第一章绪论 第一节新能源汽车的定义与分类 一、 新能源汽车的定义 根据我国汽车产业发展政策，国家发展和改革委员会公告［2007］第72号公布了《新能源汽车生产准入管理规则》，2009年在国家《汽车产业调整振兴计划》的指导下，工业和信息化部公告［2009］第44号公布了《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》。其中对新能源汽车做出了明确的定义： 新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术和新结构的汽车。 2012年4月28日国务院发布的《节能与新能源汽车产业规划(2012—2020年)》(以下简称《产业规划》)进一步明确区分： 新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车。本规划所指新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车。节能汽车是指以内燃机为主要动力系统，综合工况燃料消耗量优于下一阶段目标值的汽车。发展节能与新能源汽车是降低汽车燃料消耗量，缓解燃油供求矛盾，减少尾气排放，改善大气环境，促进汽车产业技术进步和优化升级的重要举措。 2015年5月19日国务院通过《中国制造2025》，提出坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，坚持“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标： 第一步，到2025年迈入制造强国行列。 第二步，到2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。 第三步，到中华人民共和国成立100年时，综合实力进入世界制造强国前列。其中节能与新能源汽车作为十大领域之一。中央政府提出： 继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展，掌握汽车低碳化、信息化、智能化核心技术，提升动力电池、驱动电动机、高效内燃机、先进变速器、轻量化材料、智能控制等核心技术的工程化和产业化能力，形成从关键零部件到整车的完整工业体系和创新体系，推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。 二、 新能源汽车的分类 根据《产业规划》，新能源汽车包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车等。 1. 纯电动汽车 纯电动汽车(electric vehicle，EV)是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。 纯电动汽车完全采用可充电式电池驱动，其基本结构并不复杂，电动发电机和车载电池是其中的关键部件，其中又以电池最为关键。其难点在于电力储存技术。 由于电力可以从多种一次能源获得，不必担心能源的日见枯竭，因此纯电动汽车具有广阔的使用前景，同时纯电动汽车无污染，低噪声，高能效，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个热点。目前，蓄电池单位质量储存的能量过少，充电后行驶里程不理想； 高储量的电池使用寿命较短，由于没形成经济规模导致使用成本高，难以实现商业化运营。 对于电动汽车产业化进程而言，目前最大的障碍就是基础设施建设、整车价格以及维修。与混合动力相比，电动汽车更需要基础设施的配套，而这需要政府投入，相关企业合作共同建设，才有可能大规模普及推广。近年来在我国，继铅酸蓄电池类的纯电动汽车技术发展较为成熟之后，其他蓄电池也有了长足的发展。 新能源汽车技术基础 第一章绪论 2. 插电式混合动力汽车 混合动力汽车是指由两种能量转换器提供驱动动力的混合型电动汽车，即使用蓄电池和副能量单元的电动汽车，其副能量单元实际上是一部燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组。目前，混合动力汽车多采用传统燃料的燃油发动机与电力混合。 插电式混合动力汽车(plugin hybrid electric vehicle，PHEV)是新型的混合动力电动汽车。插电式混合动力驱动原理、驱动单元与纯电动车相同，唯一不同的是车上装备有一台发动机。 插电式混合动力汽车又区别于传统汽油动力与电驱动结合的混合动力： 传统混合动力车的电池容量很小，仅在起/停、加/减速时供应/回收能量，不能外部充电，不能用纯电模式较长距离行驶； 插电式混合动力车的电池容量相对比较大，可以外部充电，可以用纯电模式行驶，电池电量耗尽后再以混合动力模式(以内燃机为主)行驶，并适时向电池充电。 按照动力系统结构的不同，混合动力汽车可以分为串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车。按照燃料种类的不同，又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。目前在国内市场上，混合动力汽车的主流是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。 插电式混合动力汽车是传统内燃机汽车与电动汽车相结合的产物，其关键技术是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。混合动力汽车最突出的优势就是其燃油经济性，可以按平均需用的功率确定内燃机的最大功率，使内燃机处于油耗低、污染少的最优工况下工作，一般比传统燃料汽车节约燃油30%~50%，可以显著降低排放； 同时电池可以方便地回收制动等工况时的能量； 从普及推广的角度需要建设充电桩，发动机直接利用现有的加油站设施，无须新的投资。 但是插电式混合动力汽车存在着价格高、续航里程不长、维修更换电池成本高等问题。目前，我国插电混合动力汽车技术发展较快，部分车型已处于技术成熟期。 3. 燃料电池电动汽车 燃料电池电动汽车是利用燃料电池，将燃料中的化学能直接转化为电能来进行动力驱动的新型汽车。 与混合动力汽车相比，燃料电池电动汽车完全不进行燃料的燃烧过程，而是通过电池直接将化学能转化为电能，依靠电动机驱动。与纯电动汽车相比，燃料电池汽车动力源主要是燃料电池，而不是蓄电池。燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍，电池化学反应过程不会产生有害产物，噪声低。因此从能源的利用和环境保护方面来看，燃料电池电动汽车是一种理想车辆，代表着清洁汽车未来的发展方向。 燃料电池电动汽车使用的燃料包括氢、甲醇、汽油、柴油等，国际上普遍采用的是高能量密度的液态氢。 近几年，虽然国际上在燃料电池技术方面已经取得了重大进展，但在燃料电池汽车开发中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化、整车集成、产业化、商业化等。我国燃料电池电动汽车的研究水平与日本等发达国家还有距离，但我国汽车科研单位在这一领域也有很好的积累，上海乘用车有限公司自主研发的燃料电池轿车正在示范运行。 但是燃料电池电动汽车现在面临氢的制取和液态氢的储存、运输两大难题，能否有效地解决这两大难题将影响燃料电池汽车的发展前景； 同时，燃料电池汽车的制造和维修成本也是制约燃料电池汽车产业化、商业化的重要因素。 4. 天然气汽车 天然气汽车是以天然气作为燃料的汽车，又称为“蓝色动力”汽车。按照天然气的化学成分和形态，分为压缩天然气汽车(CNG)、液化天然气汽车(LNG)和液化石油气汽车(LPG)三种。天然气汽车由于采用天然气为燃料，所以具有低污染、低成本、高安全性的特点，但动力性能较低，不易携带，而且一旦大规模投入使用，必须建立相应的加气站及为加气站输送天然气的管道，涉及城市建设规划、经费投入和环境安全等诸多因素，成本很高。 我国天然气资源丰富，天然气汽车技术发展较快，在气资源丰富的地区天然气汽车比较普及，截至目前，我国各大城市都建有各类加气站，城市公共交通、出租车大量使用各类天然气汽车。 5. 其他节能汽车 除了以上介绍的新能源汽车以外，还有以有机物质，如醇、醚为燃料的节能汽车。乙醇汽车用的燃料是乙醇汽油，乙醇汽车技术已经相对成熟，对传统内燃机发动机进行改动即可适应不同的乙醇汽油燃料。乙醇汽车在美国、巴西等乙醇资源丰富的国家发展较快。2017年国家发展改革委、国家能源局、财政部等十五部委联合印发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》。根据方案要求，到2020年，在全国范围都将推广使用车用乙醇汽油。 二甲醚汽车是用二甲醚作为压燃式发动机的燃料，使用方式有两种，一是将二甲醚作为点火促进物质； 二是将纯液态二甲醚进行直接燃烧。我国二甲醚汽车技术开发已经取得了重要进展，如上海汽车集团已经成功开发出二甲醚城市公交客车，并开始了试运行。 第二节汽车对环境及能源的影响 一、 汽车对环境的影响 近几年，我国汽车工业发展迅速，截至2018年年底，全国汽车保有量达2.4亿辆，比2017年增加2285万辆，增长10.51%。汽车工业飞速发展的同时，也给自然环境、人文环境及人类的生存和健康带来许多不利影响。 目前，内燃机汽车在国内外汽车市场上仍占绝大部分。汽车发动机燃烧燃料产生动力的同时排放出尾气。尾气的主要成分是二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和碳氢化合物(HC)，还有铅尘和烟尘等污染物以及一些固体细微颗粒物。 二氧化碳是导致大气温室效应的主要气体之一。当大气中二氧化碳含量升高时，会增强大气对太阳光中红外线辐射的吸收，阻止地球表面的热量向外散发，使地球表面的平均气温上升，产生温室效应。2009年世界二氧化碳排放总量就已超过300亿吨。目前，全世界二氧化碳的排放量超过350亿吨，其中汽车的排放量占10%~15%。汽车尾气排放物中的二氧化碳占废气总量的20%。据专家预测2030年二氧化碳排放量将超过400亿吨。图11所示为1980—2016年全球二氧化碳的排放量。 图11全球二氧化碳的排放量 汽车排放的二氧化碳会加速全球变暖，威胁人类生存环境。图12表示了2005—2014年间全球及中国二氧化碳排放总量的变化。由图可见，近几十年以来，全球及中国二氧化碳排放总量逐年增加，世界碳排放问题日益突出，形势日益严峻。据国际能源署统计，全球23%的二氧化碳来自于交通运输，可见汽车工业是影响碳排放量的一个重要因素。 图122005—2014年全球及中国二氧化碳排放总量的变化 2016年亚洲二氧化碳排放总量达到了174亿吨，是美国的2倍，是欧洲的3倍。在亚洲，2016年中国的排放占比超过了一半，其次是印度(12%)。根据《2018全球碳预算》报告，2018年全球二氧化碳排放将增长2.7%(不确定性范围为1.8%~3.7%)，刷新了全球碳排放的纪录。 我国已成为世界第一大二氧化碳排放国。因此，推广使用新能源汽车，减少二氧化碳排放量是国家节能减排的必然选择。二氧化碳排放主要来自于化石能源的燃烧，而现时中国使用的能源超过80%是化石能源——煤炭、石油、天然气，其中煤炭占绝大部分； 还有一些二氧化碳排放来自于石灰石(CaCO3)煅烧，这主要是在水泥生产时排出的。在中国，超过90%的能源消耗分布在三大领域： 工业和第三产业，建筑，交通运输。在工业领域，二氧化碳排放主要集中在重化工产业，即钢铁冶金、化工、水泥、玻璃、陶瓷、烧砖等，而这些产业的产品主要用于房屋建筑业、基础设施、出口等。图13是2000—2014年中国二氧化碳排放总量及增长率。图14是2005—2015年中国二氧化碳排放总量及同比增速。 图132000—2014年中国二氧化碳排放总量及增长率 图142005—2015年中国二氧化碳排放总量及同比增速 由图13和图14可见，随着中国工业化进程的快速推进，二氧化碳排放量逐年升高，但增长率已经回落，说明中国政府一系列节能减排政策已经生效，抑制了二氧化碳排放量的增长速度。期间中国汽车产量从2009—2018年连续10年居世界第一位，最高产量已经接近3000万辆。可见汽车的节能减排迫在眉睫。图15是近年中国汽车产量及增长率。 图15近年中国汽车产量及增长率 汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物对人类健康会产生直接危害。一氧化碳与血液中的血红蛋白结合的速度比氧快250倍，从而削弱血液向各组织输送氧的功能，危害中枢神经系统，造成人的感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍，重者危害血液循环系统，导致生命危险。氮氧化物和碳氢化合物在太阳紫外线作用下，产生一种具有刺激性的化学烟雾，其对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜。尾气中颗粒物成分很复杂，并具有较强的吸附能力，可以吸附各种金属粉尘、强致癌物质和病原微生物等。颗粒物随呼吸进入人体，会引起呼吸系统疾病及恶性肿瘤。 除了汽车尾气给环境带来的不利影响外，汽车在生产、使用至报废过程中都会造成环境污染。汽车制造过程中，塑料制件中使用的氟利昂破坏臭氧层，铅基涂料会造成铅污染，油漆溶剂的散溢也会造成污染等。汽车排入大气的碳氢化合物和氮氧化物等一次污染物，在阳光的作用下发生化学反应，生成臭氧、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯等二次污染物，参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物形成光化学烟雾，危害健康。修建公路、停车场和加油站占用大量耕地，破坏植被、造成水土流失，危害野生动物。汽车报废处理过程中会产生大量固体废弃物、废水、废油等，污染周边环境及地下水资源。 综上所述，鉴于汽车工业高速发展的同时给环境带来严重的负面效应，关注经济发展的同时提高节能环保意识，适时适度推广新能源汽车是当务之急。 二、 汽车对能源的影响 传统汽车工业以石油为燃料，对化石能源有巨大的需求和依赖。近年来中国汽车社会化进程加快，汽车产业迎来了跨越式的蓬勃发展时期。但是，汽车产量的急剧增长对能源的负面影响也越来越突出。 1. 中国能源储量及进口依赖度 中国虽然是世界能源资源大国，能源资源丰富，但由于中国人口众多，人均能源资源相对贫乏。 2018年自然资源部发布了《中国矿产资源报告2018》(以下简称《报告》)，《报告》显示： (1) 截至2017年年底，我国已发现矿产173种，其中天然气水合物为新发现矿种，煤炭、石油、天然气、锰矿、金矿、石墨等主要矿产查明资源储量增长。 (2) 2017年，全国油气勘查投资有所回升，非油气勘查投资继续下降。石油、天然气、页岩气剩余技术可采储量呈现增长趋势，但石油、天然气新增探明地质储量降至10年来最低点。石油与天然气开采业的固定投资自2010年以来低于煤炭开采和洗选业的固定投资，2017年两者的固定投资基本相同。 (3) 自2011年以来，煤炭查明储量的增幅保持在2%~4.5%，增速较缓。 (4) 2017年，我国探明地质储量超过亿吨的油田2处、超过500亿m3的天然气田3个。截至2018年4月底，我国页岩气累计探明地质储量已经超过万亿立方米。 (5) 石油、天然气剩余技术可采储量呈现增长趋势。石油剩余技术可采储量从2011年的32.4亿吨上升到35.42亿吨，天然气从40206.4亿m3上升到55220.96亿m3。 (6) 页岩气剩余技术可采储量也呈上升趋势。我国在2014年首次探明页岩气的地质储量(1068亿m3)，2014年，页岩气剩余技术可采储量为254.6亿m3。2017年，页岩气剩余技术可采储量较2014年增长6.79倍。不过，在新增探明地质储量方面，我国石油、天然气和煤层气呈现下降趋势。自然资源部矿产资源保护监督工作小组指出，2017年我国石油勘查新增探明地质储量从2012年的15.22亿吨降至8.77亿吨，天然气从9610亿m3降至5553.79亿m3，煤层气从1274亿m3降至104.8亿m3。其中，石油、天然气新增探明地质储量均降至近10年来的最低点。图16是近年我国石油进口及对外依存度。 图16近年我国石油进口及对外依存度 图17是我国近15年来原油需求量与同比增长率。 图17中国近15年来原油需求量与同比增长率 由图16可见，随着汽车工业的快速发展，我国石油进口依存度连年攀升，2017年突破65%，原油进口接近4亿吨。在石油消费总量上，我国已经成为仅次于美国的石油消费大国，能源问题显著突出。 2. 汽车增长对石油资源需求影响 近年来我国汽车产业发展迅速，已成为全球第一大汽车市场。2018年产销量双双突破2800万辆，保持全球第一，加上汽车保有量2.45亿，每年石油消耗量惊人。目前，我国人均GDP增加，各种消费结构升级是必然趋势，加之国家正处于工业化、城市化和机动化的重要阶段，汽车需求的快速增长不可避免，汽车化与石油消费的矛盾日益突出。图18是汽车成品油消耗走势。 图18汽车成品油消耗走势 三、 发展新能源汽车的重要性 如前所述，受环境、能源的制约，可持续发展成为汽车产业必须面对的战略问题，寻找和开发汽车新的能源以及新的汽车动力方式迫在眉睫。 20世纪90年代以来，尤其是进入21世纪以来，随着科学技术的进步，以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为代表的新能源汽车技术逐步涌现。随着国际能源供应的持续紧张、原油价格的持续上涨以及全球环境保护呼声的日益高涨，新能源汽车的技术研发和产业化发展受到了越来越多的重视，研发逐步成熟，尤其是向产业化、商业化逐步推广，以美国、欧洲和日本为代表的发达国家和以巴西为代表的发展中国家都积极展开了新能源汽车产业发展的实践。中国作为崛起中的大国，发展新能源汽车有着重大的现实意义和广阔前景。 近年来我国汽车工业发展速度很快，汽车的保有量增长速度非常明显，我国已经成为世界上汽车产业发展潜力最大的地区之一，而且在今后相当长的一段时期内，我国汽车产业仍将会保持一种较快的增长势头。随着汽车保有量的快速增长，温室气体排放大幅增加，能源问题日益严重，环境污染不断加剧，因此开发以新能源汽车为代表的节能环保汽车变得尤为重要。所以《节能与新能源汽车产业规划(2012—2020年)》和《中国制造2025》成为我国汽车产业发展的纲领性指导文件。 我国的可持续发展，仰赖能源的可持续发展，仰赖新能源的开发。长期以来，我国的工业呈粗放型经济增长方式，能源资源利用效率低下。按美元计算，我国现在每万美元GDP所消耗的能源数量是美国的3倍、德国的5倍、日本的近6倍。有资料显示： 中国1吨煤产生的效率仅相当于美国的28.6%，欧盟的16.8%，日本的10.3%。我国33种主要产品的单位能耗比国际平均水平高出46%。我国能源利用效率比发达国家落后20年，相差10~20个百分点。我国能源需求还在快速持续增长，传统能源的短缺和有限性凸显新能源开发的必要性和紧迫性。纯电动汽车和燃料电池汽车在汽车使用过程中能够实现零排放，并完全摆脱了对石油资源的依赖，这将成为我国新能源汽车发展的最终目标。 在此背景下，中国发展新能源汽车，不仅有利于降低对石油的依赖、保证我国的能源安全，也有利于我国的环境保护和可持续发展，并为我国汽车产业实现跨越式发展提供重要的战略机遇。 第三节汽车新能源概述 在能源短缺、环境恶化、生态平衡日益破坏的社会背景下，研究代用燃料问题已成为汽车产业实现可持续发展的必然选择。汽车新能源主要包括电能、氢能源、天然气、液化石油气(LPG)、醇类(甲醇、乙醇)燃料、二甲醚、太阳能、生物质能等，它们的优缺点及应用前景如表11所列。 表11汽车新能源的比较与展望 新能源主 要 优 点主要缺点或问题现状与前景 电能 1. 电能来源非常丰富，且来源方式多； 2. 污染及噪声很小； 3. 结构简单，维修方便 1. 蓄电池能量密度小，汽车续驶里程短，动力性较差； 2. 电池重量大，寿命短，成本较高； 3. 蓄电池充电时间长 1. 从总体看仍处于试验研究阶段，要完全解决技术上的难题并降低成本，还需要一定的时间； 2. 公认的未来汽车的主体 续表 新能源主 要 优 点主要缺点或问题现状与前景 氢气 1. 氢气的来源非常丰富； 2. 污染很小； 3. 氢的辛烷值高，热值高 1. 氢气生产成本高； 2. 气态氢能量密度小且储运不便，液态氢技术难度大，成本高； 3. 需要开发专用发动机 1. 仍处于基础研究阶段，制氢及储运技术有待突破； 2. 有希望成为未来汽车的重要组成，但前景尚难估量 天然气 1. 天然气资源丰富； 2. 污染小； 3. 天然气辛烷值高； 4. 天然气价格低廉 1. 建加气站网络要求投资强度大； 2. 气态天然气的能量密度小，影响续驶里程等性能； 3. 与汽油车比动力性低； 4. 储运有所不便 1. 在许多国家获得广泛使用并被大力推广； 2. 是21世纪汽车的重要类型 液化石油气 1. 液化石油气来源较为丰富； 2. 污染小； 3. 液化石油气辛烷值较高 面临天然气汽车类似问题，但程度较轻 1. 目前世界上液化石油气汽车的保有量达400多万辆； 2. 是21世纪汽车的重要品种 甲醇（乙醇) 1. 来源较为丰富； 2. 辛烷值高； 3. 污染较小 1. 甲醇的毒性较大； 2. 需解决分层问题； 3. 对金属及橡胶件有腐蚀性； 4. 冷起动性能较差 1. 已获得一定程度应用； 2. 可以作为能源的一种补充，在某些国家或地区可能保持较大的比例 二甲醚 1. 来源较为丰富； 2. 污染小； 3. 十六烷值高 面临与液化石油气类似的储运方面的问题 1. 正在研究开发； 2. 采用一步法生产二甲醚成本大幅下降后，可望有较好的发展前景 太阳能 1. 来源非常丰富，可再生； 2. 污染很小 1. 效率低； 2. 成本高； 3. 受时令影响 1. 正在研究； 2. 达到实用需相当长时间 生物质能 1. 来源丰富，可再生； 2. 污染小 1. 供油系部件易堵塞； 2. 冷起动性能差 可作为能源的一种补充，应用于某些国家或地区 表12、表13分别列出了典型代用燃料的主要性质和燃烧特性。可以看出，二甲醚的热值高于甲醇和乙醇，其中甲醇最低。这三种代用燃料与汽油相比都具有燃用可能性。甲醇和乙醇的爆炸极限宽于汽油，有利于发动机的可操纵性。 与柴油相比，二甲醚的十六烷值高于柴油，C比例较少，易于燃烧，而且自燃温度也低于柴油，这有利于发动机点火和起动。压缩天然气(CNG)是一种相当优良的代用燃料，其含C量低于柴油，含H量明显高于柴油。但是其自燃温度偏高，点火有些困难。 表12汽油代用燃料的主要性质 燃 烧 性 能二甲醚丁烷氢气甲醇乙醇汽油 分子式C2H6O C4H10 H2 CH3O C2H5O — 相对分子质量 46.07 58.13 2.02 52.04 46.7 91.4 熔点/℃ －24.9 -0.5 — — — — 液态密度/(kg·m-1) 668 610 71 769 — 750