鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：777次 | 2022年07月20日
我國(guó)動(dòng)力電動(dòng)化發(fā)展前景預(yù)測(cè)和技術(shù)路線圖展望
我國(guó)新能源汽車(chē)技術(shù)路線經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段，2003年-2005年：國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃確立了節(jié)能和新能源汽車(chē)戰(zhàn)略（低能耗和新能源汽車(chē)）；2009年-2012年：科技部和工信部發(fā)展規(guī)劃確立了"純電驅(qū)動(dòng)"技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略；2014年：發(fā)展新能源汽車(chē)受到中央領(lǐng)導(dǎo)核心的重視，習(xí)近平總書(shū)記親自確立了發(fā)展新能源汽車(chē)的汽車(chē)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，開(kāi)啟了我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化新階段；2018年十一月：全國(guó)政協(xié)召開(kāi)"促進(jìn)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展"雙周座談會(huì)，一些委員建議研究制定面向2035年新能源汽車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，盡快明確分類(lèi)別、分地區(qū)的禁售燃油車(chē)時(shí)間表，穩(wěn)定產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)期，開(kāi)啟了新一輪戰(zhàn)略討論的序幕。
我國(guó)科學(xué)院院士、我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)執(zhí)行副理事長(zhǎng)歐陽(yáng)明高以親歷者身份回顧和展望了我國(guó)新能源汽車(chē)技術(shù)路線的探索、實(shí)踐和創(chuàng)新過(guò)程，希望能夠?qū)π履茉雌?chē)下一步發(fā)展戰(zhàn)略的制定供應(yīng)參考。本文是從作者即將由科學(xué)出版社出版的專著《汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)學(xué)——電控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)、燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)、混合動(dòng)力系統(tǒng)》第一章：節(jié)能和新能源動(dòng)力系統(tǒng)概論部分內(nèi)容改寫(xiě)而成。力圖用盡可能通俗的語(yǔ)言，厘清和發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)路線相關(guān)的發(fā)展理念、技術(shù)概念、論證邏輯、演變脈絡(luò)等，以便相關(guān)討論能夠在相互理解的思維方式和話語(yǔ)體系中順利展開(kāi)，促進(jìn)我國(guó)新能源汽車(chē)更好更快發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)汽車(chē)強(qiáng)國(guó)目標(biāo)。
我國(guó)動(dòng)力電動(dòng)化發(fā)展前景預(yù)測(cè)和技術(shù)路線圖展望
1.動(dòng)力鋰電池和純電動(dòng)汽車(chē)
鋰離子動(dòng)力鋰電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)以來(lái)能量密度不斷提升。國(guó)際上主流動(dòng)力鋰電池和新能源汽車(chē)公司的共同目標(biāo)是2020年前實(shí)現(xiàn)單體電池比能量達(dá)到300瓦時(shí)/公斤，使電動(dòng)汽車(chē)達(dá)到和燃油汽車(chē)大體相當(dāng)?shù)睦m(xù)駛里程。目前，國(guó)內(nèi)公司CATL等已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出了300瓦時(shí)/公斤的大容量軟包型鋰電池產(chǎn)品，計(jì)劃2020年前在全球率先投放市場(chǎng)。從車(chē)用角度看，體積能量密度顯得更為重要，其它高比能量電池如鋰硫電池難以車(chē)用的重要原因是因?yàn)轶w積比能量低。而這方面鋰電池具有優(yōu)勢(shì)。正如國(guó)際著名電池專家JeffDahn所言：鋰電池很難在體積能量密度上被擊敗。從這個(gè)角度看，鋰電池具有成為動(dòng)力鋰電池主流技術(shù)的潛質(zhì)和前景。但是高比能量鋰電池的安全性始終是一個(gè)瓶頸。解決這一難題一方面要靠熱-機(jī)-電系統(tǒng)技術(shù)抑制電池?zé)崾Э氐恼T發(fā)和蔓延；另一方面要從長(zhǎng)計(jì)議，從改善電池本征安全性出發(fā)，發(fā)展新型固態(tài)電池技術(shù)。近年來(lái)國(guó)際上在無(wú)機(jī)硫化物固體電解質(zhì)方面取得重要突破。但受制于固/固界面穩(wěn)定性問(wèn)題，固態(tài)電池發(fā)展可能要經(jīng)歷從液態(tài)→半固態(tài)→固液混合→固態(tài)，最后到全固態(tài)過(guò)渡的發(fā)展階段。基于對(duì)國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的分析，以及對(duì)標(biāo)國(guó)際動(dòng)力鋰電池發(fā)展技術(shù)水平和目標(biāo)，"十三五"國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《新能源汽車(chē)》總體專家組于2017年底提出我國(guó)動(dòng)力鋰電池技術(shù)發(fā)展技術(shù)路線，如表1所示。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
表1動(dòng)力鋰電池技術(shù)發(fā)展技術(shù)路線和目標(biāo)展望2017
面向2020年發(fā)展目標(biāo)，動(dòng)力鋰電池技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)高鎳三元正極材料、硅碳負(fù)極材料和寬電壓窗口電解液。到2025年材料體系有望升級(jí)，采用更高比容量的富鋰材料，高容量的硅碳負(fù)極，逐步開(kāi)始向固態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)型。到2030年，全固態(tài)電解質(zhì)預(yù)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化?？紤]電池的循環(huán)利用價(jià)值，全球電池系統(tǒng)價(jià)格變化趨勢(shì)大致為：2020年為700-1000元/千瓦時(shí)，2025年為700-800元/千瓦時(shí)。有關(guān)磷酸鐵鋰電池等低成本鋰電池，上述價(jià)格目標(biāo)將提前實(shí)現(xiàn)。研究結(jié)果顯示，基于全生命周期成本計(jì)算，當(dāng)電池價(jià)格達(dá)到100美元左右時(shí)，純電動(dòng)汽車(chē)和燃油車(chē)相比將具備性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。
除了電池核心技術(shù)之外，純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展還取決于電動(dòng)汽車(chē)整個(gè)技術(shù)鏈。當(dāng)前，純電動(dòng)汽車(chē)使用存在的重要抱怨之一是實(shí)際續(xù)駛里程低于期望值。雖然平均標(biāo)稱續(xù)駛里程比5-6年前提高了一倍左右，但實(shí)際續(xù)駛里程對(duì)氣溫和駕駛風(fēng)格過(guò)于敏感。而靠新增電池加大續(xù)駛里程的做法又會(huì)導(dǎo)致車(chē)重新增和電池安全性風(fēng)險(xiǎn)上升以及性價(jià)比下降。這一外在表現(xiàn)的內(nèi)在實(shí)質(zhì)是整車(chē)集成技術(shù)水平偏低和充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展滯后，具體體現(xiàn)在整車(chē)百公里電耗偏高和充電不方便。這些問(wèn)題預(yù)計(jì)今后5-7年將逐步得到解決。
在整車(chē)電耗方面，2020-2025年之間，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在高效化、小型化方面出現(xiàn)技術(shù)飛躍，以碳化硅為代表的新一代小型高效電力電子器件將普及應(yīng)用，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)朝小型高速低成本方向發(fā)展，美國(guó)能源部公布的2025年規(guī)劃提出了極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)：電機(jī)比功率達(dá)到50千瓦/升，電機(jī)控制器比功率達(dá)到100千瓦/升。此外，新一代熱管理技術(shù)，如熱泵空調(diào)的普及應(yīng)用將進(jìn)一步提升純電動(dòng)汽車(chē)環(huán)境適應(yīng)性和能效，將使冬季低溫環(huán)境下續(xù)駛里程損失比現(xiàn)有車(chē)型降低2/3。在此基礎(chǔ)上，整車(chē)輕量化和能效綜合優(yōu)化技術(shù)將使百公里電耗進(jìn)一步降低，并大幅降低電耗波動(dòng)性和里程敏感性。日產(chǎn)凌風(fēng)車(chē)型在此方面已經(jīng)做出標(biāo)桿——家庭小型純電動(dòng)汽車(chē)NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況測(cè)試百公里電耗接近10千瓦時(shí)。此外，電動(dòng)汽車(chē)智能化技術(shù)將大發(fā)展。OTA（空中下載技術(shù)）將普遍應(yīng)用，整車(chē)公司的車(chē)載控制平臺(tái)將對(duì)外，形成開(kāi)放生態(tài)。直接面向終端客戶的車(chē)輛能耗等性能優(yōu)化APP軟件將極大滿足多元化客戶的個(gè)性化需求。
在充電方面，我國(guó)現(xiàn)有配電負(fù)荷和電壓制式非常適合小功率慢充，要充分發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)，盡快使現(xiàn)有電動(dòng)乘用車(chē)交流慢充樁做到每車(chē)必裝，成為主體供電模式。長(zhǎng)遠(yuǎn)看，這一能量供給模式還能使大規(guī)模推廣使用的電動(dòng)汽車(chē)在分布式可再生能源互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要用途。此外，應(yīng)急補(bǔ)電快充時(shí)間將縮短到10-15分鐘。這里，快速補(bǔ)電只用作輔助手段。這一定位是從電池、整車(chē)、基礎(chǔ)設(shè)施、電網(wǎng)以及可再生能源轉(zhuǎn)型等全方位綜合考慮得到的結(jié)論?，F(xiàn)有直流大功率快充和換電等對(duì)現(xiàn)有主流技術(shù)體系改動(dòng)太大，代價(jià)太高，和其定位不太符合，預(yù)計(jì)今后5-7年新一代快速補(bǔ)電技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
和此同時(shí)，世界上最嚴(yán)排放法規(guī)國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)將在國(guó)內(nèi)實(shí)行，傳統(tǒng)汽車(chē)技術(shù)將進(jìn)一步復(fù)雜化，導(dǎo)致成本上升，使新能源汽車(chē)和傳統(tǒng)燃油車(chē)相比的性價(jià)比拐點(diǎn)提前到來(lái)。據(jù)此，我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)的推廣進(jìn)程預(yù)測(cè)如圖1所示。相應(yīng)的電動(dòng)乘用車(chē)充電方式預(yù)測(cè)如圖2所示。
圖1我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)的推廣進(jìn)程預(yù)測(cè)
圖2電動(dòng)乘用車(chē)充電方式預(yù)測(cè)
2.燃料動(dòng)力鋰電池和燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)
根據(jù)奔馳、豐田、現(xiàn)代等在燃料動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的國(guó)際大公司預(yù)測(cè)分析，面向2025年鋰電池電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)的成本優(yōu)勢(shì)比較，燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)在長(zhǎng)途重載大型交通運(yùn)載工具中具有優(yōu)勢(shì)?？傮w而言，鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)更適合取代汽油機(jī)，而燃料動(dòng)力鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)更適合取代柴油機(jī)。在燃料動(dòng)力鋰電池早期發(fā)展階段，曾試圖發(fā)展純?nèi)剂蟿?dòng)力鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)。但經(jīng)過(guò)多年探索，尤其是我國(guó)在2000年-2005年的研發(fā)貢獻(xiàn)，目前燃料動(dòng)力鋰電池和動(dòng)力鋰電池的混合動(dòng)力已經(jīng)成為燃料動(dòng)力鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)的主流技術(shù)路線。我國(guó)燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化是以純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力為基礎(chǔ)平臺(tái)的。因此，商業(yè)化初期均采用了小功率燃料動(dòng)力鋰電池和動(dòng)力鋰電池的深度混合動(dòng)力構(gòu)型，使成本降低，耐久性提高。從全球看，燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)相比純電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程約晚10年左右。預(yù)計(jì)2020年將是燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)技術(shù)在部分車(chē)型和局部市場(chǎng)率先突破，并取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵年份。2025年前燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)技術(shù)將逐步成熟，但還將面對(duì)制氫、運(yùn)氫、加氫、儲(chǔ)氫等氫能技術(shù)效率偏低和成本偏高的問(wèn)題。預(yù)測(cè)在2025年-2030年間將取得氫能技術(shù)新一輪突破，從而實(shí)現(xiàn)氫能和燃料動(dòng)力鋰電池技術(shù)的全面成熟以及在交通和能源領(lǐng)域大規(guī)模全方位市場(chǎng)滲透。我國(guó)燃料動(dòng)力鋰電池技術(shù)和國(guó)際先進(jìn)水平的差距重要表現(xiàn)在以膜電極為代表的基礎(chǔ)技術(shù)和以高速無(wú)油空壓機(jī)為代表的總成技術(shù)上。此外，和動(dòng)力鋰電池相比，燃料動(dòng)力鋰電池的產(chǎn)業(yè)鏈還很薄弱。但是目前我國(guó)燃料動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)化態(tài)勢(shì)全球最佳，已經(jīng)吸引了全球相關(guān)資源的深度參和和全面聚集，預(yù)計(jì)在今后5-10年有可能達(dá)到和目前我國(guó)鋰電池國(guó)際地位相當(dāng)?shù)乃健?/p>
根據(jù)筆者等在《節(jié)能和新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖2015-2020》研究中得到的初步結(jié)果。我國(guó)燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)發(fā)展將以2020年、2025年及2030年為三個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)：
2020年，燃料動(dòng)力鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在這一階段，燃料動(dòng)力鋰電池發(fā)動(dòng)機(jī)體積功率密度達(dá)到400W/L（乘用車(chē)），質(zhì)量功率密度達(dá)到450W/kg（乘用車(chē)）和300W/kg（商用車(chē)）；最低冷起動(dòng)溫度達(dá)到-30℃，滿足我國(guó)絕大部分地域冬天起動(dòng)需求；壽命達(dá)到5000小時(shí)（乘用車(chē)）和10000小時(shí)（商用車(chē)）。
2025年，通過(guò)提升燃料動(dòng)力鋰電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、功率密度、效率及環(huán)境適應(yīng)性，大幅提高燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)性能。燃料動(dòng)力鋰電池發(fā)動(dòng)機(jī)最高效率達(dá)到60%，體積功率密度達(dá)到600W/L（乘用車(chē)），質(zhì)量功率密度達(dá)到550W/kg（乘用車(chē)）和400W/kg（商用車(chē)）；最低冷起動(dòng)溫度進(jìn)一步降低至-40℃，完全覆蓋我國(guó)所有地域冬天起動(dòng)需求；壽命達(dá)到6000小時(shí)（乘用車(chē)）和20000小時(shí)（商用車(chē)）。燃料動(dòng)力鋰電池客車(chē)在北方寒冷地區(qū)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力超越純電動(dòng)客車(chē)。
2030年，氫能燃料動(dòng)力鋰電池技術(shù)在交通和能源領(lǐng)域大范圍推廣應(yīng)用。燃料動(dòng)力鋰電池發(fā)動(dòng)機(jī)最高效率達(dá)到不低于65%，體積功率密度達(dá)到850W/L，質(zhì)量功率密度達(dá)到650W/L；壽命達(dá)到8000小時(shí)（乘用車(chē)）和30000小時(shí)（商用車(chē)）。大功率燃料動(dòng)力鋰電池長(zhǎng)途卡車(chē)將替代柴油卡車(chē)。
2018年，我們更新了2016年《節(jié)能和新能源技術(shù)路線圖》對(duì)我國(guó)氫能和燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)階段性發(fā)展目標(biāo)的預(yù)測(cè)：2020年，實(shí)現(xiàn)氫能及燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)規(guī)?；痉哆\(yùn)行和商用車(chē)產(chǎn)業(yè)化。基本掌握高效氫氣制備、純化、儲(chǔ)運(yùn)和加氫站等關(guān)鍵技術(shù)；基本掌握低成本長(zhǎng)壽命電催化劑技術(shù)、聚合物電解質(zhì)膜技術(shù)、低鉑載量多孔電極和膜電極技術(shù)、高一致性電堆及系統(tǒng)集成技術(shù)，突破關(guān)鍵材料、核心部件、系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)。示范車(chē)輛達(dá)到5000-10000輛。2025年，建成氫能燃料動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈，大幅降低燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)成本。以商用車(chē)為主實(shí)現(xiàn)氫能及燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)技術(shù)的規(guī)模推廣應(yīng)用。累計(jì)應(yīng)用規(guī)模達(dá)到5-10萬(wàn)輛。2030年，建立具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的完備的燃料動(dòng)力鋰電池材料、部件、系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈。氫能燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)技術(shù)在性價(jià)比上取得突破。突破新一代氫能技術(shù)，氫氣來(lái)源主體為可再生能源。實(shí)現(xiàn)氫能及燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)的大范圍大規(guī)模推廣應(yīng)用。燃料動(dòng)力鋰電池汽車(chē)?yán)塾?jì)規(guī)模達(dá)到百萬(wàn)輛。同時(shí)，氫能燃料動(dòng)力鋰電池技術(shù)在各種交通工具和能源儲(chǔ)存及發(fā)電領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用。
3.內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力汽車(chē)
發(fā)展混合動(dòng)力有兩條宏觀技術(shù)路徑：一是從內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力往上發(fā)展，一條是從純電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)往下兼容，如圖3所示。日本屬于前者，以常規(guī)混合動(dòng)力為特色；我國(guó)重要選擇了后者，以插電式混合動(dòng)力為特色。宏觀技術(shù)路徑往往對(duì)具體技術(shù)路線有很大影響。
圖3各種類(lèi)型混合動(dòng)力和燃油車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的相互關(guān)系
為了研究混合動(dòng)力技術(shù)路線，筆者課題組先后測(cè)試了通用功率分流構(gòu)型純電型插電式混合動(dòng)力VOLT（通用稱為增程式電動(dòng)汽車(chē)）、本田分時(shí)串并聯(lián)式混合型插電式混合動(dòng)力I-MMD、日產(chǎn)串聯(lián)式常規(guī)混合動(dòng)力e-POWER，找到了各國(guó)和各大公司混合動(dòng)力技術(shù)路線的特點(diǎn)。日本汽車(chē)具有高效節(jié)能的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，這在混合動(dòng)力的開(kāi)發(fā)中得到充分體現(xiàn)?；诎⑻亟鹚拱l(fā)動(dòng)機(jī)等高效內(nèi)燃機(jī)和可變電壓的電動(dòng)機(jī)外特性輸出控制以及先進(jìn)的機(jī)電耦合裝置等核心優(yōu)勢(shì)技術(shù)，日本引領(lǐng)了常規(guī)混合動(dòng)力的產(chǎn)業(yè)化潮流，尤其是深度混合動(dòng)力的世界領(lǐng)先者，先后有豐田的功率分流型、本田的串并聯(lián)型和日產(chǎn)的串聯(lián)型等混合動(dòng)力產(chǎn)業(yè)化標(biāo)桿技術(shù)和車(chē)型出現(xiàn)。其插電式混合動(dòng)力汽車(chē)也是基于常規(guī)深度混合動(dòng)力開(kāi)發(fā)的，純電續(xù)駛里程短，這種構(gòu)型在電池成本較高的情況下具有成本優(yōu)勢(shì)。歐洲以德國(guó)為代表更加重視從微混合、輕混合到深混合、插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的系列化并在全系列車(chē)型重要采用并聯(lián)構(gòu)型，其中深度混合以驅(qū)動(dòng)電池安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)離合器和變速器之間的所謂P2構(gòu)型為重要特色。選用P2構(gòu)型的原因重要有：（1）高速公路不限速，要多檔變速器，同時(shí)變速器技術(shù)成熟；（2）柴油轎車(chē)多，輸入扭矩大，也要多檔變速器；（3）縱置后驅(qū)車(chē)型多，便于布置。美國(guó)以通用公司為代表直接進(jìn)入純電型插電式混合動(dòng)力階段，其插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型復(fù)雜，純電續(xù)駛里程較長(zhǎng)，受到美國(guó)市場(chǎng)歡迎。我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化力推"純電驅(qū)動(dòng)"，常規(guī)混合動(dòng)力汽車(chē)受到抑制，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展迅猛。在法規(guī)引導(dǎo)下，我國(guó)插電式混合動(dòng)力純電續(xù)駛里程長(zhǎng)，均在50公里以上，故綜合油耗低，同時(shí)混合動(dòng)力構(gòu)型和控制可以更簡(jiǎn)單并且回避了在內(nèi)燃機(jī)性能方面的弱勢(shì)，形成了具有我國(guó)特色的插電式混合動(dòng)力發(fā)展技術(shù)路線。
在后補(bǔ)貼時(shí)代，我國(guó)混合動(dòng)力汽車(chē)該如何發(fā)展？這是一個(gè)要回答的重要問(wèn)題。
有關(guān)常規(guī)混合動(dòng)力汽車(chē)，其使用油耗和道路工況有很大關(guān)系。在擁堵的城市工況，由于車(chē)速較低且要頻繁的加速和減速，使用串聯(lián)混合方式可以將發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)載工況解耦，和傳統(tǒng)汽油車(chē)相比，混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)油效果顯著。而高速公路工況相對(duì)穩(wěn)定且負(fù)荷率也相對(duì)更高，因此從節(jié)油角度，發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)或者并聯(lián)混合較好。豐田Prius功率分流式混合動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)具有串聯(lián)和并聯(lián)功能，一直是常規(guī)混合動(dòng)力的國(guó)際標(biāo)桿。但隨著混合動(dòng)力技術(shù)的多元化發(fā)展，不同混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型均能實(shí)現(xiàn)功率分流式混合動(dòng)力的高性能，如表2所示。日產(chǎn)的串聯(lián)式混合動(dòng)力NOTEe-POWER在能效和市場(chǎng)接受度上和豐田功率分流式混合動(dòng)力的激烈競(jìng)爭(zhēng)就是很好的例證。因此，我國(guó)發(fā)展常規(guī)混合動(dòng)力不一定要完全走功率分流的模式，全系列模塊化和構(gòu)型一體化的歐洲模式更值得我們學(xué)習(xí)。
有關(guān)混合型插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，其和常規(guī)混合動(dòng)力不同，由于存在電量下降階段和電量保持階段兩個(gè)工作階段，且可以使用外部供應(yīng)的電能驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，因此其節(jié)能減排效果好于常規(guī)混合動(dòng)力汽車(chē)?；旌闲筒咫娛交旌蟿?dòng)力汽車(chē)的油耗計(jì)算比較復(fù)雜，包括電量下降階段油耗、電量維持階段混合動(dòng)力油耗、百公里綜合油耗（兩階段里程在百公里中占比加權(quán)油耗）、基于出行特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均油耗等多種油耗。其中，第四種油耗是最重要的使用油耗。在車(chē)輛每天行駛的里程中，電量下降階段里程的利用率越高，則車(chē)輛的使用油耗越低。近年來(lái)，我國(guó)插電式混合動(dòng)力技術(shù)進(jìn)步十分迅速，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。插電式混合動(dòng)力電量下降階段里程也正在從50公里逐步提高到70公里，甚至100公里。隨著插電式混合動(dòng)力電量下降階段里程的新增，則電池容量和功率也大幅提高。因此，電量下降階段發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有必要啟動(dòng)助力，從而實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)。也即我國(guó)特色的插電式混合動(dòng)力不是混合型插電式，而是純電型插電式。
表2典型混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型特性比較
有關(guān)純電型插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，其只有在電池電量維持階段才是混合動(dòng)力。因此它是節(jié)能減排效果最好的混合動(dòng)力汽車(chē)。以通用公司VOLT車(chē)型為例，其純電行駛里程為64公里，按照極端情況計(jì)算，假如每天出行都在64公里以內(nèi)而且每天可以充電，則使用油耗為0。按照出行特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，以平均行駛里程較長(zhǎng)的美國(guó)出行特點(diǎn)計(jì)算的百公里油耗統(tǒng)計(jì)平均值為2.8升，而以平均行駛里程較短的我國(guó)出行特點(diǎn)計(jì)算的百公里油耗僅為統(tǒng)計(jì)平均值0.86升，和同級(jí)別燃油車(chē)相比可以省油90%左右。隨著動(dòng)力鋰電池的技術(shù)進(jìn)步和成本降低，純電型插電式混合動(dòng)力將會(huì)成為具有我國(guó)特色和優(yōu)勢(shì)的乘用車(chē)主流車(chē)型。
由于當(dāng)前行業(yè)熱點(diǎn)——增程式電動(dòng)汽車(chē)實(shí)質(zhì)上是串聯(lián)構(gòu)型的純電型插電式混合動(dòng)力。因此，如何理解和發(fā)展純電型插電式混合動(dòng)力是當(dāng)下我國(guó)新能源汽車(chē)技術(shù)路線的關(guān)鍵問(wèn)題之一。無(wú)論什么構(gòu)型的純電型插電式混合動(dòng)力，在電量下降階段都是純電動(dòng)。因此，問(wèn)題的關(guān)鍵在于電量維持階段的混合動(dòng)力模式。而在不同的構(gòu)型中，并聯(lián)構(gòu)型的純電型插電式混合動(dòng)力相較于串聯(lián)構(gòu)型，具有成本、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性三方面的優(yōu)勢(shì)。首先，成本方面，串聯(lián)純電型要兩個(gè)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)減速器；并聯(lián)純電型則僅需一個(gè)電機(jī)并輔以變速器，而傳統(tǒng)的變速器又可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化以降低成本。例如，將傳統(tǒng)的雙離合器變速器簡(jiǎn)化為單離合器加電機(jī)同步調(diào)速換擋。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率相等的情況下，串聯(lián)純電型和并聯(lián)純電型的成本差取決于串聯(lián)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)+驅(qū)動(dòng)減速器的成本和并聯(lián)系統(tǒng)變速器的成本之差。其次，動(dòng)力性方面，并聯(lián)純電型在混合動(dòng)力模式下驅(qū)動(dòng)功率是發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率之和，串聯(lián)純電型的驅(qū)動(dòng)功率則僅等于驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率。再者，經(jīng)濟(jì)性方面，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力鋰電池相同的情況下，兩者的純電動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)效率和制動(dòng)能量回饋效率沒(méi)有差別；而當(dāng)兩者處于混合動(dòng)力模式驅(qū)動(dòng)時(shí)，在高速公路行駛工況的負(fù)荷率較高、工況點(diǎn)較集中，兩者都可以采用高效的混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)，且將發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)保持在高效區(qū)，而串聯(lián)要先由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電、再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛；并聯(lián)則由發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)輔以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此混合動(dòng)力模式下，并聯(lián)純電型的驅(qū)動(dòng)效率不低于串聯(lián)純電型。不僅如此，目前，以上汽為代表的我國(guó)插電式混合動(dòng)力公司正在探索的低成本并聯(lián)純電型插電式混合動(dòng)力[28]，其成本目標(biāo)是：購(gòu)置和使用綜合成本和雙電機(jī)常規(guī)深度混合動(dòng)力基本相當(dāng)，但節(jié)能減排效果更好。從而可以和國(guó)外常規(guī)混合動(dòng)力的王牌——節(jié)油率40%以上的雙電機(jī)深度混合動(dòng)力進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，解決我國(guó)深度混合動(dòng)力長(zhǎng)期落后于國(guó)外的老大難問(wèn)題。因此，發(fā)展成本更優(yōu)、節(jié)能減排效果更好的低成本并聯(lián)結(jié)構(gòu)的純電型插電式混合動(dòng)力汽車(chē)是自主混合動(dòng)力應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的一條獨(dú)具特色的創(chuàng)新技術(shù)路線。
混合動(dòng)力系統(tǒng)一個(gè)無(wú)法回避的核心技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)?，F(xiàn)有轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)多次技術(shù)革新已經(jīng)在節(jié)能減排方面具備很高水平。重要問(wèn)題是我國(guó)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)相對(duì)落后。隨著純電型插電式混合動(dòng)力的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況變化相對(duì)收窄，理論上降低了發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)難度并更容易采用效率更高和燃料容忍度更大的新技術(shù)，例如旋轉(zhuǎn)式汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)等。但從國(guó)內(nèi)外多年來(lái)的研發(fā)歷程和筆者課題組的研究經(jīng)歷看，要想在性能、成本以及基礎(chǔ)設(shè)施配套便利性等全方位超越現(xiàn)有轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)難度很大?？傊?，混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)不宜定位為長(zhǎng)線技術(shù)，但想短時(shí)間獲得顛覆性突破又面對(duì)重大技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，當(dāng)前的主流技術(shù)路線仍然是在現(xiàn)有轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行持續(xù)地、一點(diǎn)一滴地改進(jìn)。
混合動(dòng)力發(fā)展要解決的另一個(gè)重要問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)從純?nèi)加蛣?dòng)力到混合動(dòng)力的平滑過(guò)渡和純電動(dòng)動(dòng)力和混合動(dòng)力的無(wú)縫連接。因此，模塊化和平臺(tái)化發(fā)展將是重要技術(shù)路徑。基于原有的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，進(jìn)行關(guān)鍵子系統(tǒng)模塊化組合和替換，向具有更好適應(yīng)性和可行性的多種動(dòng)力系統(tǒng)不斷進(jìn)行技術(shù)推進(jìn)和更迭將是重要的技術(shù)路徑。如圖4所示，基于傳統(tǒng)內(nèi)燃動(dòng)力平臺(tái)，可以發(fā)展模塊化并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，并逐步演變?yōu)椴⒙?lián)純電型插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)一些骨干公司正在實(shí)踐這一技術(shù)路線?；诩冸妱?dòng)平臺(tái)，可通過(guò)添加傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力源形成串聯(lián)純電型插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)，即增程式電動(dòng)汽車(chē)（通常不是全性能型，而是城市型），進(jìn)一步可向下兼容串聯(lián)式混合動(dòng)力，進(jìn)而再通過(guò)動(dòng)力源的模塊化替換可以演變?yōu)槿剂蟿?dòng)力鋰電池串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。以日產(chǎn)的技術(shù)發(fā)展路線為例，日產(chǎn)以其純電動(dòng)汽車(chē)Leaf為平臺(tái)，新增發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等模塊后，研發(fā)出串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)NOTEe-POWER，進(jìn)而以燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力源模塊化替換，演變?yōu)榇?lián)燃料動(dòng)力鋰電池混合動(dòng)力汽車(chē)e-BioFuelCell。
圖4不同動(dòng)力平臺(tái)發(fā)展的技術(shù)路線
（文/歐陽(yáng)明高，百人會(huì)《我國(guó)新能源汽車(chē)技術(shù)路線的回顧和展望》報(bào)告）
