環(huán)保汽車技術(shù)動向

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)對燃比法規(guī)，汽車行業(yè)對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，汽車的主要動力源為石化燃料。由于汽車越來越多，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)提升了對尾氣排放、CO2管制的要求，使得整個汽車市場不可避免的對使用替代內(nèi)燃機(jī)動力源的環(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車（HEV）、插電式混動車（PHEV）、電動車（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)動向以及對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)保車是混動車和插電式混動車，而電動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)動機(jī)和電力發(fā)動機(jī)都一同安裝在車上，或僅有電力發(fā)動機(jī)的汽車，包括混動車、插電式混動車、電動車和氫燃料汽車。汽車通過電能源驅(qū)動電機(jī)為汽車提供動力，從而取代內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)，降低汽車尾氣的排放。

BEV為完全以電能源驅(qū)動引擎，唯一動力的環(huán)保汽車。其只依靠動力電池和驅(qū)動電機(jī)來給車輛提供動力來供它行駛，它主要由底盤、車身、動力電池、驅(qū)動電機(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 混動車與插電式混動車介紹

什么是混動車？混動車是結(jié)合內(nèi)燃機(jī)和電發(fā)動機(jī)兩種類型的動力來驅(qū)動，相對于現(xiàn)有的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)而言，可以實(shí)現(xiàn)更高的燃比?；靹榆囀歉鶕?jù)車輛的速度或行駛狀態(tài)等來適當(dāng)控制發(fā)動機(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)，混動車出發(fā)時(shí)以電機(jī)的力來驅(qū)動引擎行駛。在加速行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)則成了主動力源，而電機(jī)則成為了輔助動力源。在高速行駛時(shí)，只有發(fā)動機(jī)驅(qū)動引擎進(jìn)行行駛，且由發(fā)動機(jī)的驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)對電池的充電。在停車時(shí)，發(fā)動機(jī)引擎會停滯，且電機(jī)驅(qū)動引擎自動準(zhǔn)備。HEV與PHEV的基本結(jié)構(gòu)概念見圖2。

混動車相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有什么優(yōu)勢呢？首先，混動車相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，提高了發(fā)動機(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)可以對電池進(jìn)行充電，因此不需要額外的充電站對電池進(jìn)行充電。

插電式混動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驅(qū)動汽車，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)生出電能啟動電動機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動汽車的一種新型環(huán)保汽車。FCEV的基本結(jié)構(gòu)見圖3。

FCEV相對于傳統(tǒng)汽車以及電動車來說，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)動機(jī)的能源效率的2倍;5、比電動車的充電時(shí)間更短，基本在3分鐘至10分鐘內(nèi)即可對電池充滿電;6、氫燃料加注站相對于電動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相對于電動車以及傳統(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太低。除了制氫外，儲氫技術(shù)也是關(guān)鍵，相對于運(yùn)輸與儲存技術(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，對于除了混動車之外的內(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，混動車在全世界市場占有率會達(dá)到11%的峰值。預(yù)計(jì)從2030-2035年開始，混動車以及內(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 混合動力汽車的前景

混動汽車是通過內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)來驅(qū)動，引擎具有兩種動力源的汽車?；靹悠囶A(yù)計(jì)從2030-2035年開始逐步減少。對于一般混動汽車來說，一氧化碳、氮氧化物的排出量可以減少10%-15%。對發(fā)動機(jī)以及電機(jī)高度控制的混動車，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%。但是混動車因?yàn)閺?fù)雜的系統(tǒng)，且同時(shí)包含發(fā)動機(jī)以及電機(jī)，使得車輛造價(jià)較貴[3]。

3.3 電動汽車的前景

為了應(yīng)對溫室氣體導(dǎo)致的氣候變化，全世界各國的電動汽車市場正在快速成長中。以2018年為例，全世界電動車和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年為止電動汽車將占新型汽車銷量的75%。

但是電動汽車的急速增長，會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響。為了通過電動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)動引擎行駛的電動汽車。氫燃料汽車相對內(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年電動汽車銷量約140萬輛，約占18年世界電動汽車銷量的72%。這個數(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汽車市場為主導(dǎo)。

中國汽車工程學(xué)會發(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%?；靹悠嘓EV/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.

[2]陸建明. 汽車動力變革中的內(nèi)燃機(jī)發(fā)展趨勢探究[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2021，（13）：180-181.

[3]丁良昊. 混合動力汽車的利弊及發(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.