周夢菲 任熠

（武漢理工大學，武漢430000）

主題詞：新能源汽車 混合動力汽車 純電動汽車 燃料電池汽車

1 前言

地球上的能源不是取之不盡用之不竭的，能源的過度使用導致生態(tài)系統(tǒng)平衡遭到破壞，為解決這一連鎖反應帶來的一系列問題，如今各國都在相應提出各種政策應對，其中大多都涉及新能源汽車的開發(fā)與使用。奧巴馬于2010 年將新能源汽車提升到國家戰(zhàn)略層面，并于2012 年啟動電動汽車國家創(chuàng)新計劃EV Everywhere 的同時，將新能源汽車產業(yè)的主攻方向定為純電動汽車，并在短期內大力發(fā)展充電式混合動力汽車。歐盟則從20 世紀90 年代開始重點強調節(jié)約能源，盡可能多地應用可再生能源和生物燃料，并在日后以此為基礎大力發(fā)展新能源汽車。而日本早在20世紀70 年代汽車產業(yè)趕超美國時便提出電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略。政策的支持為新能源汽車發(fā)展提供了強有力的保障。

根據(jù)全國能源信息平臺統(tǒng)計[1]，2019 年底我國新能源汽車保有量達到381 萬輛，預測在2020 年將持續(xù)保持增長，其中新能源乘用車銷量有望超過130萬輛，也就是說2020 年新能源汽車的保有量將會超過510萬輛，中國是全球新能源汽車最大的市場。這種一路向好的走勢也反映出市場對新能源汽車的接納程度逐漸提高，未來新能源汽車的發(fā)展前景廣闊。

傳統(tǒng)內燃機汽車雖然應用極其廣泛，但其能源利用率低下、排放物污染環(huán)境等問題一直飽受詬病。新能源汽車的出現(xiàn)在滿足使用需求的同時，可以實現(xiàn)節(jié)能、減排、低碳，所以新能源汽車是汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。

2 新能源汽車分類及車型代表

新能源汽車根據(jù)其動力系統(tǒng)的不同具體可以分成3 類：純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車[2]。以下將對比3 類新能源汽車的突出優(yōu)勢和發(fā)展局限，并結合一款目前市場上常見的新能源汽車類型進行簡要分析。

2.1 純電動汽車

純電動汽車，是指所有的動力都來自于電動機的汽車，與傳統(tǒng)內燃機汽車的本質區(qū)別是組成動力系統(tǒng)的機械不同。傳統(tǒng)內燃機汽車以汽油作為能源，通過發(fā)動機實現(xiàn)化學能到機械能的轉化，從而驅動車輛行駛。同樣，電動機通過車體自帶的電池電能驅動電動機，從而驅動車輛行駛。傳統(tǒng)汽車通過加油站補充燃料，純電動汽車則通過充電樁補充電量。

2.1.1 純電動汽車應用的優(yōu)勢

(1)能量形式單一，控制簡便

在傳統(tǒng)汽車中，信息大多都以電信號的形式進行傳輸，所以為了方便信息的整合、處理與反饋，曲軸轉矩等發(fā)動機運行數(shù)據(jù)需通過傳感器等元件的測量，傳輸?shù)诫娮与娐分羞M行能量形式的轉換，這無疑給汽車動力系統(tǒng)的控制增添了不少困難。而純電動汽車的能量形式大多都是電信號，在控制體系與技術方面較傳統(tǒng)汽車更簡單，因此，維修也更加方便、快捷。

(2)電動機驅動噪聲小

傳統(tǒng)汽車發(fā)動機的噪聲是長期以來影響乘駕體驗的重要因素，內燃機的噪聲控制范圍極其有限，而電動機運行時的噪聲遠小于傳統(tǒng)內燃機的噪聲，大大提高了駕駛員及乘客的舒適感。

(3)無污染，零排放

純電動汽車既沒有傳統(tǒng)汽車CO、HC、NOX、PM 等污染物的直接排放，也不需直接使用化石燃料驅動，且未使用的電能可經過電池對其進行儲存、回收，并且制動時也能進行一定的能量回收，進一步保證能源利用效率和汽車的長時間運行。

2.1.2 純電動汽車應用的局限性

(1)電池壽命短，續(xù)駛里程較低

傳統(tǒng)內燃機汽車的續(xù)駛里程在400～800 km 之間，一般為500 km 左右。而純電動汽車的續(xù)駛里程在100～500 km 之間，一般在300 km 左右，與傳統(tǒng)內燃機汽車差距較為明顯。更遠的續(xù)駛里程需要純電動汽車具有更大的電池容量，容量更大則電池質量越大，質量越大電池運載自身的能量也越大，容易產生更多能源的浪費。且電池過大，純電動汽車的安全性也會受到影響，嚴重時可能會導致車體發(fā)生爆炸，威脅駕駛人及乘客的人身安全。且國內城市道路目前充電樁數(shù)量較少，無法像傳統(tǒng)內燃機汽車對加油站的需求一樣滿足純電動汽車對充電樁的需求。綜合考慮，純電動汽車的續(xù)駛里程是制約其發(fā)展的主要因素，短時間內無法達到傳統(tǒng)汽車續(xù)駛里程指標。

(2)成本較高，經濟性較差

對比豐田RAV4車型的汽油版與純電動版[3]，發(fā)現(xiàn)純電動版的購車成本比汽油版高出20萬元，雖保養(yǎng)與維修成本只有汽油車的1/3，但因電池組壽命有限，需定期更換，整車壽命成本也比汽油版高出將近20 萬元。這樣控制“車型”變量相同的對比，也在一定程度上凸顯出純電動汽車在市場銷售時的劣勢。

(3)對“無污染，零排放”的爭議

雖說純電動汽車在自身運行過程中不會產生有害污染物的排放，但由于現(xiàn)今我國仍普遍采用火力發(fā)電的方式大量獲取電能，從空氣污染的角度考慮，發(fā)展新能源汽車的目的是為了減少有害物質的排放，另一方面卻又因為純電動汽車驅動所需要的電能獲取方式加劇了空氣污染，所以對純電動汽車是否完全無污染、零排放的問題，國際上存在些許爭議的聲音[4]。

2.1.3 純電動汽車車型代表—特斯拉2017 款Model X 100D簡要分析

車型名稱中的“100”指電池容量為100 kW·h；“D”代表雙電機。這款車型新車2017 官方指導價為79.4 萬元左右，鑒于其現(xiàn)已停產，且廠商會根據(jù)時間推移對舊款車型進行下架停產處理，所以對不同年份的同系列車型價格進行對比，表1 是近4 年特斯拉Model X 系列的官方網站給出的當年相應車型售價，從表中數(shù)據(jù)可以得出該系列車型價格沒有特別大的變化，甚至在配置提升的同時能夠以更低的價格購得1 輛新車，并且在電池容量保持在100 kW·h 的前提下推出了長續(xù)駛版車型適應大眾的需要。Model X系列自上市銷售開始，其獨具特色的鷹翼式車門及亮眼的外形是一大賣點，且具有前備箱和后備箱雙重儲物空間，也比普通SUV 具有更大的車內空間。它的動力系統(tǒng)由2 臺最大輸出功率為193 kW 的交流異步電機組成，分別驅動前輪和后輪。鑒于電動機的可調速特性，變速箱設置為固定齒比變速箱，汽車行駛速度最高可達250 km/h。儲能單元由上千節(jié)平鋪在車輛底部的18650 三元鋰離子動力電池組成。由于電池容量達到100 kW·h，特斯拉Model X 100D的官方給出的續(xù)駛里程高達552 km，這個數(shù)據(jù)在純電動汽車的行列中已非常優(yōu)秀，幾乎能與傳統(tǒng)內燃機汽車競爭。

表1 特斯拉Model X系列近4年官方當年車型相應售價

該車型最具有特色的地方在于駕駛此純電動汽車的科技感和未來感以及其極佳的起步加速性，2017款車型官方給出的100 km/h 加速時間僅為5 s，最新2019 款車型官方發(fā)布的100 km/h 加速時間更是只需要2.8 s；其次便是對比同價位的汽油車，特斯拉Model X 100D的保養(yǎng)費用大大降低，大致為5萬元，保養(yǎng)周期更長。純電動汽車起動加速時間短的特點，讓乘客感受到近似賽車般強勁的“推背感”。其缺點是城市充電樁配備嚴重不足，且比起傳統(tǒng)汽油車3 min可加滿油箱的速度，該車型充電30 min 最多也只能充電60 kW·h。且此車不宜在高速公路上行駛，其續(xù)駛里程在實際駕駛過程中并不能達到官方給出的500 km 以上，夏天的城市續(xù)駛極限在450 km 左右，冬天如果開啟車內空調則續(xù)駛里程在330 km左右，并且隨著電池的長時間使用，續(xù)駛里程會有進一步明顯縮減。所以純電動汽車在續(xù)駛里程、經濟性等方面還有非常大的進步空間。

2.2 燃料電池汽車

燃料電池汽車以燃料電池作為提供驅動汽車行駛電能的來源，不同于純電動汽車通過對車載電池的充放電，從而提供電能使電動機運轉驅動汽車行駛，燃料電池汽車需要通過為電池加注填充燃料的方式，補充電池的電量從而實現(xiàn)對電機的供能。與傳統(tǒng)汽油車相比，燃料電池汽車同樣是將燃料的化學能最終轉化成汽車行駛的機械能，但不同的是燃料電池汽車能量轉換的過程并非通過直接燃燒氧化，沒有廢氣或污染物排放，排放物多為清潔環(huán)保物質。目前國內外重點研究及應用的是氫燃料電池[5]，以下的優(yōu)勢與局限性也主要針對氫燃料電池展開闡述。

2.2.1 燃料電池汽車應用的優(yōu)勢

(1)工作效率高，且結構簡單

目前已知的大多的氫燃料電池汽車，汽車效率可達50%～70%左右，而傳統(tǒng)內燃機汽車的效率只有大約11%[6]，可見在能源使用效率方面，燃料電池汽車較高于內燃機汽車。同樣因為燃料電池汽車無需發(fā)生燃料的氧化燃燒和熱機做功，損耗的能量較少的同時，動力系統(tǒng)所需的零部件種類與數(shù)量也相應減少，主要圍繞燃料電池、驅動電機、能源儲備裝置、控制單元這幾個方面展開，有利于整車控制與布置的同時，也能幫助車輛有效地實現(xiàn)輕量化。

(2)節(jié)能環(huán)保

目前大多燃料電池汽車采用氫作為補充燃料，最終生成的排放物只有水。沒有具有污染性、毒性及對人身體有害的物質生成。而且氫能可從地球上豐富的水資源中提取，相比于化石燃料具有更大的能量來源，甚至在未來有可能從自身排放的水中重新分離出氫能，實現(xiàn)能源的循環(huán)使用。

(3)續(xù)駛里程較高

由于燃料電池工作效率較高，同體積的氫燃料與汽油相比，省去了無法回收利用的熱量損失、機械損耗、腐蝕等能量損耗，氫燃料電池產生的能量能更大限度地用于驅動車輛行駛。若采用輪轂電機的布置形式，將產生的電能直接作用于車輪上，那么可能實現(xiàn)行駛普通燃油車3倍以上的續(xù)駛里程而無需補充氫燃料，較大程度的填補了新能源汽車中純電動汽車只能實現(xiàn)城區(qū)短途行駛的缺憾。

2.2.2 燃料電池汽車應用的局限性

(1)氫氣的儲存、制備和運輸不易

雖然氫氣可從地球上豐富的水資源中獲取，但氫氣易燃易爆的性質，使其儲存與運輸過程顯得尤為艱難。況且每一輛氫燃料電池汽車上均需要配備儲氫裝置，無疑是汽車安全性一項極大的挑戰(zhàn)。再者，補充氫燃料的加氫站等基礎設施的建設并不像純電動汽車充電站的建設來得方便，也在一定程度上限制了燃料電池汽車的發(fā)展。

(2)成本造價高，經濟性不高

目前市面上廣泛使用的燃料電池為質子交換膜燃料電池，其中的質子交換膜需要使用貴金屬材料Pt作為催化劑。而稀土金屬資源本就匱乏，開采制造加工成本更是昂貴[7]。況且氫氣的難儲存難運輸，也導致車用加注氫氣的價格昂貴[8]。所以氫燃料電池無法大規(guī)模投入使用，與其高昂的成本有極大的關系。

(3)燃料電池核心技術研發(fā)難道大

相較于日韓歐美國家，我國燃料電池汽車起步較晚，核心的電堆功率和高壓儲氫罐的技術較為落后。且在全球范圍內只有美國杜邦公司可以提供“質子交換膜”技術，多項技術受限于他國。電池壽命方面也僅僅只有5 000 h，尚處在試驗研發(fā)階段[9]。眾多技術的不成熟也限制燃料電池汽車的發(fā)展。

2.2.3 燃料電池汽車車型代表—豐田Mirai簡要分析

與純電動汽車相比，燃料電池汽車成本更高，售價更貴，目前市場中存在的燃料電池汽車更是少數(shù)，所以豐田Mirai 可以說是燃料電池汽車史上的里程碑。鑒于中國加氫站資源不足，所以該車型尚未進入中國市場銷售，在國外市場也多以租賃的形式進行運營。在美國，2016 款豐田Mirai 于2019 年10 月上市，當時的售價在58 325美元（折合37萬元人民幣左右），除去政府補貼后價格不到45 000 美元（折合人民幣約28.6 萬元左右），但其實相比于購買，長租使用該車型的形式在成本上能節(jié)省不少，尤其是可免去加注氫燃料的費用。2019 年若以長租的形式使用該車,每月租金為499 美元（折合人民幣約3 163 元），且3 年租賃期間加氫費全免。豐田Mirai 氫燃料電池組的最大發(fā)電功率為114 kW，驅動電機最大功率為113 kW，最大扭矩為335 N·m，全車有2 個70 MPa 的儲氫罐，若2 個全部充滿的話，支持車輛行駛650～700 km[5]。加速性能雖然與純電動汽車相似，但是由于其儲氫裝置的體積與質量均較大，稍顯笨拙。同樣因為車輛配備2 個儲氫罐，車內空間與車后儲存空間也比傳統(tǒng)汽油車小了一些。

該車型最不便利的地方是補充氫燃料。加氫站的數(shù)量遠遠不及加油站的數(shù)量，而且與充電樁數(shù)量相比也是少之又少。截止2019 年7 月，美國舊金山灣區(qū)的加氫站僅有11個，而充電站如果只算快速充電站也有至少200 個，加油站更是不勝枚舉。雖然加氫過程較便利，只需花費大約5 min，但與純電動汽車車主日常通勤可以晚上回家充電相比，確實需要浪費不少精力與時間。而且在燃料價格方面，如果豐田公司沒有提出相應的免費加氫政策的話，車主需要花費25 美分/km（折合人民幣1.76 元/km）的費用，是純電動車每公里行駛成本大約7～8 倍，對比傳統(tǒng)汽油轎車，如以每百公里油耗為9 L、燃油價格為6.3 元/L 計算，燃油成本為0.567 元/km，由此可見燃料電池電動車成本確實比純電動汽車與傳統(tǒng)汽油車的成本高得多。所以，進一步限制了燃料電池汽車在市場中的滲透。

2.3 混合動力汽車

混合動力汽車就是具有2 種或2 種以上可驅動車輛行駛能源的汽車，并且在同一輛車上可以體驗不同的2 種能源分別驅動和2 種能源混合一起驅動的3 種驅動模式?；旌蟿恿Φ姆绞胶芏啵碗娀旌?、氣電混合、電電混合，所以混合動力汽車不一定是指汽油車和純電動汽車的混合。應用混合動力技術，大約可以節(jié)約超過30%的能量。

混合動力汽車的分類眾多，大多是油電混合，大體上可以分為插電式和油電式2 種，這2 種類型的區(qū)別在于獲取電能的方式，插電式混合動力汽車既可通過電網對電池充電補充電能，也可以通過發(fā)動機驅動發(fā)電機運轉從而為電池補充電能，即該車既可充電也可加油。而油電式混合動力汽車只能通過發(fā)電機驅動電動機運轉補充電能，即該車只能加油，不能充電，電能僅作為輔助能源驅動汽車行駛。但從能量混合方式角度來說，混合動力汽車類似電路的布置，可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式與混聯(lián)式[10]。串聯(lián)式即車輛的驅動力只來源于電動機，并聯(lián)式即汽車的驅動力由電動機及發(fā)動機同時或單獨供給，混聯(lián)式即同時具有串聯(lián)與并聯(lián)2種形式的驅動方式。

2.3.1 混合動力汽車應用的優(yōu)勢

（1）有效降低油耗，能量利用率高

介于混合動力汽車有使用多種能源驅動行駛的能力，車輛可以在不同的行駛工況以不同的能源驅動方式行駛，將傳統(tǒng)汽油車不可避免需要低效率消耗燃油的工況用儲存的電能代替，根據(jù)調查統(tǒng)計，使用混合動力汽車，與同款汽油車相比，節(jié)油率在10%～30%左右。并且在一定程度上混合動力汽車可以像純電動汽車一樣進行制動能量回收，能量利用效率更大，彌補了傳統(tǒng)汽油車能量利用效率的缺陷。

（2）提高內燃機工作效率，同時降低對電池的要求

能源的混合使用提供了更多不同的混合模式，對混合動力汽車來說，駕駛的機動性更強。并且與傳統(tǒng)內燃機汽車發(fā)動機采用Otto 循環(huán)不同，混合動力汽車采用的Atkinson 循環(huán)沒有怠速工況而采用怠速停機，并且減少了過程中的泵氣損失，膨脹比加大使熱能更充分轉化為機械能，填補傳統(tǒng)內燃機的短板，有效提高工作效率[6]。并且輔助內燃機共同驅動汽車的蓄電池部分，也無需與純電動汽車電池部分功能嚴格一致，依據(jù)油電混合程度的差異，可以相應適當降低電池的配置。

（3）可作為傳統(tǒng)汽油車到純電動汽車的過渡車型

目前市場上應用的混合動力汽車大多為油電混合，發(fā)揮純電動汽車一部分優(yōu)勢的同時，也沒有完全摒棄已研究較透徹的內燃機技術。比起純電動汽車與燃料電池汽車，混合動力汽車的技術更為成熟。且由于未完全放棄使用汽油，大眾的接受度較高，使用感受與傳統(tǒng)內燃機汽車類似，但更為清潔環(huán)保節(jié)省能源，也是混合動力汽車在新能源汽車市場占比較多的主要原因。

2.3.2 混合動力汽車應用的局限性

（1）車體質量大

因為混合動力汽車至少有2 種驅動能量，所以至少需要2 種能量對應的驅動機械，市場上的油電混合汽車，至少需要發(fā)動機、發(fā)電機、電池、變速箱、能量耦合裝置等部件，不管是與傳統(tǒng)汽油車還是純電動汽車相比，需要的部件更多，所以車體總重更大、占用空間更多，一定程度上會增加油耗，也會帶來更多的能量損耗。

（2）動力控制系統(tǒng)復雜

因為混合動力汽車涉及多種形式能源的共同使用，所以動力系統(tǒng)需要設計的部分較多[11]，且不同能量形式終究是要以1 種形式工作，能量形式的轉換必不可少。再者，混合動力汽車涉及能量利用回收，且不同工況下發(fā)電機與內燃機有不同的使用狀態(tài)，需提前在控制系統(tǒng)進行大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測運算與數(shù)學模型建立，比只有一種能量控制的車輛復雜不少。

2.3.3 混合動力汽車車型代表—寶馬X1 混動版簡要分析

寶馬X1混動版是1輛插電式混合動力汽車，動力系統(tǒng)包含1 個1.5T 直列3 缸渦輪增壓發(fā)動機和1 個容量17.8 kW·h 的電池組。1.5T 的3 缸發(fā)動機最大功率為100 kW，最大扭矩220 N·m 的動力輸出，而后軸電機最大輸出功率為70 kW，最大扭矩為165 N·m，綜合起來功率達到170 kW，最大扭矩385 N·m，這比大部分配備2.0T 發(fā)動機的傳統(tǒng)內燃機汽車具有更強的動力。寶馬X1汽油版本身自帶3種駕駛模式，混動版加上電動部分還有3 種模式，外加D 擋與S 擋2 個擋位，一共有18 種搭配駕駛方式，以適應不同的行駛工況。目前2020 款寶馬X1 汽油驅動型共有4 種配置，最低配置官網售價為27.88 萬元，最高配置官方售價為33.98 萬元，而2020 款寶馬X1 插電混動版只有唯一一款車型，官方售價為39.98 萬元，其價格比汽油版最高配置車型售價還要高出6萬元。雖然目前生產在售的混動版車型只有2020 款，但查詢近3 年該車型插電混動版的價格，2017款售價為39.88萬元，2018款售價為39.68 萬元，2019 款售價為39.38 萬元，售價始終保持在40萬元左右。

這款車型的車內空間較大，沒有因為發(fā)動機、電動機兼?zhèn)涠鵂奚噧瓤臻g，具有低油耗、低噪聲、油電切換平穩(wěn)的優(yōu)點。與傳統(tǒng)汽油車油耗9～11 L/100 km相比，這款車型的油耗可降至2～4 L/100 km 左右，且車輛行駛時駕駛員幾乎感覺不到油電轉化的“突兀感”。但是，也有不少車主表示，自己花了比傳統(tǒng)汽油車型更高的價格卻依舊是同樣的配置，而目前市區(qū)充電樁等基礎設施建設不完備，在電池電力不足時，油耗甚至比同樣車型的汽油版更高，且充電的時間3 h起步。且對比市面大多汽車均使用的4 缸發(fā)動機，3缸發(fā)動機在冬天冷車起動時抖動和噪聲還是較大。若能有效提高混合動力汽車性能與價格的匹配程度，那么混合動力汽車有望早日取代傳統(tǒng)內燃機汽車，成為道路上的主流車型。

3 結束語

（1）純電動汽車具有便于控制、清潔高效、噪聲小的優(yōu)點，目前國內新能源汽車市場也已上市大量純電動汽車車型，但充電設備不足與續(xù)駛里程有限仍然是一個短期之內會限制其發(fā)展的因素。

（2）燃料電池汽車具有工作效率高、節(jié)能環(huán)保、能量效率高的優(yōu)點，但是目前在國內甚至國際市場上，仍然是一種小眾車型，由于其成本造價高昂、氫能源不易獲得、核心技術研發(fā)難度較大的問題，近幾年可能還無法達到上市普及的目標。

（3）混合動力汽車具有能量利用率高、控制靈活的優(yōu)點，在國內外市場上出現(xiàn)較高的滲透率，但由于其整車整備質量高、動力系統(tǒng)控制復雜，且相對傳統(tǒng)汽車成本略高，使廣大消費者一時難以轉換觀念，未來可能需要更多政策的扶持以及環(huán)保觀念的普及，才能使混合動力汽車更好的融入汽車市場。

目前中國新能源汽車市場成為全球新能源汽車的領導者，但是總體上新能源汽車的發(fā)展還處在導入期到成長期階段，國家和地方政府都在積極有序、推出政策支持新能源汽車發(fā)展。雖然純電動汽車的續(xù)駛里程有限、燃料電池汽車的成本技術要求高、混合動力電池動力控制復雜等方面存在或多或少的問題，尚未找到更合適有效的解決辦法，從而無法使新能源汽車得到廣泛應用。但是在日益嚴苛的節(jié)能及環(huán)保要求，以新能源汽車創(chuàng)新技術的不斷完善、技術日益成熟的背景之下，特別是隨著電池技術的發(fā)展，能量密度的不斷提升和成本的下降，會逐步解決顧客的里程焦慮問題，加氫站和充電站的越來越普及，會解決新能源汽車能源補給的問題，未來新能源汽車會不斷提升與傳統(tǒng)內燃機汽車的競爭力，市場份額會不斷提高。