陳志耀　周彩芳　陳邦棟

摘 要：為解決由能源問題帶來的溫室效應(yīng)問題以及應(yīng)對(duì)燃比法規(guī)，汽車行業(yè)對(duì)HEV/PHEV/BEV/FCEV等新能源類環(huán)保汽車的技術(shù)發(fā)展越來越關(guān)注，環(huán)保汽車的市場前景也越來越明朗化，世界對(duì)環(huán)保汽車的發(fā)展方向也提出了一系列要求以及展望。

關(guān)鍵詞：環(huán)保 內(nèi)燃機(jī) 電動(dòng)汽車 技術(shù)

1 引言

從內(nèi)燃機(jī)發(fā)明到現(xiàn)在，汽車的主要?jiǎng)恿υ礊槭剂稀Ｓ捎谄囋絹碓蕉?，大量使用石化燃料產(chǎn)生的有害氣體排放以及溫室氣體引發(fā)的環(huán)境問題，氣候問題變得越來越嚴(yán)重。同時(shí)，2015年后，美國ZEV法規(guī)提升了對(duì)尾氣排放、CO2管制的要求，使得整個(gè)汽車市場不可避免的對(duì)使用替代內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力源的環(huán)保汽車技術(shù)研發(fā)快速推進(jìn)化，且環(huán)保車市場的模式正在以混動(dòng)車（HEV）、插電式混動(dòng)車（PHEV）、電動(dòng)車（BEV）、氫燃料汽車（FCEV）的發(fā)展方向急劇變化中。本文將簡單介紹各類環(huán)保汽車的基本原理、環(huán)保汽車的技術(shù)動(dòng)向以及對(duì)中國汽車市場的展望。

2 環(huán)保汽車原理介紹

2.1 以電能源為基礎(chǔ)的汽車

第一代環(huán)保車是混動(dòng)車和插電式混動(dòng)車，而電動(dòng)車和氫燃料汽車為第二代環(huán)保汽車。

電能源汽車是指普通內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和電力發(fā)動(dòng)機(jī)都一同安裝在車上，或僅有電力發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車，包括混動(dòng)車、插電式混動(dòng)車、電動(dòng)車和氫燃料汽車。汽車通過電能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)為汽車提供動(dòng)力，從而取代內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，降低汽車尾氣的排放。

BEV為完全以電能源驅(qū)動(dòng)引擎，唯一動(dòng)力的環(huán)保汽車。其只依靠動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)來給車輛提供動(dòng)力來供它行駛，它主要由底盤、車身、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電氣設(shè)備等輔助系統(tǒng)組成。其完全無尾氣排出，低噪音、節(jié)能省錢。但目前BEV的續(xù)航里程無法達(dá)到人們所期望的標(biāo)準(zhǔn)，且相比同檔次的燃油車更貴，充電時(shí)間較長，充電樁的普及也無法滿足現(xiàn)狀。

目前市場上較為經(jīng)典的代表BEV為特斯拉及五菱宏光mini，見圖1。

2.2 混動(dòng)車與插電式混動(dòng)車介紹

什么是混動(dòng)車？混動(dòng)車是結(jié)合內(nèi)燃機(jī)和電發(fā)動(dòng)機(jī)兩種類型的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于現(xiàn)有的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言，可以實(shí)現(xiàn)更高的燃比。混動(dòng)車是根據(jù)車輛的速度或行駛狀態(tài)等來適當(dāng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的力，極大化的保持汽車運(yùn)行的效率性的一種汽車。在低速行駛時(shí)，混動(dòng)車出發(fā)時(shí)以電機(jī)的力來驅(qū)動(dòng)引擎行駛。在加速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)則成了主動(dòng)力源，而電機(jī)則成為了輔助動(dòng)力源。在高速行駛時(shí)，只有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)引擎進(jìn)行行駛，且由發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電。在停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)引擎會(huì)停滯，且電機(jī)驅(qū)動(dòng)引擎自動(dòng)準(zhǔn)備。HEV與PHEV的基本結(jié)構(gòu)概念見圖2。

混動(dòng)車相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有什么優(yōu)勢呢？首先，混動(dòng)車相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，燃比提升了將近2倍。同時(shí)，一氧化碳、氮氧化物的排出量也可以減少10%～15%左右。且行駛過程中，自身的發(fā)電機(jī)可以對(duì)電池進(jìn)行充電，因此不需要額外的充電站對(duì)電池進(jìn)行充電。

插電式混動(dòng)車即家庭用等外部電力充電入電池中即可使用的HEV。PHEV與HEV最大的區(qū)別是前者只能通過充電使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)汽車，后者是通過燃油運(yùn)轉(zhuǎn)汽車，產(chǎn)生電能。和HEV類似，PHEV的電池容量比較小。能量一般在20KWh左右，可完全電驅(qū)動(dòng)行駛100km左右。

世界上最早批量生產(chǎn)的HEV是1997年東京車展上展示的日本豐田普銳斯。

2.3 氫燃料汽車介紹

氫燃料汽車（FCEV）是使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生出電能啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車的一種新型環(huán)保汽車。FCEV的基本結(jié)構(gòu)見圖3。

FCEV相對(duì)于傳統(tǒng)汽車以及電動(dòng)車來說，有著以下優(yōu)勢。1、基本沒有尾氣排出;2、減少了機(jī)油泄漏帶來的水污染;3、行駛過程中基本沒有噪音;4、有著更高的燃燒效率，是一般發(fā)動(dòng)機(jī)的能源效率的2倍;5、比電動(dòng)車的充電時(shí)間更短，基本在3分鐘至10分鐘內(nèi)即可對(duì)電池充滿電;6、氫燃料加注站相對(duì)于電動(dòng)車的充電樁或充電站設(shè)置更簡單，可以在現(xiàn)有的加油站上進(jìn)行改善即可使用。

FCEV相對(duì)于電動(dòng)車以及傳統(tǒng)汽車具有那么多優(yōu)勢，為何汽車的商用化比較緩慢呢？首先FCEV的造價(jià)非常高昂，僅是能量轉(zhuǎn)換中的化學(xué)催化劑成本就讓人望而卻步。同時(shí)，F(xiàn)CEV擺脫不了的一種金屬——鉑金，是整臺(tái)車必不可少的一種材料，但它僅為氫燃料轉(zhuǎn)換的一種催化劑，而它的貴重程度是黃金的四倍，這就使得FCEV的造價(jià)必然無法便宜。在材料方面，F(xiàn)CEV成本頗高，在氫燃料電池的原料制氫方面，技術(shù)基本掌握在豐田、本田等供應(yīng)商上，國產(chǎn)供應(yīng)商很難有技術(shù)上的突破，這就使得該方面的成本不會(huì)太低。除了制氫外，儲(chǔ)氫技術(shù)也是關(guān)鍵，相對(duì)于運(yùn)輸與儲(chǔ)存技術(shù)相當(dāng)成熟的燃油，以及幾乎只需前期基礎(chǔ)電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)的電能，氫燃料的運(yùn)輸與加氫儲(chǔ)存都尚在起步階段，而這些不斷深化的技術(shù)也將更多開發(fā)成本疊加在了消費(fèi)市場當(dāng)中[1]。

世界上最早的量產(chǎn)型氫燃料汽車為現(xiàn)代途勝IX，在2013年日內(nèi)瓦車展首次公開。

3 環(huán)保汽車動(dòng)向及前景

3.1 內(nèi)燃機(jī)汽車的前景

根據(jù)2015年巴黎協(xié)定的規(guī)劃意見，到2035年為止，對(duì)于除了混動(dòng)車之外的內(nèi)燃機(jī)汽車，石油汽車的平均油耗要減少37%，柴油車要減少32%。因?yàn)槟壳笆袌鲆约凹夹g(shù)水平限制，市場還需要由發(fā)動(dòng)機(jī)以及電機(jī)結(jié)合的混合汽車技術(shù)，所以預(yù)計(jì)到2030年-2035年為止，混動(dòng)車在全世界市場占有率會(huì)達(dá)到11%的峰值。預(yù)計(jì)從2030-2035年開始，混動(dòng)車以及內(nèi)燃機(jī)汽車將逐步減少。

B2DS是2015年巴黎協(xié)定的展望計(jì)劃，其要求限制地球升溫幅度比起工業(yè)化之前增加不超過2℃，同時(shí)提出要努力實(shí)現(xiàn)1.5℃的目標(biāo)，并且提出在本世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體人為排放與清除之間的平衡。B2DS展望是非常高的目標(biāo)，預(yù)計(jì)完成起來會(huì)有很多困難。估計(jì)到2060年為止許多汽車還是只能使用內(nèi)燃機(jī)或混動(dòng)車的。所以增加內(nèi)燃機(jī)的熱效率，減少溫室氣體排放技術(shù)的開發(fā)和使用仍是非常重要的[2]。

3.2 混合動(dòng)力汽車的前景

混動(dòng)汽車是通過內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，引擎具有兩種動(dòng)力源的汽車?；靹?dòng)汽車預(yù)計(jì)從2030-2035年開始逐步減少。對(duì)于一般混動(dòng)汽車來說，一氧化碳、氮氧化物的排出量可以減少10%-15%。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)以及電機(jī)高度控制的混動(dòng)車，CO2的排放量可以減少將近一半，排出的尾氣最大也可以減少至90%。但是混動(dòng)車因?yàn)閺?fù)雜的系統(tǒng)，且同時(shí)包含發(fā)動(dòng)機(jī)以及電機(jī)，使得車輛造價(jià)較貴[3]。

3.3 電動(dòng)汽車的前景

為了應(yīng)對(duì)溫室氣體導(dǎo)致的氣候變化，全世界各國的電動(dòng)汽車市場正在快速成長中。以2018年為例，全世界電動(dòng)車和2017年同比增長了200萬輛，總數(shù)突破510萬輛。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)的2019能源展望，預(yù)計(jì)到2040年為止電動(dòng)汽車將占新型汽車銷量的75%。

但是電動(dòng)汽車的急速增長，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響。為了通過電動(dòng)汽車的普及來解決氣候變化問題，就必須肩負(fù)起把電力生產(chǎn)方式由現(xiàn)在的以化石燃料為主轉(zhuǎn)換為太陽能以及風(fēng)能等新再生能源的課題。

3.4 氫燃料汽車的前景

氫燃料汽車是在電池上使用氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)引擎行駛的電動(dòng)汽車。氫燃料汽車相對(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車來說，沒有尾氣排出、低噪音、能源效率是內(nèi)燃機(jī)的2倍，可以解決溫室氣體以及石油緊缺的問題。且燃料充電時(shí)間較短，一次充電的行駛里程也比普通的電動(dòng)車要長[4]。

雖然世界上許多大型汽車公司往后數(shù)年內(nèi)都有上市氫燃料汽車的計(jì)劃，但是一年生產(chǎn)數(shù)十萬輛以上的氫燃料汽車預(yù)計(jì)還是較難的。但是長期來看還是需要使用氫氣汽車的，所以氫燃料汽車的技術(shù)開發(fā)是很重要的。中國對(duì)氫燃料汽車的普及計(jì)劃，到2025年為止10萬輛，預(yù)計(jì)到2035年為止普及100萬輛。

4 中國汽車市場的展望

中國市場2018年電動(dòng)汽車銷量約140萬輛，約占18年世界電動(dòng)汽車銷量的72%。這個(gè)數(shù)據(jù)離不開中國政府的大力支持，要求中國汽車市場以電動(dòng)汽車市場為主導(dǎo)。

中國汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布了汽車技術(shù)路線圖2.0，路線圖中包含了預(yù)計(jì)到2035年將停止生產(chǎn)一般內(nèi)燃機(jī)汽車的內(nèi)容。計(jì)劃把目前占中國汽車生產(chǎn)5%的電動(dòng)汽車為首的新能源汽車比重在2025年提高至20%，2030年提高至40%，2035年提高至50%?；靹?dòng)汽車HEV/PHEV的比重也要實(shí)現(xiàn)在2025年 增加到40%，2035年增加至45%，2035年增加至50%的目標(biāo)。其結(jié)果就是一般內(nèi)燃機(jī)汽車將在2035年后完全退出。同時(shí)計(jì)劃擴(kuò)大對(duì)氫燃料汽車的普及，2025年為止計(jì)劃普及10萬輛，2035年為止普及至100萬輛，計(jì)劃以公交車等商用車為中心來進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]林潔如. 氫燃料汽車：新能源汽車的新趨勢[J]. 新產(chǎn)經(jīng)，2018，（08）：64-66.

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[3]丁良昊. 混合動(dòng)力汽車的利弊及發(fā)展前景分析[J]. 農(nóng)家參謀，2018，（07）：296.

[4]甄旭東，耿杰. 氫燃料汽車在未來課程教學(xué)改革中的應(yīng)用探討[J]. 汽車零部件，2020，（09）：99-101.