1.1.1 国际新能源汽车发展现状分析

在能源危机、环境污染等社会问题日益凸显的今天，各国汽车生产厂商都把发展节能环保的新能源汽车作为提高产业竞争力、保持经济社会可持续发展的重大战略举措，特别是欧洲、美国、日本、韩国等国家和地区积极投入对新能源汽车的研究。

1．各国纯电动汽车发展现状分析

美国是开发研制纯电动汽车的先驱者，早在1976年7月，美国国会就通过了新能源电动汽车研发及样车试用的法令，拟以立法、政府资助和财政补贴等手段加快发展电动汽车。1996年通用公司首次推出纯电动汽车EV1，使用德科公司提供的铅酸蓄电池，最大续驶里程可达144km，最高时速为128km。但由于售价昂贵、续驶里程短及充电时间较长等原因，通用EV1在短暂的投放市场后就已经停产。通用对电动汽车的研发引起了历史上人们又一次对电动汽车的重视，开启了近几年多元化纯电动汽车发展的浪潮。图1-6所示为通用EV1纯电动汽车。

特斯拉公司于2003年在美国加利福尼亚州硅谷成立，开始对电动汽车的研究，也给世界各大传统内燃机车企业带来了压力。特斯拉于2008年推出首款电动汽车Roadster时，就已经获得人们的高度关注，续驶里程可达394km，百公里加速3.7s。随后，特斯拉Model S和Model X也相继亮相，Model S是世界上首款双电动马达汽车，搭载松下18650锂电池，续驶里程可达507km，最高时速可达249km，启动时2.5s可达到时速96km。此外，特斯拉Model 3也开始量产，作为豪华电动汽车制造商，特斯拉引领了世界电动汽车行业的发展。图1-7为特斯拉Model S纯电动汽车。

对环保一直比较重视的欧洲国家也在大力发展纯电动汽车，2016年电动汽车销量达50万辆，领跑电动汽车市场。雷诺ZOE纯电动汽车因其小型轻便、租赁方式灵活、售价便宜等特点受到欧洲人的喜爱，2016年新款雷诺ZOE电动汽车对动力系统进行升级，采用LG高能量密度电池，减轻了整车质量，最高续驶里程可达320km。图1-8为雷诺ZOE电动汽车。

在纯电动汽车如火如荼的发展过程中，德国宝马也顺应市场与政策的需求，于2013年推出首款纯电动汽车——宝马i3，如图1-9所示。作为一款豪华纯电动汽车，2017款升级版宝马i3纯电动汽车搭载能量密度更大的电池组，续驶里程可达到450km。与此同时，宝马将继续扩大纯电动汽车的生产，将于2019年生产出MINI的首个纯电动汽车，并将于2020年再生产出一款宝马X3纯电动车车型，这两款车型都将会在德国莱比锡工厂生产制造。此外，宝马还将在2021年生产“宝马iNEXT纯电动”车型，该车型将在位于德国丁戈尔芬的工厂生产。

在政府及车企的大力推动下，日本国内电动汽车市场业发展突飞猛进，作为全球最畅销的电动汽车和世界第一款经济型零排放汽车，日产聆风（LEAF）作为日产旗下的经典车型，已成为全球销量最大的纯电动汽车，从2010年年底上市截至2017年7月，聆风的全球销量已经突破28万辆。2018款聆风已加入快充功能，并搭载两种模式的充电接口，其快充接口充电至80%只需40min，慢充接口利用3kW充电器充电需16h，而利用6kW充电器充电只需8h。此外，2018款日产聆风还提供了V2G（车对电网）功能，所有的车辆都可以接入电网，并对电网反向输出电能，同时还配备了xStorage储能系统，更加节能经济，如图1-10所示。

2．各国插电式混合动力汽车发展现状分析

插电式混合动力汽车（PHEV）是一类新型混合动力汽车，它介于纯电动汽车（BEV）与普通混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle, HEV）之间，由于具有纯电续驶里程较长、能提高燃油经济性、降低排放、利用夜间用电低谷对动力蓄电池进行充电等优势，插电式混合动力汽车已成为新能源汽车的主流发展方向之一。根据插电式混合动力系统结构形式的不同，可以分为串联式混合动力、并联式混合动力、混联式混合动力和双模式混合动力四种类型。

1）串联式混合动力系统

插电式串联混合动力汽车，也称为增程式电动汽车，相当于对纯电动汽车增加一套增程装置，其串联式混合动力系统的结构如图1-11所示，主要由一个驱动电机，一套由内燃机、发电机构成的增程装置，传动装置，电机控制器，动力蓄电池组和外部充电接口等组成。该混合动力系统结构的主要特点是：驱动电机是驱动车辆的唯一动力源，电机控制器将动力蓄电池组储存的电能和内燃机带动发电机发电产生的电能以电耦合方式实现动力耦合，最终通过驱动电机驱动车辆行驶。

串联式混合动力系统，由于内燃机和车轮之间不存在机械连接，因此能独立于汽车的行驶状态，对内燃机的运转模式进行控制调节，使内燃机可以总是运转在低油耗的高效工作区域，同时降低排放；由于电动机低转速时转矩大、高转速时恒功率的特性很适合汽车牵引的需求，因此可以大大减少变速器挡位，使传动系统结构得以简化；由于串联混合动力系统机械结构简单，控制策略也相对较简单。但是由于内燃机输出的动力需要经过发电机和动力蓄电池的多次能量转化才能到达驱动轮，使得汽车在高速巡航时的油耗反而偏高，降低了整体的燃油经济性。而且由于驱动电机是唯一的动力源，所以需要采用功率和尺寸较大的驱动电机、发电机和动力电池，从而增加汽车的成本和质量。

2）并联式混合动力系统

插电式并联混合动力系统由两个或多个独立的驱动系统进行联合，且每个驱动系统至少与一个车载能源连接。按驱动系统联合方式的不同，并联混合动力系统可分为单轴并联式、双轴并联式和单个驱动系统联合式3类。

典型的双轴并联混合动力系统结构如图1-12所示，主要由驱动电机、内燃机、动力耦合机构、传动装置、电机控制器、动力蓄电池组和外部充电接口等部件组成。该混合动力系统结构的主要特点是具有两个相对独立的驱动系统，即内燃机驱动系统和电机驱动系统，两个驱动系统既可以各自单独工作来驱动车轮，也可以联合驱动，以机械方式实现动力耦合。

插电式并联混合动力系统，由于车速较低时可以采用纯电动单独驱动模式，车速较高时可以采用内燃机单独驱动模式，且内燃机输出的动力可直接用来驱动车辆，能量转换次数少，整体燃油效率较高；与串联结构相比，并联结构可采用功率相对较小的驱动电机和动力电池组，且省去了专门的发电机，从而减少了汽车的成本和重量。但是由于并联式混合动力系统内燃机与驱动轮之间存在机械连接，在与驱动电机联合驱动车辆时，由于缺少发电机的调节，内燃机不可能总是运转在高效率的工作区域，使内燃机的效率得不到充分利用。

3）混联式混合动力系统

混联式混合动力系统主要包括开关式混合动力系统和功率分流式混合动力系统，功率分流式混合动力系统的结构如图1-13所示。该插电式混联式混合动力系统主要由内燃机、电机1、电机2、行星齿轮动力分配机构、电机控制器、传动装置、动力蓄电池组和外部充电接口等几个部件组成。该混合动力系统的特点是利用一个单排行星齿轮机构将内燃机和两个电机的动力耦合在一起。单排行星齿轮结构可以实现无级变速器，使整个动力系统效率较高，尤其是在城市驾驶循环工况。该混合动力系统最大的弱点是其恒定的扭矩分配导致汽车在高速巡航时动力系统效率较低。

4）双模式混合动力系统

插电式双模式混合动力系统是由串联式、并联式和混联式这三种基本运行模式中的任意两种模式组合起来构成的，最典型的插电式双模式混合动力系统由串联系统和并联系统组合而成，其结构如图1-14所示。该插电式双模式混合动力系统主要由主驱动电机、内燃机、ISG电机、动力耦合机构、传动装置、电机控制器、动力蓄电池组和外部充电接口等几个部件组成，其鲜明特点是运用了双离合器，通过双离合器的开合情况，可分别呈现出串联和并联的结构形式。此混动系统可充分利用双离合器，根据混动系统的最佳效率来决定系统工作在串联模式还是并联模式，从而使整车实现较高的燃油经济性并减少尾气排放。该结构的缺点是系统包含两套电机和两个离合器，相对复杂，其工作模式和控制策略也比较复杂。双模式混合动力系统凭借两个离合器，使系统多个能量源更加便于灵活组合和控制，比并联式和串联式具有更多的运行模式。

2010年年底，雪佛兰沃蓝达增程式电动汽车在美国上市，该车型采用串联插电式混合动力系统，搭载一台1.4L小排量高效发动机、70kW驱动电机和53kW发电机，同时配备能量为16kW·h的锂离子动力电池，其动力系统可提供110kW的最大功率和370N·m的最大转矩，纯电模式续驶里程可达64km。2015年第二代沃蓝达采用LG化学提供的全新锂离子电池组，电池容量达到18.4kW·h，更大容量的电池组及更轻的重量使第二代沃蓝达纯电动汽车行驶里程达到85km。此外，第二代沃蓝达采用双电机结构，输出功率分别为87kW和48kW，峰值扭矩达到398N·m，同时采用1.5L自然吸气发动机，最大功率为75kW，因采用串联式混动模式，这台发动机在任何情况下都不会直接参与工作，只在长途行驶过程中，电池电量降低到特定位置时，车辆便会自动启动发动机为电池组充电，然后再通过电动机驱动汽车行驶。因此在任何工况下，发动机都是在一个最经济的转速下为电池提供电力，尽最大限度降低发动机的油耗。图1-15为第二代沃蓝达插电式混合动力汽车。

2017新款福特蒙迪欧采用并联式混动模式，搭载2.0L四缸双涡流涡轮增压式发动机与电机，百公里油耗可降低至4.2L，同时配备7.6kW·h锂离子电池组，百公里加速时间9.33s，在加满油和电池组充满电的情况下，续驶里程可达980km，如图1-16所示。

通用公司欧宝Ampera插电式混合动力汽车，搭载1.4L汽油发动机和30kW的ISG（Integrated Starter Generator）电机，其动力系统的总输出功率为111kW，峰值扭矩为370N·m，百公里加速时间为9s，最高车速为161km/h。在纯电动模式下可行驶80km；如果采用混合动力模式，则最大行驶里程为500km。Ampera包含4种驾驶模式，“正常模式”可以满足日常的混合驾驶需求，“运动模式”可以体验更好的驾驶乐趣；“山路模式”可以根据地势调整电池系统的供电大小。此外，“城市模式”还可以进行更好的再生制动，如图1-17所示。

德国政府在2008年11月提出未来10年普及100万辆插电式混合动力汽车和纯电动汽车的计划，2010年启动4.2亿欧元的车用锂电池开发计划，目前德国汽车企业不断加强与电池企业的合作，使动力电池技术研发和产业化进程明显加快。此外，欧盟在2009年上半年发放70亿欧元贷款，支持汽车制造商发展新能源汽车。目前，欧洲各大汽车厂商分别推出了插电式混合动力汽车。

沃尔沃V60插电式混合动力汽车采用柴油机和电机进行混合，在混动驾驶模式（NEDC驾驶工况）下，百公里油耗为1.8L；在纯电动驾驶模式下，汽车最多可行驶50km；在一般情况下，蓄电池全部充满需要7.5h，快速充电仅需3h；在功率模式下，总输出功率为210kW，最大扭矩为640N·m，百公里加速时间为6.1s，如图1-18所示。

宝马Vision Efficient Dynamics插电式混合动力汽车，搭载两台电动机和一台涡轮增压柴油机；最高车速为250km/h，百公里加速时间为4.8s；纯电动续驶里程为50km，百公里平均油耗为3.76L，二氧化碳排放量为99g/km。使用220V电源充电，充满时间为2.5h；使用380V电源充电，充电时间则可缩短为44min，如图1-19所示。

奥迪A3插电式混合动力汽车搭载1.4L TFSI发动机（最大功率为110kW、最大扭矩为250N·m/1750～4000rad/min）、ISG电机（峰值功率为75kW）及8.8kW·h的锂离子电池组，动力系统总功率为150kW，扭矩为350N·m，同时配备了六挡DCT双离合变速器和总容量为8.8kW·h的锂离子电池组，纯电动行驶里程为50km，总续航里程为940km，百公里油耗为2.5L，如图1-20所示。

奔驰S500插电式混合动力汽车搭载了由3.0L V6涡轮增压发动机和电动机组成的混合动力系统。其中发动机最大输出功率为245kW，最大扭矩480N·m，电动机峰值功率为80kW，最大扭矩为340N·m，百公里加速时间为5.5s，最高车速为250km/h，百公里平均油耗为3L，二氧化碳排放量为29g/km，如图1-21所示。

3．各国燃料电池汽车发展现状分析

燃料电池汽车作为新能源汽车的主要发展方向，全球各大车企也都布置了重要的发展战略。在德国，奔驰和奥迪于2016年分别推出各自的氢燃料电池概念车，续驶里程分别为500km和600km，其中奔驰与福特联合开发的GLC fuel-cell已于2017年上市，前期投放于日本和美国加州；在美国，通用和本田合作，在密歇根州建立工厂，为燃料电池汽车推出下一代推进系统；在欧洲，有13家公司联合成立氢理事会，并表示每年将共同投资超过10亿美元，以帮助加速燃料电池技术的发展；韩国现代集团也公布了下一代燃料电池计划，将于2018年推出搭载第四代燃料电池技术的车型。

美国通用旗下的欧宝汽车早在2008年研发的HydroGen4燃料电池汽车，其动力源是由PEMFC与镍氢电池构成的，燃料电池系统由440组燃料电池构成，镍氢电池可用于制动能量回收，装备了3个碳纤维储氢瓶，总共储氢4.2kg，续驶里程达320km。另外，其新一代HydroGen4燃料电池汽车每辆催化剂铂的使用已减少为30g，鉴于目前铂的价格昂贵，这样使FCEV的制造成本得到了进一步降低。图1-22为欧宝HydroGen4燃料电池汽车内部结构图。

在欧洲，欧盟相关部门正在每个城市积极推动质子交换膜燃料电池公交车（PEMFC BUS）示范运营，使该技术得到了快速发展。德国奔驰公司在2011年推出的全新B级燃料电池汽车，采用一体型较小的质子交换膜燃料电池，并配备辅助能源锂离子电池组。每次充满燃料仅需3min，能够续驶400km，而且质子交换膜燃料电池的循环寿命超过10000h。此外，奔驰还将推出全球首款插电式燃料电池汽车——梅赛德斯GLC F-CELL，新车将采用插电式燃料电池技术，车载锂离子电池组可使新车在纯电动模式下续驶达48.2km。此外，新车还配置有两个由碳纤维复合材料所包裹的储氢罐，单罐可容纳超过4kg的氢燃料，而每次充满燃料罐的时间仅需3min。此外，在锂离子电池组和氢燃料的共同作用下，新车的最大续驶里程有望突破500km。图1-23为梅赛德斯GLC F-CELL插电式燃料电池汽车。

从全球范围看，日本和韩国燃料电池汽车的研究水平处于全球领先水平，尤其是丰田、日产和现代汽车公司，在燃料电池汽车的耐久性、寿命和成本方面逐步超越了美国和欧洲国家。

日本丰田公司在燃料电池汽车的发展上一直处于世界最前沿，它开发的Mirai燃料电池汽车已于2014年年底在日本成功上市。如图1-24所示，它采用传统的三厢造型，一台电动机，配备了两个70MPa的高压燃料堆，最大功率为99.96kW，并且3min即可注满氢气，能够续驶502km，百公里加速时间为10s。

本田汽车早在1999年就已经在东京车展上展示了第一辆名为FCX的燃料电池汽车，并于2002年在美国加州和日本进行租售式发售，是世界上第一辆官方认证的燃料电池汽车。随着燃料电池技术的不断发展，本田于2016年3月发布新一代燃料电池汽车——CLARITY FUEL CELL，如图1-25所示。其最大续驶里程达750km，采用两个储氢罐，分别布置在后排座椅下方及后方，储氢罐总容量为141L，可存放5.0kg高压氢，填充压力为70MPa，储氢罐以35MPa压力加满氢只需6min，以70MPa压力加满氢只需3min。此外，它采用的电机功率达130kW，最大转矩为300N·m。

2014年，现代起亚汽车集团投资5万亿韩元（约合298亿元人民币）用于氢燃料电池等新能源技术的研发，同时研发人员增长30%，达到13000人，并且还推出了多款新能源车型。其中燃料电池汽车“ix35”已在欧洲市场推出，图1-26所展示的车型即是现代FCEV ix35。该车利用氢作为驱动电机的动力来源，最高车速为160km/h，从静止加速到100km/h只需12.5s，加满氢后可续驶588km。