1.1.1 國際新能源汽車發展現狀分析

在能源危機、環境污染等社會問題日益凸顯的今天，各國汽車生產廠商都把發展節能環保的新能源汽車作為提高產業競爭力、保持經濟社會可持續發展的重大戰略舉措，特別是歐洲、美國、日本、韓國等國家和地區積極投入對新能源汽車的研究。

1．各國純電動汽車發展現狀分析

美國是開發研制純電動汽車的先驅者，早在1976年7月，美國國會就通過了新能源電動汽車研發及樣車試用的法令，擬以立法、政府資助和財政補貼等手段加快發展電動汽車。1996年通用公司首次推出純電動汽車EV1，使用德科公司提供的鉛酸蓄電池，最大續駛里程可達144km，最高時速為128km。但由于售價昂貴、續駛里程短及充電時間較長等原因，通用EV1在短暫的投放市場后就已經停產。通用對電動汽車的研發引起了歷史上人們又一次對電動汽車的重視，開啟了近幾年多元化純電動汽車發展的浪潮。圖1-6所示為通用EV1純電動汽車。

特斯拉公司于2003年在美國加利福尼亞州硅谷成立，開始對電動汽車的研究，也給世界各大傳統內燃機車企業帶來了壓力。特斯拉于2008年推出首款電動汽車Roadster時，就已經獲得人們的高度關注，續駛里程可達394km，百公里加速3.7s。隨后，特斯拉Model S和Model X也相繼亮相，Model S是世界上首款雙電動馬達汽車，搭載松下18650鋰電池，續駛里程可達507km，最高時速可達249km，啟動時2.5s可達到時速96km。此外，特斯拉Model 3也開始量產，作為豪華電動汽車制造商，特斯拉引領了世界電動汽車行業的發展。圖1-7為特斯拉Model S純電動汽車。

對環保一直比較重視的歐洲國家也在大力發展純電動汽車，2016年電動汽車銷量達50萬輛，領跑電動汽車市場。雷諾ZOE純電動汽車因其小型輕便、租賃方式靈活、售價便宜等特點受到歐洲人的喜愛，2016年新款雷諾ZOE電動汽車對動力系統進行升級，采用LG高能量密度電池，減輕了整車質量，最高續駛里程可達320km。圖1-8為雷諾ZOE電動汽車。

在純電動汽車如火如荼的發展過程中，德國寶馬也順應市場與政策的需求，于2013年推出首款純電動汽車——寶馬i3，如圖1-9所示。作為一款豪華純電動汽車，2017款升級版寶馬i3純電動汽車搭載能量密度更大的電池組，續駛里程可達到450km。與此同時，寶馬將繼續擴大純電動汽車的生產，將于2019年生產出MINI的首個純電動汽車，并將于2020年再生產出一款寶馬X3純電動車車型，這兩款車型都將會在德國萊比錫工廠生產制造。此外，寶馬還將在2021年生產“寶馬iNEXT純電動”車型，該車型將在位于德國丁戈爾芬的工廠生產。

在政府及車企的大力推動下，日本國內電動汽車市場業發展突飛猛進，作為全球最暢銷的電動汽車和世界第一款經濟型零排放汽車，日產聆風（LEAF）作為日產旗下的經典車型，已成為全球銷量最大的純電動汽車，從2010年年底上市截至2017年7月，聆風的全球銷量已經突破28萬輛。2018款聆風已加入快充功能，并搭載兩種模式的充電接口，其快充接口充電至80%只需40min，慢充接口利用3kW充電器充電需16h，而利用6kW充電器充電只需8h。此外，2018款日產聆風還提供了V2G（車對電網）功能，所有的車輛都可以接入電網，并對電網反向輸出電能，同時還配備了xStorage儲能系統，更加節能經濟，如圖1-10所示。

2．各國插電式混合動力汽車發展現狀分析

插電式混合動力汽車（PHEV）是一類新型混合動力汽車，它介于純電動汽車（BEV）與普通混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle, HEV）之間，由于具有純電續駛里程較長、能提高燃油經濟性、降低排放、利用夜間用電低谷對動力蓄電池進行充電等優勢，插電式混合動力汽車已成為新能源汽車的主流發展方向之一。根據插電式混合動力系統結構形式的不同，可以分為串聯式混合動力、并聯式混合動力、混聯式混合動力和雙模式混合動力四種類型。

1）串聯式混合動力系統

插電式串聯混合動力汽車，也稱為增程式電動汽車，相當于對純電動汽車增加一套增程裝置，其串聯式混合動力系統的結構如圖1-11所示，主要由一個驅動電機，一套由內燃機、發電機構成的增程裝置，傳動裝置，電機控制器，動力蓄電池組和外部充電接口等組成。該混合動力系統結構的主要特點是：驅動電機是驅動車輛的唯一動力源，電機控制器將動力蓄電池組儲存的電能和內燃機帶動發電機發電產生的電能以電耦合方式實現動力耦合，最終通過驅動電機驅動車輛行駛。

串聯式混合動力系統，由于內燃機和車輪之間不存在機械連接，因此能獨立于汽車的行駛狀態，對內燃機的運轉模式進行控制調節，使內燃機可以總是運轉在低油耗的高效工作區域，同時降低排放；由于電動機低轉速時轉矩大、高轉速時恒功率的特性很適合汽車牽引的需求，因此可以大大減少變速器擋位，使傳動系統結構得以簡化；由于串聯混合動力系統機械結構簡單，控制策略也相對較簡單。但是由于內燃機輸出的動力需要經過發電機和動力蓄電池的多次能量轉化才能到達驅動輪，使得汽車在高速巡航時的油耗反而偏高，降低了整體的燃油經濟性。而且由于驅動電機是唯一的動力源，所以需要采用功率和尺寸較大的驅動電機、發電機和動力電池，從而增加汽車的成本和質量。

2）并聯式混合動力系統

插電式并聯混合動力系統由兩個或多個獨立的驅動系統進行聯合，且每個驅動系統至少與一個車載能源連接。按驅動系統聯合方式的不同，并聯混合動力系統可分為單軸并聯式、雙軸并聯式和單個驅動系統聯合式3類。

典型的雙軸并聯混合動力系統結構如圖1-12所示，主要由驅動電機、內燃機、動力耦合機構、傳動裝置、電機控制器、動力蓄電池組和外部充電接口等部件組成。該混合動力系統結構的主要特點是具有兩個相對獨立的驅動系統，即內燃機驅動系統和電機驅動系統，兩個驅動系統既可以各自單獨工作來驅動車輪，也可以聯合驅動，以機械方式實現動力耦合。

插電式并聯混合動力系統，由于車速較低時可以采用純電動單獨驅動模式，車速較高時可以采用內燃機單獨驅動模式，且內燃機輸出的動力可直接用來驅動車輛，能量轉換次數少，整體燃油效率較高；與串聯結構相比，并聯結構可采用功率相對較小的驅動電機和動力電池組，且省去了專門的發電機，從而減少了汽車的成本和重量。但是由于并聯式混合動力系統內燃機與驅動輪之間存在機械連接，在與驅動電機聯合驅動車輛時，由于缺少發電機的調節，內燃機不可能總是運轉在高效率的工作區域，使內燃機的效率得不到充分利用。

3）混聯式混合動力系統

混聯式混合動力系統主要包括開關式混合動力系統和功率分流式混合動力系統，功率分流式混合動力系統的結構如圖1-13所示。該插電式混聯式混合動力系統主要由內燃機、電機1、電機2、行星齒輪動力分配機構、電機控制器、傳動裝置、動力蓄電池組和外部充電接口等幾個部件組成。該混合動力系統的特點是利用一個單排行星齒輪機構將內燃機和兩個電機的動力耦合在一起。單排行星齒輪結構可以實現無級變速器，使整個動力系統效率較高，尤其是在城市駕駛循環工況。該混合動力系統最大的弱點是其恒定的扭矩分配導致汽車在高速巡航時動力系統效率較低。

4）雙模式混合動力系統

插電式雙模式混合動力系統是由串聯式、并聯式和混聯式這三種基本運行模式中的任意兩種模式組合起來構成的，最典型的插電式雙模式混合動力系統由串聯系統和并聯系統組合而成，其結構如圖1-14所示。該插電式雙模式混合動力系統主要由主驅動電機、內燃機、ISG電機、動力耦合機構、傳動裝置、電機控制器、動力蓄電池組和外部充電接口等幾個部件組成，其鮮明特點是運用了雙離合器，通過雙離合器的開合情況，可分別呈現出串聯和并聯的結構形式。此混動系統可充分利用雙離合器，根據混動系統的最佳效率來決定系統工作在串聯模式還是并聯模式，從而使整車實現較高的燃油經濟性并減少尾氣排放。該結構的缺點是系統包含兩套電機和兩個離合器，相對復雜，其工作模式和控制策略也比較復雜。雙模式混合動力系統憑借兩個離合器，使系統多個能量源更加便于靈活組合和控制，比并聯式和串聯式具有更多的運行模式。

2010年年底，雪佛蘭沃藍達增程式電動汽車在美國上市，該車型采用串聯插電式混合動力系統，搭載一臺1.4L小排量高效發動機、70kW驅動電機和53kW發電機，同時配備能量為16kW·h的鋰離子動力電池，其動力系統可提供110kW的最大功率和370N·m的最大轉矩，純電模式續駛里程可達64km。2015年第二代沃藍達采用LG化學提供的全新鋰離子電池組，電池容量達到18.4kW·h，更大容量的電池組及更輕的重量使第二代沃藍達純電動汽車行駛里程達到85km。此外，第二代沃藍達采用雙電機結構，輸出功率分別為87kW和48kW，峰值扭矩達到398N·m，同時采用1.5L自然吸氣發動機，最大功率為75kW，因采用串聯式混動模式，這臺發動機在任何情況下都不會直接參與工作，只在長途行駛過程中，電池電量降低到特定位置時，車輛便會自動啟動發動機為電池組充電，然后再通過電動機驅動汽車行駛。因此在任何工況下，發動機都是在一個最經濟的轉速下為電池提供電力，盡最大限度降低發動機的油耗。圖1-15為第二代沃藍達插電式混合動力汽車。

2017新款福特蒙迪歐采用并聯式混動模式，搭載2.0L四缸雙渦流渦輪增壓式發動機與電機，百公里油耗可降低至4.2L，同時配備7.6kW·h鋰離子電池組，百公里加速時間9.33s，在加滿油和電池組充滿電的情況下，續駛里程可達980km，如圖1-16所示。

通用公司歐寶Ampera插電式混合動力汽車，搭載1.4L汽油發動機和30kW的ISG（Integrated Starter Generator）電機，其動力系統的總輸出功率為111kW，峰值扭矩為370N·m，百公里加速時間為9s，最高車速為161km/h。在純電動模式下可行駛80km；如果采用混合動力模式，則最大行駛里程為500km。Ampera包含4種駕駛模式，“正常模式”可以滿足日常的混合駕駛需求，“運動模式”可以體驗更好的駕駛樂趣；“山路模式”可以根據地勢調整電池系統的供電大小。此外，“城市模式”還可以進行更好的再生制動，如圖1-17所示。

德國政府在2008年11月提出未來10年普及100萬輛插電式混合動力汽車和純電動汽車的計劃，2010年啟動4.2億歐元的車用鋰電池開發計劃，目前德國汽車企業不斷加強與電池企業的合作，使動力電池技術研發和產業化進程明顯加快。此外，歐盟在2009年上半年發放70億歐元貸款，支持汽車制造商發展新能源汽車。目前，歐洲各大汽車廠商分別推出了插電式混合動力汽車。

沃爾沃V60插電式混合動力汽車采用柴油機和電機進行混合，在混動駕駛模式（NEDC駕駛工況）下，百公里油耗為1.8L；在純電動駕駛模式下，汽車最多可行駛50km；在一般情況下，蓄電池全部充滿需要7.5h，快速充電僅需3h；在功率模式下，總輸出功率為210kW，最大扭矩為640N·m，百公里加速時間為6.1s，如圖1-18所示。

寶馬Vision Efficient Dynamics插電式混合動力汽車，搭載兩臺電動機和一臺渦輪增壓柴油機；最高車速為250km/h，百公里加速時間為4.8s；純電動續駛里程為50km，百公里平均油耗為3.76L，二氧化碳排放量為99g/km。使用220V電源充電，充滿時間為2.5h；使用380V電源充電，充電時間則可縮短為44min，如圖1-19所示。

奧迪A3插電式混合動力汽車搭載1.4L TFSI發動機（最大功率為110kW、最大扭矩為250N·m/1750～4000rad/min）、ISG電機（峰值功率為75kW）及8.8kW·h的鋰離子電池組，動力系統總功率為150kW，扭矩為350N·m，同時配備了六擋DCT雙離合變速器和總容量為8.8kW·h的鋰離子電池組，純電動行駛里程為50km，總續航里程為940km，百公里油耗為2.5L，如圖1-20所示。

奔馳S500插電式混合動力汽車搭載了由3.0L V6渦輪增壓發動機和電動機組成的混合動力系統。其中發動機最大輸出功率為245kW，最大扭矩480N·m，電動機峰值功率為80kW，最大扭矩為340N·m，百公里加速時間為5.5s，最高車速為250km/h，百公里平均油耗為3L，二氧化碳排放量為29g/km，如圖1-21所示。

3．各國燃料電池汽車發展現狀分析

燃料電池汽車作為新能源汽車的主要發展方向，全球各大車企也都布置了重要的發展戰略。在德國，奔馳和奧迪于2016年分別推出各自的氫燃料電池概念車，續駛里程分別為500km和600km，其中奔馳與福特聯合開發的GLC fuel-cell已于2017年上市，前期投放于日本和美國加州；在美國，通用和本田合作，在密歇根州建立工廠，為燃料電池汽車推出下一代推進系統；在歐洲，有13家公司聯合成立氫理事會，并表示每年將共同投資超過10億美元，以幫助加速燃料電池技術的發展；韓國現代集團也公布了下一代燃料電池計劃，將于2018年推出搭載第四代燃料電池技術的車型。

美國通用旗下的歐寶汽車早在2008年研發的HydroGen4燃料電池汽車，其動力源是由PEMFC與鎳氫電池構成的，燃料電池系統由440組燃料電池構成，鎳氫電池可用于制動能量回收，裝備了3個碳纖維儲氫瓶，總共儲氫4.2kg，續駛里程達320km。另外，其新一代HydroGen4燃料電池汽車每輛催化劑鉑的使用已減少為30g，鑒于目前鉑的價格昂貴，這樣使FCEV的制造成本得到了進一步降低。圖1-22為歐寶HydroGen4燃料電池汽車內部結構圖。

在歐洲，歐盟相關部門正在每個城市積極推動質子交換膜燃料電池公交車（PEMFC BUS）示范運營，使該技術得到了快速發展。德國奔馳公司在2011年推出的全新B級燃料電池汽車，采用一體型較小的質子交換膜燃料電池，并配備輔助能源鋰離子電池組。每次充滿燃料僅需3min，能夠續駛400km，而且質子交換膜燃料電池的循環壽命超過10000h。此外，奔馳還將推出全球首款插電式燃料電池汽車——梅賽德斯GLC F-CELL，新車將采用插電式燃料電池技術，車載鋰離子電池組可使新車在純電動模式下續駛達48.2km。此外，新車還配置有兩個由碳纖維復合材料所包裹的儲氫罐，單罐可容納超過4kg的氫燃料，而每次充滿燃料罐的時間僅需3min。此外，在鋰離子電池組和氫燃料的共同作用下，新車的最大續駛里程有望突破500km。圖1-23為梅賽德斯GLC F-CELL插電式燃料電池汽車。

從全球范圍看，日本和韓國燃料電池汽車的研究水平處于全球領先水平，尤其是豐田、日產和現代汽車公司，在燃料電池汽車的耐久性、壽命和成本方面逐步超越了美國和歐洲國家。

日本豐田公司在燃料電池汽車的發展上一直處于世界最前沿，它開發的Mirai燃料電池汽車已于2014年年底在日本成功上市。如圖1-24所示，它采用傳統的三廂造型，一臺電動機，配備了兩個70MPa的高壓燃料堆，最大功率為99.96kW，并且3min即可注滿氫氣，能夠續駛502km，百公里加速時間為10s。

本田汽車早在1999年就已經在東京車展上展示了第一輛名為FCX的燃料電池汽車，并于2002年在美國加州和日本進行租售式發售，是世界上第一輛官方認證的燃料電池汽車。隨著燃料電池技術的不斷發展，本田于2016年3月發布新一代燃料電池汽車——CLARITY FUEL CELL，如圖1-25所示。其最大續駛里程達750km，采用兩個儲氫罐，分別布置在后排座椅下方及后方，儲氫罐總容量為141L，可存放5.0kg高壓氫，填充壓力為70MPa，儲氫罐以35MPa壓力加滿氫只需6min，以70MPa壓力加滿氫只需3min。此外，它采用的電機功率達130kW，最大轉矩為300N·m。

2014年，現代起亞汽車集團投資5萬億韓元（約合298億元人民幣）用于氫燃料電池等新能源技術的研發，同時研發人員增長30%，達到13000人，并且還推出了多款新能源車型。其中燃料電池汽車“ix35”已在歐洲市場推出，圖1-26所展示的車型即是現代FCEV ix35。該車利用氫作為驅動電機的動力來源，最高車速為160km/h，從靜止加速到100km/h只需12.5s，加滿氫后可續駛588km。