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中国新能源汽车技术路线的回顾与展望(一):全球新能源汽车发展演变历程

时间:2019-08-13 来源:西安石油大学

转自盖世汽车资讯

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我国新能源汽车技术路线经历了四个发展阶段,2003年-2005 年:国家中长期科技发展规划确立了节能与新能源汽车战略(低能耗与新能源汽车);2009年-2012年:科技部与工信部发展规划确立了“纯电驱动”技术转型战略;2014年:发展新能源汽车受到中央领导核心的重视,习近平总书记亲自确立了发展新能源汽车的汽车强国战略,开启了中国新能源汽车产业化新阶段;2018年11月:全国政协召开“促进新能源汽车产业健康发展”双周座谈会,一些委员建议研究制定面向 2035年新能源汽车发展战略规划,尽快明确分类别、分地区的禁售燃油车时间表,稳定产业发展预期,开启了新一轮战略讨论的序幕。

中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高以亲历者身份回顾和展望了中国新能源汽车技术路线的探索、实践与创新过程,希望能够对新能源汽车下一步发展战略的制定提供参考。本文是从作者即将由科学出版社出版的专著《汽车动力系统学——电控发动机系统、动力电池系统、燃料电池系统、混合动力系统》第一章:节能与新能源动力系统概论部分内容改写而成。力图用尽可能通俗的语言,厘清与发展战略和技术路线相关的发展理念、技术概念、论证逻辑、演变脉络等,以便相关讨论能够在相互理解的思维方式和话语体系中顺利展开,促进我国新能源汽车更好更快发展,早日实现汽车强国目标。

全球新能源汽车发展演变历程

1. 新能源汽车动力系统技术概念与发展历程简介

纯电动是一种结构比较简单的动力系统,其复杂性主要体现在动力电池上。早在卡尔·本茨发明内燃机汽车的半个世纪之前,人类就开始探索以蓄电池为能源装置的纯电动汽车。1900年,纯电动汽车曾经占据了美国汽车保有量的三分之一。但是由于动力电池技术的瓶颈约束,纯电动汽车逐步淡出汽车市场,走过了艰难的历程。锂离子电池的发明与技术快速进步(如图1所示)重新改写了纯电动汽车的历史。2008年,仅有五年历史的特斯拉汽车公司开始交付搭载锂离子电池的纯电动跑车Roadster,并在同年发布了纯电动轿车Model S。Roadster与Model S媲美豪华燃油汽车的性能表现,推动了传统汽车巨头们在电动汽车赛道竞争的加速;同样是在2008年,中国在北京奥运会期间颇具规模地示范运行纯电动汽车也吸引了全世界目光的聚焦。2008年锂离子动力电池在汽车上市产品中应用,使纯电动汽车真正成为日益成熟的主流汽车产品,并不断扩大车型应用范围和市场份额。当然,锂离子动力电池的动力性、耐久性和安全性还并不理想,需要持续改进提高,尤其是安全性更是重中之重。当前,动力电池的科技创新活跃、技术突破加速,以动力蓄电池为核心的纯电动力系统潜力巨大、前景广阔。


图1 锂离子电池的发展历史

混合动力系统发明于19世纪末,兴起则始于一百年后的20世纪末。1899年,在汽车工业起步之初,保时捷公司创始人费迪南德·保时捷制造了第一辆油电混合动力汽车Lohner - Porsche。1997年丰田公司量产型混合动力汽车Prius的问世,开启了现代混合动力汽车时代。世界各大汽车公司不断将混合动力车型投入量产,混合动力的浪潮持续升温。2008年,比亚迪在中国开始销售可以外接充电的混合动力轿车F3DM,这是全世界第一款量产的插电式(可以充电的)混合动力汽车。相比纯电动系统,现代内燃机混合动力发展百花齐放、种类繁多。一般而言,混合动力分为常规混合动力和可以外接充电的混合动力,常常简称为插电式混合动力。有别于常规混合动力汽车单一的能量来源,插电式混合动力汽车的能量来源包括了燃油与电网。插电式混合动力汽车外接充电后优先使用电能(电量下降阶段),当电池电量低于设定值后则进入常规混合动力模式(电量维持阶段)。

根据内燃机在电量下降阶段的工作方式的不同(取决于电池的容量和功率)分为混合型和纯电型两种类型。如果在电量下降阶段,由于电池功率不足,内燃机随时启动工作,直接输出驱动转矩或者带动发电机给驱动电机供电,称为“混合型”插电式混合动力(blend PHEV);如果在电量下降阶段内燃机不启动,车辆为纯电动,则称为“纯电型”插电式混合动力(all electric range, AER PHEV)。根据在电量维持阶段车辆能否达到全性能(取决于内燃机功率的大小),“纯电型”插电式混合动力又可分为城市型和全性能型两种。全性能型的代表车型是通用Volt,城市型的代表车型是宝马的i3。

这是从外在功能划分,如果从内部结构划分,则有并联、串联和混联三大类(以及许多小类):(1)并联是指电机和发动机并行给车辆提供驱动转矩。(2)串联是相对并联而言,指为车辆提供驱动力的机械通路是电机-变速器-车轮一条串联通道。电功率流动的电路结构其实是发电机组和电池组并联给电机供电。内燃发电机组的工作模式一般有两种:发电直驱模式,或称为负载跟随模式。另一种是发电机组根据设定的电池电量值自动启停。内燃发电机组发电直接供应给电动机的发电直驱模式早在半个世纪前就已经广泛应用于铁路电力传动内燃机车,以形成良好的牵引特性,俗称“牛马特性”——低速是牛,高速是马。在汽车混合动力中,发电直驱模式可以提高效率但排放会变差。(3)混联是串联+并联,可以是同时的串并联,如功率分流,也可以是分时的串并联。外在功能和内在结构两方面结合起来,有很多种组合,如图2所示,例如,纯电型插电式混合动力采用串联、并联或者混联结构的车型都有。其中,采用串联构型的在我国称为增程式电动汽车(根据国标GB19596-2017定义)。混合动力概念复杂,常常造成混淆,详细分析可参考即将出版的《汽车动力系统学》第5章内容。


图2 多种类型的混合动力汽车

燃料电池的基本原理由英国物理学家William Grove发明于1839年。1992年加拿大巴拉德公司研制了88kW的汽车用质子交换膜燃料电池系统,开启了燃料电池用作汽车动力的新阶段。氢能燃料电池系统是一种将燃料化学能转化为电能的能量转换装置,从这个角度上来说,燃料电池系统更加接近内燃机。或者准确的说是与内燃发电机组功能相同,本质上是一个发电机。在燃料电池发展早期阶段,燃料电池往往与驱动电机做成一个总成去替代内燃机,其功能与一台内燃发动机完全相同。因此,带驱动电机的燃料电池系统就称为燃料电池发动机。现在还有很多轿车公司仍然采用这种燃料电池与驱动电机一体化结构,便于轿车布置。同时,由于燃料电池系统包括了燃料电池组(或称燃料电池电堆)这一与动力电池相似的部分和空气、燃料、冷却系统等与内燃机相似的部分,燃料电池发动机这个概念也经常用于指不包括驱动电机的燃料电池系统(这一概念在国内比较通用),如图3所示是车用燃料电池发动机的典型代表之一——本田公司开发的最新一代轿车用燃料电池发动机。

在2000年之前,一系列燃料电池概念车的出现预示着燃料电池汽车完成了原理验证,其中较有代表性的车型有戴姆勒-奔驰NECAR1/2/3系列燃料电池概念车,通用的“自主魔力”燃料电池概念车等。早期的燃料电池汽车采用了纯燃料电池动力系统,但是燃料电池不具备吸收制动能量的能力,同时也不适应剧烈波动的车辆负载,使得采用纯燃料电池动力系统的汽车性能表现不佳。针对以上问题,中国在国际上最早探索了燃料电池与动力电池的深度混合动力系统,并推动形成了国际主流的燃料电池汽车动力系统技术路线。现在车用燃料电池动力系统均采用燃料电池与动力电池的电-电混合动力,与内燃机混合动力中的串联式混合动力相同,只不过内燃发电机组改成了燃料电池系统。在2000年之后,燃料电池汽车进入了示范验证阶段。中国在2008北京奥运会首次开展燃料电池汽车示范运行并建立了首座加氢站。丰田公司在2015年开始销售未来(Mirai)燃料电池轿车标志着燃料电池轿车进入商业化阶段。2016年为中国燃料电池商业化元年。目前,中国燃料电池商用车产业化处于世界前列。 

图3 本田公司最新一代燃料电池发动机

2. 国际典型新能源汽车研发思路与发展演变历程

从总体发展历程来看,新能源汽车动力系统技术路线经历了几起几落,多元化探索阶段,现在已经逐步步入正轨。在中国新能源汽车市场化迅猛发展的带动下,全球汽车动力电气化技术转型趋势已经不可逆转。美国、日本、德国等老牌汽车强国正在进入汽车动力系统电动化转型发展加速期。从统计数据可以看出,从2016年开始,奔驰、宝马等国际汽车巨头都在大幅度的急剧转型。新兴造车企业、信息行业和能源行业等也加入到新能源汽车产业竞争的大潮中,从各自的视角诠释了不同的发展模式。同时,又在相互竞争中相互学习并逐步相互融合。

从典型新能源汽车企业的发展战略来看,特斯拉公司的模式是高端切入,自上而下,以电动化为主体,逐步融合智能化和网联化。其从豪华纯电动跑车入门(Roadster),发展高端大型纯电动轿车(Model S)和SUV(Model X),依靠强大的品牌效应和影响力逐步下探紧凑型轿车市场,推出Model3这一标杆产品。从技术演进看,从电动化率先向智能化方向发展,特斯拉公司大胆推出了自动驾驶技术。该模式是新兴造车企业尤其是从互联网行业进入新能源汽车行业所采用的一种典型技术路线,即纯电动战略——电动化、智能化、网联化。

日本丰田公司是国际上全面开展新能源汽车技术研发的传统汽车大公司之一,其混合动力和燃料电池等新能源汽车核心技术全球领先。丰田新能源汽车发展的技术路线核心是发动机技术优先战略——内燃机、混合动力发动机、燃料电池发动机。该技术路线可以描述为:从先进燃油汽车、高效混合动力汽车到氢能燃料电池汽车的技术路线。具体的新能源动力系统研发思路是:以混合动力系统为基础平台,在该平台基础上分别发展插电式混合动力系统、纯电动动力系统和燃料电池动力系统。其核心理念如图4左所示。2018年丰田展示的新思路如图4右所示,从中可以看出丰田技术路线的演化,即以核心部件为基础平台,混合动力和插电式混合动力、纯电动、燃料电池并行发展并增加了智能网联技术。在新能源汽车市场推广与交通应用适用性方面,丰田的思路演变如图5所示。其基本思路是:纯电动乘用车主要用于城市通勤,中远距离的个人出行主要由常规混合和插电式混合动力车承担,而对于长途重载运输场合,燃料电池动力系统是卡车和公路客车的最佳选择。图5中右图与左图相比,主要变化是纯电动汽车的应用范围大幅扩展。

从两家企业的技术路线的比较看,主观上都是尽可能扬长避短,获取竞争优势,但同时遵循技术演变与突破的客观规律。这对我国新能源汽车技术路线的选择提供了很好的借鉴。 


图4 丰田新能源汽车技术路线的演变


图5 丰田新能源汽车应用思路的发展演变

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