【日】 黒川陽弘 井本伸 矢野勝 松岡亨卓

1 混合動力汽車

1.1 概述

受大氣污染及溫室效應(yīng)等環(huán)境問題的影響，世界各國對于改善汽車燃油耗及廢氣排放的需求變得更加強(qiáng)烈。汽車制造商為改善燃油耗而采用的1項對策是將內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)實現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，從而開發(fā)出全新的混合動力汽車(HEV)。近年來，通過外接電源對車載蓄電池進(jìn)行充電的插電式混合動力汽車(PHEV)的保有量也有所增加。

1.2 日本國內(nèi)HEV與PHEV的普及情況

如圖1所示，日本國內(nèi)的HEV及PHEV的保有量正在逐年增加。與2016年相比，2017年不含輕型汽車在內(nèi)的HEV乘用車的保有量增加了近93萬輛，總量達(dá)到了740萬輛，約占2017年日本國內(nèi)乘用車總量的19%。2011年后，PHEV乘用車的保有量也隨之增加。至2017年，PHEV乘用車的總保有量約為10萬輛。2016年后，HEV輕型汽車的保有量也有所增加。至2017年，HEV輕型汽車的總保有量約為77萬輛。

圖1 日本國內(nèi)HEV及PHEV保有量的變化情況

1.3 在日本國內(nèi)銷售的新能源汽車

表1示出了2018年在日本國內(nèi)銷售的HEV及PHEV的主要技術(shù)參數(shù)。

2018年3月，日產(chǎn)公司發(fā)布了SERENA e-POWER車型，該車型采用e-POWER混合動力系統(tǒng)，可通過發(fā)動機(jī)發(fā)電，并以電機(jī)驅(qū)動整車行駛。

2018年4月，BMW公司向日本市場推出了i8車型。就i8車型的混合動力系統(tǒng)而言，其電機(jī)功率達(dá)到105 kW，相比傳統(tǒng)HEV增加了9 kW；其蓄電池容量達(dá)到33 A·h，相比傳統(tǒng)HEV增加了13 A·h。在日本機(jī)動車燃油排放標(biāo)準(zhǔn)(JC08)工況下，該車型以純電動模式行駛時的續(xù)航里程為54.8 km，以混合動力模式行駛時的綜合燃油耗為15.9 km/L。

2018年6月，豐田公司銷售了CENTURY車型、CROWN車型及COROLLA SPORT車型。CENTURY車型的混合動力系統(tǒng)由V型8缸 5.0 L發(fā)動機(jī)與電機(jī)組成。CROWN車型的混合動力系統(tǒng)具有2種模式，分別為帶減速機(jī)構(gòu)的豐田混合動力系統(tǒng)II(THS II)與串聯(lián)布置變速機(jī)構(gòu)的多級混合動力系統(tǒng)。CROLLA SPORT車型的混合動力系統(tǒng)也采用了配備減速機(jī)構(gòu)的THS II。同月，Mercedes-Benz公司在日本

表1 2018年在日本國內(nèi)銷售的HEV及PHEV

*在日本機(jī)動車燃油排放標(biāo)準(zhǔn)(JC08)工況下。

國內(nèi)銷售了CLS 450 4MATIC SPORT車型。該車型的混合動力系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)與變速箱之間布置了集成起動/發(fā)電一體化電機(jī)(ISG)，并與48 V鋰離子電池實現(xiàn)了有機(jī)結(jié)合。

2018年7月，日產(chǎn)公司銷售了通過電機(jī)輔助驅(qū)動的NOTE e-POWER車型。該車型所采用的混合動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)HEV相比，增加了專門用于驅(qū)動后輪的電機(jī)(圖2)。

圖2 日產(chǎn)公司NOTE e-POWER車型的驅(qū)動系統(tǒng)

2018年7月，斯巴魯公司銷售了FORESTER Advance車型，本田公司則銷售了CLARITY PHEV車型，Mercedes-Benz公司也在日本國內(nèi)銷售了C 200 AVANTGARDE車型。FORESTER Advance車型采用了e-BOXER并聯(lián)混合動力系統(tǒng)。e-BOXER動力系統(tǒng)的技術(shù)特點是在水平對置發(fā)動機(jī)與線性齒帶及變速器之間布置了電機(jī)，可將發(fā)動機(jī)與電機(jī)2種設(shè)備作為動力來源。CLARITY PHEV車型采用SPORT HYBRID i-MMD Plugin混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)由采用阿特金森循環(huán)的直列4缸1.5 L發(fā)動機(jī)與2個電機(jī)組成。在JC08工況下，CLARITY PHEV車型在純電動模式下的續(xù)航里程為114.6 km，而在混合動力模式下的綜合燃油耗為28.0 km/L。C 200 AVANTGARDE車型采用的混合動力系統(tǒng)通過皮帶傳動系統(tǒng)與曲軸連接，并采用了皮帶傳動式起動/發(fā)電一體化電機(jī)(BSG)，同時配裝了48 V鋰離子電池，由此可實現(xiàn)輔助動力輸出。該混合動力系統(tǒng)的最高功率為10 kW，最大扭矩為160 N·m。此外，在駕駛員進(jìn)行換檔時，可由電機(jī)提供輔助動力，減少換檔所需時間，實現(xiàn)順暢的換檔過程。

2018年8月，三菱汽車公司銷售了OUTLANDER PHEV車型。該車型與傳統(tǒng)PHEV車型相比，將發(fā)動機(jī)排量由2.0 L增至2.4 L，由此可使發(fā)動機(jī)實現(xiàn)在低速工況區(qū)的高效發(fā)電過程。通過上述技術(shù)改進(jìn)，可使發(fā)電機(jī)最高功率提高10%，蓄電池容量提高15%，蓄電池功率提高10%，后置電機(jī)功率增加10 kW。在JC08工況下，OUTLANDER PHEV 車型在純電動模式下的續(xù)航里程為65.0 km，在混合動力模式下的綜合燃油耗為18.6 km/L。

2018年9月，Audi公司在日本國內(nèi)銷售了A7 Sportback車型。該車型的混合動力系統(tǒng)由48 V鋰離子電池與BSG組成。在駕駛員進(jìn)行制動時，該車型的混合動力系統(tǒng)可回收約12 kW的制動功率。2018年9月，VOLVO公司在日本國內(nèi)銷售了V60車型。該車型可通過發(fā)動機(jī)與前置電機(jī)共同驅(qū)動前輪，而僅用后置電機(jī)驅(qū)動后輪。同時，駕駛員能根據(jù)行駛狀況而選擇采用混合動力模式或純電動模式。

2018年10月，Audi公司向日本國內(nèi)推出了A8車型，該車型采用與A7 Sportback車型相同的混合動力系統(tǒng)。2018年10月，斯巴魯公司銷售了XV Advance車型，LEXUS公司銷售了ES300h車型。XV Advance車型采用了與FORESTER Advance車型相同的e-BOXER混合動力系統(tǒng)。ES300h車型則采用了THS II混合動力系統(tǒng)。

2018年11月，本田公司銷售了CR-V車型。該車型采用了SPORT HYBRID i-MMD混合動力系統(tǒng)，并實現(xiàn)了四輪驅(qū)動。2018年11月，LEXUS公司銷售了UX250h車型。該車型采用THS II混合動力系統(tǒng)，可在前輪驅(qū)動與四輪驅(qū)動2種模式之間進(jìn)行切換。

2018年12月，Mercedes-Benz公司在日本國內(nèi)銷售了S 560e long車型。該車型與傳統(tǒng)車型相比，蓄電池容量增加了55%。在JC08工況下，該車型在純電動模式下的續(xù)航里程為40.1 km，混合動力模式下的綜合燃油耗為11.4 km/L。此外，2018年12月，本田公司銷售了INSIGHT車型，鈴木公司則銷售了Specia GEAR車型。INSIGHT車型采用了SPORT HYBRID i-MMD混合動力系統(tǒng)。Specia GEAR車型的混合動力系統(tǒng)配裝了ISG，減速時可回收制動能量，加速時可為發(fā)動機(jī)提供輔助動力。

2 純電動汽車

2.1 概況

純電動汽車(BEV)可通過外接電源為車載蓄電池充電，并利用蓄電池儲存的電能驅(qū)動車輛。BEV在行駛時不會產(chǎn)生廢氣排放，并具有較好的環(huán)保性能，從而備受研究人員和汽車制造商的關(guān)注。在2009年，三菱汽車公司正式銷售了配裝大容量鋰離子電池(LIB)的量產(chǎn)BEV車型 i-MiEV。至2018年12月底，日本國內(nèi)汽車市場上已有8款BEV車型在進(jìn)行銷售(表2)。2017年，日本國內(nèi)的BEV保有量已超過10萬輛，比2016年底增加了15%。目前，日本政府如需推廣BEV，應(yīng)重點解決如下問題：續(xù)航里程短、充電時間長、充電樁數(shù)量少、整車成本高。研究人員正在開展相關(guān)研發(fā)工作以增大BEV車載蓄電池的容量，并提高其功率密度。不僅如此，研究人員同時也在不斷提高BEV車載蓄電池、電機(jī)及逆變器的效率，以降低行駛過程中的電能消耗。針對充電時間較長的問題，研究人員正在不斷提高快速充電樁的輸出功率，以逐步縮短充電時間。針對充電樁數(shù)量較少的問題，日本政府制定了相關(guān)政策，通過發(fā)放補(bǔ)助金以支持充電樁建設(shè)。針對整車成本較高的問題，日本政府則通過發(fā)放補(bǔ)助金并進(jìn)一步推行BEV的量產(chǎn)化，從而持續(xù)降低其成本。

*1全球統(tǒng)一輕型車試驗循環(huán)(WLTC)工況；*2新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)工況；*3升級版車型，根據(jù)參數(shù)不同存在差異。

2.2 BEV普及狀況及相關(guān)工作

圖3示出了日本國內(nèi)BEV保有量的變化情況。截至2008年，BEV保有量呈減少趨勢。但從2009年起，三菱汽車公司開始銷售i-MiEV車型。2010年，日產(chǎn)公司在銷售LEAF車型后，BEV保有量逐漸呈現(xiàn)增長趨勢。截至2017年底，日本國內(nèi)的BEV保有量已達(dá)103 569輛。不過，BEV的保有量只占日本國內(nèi)汽車總保有量的0.1%，尚未得以完全普及。在2018年初，日本國內(nèi)并未銷售新型BEV乘用車。在2018年4月，三菱汽車公司銷售了經(jīng)技術(shù)改良的i-MiEV車型。

圖3 日本國內(nèi)BEV保有量的變化情況(統(tǒng)計數(shù)據(jù)截至各年年底)

2.3 日本政府為普及、推廣BEV而開展的工作

2018年4月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省設(shè)立了“新時代汽車戰(zhàn)略委員會”，并提出了如下目標(biāo)：到2050年，日本國內(nèi)的汽車將全面實現(xiàn)電動化，使汽車行駛過程中的溫室氣體排放量降為零，從而滿足油井-車輪(WtW)的零排放要求。

2018年6月，日本政府內(nèi)閣會議制定了“未來投資戰(zhàn)略2018”文件，其中1項內(nèi)容是公布了于2017年提出的車企關(guān)鍵業(yè)績評價指標(biāo)(KPI)及其進(jìn)展情況。該文件設(shè)定的KPI目標(biāo)總體如下：到2030年，日本國內(nèi)新型乘用車總銷量中新能源汽車所占比例應(yīng)達(dá)到50%～70%。而在2017年的新型乘用車總銷量中，新能源汽車所占比例為36.7%。2018年6月，日本政府在東京都的公共住宅區(qū)開始逐步布設(shè)充電樁和光伏發(fā)電裝置，并提供了一系列費(fèi)用補(bǔ)助。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省為促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，并推動充電樁的布設(shè)進(jìn)程，實行了費(fèi)用補(bǔ)貼制度。日本國土交通省根據(jù)日本國內(nèi)交通情況與補(bǔ)貼制度，大力引進(jìn)新能源汽車，并以此替代傳統(tǒng)燃油車。通過上述政策與規(guī)定，可有效支持BEV等新能源車型的推廣。

2.4 BEV研究開發(fā)動向

在通過優(yōu)化設(shè)計以延長BEV續(xù)航里程的同時，研究人員針對BEV的實用性也開展了一系列試驗。

2.4.1 BEV的開發(fā)進(jìn)展

2018年3月，三菱扶?？蛙嚬景l(fā)布了世界首款量產(chǎn)輕型電動貨車eCanter，同時公布了該車型的技術(shù)參數(shù)，并于2019年春在日本川崎市開展了相關(guān)試驗。

2018年4月，UD卡車公司公布了全新的駕駛員用行車路線圖，并提出了戰(zhàn)略目標(biāo)。到2030年，UD卡車公司將完全實現(xiàn)自動駕駛汽車及大型純電動貨車的量產(chǎn)化。

2018年6月，本田技研工業(yè)公司與GM公司發(fā)布了1份合作聲明。為了使2家公司的BEV車型加速投放市場，研究人員針對車載蓄電池及模塊組件的研發(fā)進(jìn)程進(jìn)行了合作。相比傳統(tǒng)蓄電池，該新款蓄電池具有更高的能量密度，更緊湊的尺寸及更短的充電時間。

2018年9月，日野公司與TRATON AG公司聯(lián)合發(fā)布了基于BEV及電驅(qū)動技術(shù)的合作計劃，從而實現(xiàn)了二者在該領(lǐng)域的技術(shù)共享，力求縮短新車型與新技術(shù)的商品化進(jìn)程。

2.4.2 BEV的試驗進(jìn)展

2018年1月，豐田公司與日本中部電力公司宣布了項目合作計劃。在該計劃中，研究人員利用BEV的廢舊蓄電池以構(gòu)建大容量蓄電池系統(tǒng)，并開展了相關(guān)試驗。

2018年5月，日產(chǎn)公司、三菱汽車公司、日本九州電力公司、日本電力中央研究所及三菱電機(jī)公司對汽車到電網(wǎng)(V2G)技術(shù)開展了相關(guān)試驗。在該試驗中，除了驗證BEV的充電過程之外，研究人員還通過BEV車載蓄電池向電力系統(tǒng)放電，以驗證BEV用于電力系統(tǒng)供需調(diào)節(jié)的技術(shù)可能性。

2018年6月，三菱汽車公司與東京電力公司在內(nèi)的6家企業(yè)共同宣稱，會將BEV用作虛擬發(fā)電站，以此驗證V2G技術(shù)。該項工作旨在兼顧可再生能源與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并推動V2G技術(shù)模型的建立。

2018年10月，日產(chǎn)公司、日本東北電力公司、日本三井物產(chǎn)公司，以及三菱地所公司聯(lián)合發(fā)布了構(gòu)建V2G模式的研究項目，驗證了BEV用作電力系統(tǒng)供需平衡調(diào)節(jié)因素的可能性，從而促進(jìn)了BEV的推廣。

2.5 充電基礎(chǔ)設(shè)施

2.5.1 設(shè)置狀況

圖4 截至2017年世界各國的普通充電樁與快速充電樁的保有量比例分布

截至2017年，在世界范圍內(nèi)布設(shè)的普通充電樁、快速充電樁的總保有量達(dá)到了43萬臺，相比2016年約增加了11萬臺。圖4表示世界各國的普通充電樁與快速充電樁的保有量在世界總保有量中所占的比例。在世界各國中，普通充電樁保有量占比最高的國家是中國，其后分別為美國、日本與德國。而快速充電樁保有量占比最高的國家同樣是中國，其后分別為日本、美國、英國和德國。表3歸納了2016年與2017年世界各國所布設(shè)的普通充電樁與快速充電樁的保有量之比。由表3可知，中國、德國、法國的比值在逐漸增大。上述國家在2017年加快了針對普通充電樁的布設(shè)進(jìn)程。而美國、英國、挪威等國的比值有所減小，顯示出這些國家正在加快針對快速充電樁的布設(shè)進(jìn)程。

表3 世界各國的普通充電樁與快速充電樁的保有量之比

圖5示出了日本國內(nèi)普通充電樁與快速充電樁的保有量。由圖5可知，日本國內(nèi)普通充電樁的保有量在2012年后得以顯著增加。2017年日本國內(nèi)普通充電樁的保有量超過了27 000臺，相比2016年增加了10%。2017年日本國內(nèi)快速充電樁的保有量超過了7 300臺，相比2016年增加了2%。

圖5 截至2017年日本國內(nèi)普通充電樁與快速充電樁的保有量

2.5.2 提高快速充電樁的輸出功率

為提高快速充電樁的輸出功率，研究人員正在積極開展相關(guān)研發(fā)工作，在日本電動汽車快速充電器協(xié)會(CHAdeMO)于2018年6月發(fā)行的說明書中，快速充電樁的最大輸出功率設(shè)定為400 kW。至2018年11月，CHAdeMO與中國方面已達(dá)成技術(shù)領(lǐng)域的共識，并合作制定了最大輸出功率為900 kW的快速充電標(biāo)準(zhǔn)。此外，在該說明書中，研究人員也針對液冷電纜的標(biāo)準(zhǔn)開展了相關(guān)研究，用以提高充電樁的輸出功率和最大電流等參數(shù)。研究人員認(rèn)為液冷電纜的冷卻功能與溫度控制將成為該領(lǐng)域的核心技術(shù)。

2.5.3 無線充電系統(tǒng)

美國汽車工程師學(xué)會(SAE)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國際電工技術(shù)委員會(IEC)針對無線充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化開展了會議討論。該會議中的部分技術(shù)及法規(guī)問題仍有待進(jìn)一步完善。因此，研究人員須對不同系統(tǒng)的充電互換性及標(biāo)準(zhǔn)開展深入研究工作，并開展相關(guān)試驗。2018年10月，研究人員在日本大阪城公園及周邊地區(qū)開展了針對無線充電系統(tǒng)的試驗工作，從而加速推進(jìn)了無線充電技術(shù)的實用化。

2.5.4 車載光伏發(fā)電系統(tǒng)

車載光伏發(fā)電系統(tǒng)是1種全新的充電方法。2017年，豐田公司銷售了1款新型PHEV，該P(yáng)HEV可利用安裝在車頂上的光伏發(fā)電系統(tǒng)以實現(xiàn)充電。

日本國內(nèi)有關(guān)部門已開展了針對車載光伏發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)查及研究工作。在日本國內(nèi)，由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)研究了車載光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)作模式，并評價了其對降低尾氣排放的效果。根據(jù)相關(guān)議案，NEDO也制定了開展國際性調(diào)查及研究的綱要。在國際能源署(IEA)下屬的光伏發(fā)電系統(tǒng)項目研究小組(PVPS)的指導(dǎo)下，研究人員針對太陽能汽車降低CO2排放的效果、用戶的使用便捷性、光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范等方面進(jìn)行了深入調(diào)查研究。

3 燃料電池汽車

3.1 發(fā)展概要

由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省于2019年3月12日修訂的“氫·燃料電池戰(zhàn)略路線圖”中，提出了未來的發(fā)展目標(biāo)：至2020年，日本國內(nèi)的FCV保有量將達(dá)到4萬輛；至2025年，日本國內(nèi)的燃料電池汽車(FCV)保有量將達(dá)到20萬輛；至2030年，日本國內(nèi)的FCV保有量將達(dá)到80萬輛。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省針對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)目標(biāo)如下：至2020年，將在日本國內(nèi)建成約160處加氫站；至2025年，將在日本國內(nèi)建成約320處加氫站；至2030年，將在日本國內(nèi)建成約900處加氫站。

3.2 研發(fā)動向

下文介紹了近年來由部分世界知名車企推出的新型FCV及相關(guān)參數(shù)。目前，幾乎所有的FCV制造廠商都先從小型FCV開始研發(fā)，并將相關(guān)技術(shù)逐步應(yīng)用至大型FCV。

3.2.1 豐田公司

豐田公司的戰(zhàn)略目標(biāo)是在2020年以后，每年在世界市場上銷售約3萬輛以上的FCV。為此，豐田公司逐步擴(kuò)大了公司生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模，并建設(shè)了全新的廠房和專用生產(chǎn)線。為了進(jìn)一步開展研究，豐田公司與JR東日本鐵路公司開展了業(yè)務(wù)合作。JR東日本鐵路公司將FCV領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于鐵道車輛，并開展相關(guān)研究及試驗，從而進(jìn)一步完善氫能源供應(yīng)鏈。

在歐洲市場方面，豐田公司向葡萄牙CaetanoBus公司提供了燃料電池領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。2019年秋季，CaetanoBus公司的研究人員針對該公司旗下的燃料電池客車開展了道路試驗。

3.2.2 Mercedes-Benz公司

Mercedes-Benz公司于2018年末開始銷售GLC FCELL EQ Power FCV車型。同時，Mercedes-Benz公司于2019年初，將公司旗下全資子公司NuCellSys更名為“Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH”。此次更名的目的是為了表明燃料電池技術(shù)是Mercedes-Benz公司發(fā)展戰(zhàn)略中的重要一環(huán)。

3.2.3 現(xiàn)代公司

在2018年1月舉辦的國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(CES)上，現(xiàn)代公司發(fā)布了新款FCV車型NEXO。據(jù)悉，2018年6月現(xiàn)代公司與Audi公司簽訂了專利權(quán)共享合同，并協(xié)同開展針對FCV的研發(fā)工作。另外，現(xiàn)代公司從2019年開始，將向瑞士銷售約1 000輛燃料電池貨車。

3.2.4 GM公司

美國GM公司在FC EXPO 2019專門技術(shù)研討會上提出了技術(shù)申請，通過與本田公司合作并設(shè)立合資企業(yè)，共享開發(fā)成果，同時加快FCV技術(shù)的開發(fā)進(jìn)度。