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新能源汽车发展趋势的研究与探讨 摘要文章从好用化、商业化的角度动身，分析各种新能源汽车的优点与缺点，认为在现阶段乃至相当长的一段时期内，取代传统动力源占主导地位的是混合动力源。 关键词新能源汽车；传统动力源；混合动力源 作者简介刘延林，国家机动车产品质量监督检验中心(上海)，上海机动车检测中心新能源汽车检测工程技术探讨中心，上海，202205 中图分类号U469.7文献标识码A文章编号10177733(2022)0500340005 一、寻求新动力源的背景 汽车生产台数接着增加，随着世界上人们生活水平的提高，拥有台数也在增加。特殊是在中国和印度等人口多的国家，初次拥有汽车的人们大量涌现，对汽车制造厂来讲虽然是好事，但假如考虑到地球环境的话，事态并不使人乐观。汽车排出的CO2：的量接着增加，对地球环境的影响必定是深刻的。是否可以像以前那样接着运用内燃机?有这样的争论也是自然的。再有就是石化燃料石油的埋藏量的问题，假如考虑到石油能源的枯竭问题，就不得不找寻代替石油的新能源。自然界的能源主要有石油、煤、水力、原子能、风力、太阳能、氢、自然气等，其中最被看好的是氢。但是，立刻把氢作为能源运用是不行能的，因此，从制氢到储氢、加氢的“氢社会”形成以前，必需尽可能有效运用现有石油燃料。这样一来，效率高、奢侈少、将燃油消耗量降到最低的技术开发便成了紧迫课题。因此，在提高汽油发动机效率的同时，采纳混合动力源便受到了人们的关注。 二、传统动力源的现状 新时代汽车动力源最终会发展成什么样的形式?现在，汽车动力源的主流是汽油发动机。不过，人们正在探求可以取代汽油发动机的新动力源，汽车动力源有可能发生重大变革。人们普遍认为，在不远的将来，长期以来被人们运用的以内燃机为主流的动力源其主导地位将被取代。人们并不是现在才起先这样认为的，过去人们曾多次提出要将汽油机的主流地位让给次世代的动力发动机。早在20世纪60年头初期，人们把着眼点放在了燃气轮机和电动机上，燃料电池从这时起作为次世代发动机的动力源也已被列入了最有希望的对象。人们还认为即便是以原子能为动力驱动的汽车在将来也有可能出现。可是如今已进入了21世纪，汽油发动机的主流地位依旧没有变更，对于只了解20世纪60年头状况的人们来说，对这一事实肯定会感到很意外。或许会感慨道：人类才智不足，没有进化到足够的程度。其实这种观点是错误的，事实表明：汽油发动机的发展与进化已远远超过了人们想象，是其现在仍占据主导地位的主要缘由。60年头初期，人们没有预想到电子限制技术会发展到如此程度。这时的汽油发动机已经发展成了效率高、平衡好的动力源。即使是排气限制问题、耗油问题等等对环境的影响越来越受重视时，汽油发动机仍占据着主导地位，其缘由综合起来看是因为在性能上优于汽油发动机的动力源并没有出现。但是，石油的枯竭越来越成为人们的话题，排气问题始终不能从根本上得到解决，人们看到了汽油发动机发展前途的局限性与极限。汽油发动机的将来并不让人乐观。说是可以这样说，但假如考虑一下眼前的问题，希望立刻就能出现完全取代汽油发动机地位的动力源，只不过是人们的一种美妙幻想。正因为明白了这一点，人们才把着眼点放在了混合动力车上，与此同时许多厂家又在进行着燃料电池车的开发。可以说，至少应以五年或十年为单位，占主导地位的动力源肯定依旧是汽油发动机。即使是混合动力车达到了相当普及的程度，其绝大多数肯定是还要依靠汽油发动机或柴油发动机为动力。为什么汽油发动机至今仍占据着主导地位?对于汽车动力源以其重要的好用性综合来看，现在没有比汽油发动机更好用的动力源。首先我们来探讨一下汽车动力源所要求的性能项目。以下列举的事项，作为用于汽车动力源的条件，汽油发动机在各项平衡上都能很好地满意要求。 (一)优秀的动力性能 也就是对于行驶要有必要的扭矩和动力。汽油发动机作为动力装置所要求的基本性能，经过常年的技术积累，也已变得特别成熟。 (二)低成本 因为是大众化商品，低成本生产是其基本。从这一点来讲，备齐生产设备，以大量生产来降低成本的汽油发动机具有明显的优势。因为设备须要巨额费用，长时间运用就可以削减成本。因此，从某种意义来讲，生产厂并不希望被新的动力源取代。 (三)维持费用低，燃料供应简单 假如石油的价格高涨，汽油发动机就会失去它的优势，不过，现在来看还不成问题。另外，燃料的供应问题，只要有现有数量程度的加油站，汽油机的燃料供应是特别简单和便利的，汽油机在这点上优势特别大。基础设施完备是极其重要的。 (四)对环境的负荷少 对汽油发动机规定了排气限值，不能超过这个限值。现在依靠以电子限制技术为主的技术进步，已经发展到了相当的水平。当然混合动力车与燃料电池车等在这一点上优于汽油发动机，但是尽管排气管制变得越来越严格，凭借技术的进步，汽油发动机仍可以达到管制的要求，汽油发动机的生命力是很强的。 (五)小型好用化 相同大小尺寸的汽车，人与货物的可用空间越大好用性就越好。动力系统尽可能地小型化是很重要的。从这一点来说，当今的汽油发动机是无与伦比的。 (六)牢靠性、耐久性好 不易发生故障，无论在什么样的恶劣环境下都能顺当地发挥作用是很重要的。尤其在这一点上，因为长期技术进化的锤炼，汽油发动机是最能够让人安心运用的动力源。综合来看，汽油发动机的发展前景有两点是处于劣势的：维持费用；排气性能。对汽油发动机的劣势点人们凭借着持续不断的技术改良使其寿命得到了显著的延长。因此，燃料电池不能匹敌于汽油发动机的低成本；燃料供应；牢靠性与耐久性等可以在多大程度上接近汽油发动机就成了最关键的问题。这并不是轻而易举的事，世界上的汽车厂家为了汽车技术的进步而不懈努力，已花费了101余年的时间，现在的-汽油发动机是人类才智的结晶。 三、新能源汽车的分类 新能源汽车所包括的范围较广，大致可分为： 电动汽车：纯电动汽车；混合动力(电动)汽车；燃料电池电动汽车。 气体燃料汽车：装备以液化石油气、自然气或煤气等气体为燃料的发动机的汽车。 两用燃料汽车：具有两套相对独立的供应系统，一套供应自然气或液化石油气，另一套供应自然气或液化石油气之外的燃料，两套燃料供应系统可分别但不行共同向气缸供应燃料的汽车，如汽油压缩自然气两用燃料汽车，汽油液化石油气两用燃料汽车等。 双燃料汽车：具有两套燃料供应系统，一套供 给自然气或液化石油气，另一套供应自然气或液化石油气之外的燃料，两套燃料供应系统按预定的配比向气缸供应燃料，在汽缸混合燃烧的汽车，如柴油缩自然气双燃料汽车，柴油液化石油气双燃料汽车等。 另外，还有利用太阳能、原子能等其他能量形式驱动的汽车。 四、排气限值的规定和新动力源 为了削减汽车排出的有害物质，对汽油发动机规定了排气限值。日本于1966年9月以后规定了CO的限值(见图1)；11010年9月以后规定了HC的限值(见图2)；11013年4月以后规定了NOX的限值(见图3)；从各图中我们看到限值越来越严厉。 起初，汽车生产厂为了达到限值要求费尽了脑汁，凭借技术的改良达到了限值的要求，并进一步大幅度地低于限值。汽油发动机接着进化，排放削减、油耗降低，但人们也意识到汽油发动机的改良是有极限的。从长远的发展来看，排气限值会越来越严，从“较低限值”到“低限值”再到“超低限值”最终到“零排放”。将来“零排放”汽车成为主流时，就意味着历时101年以上持续为主流的汽油机，将完成其使命。作为取而代之的最有力的动力源，人们首先想到的是利用电能的电动机。 (一)纯电动汽车 为了与汽油发动机同样行驶，必需装载大而重的电池，动力蓄电池就成了问题，电池的重量越大，汽车的重量也随之增大，汽车的重量越重就越耗能，越耗能则越须要大而重的电池，这样一来，便陷入更加耗电的恶性循环。 探讨结果表明，因成本低而应用广的铅电池，不适用于电动汽车。一般运用比铅电池能量密度大、价格高、性能优越的镍氢电池和锂离子电池。缺憾的是，尽管电动汽车的开发在紧锣密鼓地进行，但动力蓄电池的改良却始终止步不前。电动汽车重而成本高、延长续驶里程难度大。电动汽车仅适用于飞机场、公园等限定范围的场所运用，不行能取代汽油机作为一般轿车的动力源，这一点已成为人们的共识。但是，电动汽车的开发，并非无功而返。以电池和电机为主要总成，发电机和电压电流转变换器等多为通用及关键总成。这些总成在电动汽车好用化的探讨中，得到了充分的改良，其技术也得到了应用。目前，电动汽车也正向着电电混合动力方向发展，如：超级电容作为唯一动力源的电动汽车驱动结构较简洁，而且目前技术还不成熟。所以一般都是把超级电容作为协助动力源，与电池、燃料电池或其他能源系统组成多能源的动力总成来驱动车辆。常见的结构组合形式有：B+C，FC+C，FC+B+C，ICE/G+C等(其中B代表电池、C代表超级电容、FC代表燃料电池、ICE代表内燃机、G代表发电机)。从国际上看，日本与美国一样，为了电动汽车的好用化，在开发上倾注了大量的人力、物力与财力。不仅仅是电池的改良，还有电机效率的提高等方方面面，都尽了不懈的努力，但要克服电动汽车特有的技术瓶颈困难重重。电动汽车技术不能确立，其技术瓶颈主要来自于电池本身，电池的能量密度低、牢靠性差、造价高、电池组质量大等因素，严峻制约了电动汽车的推广和运用。 (二)燃料电池车 燃料电池车(FCEV)起先受到注目，FCEV般以质子交换膜燃料电池(PFCEV)作为车载能源。PFCEV是一种通过氢和氧的电化学反应干脆产生电能的装置，反应过程不涉及燃烧，因此不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率可达6073，实际运用效率为一般内燃机的23倍，因此从能源的利用和环境爱护方面，它是一种志向车辆，代表着清洁汽车将来的发展方向。目前，世界上很多国家都投入了大量的资金对燃料电池车进行主动的研发，欧盟、美国、日本等发达国家和地区都已经多次对燃料电池公共汽车示范。尽管如此，氢的存储和质子交换膜的成本仍旧是燃料电池车的发展瓶颈。目前，国际上普遍采纳的是高能量密度的液态氢。除此之外，人们也努力在探究利用金属氢化物储氢、活性炭吸附储氢以及炭纳米罐储氢。大量氢的生产供应与基础设施，建设成本过高，造成燃料电池车的应用始终局限于公共汽车领域。现在，销售的燃料电池车一台少则几一百零一万(人民币)，多则上千万，一般消费者可望而不行及，无法走入千家万户。燃料电池车本身成本高是一方面，另一方面是如何获得氢的问题。作为燃料的氢自然界存在有限，必需人工制取。而制取氢须要能量，如电解水制氢，消耗电能较大，成本较高。只要不运用自然能和原子能，制取氢时便产生CO2。如：用焦炭或白煤制氢，即在高温下使碳和水蒸气发生反应，该反应过程为： C+H2O-+CO+H2 CO+H2OCO2+H2 对于自然气和石油，可在脱硫后与过热水蒸汽一起进入转化炉，在镍催化剂的作用下转化为H2、CO和CO2的转化气，通过水煤气反应使CO转化为H2，然后经增压冷却再进入变压吸附塔，可得到高纯度氢(如图4)，该过程反应为： CHg+H2OCO+3H2 CO+H2OCO2+H2 石化燃料(包括煤、石油和自然气等)制氢时产生的CO2，其量比制取汽油和柴油时产生的CO2的量要多。现在燃料电池车的拥有数量有限，还不成问题，但是，当拥有数量达到肯定程度时，制取氢时耗能、产生大量的CO2，就可能成为新问题。因此，尽可能地不产生CO2而高效制氢的方法若不确立，燃料电池车也很难成为节能减排的对策车。 (三)太阳能汽车 太阳能汽车就是利用太阳能电池将太阳能转换为电能，并利用该电能驱动车辆行驶。从20世纪73年头后半期到80年头前半期，太阳能汽车在试验室诞生。11014年，世界首届电动汽车与太阳能汽车竞赛在瑞士实行，成为了太阳能汽车赛事的创始者。日本的太阳能车赛事起步较晚，但青出于蓝，层出不穷，如：11019年的“朝日太阳能车拉力赛”，11011年的“北海道太阳能车赛”，11012年的“铃鹿太阳能车赛”和“能登太阳能车拉力赛”等，都在世界范围内产生了肯定的影响。太阳能汽车清洁、环保，可以说是真正“零排放”的交通工具。但太阳能汽车受阳光强弱、太阳高度角、气候等因素的影响较大，其实际应用存在肯定局限性，一般只涉及汽车的协助电源系统。太阳能电池所供应的能量只能用于车辆的电器、仪表等，或是对车载蓄电池进行充电。太阳能汽车好用化必需满意：(1)光照足够，为驱动汽车供应足够的能量来源；(2)对速度或载重的要求不高；(3)在光照条件欠 佳的状况下，车辆仍能通过与电动模式，甚至人力模式的结合进行驱动。现阶段主要应用于观光巡游车。 (四)液体燃料汽车(醇类) 醇类燃料是替代燃料的一种，分为甲醇和乙醇燃料。目前，甲醇汽车技术尚不成熟，且由于甲醇本身毒性大、燃料热值低、经济性差、腐蚀性大，属不行再生资源，所以甲醇燃料的发展并未得到更大的推广，只能是一种值得考虑的替代能源。与甲醇燃料不同，乙醇燃料以玉米、蔗糖等农作物为原料，采纳生物发酵方法生产，排放性优于汽柴油，是一种可再生的清洁燃料。车用乙醇燃料是指把变性燃料乙醇和汽油或柴油按比例混配而成的车用燃料。目前，乙醇在汽油机上的应用已经成熟。但乙醇在柴油机上的应用仍处于探讨阶段，还存在燃烧混合、燃烧、排放等诸多问题。 (五)生物柴油车 生物柴油具有石油代替和降低柴油机排放的双重效果，比乙醇更简单用于柴油机。目前，国际上对生物柴油的概念尚未存在很严格的化学性定义，按其酯化处理后的物理特性近似称为脂肪酸甲酯。所以，生物柴油暂被定义为以油料作物、果实、水生植物、动物油脂、废餐饮油等为原料，与醇类经过酯化反应获得的一种液体燃料。它具有污染小、可再生、易降解、燃烧性好、冷凝点低、温室气体排放低等特点，是石油和柴油的清洁替代物。生物柴油可干脆应用于现有的柴油发动机，而无需对发动机作任何改进。另外，生物柴油、乙醇和柴油3者可以混合运用，能够形成更志向的高比例含氧燃料，大幅度降低碳烟和微粒排放。 (六)气体燃料汽车 气体燃料汽车主要有压缩自然气汽车(CNG)、液化自然气汽车(LNG)和液化石油气汽车(LPG)3种。LNG可以说是CNG的升级产品，液化处理过程可大大提高自然气的纯度，更有效地降低发动机排放。气体燃料汽车是一种好用的低排放清洁汽车，它的CO排放量只有汽油车的10，CHX排放量削减30多，NOX排放量削减35以上。自然气埋藏量丰富，而且在排气性能方面优于汽油机。但是由于是装载在汽车上，必需具备高压储气瓶。另外，因为能量密度不及汽油，所以燃料贮存的成本高于汽油、占用空间大于汽油等缺点。基于以上想法，与以前一样可以在加油站加油、且燃油消耗量削减效果明显的混合动力车成了最现实的解决方案之一。 (七)混合动力汽车 混合动力是将传统燃油发动机驱动与电力驱动相结合，通过对计算机、电子、智能限制、新能源等技术综合利用，利用怠速停机、加速助力、能量回馈、EPS等技术，达到提高汽车燃油经济性、削减排放、降低污染的目的。一般来说，混合动力技术不但可节约3050的燃料，同时也可降低排放，较好地解决了石油资源的枯竭问题和二氧化碳的削减问题。目前，混合动力车的动力装置有3种不同的布置形式：串联式、并联式和混联式。串联式比较适合公交运输例如公交客车、短途运输车等，其特点是运行速度慢、怠速次数多、制动次数多。并联和混联式适合常常加速行驶的车辆，如一般轿车等，而混联式的系统性能比并联式的好。 日本已成为世界混合动力车的“龙头”企业，丰田、本田等日本汽车公司的混合动力轿车已经大量生产并在日本与北美市场大量销售。在国际市场推出了混合动力车Prius系列产品，Prius在全世界销售已达101多万辆，丰田宣称在不久的将来其全系列车型都将具有混合动力的可选配置。图5所示为日本各种新能源汽车11015年度2001年度销售状况，从图5中可以直观地看到混合动力汽车的年间销售量最大。11015年度为176台，2001年度为74600台，七年间销售量增长为42286.4；其次为柴油液化石油气汽车，11015年度为7373台，2001年度为14962台，七年间销售量增长为1057；再次为自然气汽车，11015年度为759台，2001年度为12022台，七年间销售量增长为1482.6；接下来是纯电动汽车11015年度为2500台2001年度为7400台，七年间销售量增长为196；最终是甲醇汽车，11015年度为311台2001年度为135台，七年间销售量增长为-56.6，销售量不大并呈逐年削减趋势。从图5中可以看出，新能源汽车以混合动力车为主。受日本混合动力技术的强势影响，欧美等国也渐渐意识到发展混合动力技术的重要性，分别调整了原有的技术重点，加大了对混合动力技术的研发。现阶段，中国也起先从现实与好用动身意识到了进入混合动力领域的重要性，国家科技部强调在“十一五”期间要加大混合动力汽车的研发与产业化。国内各汽车厂商已纷纷介入其中，并预料在最近几年实现混合动力车量产。 五、结论 综上所述，新时期最有希望取代传统动力源占主导地位的将是混合动力源“油电混合”及“电电混合”。“油电混合”即“传统发动机+蓄电池”；“电电混合”即“蓄电池(或燃料电池)+超级电容器”。日本丰田公司混合动力汽车走过的路已证明并仍将接着证明这一点。 第14页 共14页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页