中國儲能網(wǎng)訊：我國新能源汽車技術(shù)路線經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，2003年-2005 年：國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃確立了節(jié)能與新能源汽車戰(zhàn)略（低能耗與新能源汽車）；2009年-2012年：科技部與工信部發(fā)展規(guī)劃確立了“純電驅(qū)動”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略；2014年：發(fā)展新能源汽車受到中央領(lǐng)導(dǎo)核心的重視，習(xí)近平總書記親自確立了發(fā)展新能源汽車的汽車強國戰(zhàn)略，開啟了中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)化新階段；2018年11月：全國政協(xié)召開“促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展”雙周座談會，一些委員建議研究制定面向 2035年新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，盡快明確分類別、分地區(qū)的禁售燃油車時間表，穩(wěn)定產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)期，開啟了新一輪戰(zhàn)略討論的序幕。
中國科學(xué)院院士、中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高以親歷者身份回顧和展望了中國新能源汽車技術(shù)路線的探索、實踐與創(chuàng)新過程，希望能夠?qū)π履茉雌囅乱徊桨l(fā)展戰(zhàn)略的制定提供參考。本文是從作者即將由科學(xué)出版社出版的專著《汽車動力系統(tǒng)學(xué)——電控發(fā)動機系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、混合動力系統(tǒng)》第一章：節(jié)能與新能源動力系統(tǒng)概論部分內(nèi)容改寫而成。力圖用盡可能通俗的語言，厘清與發(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體系中順利展開，促進我國新能源汽車更好更快發(fā)展，早日實現(xiàn)汽車強國目標。
全球新能源汽車發(fā)展演變歷程
1. 新能源汽車動力系統(tǒng)技術(shù)概念與發(fā)展歷程簡介
純電動是一種結(jié)構(gòu)比較簡單的動力系統(tǒng)，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在動力電池上。早在卡爾·本茨發(fā)明內(nèi)燃機汽車的半個世紀之前，人類就開始探索以蓄電池為能源裝置的純電動汽車。1900年，純電動汽車曾經(jīng)占據(jù)了美國汽車保有量的三分之一。但是由于動力電池技術(shù)的瓶頸約束，純電動汽車逐步淡出汽車市場，走過了艱難的歷程。鋰離子電池的發(fā)明與技術(shù)快速進步（如圖1所示）重新改寫了純電動汽車的歷史。2008年，僅有五年歷史的特斯拉汽車公司開始交付搭載鋰離子電池的純電動跑車Roadster，并在同年發(fā)布了純電動轎車Model S。Roadster與Model S媲美豪華燃油汽車的性能表現(xiàn)，推動了傳統(tǒng)汽車巨頭們在電動汽車賽道競爭的加速；同樣是在2008年，中國在北京奧運會期間頗具規(guī)模地示范運行純電動汽車也吸引了全世界目光的聚焦。2008年鋰離子動力電池在汽車上市產(chǎn)品中應(yīng)用，使純電動汽車真正成為日益成熟的主流汽車產(chǎn)品，并不斷擴大車型應(yīng)用范圍和市場份額。當然，鋰離子動力電池的動力性、耐久性和安全性還并不理想，需要持續(xù)改進提高，尤其是安全性更是重中之重。當前，動力電池的科技創(chuàng)新活躍、技術(shù)突破加速，以動力蓄電池為核心的純電動力系統(tǒng)潛力巨大、前景廣闊。
圖1 鋰離子電池的發(fā)展歷史
混合動力系統(tǒng)發(fā)明于19世紀末，興起則始于一百年后的20世紀末。1899年，在汽車工業(yè)起步之初，保時捷公司創(chuàng)始人費迪南德·保時捷制造了第一輛油電混合動力汽車Lohner - Porsche。1997年豐田公司量產(chǎn)型混合動力汽車Prius的問世，開啟了現(xiàn)代混合動力汽車時代。世界各大汽車公司不斷將混合動力車型投入量產(chǎn)，混合動力的浪潮持續(xù)升溫。2008年，比亞迪在中國開始銷售可以外接充電的混合動力轎車F3DM，這是全世界第一款量產(chǎn)的插電式（可以充電的）混合動力汽車。相比純電動系統(tǒng)，現(xiàn)代內(nèi)燃機混合動力發(fā)展百花齊放、種類繁多。一般而言，混合動力分為常規(guī)混合動力和可以外接充電的混合動力，常常簡稱為插電式混合動力。有別于常規(guī)混合動力汽車單一的能量來源，插電式混合動力汽車的能量來源包括了燃油與電網(wǎng)。插電式混合動力汽車外接充電后優(yōu)先使用電能（電量下降階段），當電池電量低于設(shè)定值后則進入常規(guī)混合動力模式（電量維持階段）。根據(jù)內(nèi)燃機在電量下降階段的工作方式的不同（取決于電池的容量和功率）分為混合型和純電型兩種類型。如果在電量下降階段，由于電池功率不足，內(nèi)燃機隨時啟動工作，直接輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或者帶動發(fā)電機給驅(qū)動電機供電，稱為“混合型”插電式混合動力(blend PHEV)；如果在電量下降階段內(nèi)燃機不啟動，車輛為純電動，則稱為“純電型”插電式混合動力(all electric range, AER PHEV)。根據(jù)在電量維持階段車輛能否達到全性能（取決于內(nèi)燃機功率的大?。?，“純電型”插電式混合動力又可分為城市型和全性能型兩種。全性能型的代表車型是通用Volt，城市型的代表車型是寶馬的i3。這是從外在功能劃分，如果從內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分，則有并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)三大類（以及許多小類）：（1）并聯(lián)是指電機和發(fā)動機并行給車輛提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。（2）串聯(lián)是相對并聯(lián)而言，指為車輛提供驅(qū)動力的機械通路是電機-變速器-車輪一條串聯(lián)通道。電功率流動的電路結(jié)構(gòu)其實是發(fā)電機組和電池組并聯(lián)給電機供電。內(nèi)燃發(fā)電機組的工作模式一般有兩種：發(fā)電直驅(qū)模式，或稱為負載跟隨模式。另一種是發(fā)電機組根據(jù)設(shè)定的電池電量值自動啟停。內(nèi)燃發(fā)電機組發(fā)電直接供應(yīng)給電動機的發(fā)電直驅(qū)模式早在半個世紀前就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鐵路電力傳動內(nèi)燃機車，以形成良好的牽引特性，俗稱“牛馬特性”——低速是牛，高速是馬。在汽車混合動力中，發(fā)電直驅(qū)模式可以提高效率但排放會變差。（3）混聯(lián)是串聯(lián)+并聯(lián)，可以是同時的串并聯(lián)，如功率分流，也可以是分時的串并聯(lián)。外在功能和內(nèi)在結(jié)構(gòu)兩方面結(jié)合起來，有很多種組合，如圖2所示，例如，純電型插電式混合動力采用串聯(lián)、并聯(lián)或者混聯(lián)結(jié)構(gòu)的車型都有。其中，采用串聯(lián)構(gòu)型的在我國稱為增程式電動汽車（根據(jù)國標GB19596-2017定義）。混合動力概念復(fù)雜，常常造成混淆，詳細分析可參考即將出版的《汽車動力系統(tǒng)學(xué)》第5章內(nèi)容。
圖2 多種類型的混合動力汽車
燃料電池的基本原理由英國物理學(xué)家William Grove發(fā)明于1839年。1992年加拿大巴拉德公司研制了88kW的汽車用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，開啟了燃料電池用作汽車動力的新階段。氫能燃料電池系統(tǒng)是一種將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，從這個角度上來說，燃料電池系統(tǒng)更加接近內(nèi)燃機?；蛘邷蚀_的說是與內(nèi)燃發(fā)電機組功能相同，本質(zhì)上是一個發(fā)電機。在燃料電池發(fā)展早期階段，燃料電池往往與驅(qū)動電機做成一個總成去替代內(nèi)燃機，其功能與一臺內(nèi)燃發(fā)動機完全相同。因此，帶驅(qū)動電機的燃料電池系統(tǒng)就稱為燃料電池發(fā)動機?，F(xiàn)在還有很多轎車公司仍然采用這種燃料電池與驅(qū)動電機一體化結(jié)構(gòu)，便于轎車布置。同時，由于燃料電池系統(tǒng)包括了燃料電池組（或稱燃料電池電堆）這一與動力電池相似的部分和空氣、燃料、冷卻系統(tǒng)等與內(nèi)燃機相似的部分，燃料電池發(fā)動機這個概念也經(jīng)常用于指不包括驅(qū)動電機的燃料電池系統(tǒng)（這一概念在國內(nèi)比較通用），如圖3所示是車用燃料電池發(fā)動機的典型代表之一——本田公司開發(fā)的最新一代轎車用燃料電池發(fā)動機。在2000年之前，一系列燃料電池概念車的出現(xiàn)預(yù)示著燃料電池汽車完成了原理驗證，其中較有代表性的車型有戴姆勒-奔馳NECAR1/2/3系列燃料電池概念車，通用的“自主魔力”燃料電池概念車等。早期的燃料電池汽車采用了純?nèi)剂想姵貏恿ο到y(tǒng)，但是燃料電池不具備吸收制動能量的能力，同時也不適應(yīng)劇烈波動的車輛負載，使得采用純?nèi)剂想姵貏恿ο到y(tǒng)的汽車性能表現(xiàn)不佳。針對以上問題，中國在國際上最早探索了燃料電池與動力電池的深度混合動力系統(tǒng)，并推動形成了國際主流的燃料電池汽車動力系統(tǒng)技術(shù)路線?，F(xiàn)在車用燃料電池動力系統(tǒng)均采用燃料電池與動力電池的電-電混合動力，與內(nèi)燃機混合動力中的串聯(lián)式混合動力相同，只不過內(nèi)燃發(fā)電機組改成了燃料電池系統(tǒng)。在2000年之后，燃料電池汽車進入了示范驗證階段。中國在2008北京奧運會首次開展燃料電池汽車示范運行并建立了首座加氫站。豐田公司在2015年開始銷售未來(Mirai)燃料電池轎車標志著燃料電池轎車進入商業(yè)化階段。2016年為中國燃料電池商業(yè)化元年。目前，中國燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)化處于世界前列。
圖3 本田公司最新一代燃料電池發(fā)動機
2. 國際典型新能源汽車研發(fā)思路與發(fā)展演變歷程
從總體發(fā)展歷程來看，新能源汽車動力系統(tǒng)技術(shù)路線經(jīng)歷了幾起幾落，多元化探索階段，現(xiàn)在已經(jīng)逐步步入正軌。在中國新能源汽車市場化迅猛發(fā)展的帶動下，全球汽車動力電氣化技術(shù)轉(zhuǎn)型趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)。美國、日本、德國等老牌汽車強國正在進入汽車動力系統(tǒng)電動化轉(zhuǎn)型發(fā)展加速期。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，從2016年開始，奔馳、寶馬等國際汽車巨頭都在大幅度的急劇轉(zhuǎn)型。新興造車企業(yè)、信息行業(yè)和能源行業(yè)等也加入到新能源汽車產(chǎn)業(yè)競爭的大潮中，從各自的視角詮釋了不同的發(fā)展模式。同時，又在相互競爭中相互學(xué)習(xí)并逐步相互融合。
從典型新能源汽車企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略來看，特斯拉公司的模式是高端切入，自上而下，以電動化為主體，逐步融合智能化和網(wǎng)聯(lián)化。其從豪華純電動跑車入門（Roadster），發(fā)展高端大型純電動轎車（Model S）和SUV（Model X），依靠強大的品牌效應(yīng)和影響力逐步下探緊湊型轎車市場，推出Model3這一標桿產(chǎn)品。從技術(shù)演進看，從電動化率先向智能化方向發(fā)展，特斯拉公司大膽推出了自動駕駛技術(shù)。該模式是新興造車企業(yè)尤其是從互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)進入新能源汽車行業(yè)所采用的一種典型技術(shù)路線，即純電動戰(zhàn)略——電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化。日本豐田公司是國際上全面開展新能源汽車技術(shù)研發(fā)的傳統(tǒng)汽車大公司之一，其混合動力和燃料電池等新能源汽車核心技術(shù)全球領(lǐng)先。豐田新能源汽車發(fā)展的技術(shù)路線核心是發(fā)動機技術(shù)優(yōu)先戰(zhàn)略——內(nèi)燃機、混合動力發(fā)動機、燃料電池發(fā)動機。該技術(shù)路線可以描述為：從先進燃油汽車、高效混合動力汽車到氫能燃料電池汽車的技術(shù)路線。具體的新能源動力系統(tǒng)研發(fā)思路是：以混合動力系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺，在該平臺基礎(chǔ)上分別發(fā)展插電式混合動力系統(tǒng)、純電動動力系統(tǒng)和燃料電池動力系統(tǒng)。其核心理念如圖4左所示。2018年豐田展示的新思路如圖4右所示，從中可以看出豐田技術(shù)路線的演化，即以核心部件為基礎(chǔ)平臺，混合動力和插電式混合動力、純電動、燃料電池并行發(fā)展并增加了智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)。在新能源汽車市場推廣與交通應(yīng)用適用性方面，豐田的思路演變?nèi)鐖D5所示。其基本思路是：純電動乘用車主要用于城市通勤，中遠距離的個人出行主要由常規(guī)混合和插電式混合動力車承擔，而對于長途重載運輸場合，燃料電池動力系統(tǒng)是卡車和公路客車的最佳選擇。圖5中右圖與左圖相比，主要變化是純電動汽車的應(yīng)用范圍大幅擴展。從兩家企業(yè)的技術(shù)路線的比較看，主觀上都是盡可能揚長避短，獲取競爭優(yōu)勢，但同時遵循技術(shù)演變與突破的客觀規(guī)律。這對我國新能源汽車技術(shù)路線的選擇提供了很好的借鑒。
圖4 豐田新能源汽車技術(shù)路線的演變
圖5 豐田新能源汽車應(yīng)用思路的發(fā)展演變
（文 / 歐陽明高，百人會《中國新能源汽車技術(shù)路線的回顧與展望》報告）
