汽车的，所以氢燃料汽车的技术开发是很重要的。中国对氢燃料汽车的普及计划，到2025年为止10万辆，预计到2035年为止普及100万辆。

4 中国汽车市场的展望

中国市场2018年电动汽车销量约140万辆，约占18年世界电动汽车销量的72%。这个数据离不开中国政府的大力支持，要求中国汽车市场以电动汽车市场为主导。

中国汽车工程学会发布了汽车技术路线图2.0，路线图中包含了预计到2035年将停止生产一般内燃机汽车的内容。计划把目前占中国汽车生产5%的电动汽车为首的新能源汽车比重在2025年提高至20%，2030年提高至40%，2035年提高至50%。混动汽车HEV/PHEV的比重也要实现在2025年 增加到40%，2035年增加至45%，2035年增加至50%的目标。其结果就是一般内燃机汽车将在2035年后完全退出。同时计划扩大对氢燃料汽车的普及，2025年为止计划普及10万辆，2035年为止普及至100万辆，计划以公交车等商用车为中心来进行推广。

参考文献：

[1]林洁如. 氢燃料汽车：新能源汽车的新趋势[J]. 新产经，2018，（08）：64-66.

[2]陆建明. 汽车动力变革中的内燃机发展趋势探究[J]. 内燃机与配件，2021，（13）：180-181.

[3]丁良昊. 混合动力汽车的利弊及发展前景分析[J]. 农家参谋，2018，（07）：296.

[4]甄旭东，耿杰. 氢燃料汽车在未来课程教学改革中的应用探讨[J]. 汽车零部件，2020，（09）：99-101.