新能源汽車技術發展與趨勢綜述

１　新能源汽車理論綜述與發展現狀分析
１．１　新能源汽車理論綜述
新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源（或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。
新能源汽車按照使用范圍可以分為以下幾類：
（１）純電動汽車：純電動汽車（Ｂａｔｔｅｒｙ?。牛欤澹悖簦颍椋恪。郑澹瑁椋悖欤澹┦且攒囕d電源為動力，以電動機為單一驅動源的汽車，純電動汽車的電力系統主要由動力電池、驅動電機和電驅控制器等部件組成，由于純電動汽車沒有發動機、多齒比變速箱，使用價格較低的電力作為動力源，與傳統燃油車相比具有使用成本低、駕乘體驗舒適、后期保養便捷等明顯優勢，缺點是續航里程短、充電時間長，主要適用于市區內通勤，代表車型有特斯拉Ｍｏｄｅｌ?。?、日產聆風、比亞迪ｅ６。
２０１６年純電動汽車銷量達到４９．２８萬輛，占到了新能源汽車總銷量的６４％，純電動汽車已經成為新能源汽車銷量的主力，在新能源汽車的推廣過程中發揮著重要的不可替代作用，是新能源汽車未來的主要發展方向。
（２）插電式混合動力汽車：插電式混合動力汽車（Ｐｌｕｇ－ｉｎ?。龋猓颍椋洹。牛欤澹悖簦颍椋恪。郑澹瑁椋悖欤澹┦窃趥鹘y燃油車的基礎上加裝一套電力驅動系統，插電式混合動力汽車的電力驅動系統與純電動汽車*相同，由于在相同體積的燃油車內同時存在燃油驅動系統和電力驅動系統，電池容量比純電動汽車小，發動機性能比燃油車弱，但可以將兩套驅動系統組合疊加使用，以達到更高的性能和更長的續航，也可以單獨使用電力驅動系統，以達到節能效果，缺點是由于存在兩套驅動系統，結構比燃油車和純電動汽車更復雜，增加了車輛自重，在虧電狀態下油耗高、駕乘體驗差，代表車型有寶馬ｉ８、比亞迪唐。
插電式混合動力汽車很好地解決了純電動汽車續航短的問題，可以用于遠距離出行，同時因為有發動機，在充電時間過長的情況下可以使用汽油代替，大大縮短了能源補給時間，是在現階段純電動汽車技術瓶頸時期的理想過渡車型，插電式混合動力汽車在相當長的時間里仍然會成為新能源汽車推廣過程中*的重要力量。
（３）常規混合動力汽車：常規混合動力汽車（Ｈｙｂｒｉｄ?。牛欤澹悖簦颍椋恪。郑澹瑁椋悖欤澹┡c插電式混動動力汽車同樣擁有燃油和電力兩套驅動系統，不同的是常規混合動力汽車沒有充電口，不能外接電源充電，主要是通過發動機驅動發電機發電，與插電式混合動力汽車一樣，可以使用單獨燃油或電力驅動系統，也可以將兩套驅動系統組合使用，代表車型有豐田普銳斯、本田雅閣混動版。
常規混合動力汽車不需要外接電源，充電便捷，油耗顯著低于傳統燃油車，在新能源汽車發展初期發揮了重要作用，但由于無法單獨脫離發動機使用，節能效果一般，同時隨著充電設施的逐步完善和更加節能的插電式混合動力汽車的快速發展，常規混合動力汽車發展緩慢，加之目前部分國家和地區把此類車界定為傳統燃油車，沒有優惠政策和資金補貼，使常規混合動力汽車處境艱難。
（４）其他新能源汽車：包括增程式電動車、氫燃料汽車、太陽能汽車等，這些汽車因為技術和推廣方面的原因，適用范圍窄，某些車型甚至尚處于試驗階段，沒有投放市場，占新能源汽車整體規模的比例很低。
１．２　新能源汽車的特點與優勢
與傳統燃油車相比，新能源汽車具有以下幾個顯著優點：
（１）節能環保，使用成本低。
目前大部分新能源汽車都是使用電能作為動力源，少部分使用氫燃料、太陽能等清潔能源，相對于傳統汽車使用的汽油或天然氣，電能具有價格低、*等顯著特點，可以達到節約能源、保護環境的作用，順應目前各國政府和民間倡導的減排倡議，減少對地球環境的破壞，更好地改善大氣環境，同時，對于消費者來說，新能源汽車的能耗大大低于傳統燃油車，相同里程的花費僅相當于燃油車的約五分之一，使用成本較低。
（２）駕駛乘坐體驗上佳。
由于純電動、氫燃料、太陽能汽車的驅動系統沒有發動機和多齒比變速箱，在行駛過程中沒有ＮＶＨ（噪聲、振動與聲振粗糙度）和多齒比變速器換擋時的頓挫感，同時所需能源都為電能和清潔能源，不會產生刺鼻氣味，整個駕乘過程平順、舒適、安靜，可以給駕駛者和乘客上佳的駕乘體驗，要遠好于燃油車，即使是混合動力汽車，由于一般沒有單獨的燃油模式，隨時需要電力驅動系統的介入，駕乘體驗也要好于燃油車，在跟車拍攝、運輸易碎物品等特殊情況下可以較好地保證車輛平穩，實用性強。
（３）結構簡單，后期保養便捷。
由于純電動、氫燃料、太陽能汽車的驅動系統沒有發動機和多齒比變速箱，只有新能源驅動系統，內部結構相對簡單，制造難度大為降低，混合動力汽車雖然相對燃油車結構更復雜，但因為可以單獨使用電力驅動系統，在市區通勤的情況下，基本可以當作純電動汽車來使用，由于結構簡單，相對于燃油車繁瑣的后期保養，新能源汽車的保養十分便捷，僅需要更換必要的部件即可，此外，新能源汽車的保養周期比傳統燃油車更長，保養次數更少，節省使用者的費用、時間和精力。
１．３　新能源汽車的發展現狀
新能源汽車發展已有２００多年的歷史，全一輛*的電動汽車是由英國人羅伯特·戴維森在１８７３年發明，甚至早于德國人卡爾·本茨發明的內燃機汽車，１９世紀末２０世紀初是電動汽車發展的黃金期，當時電動汽車占到了汽車整體保有量的５０％以上，然而隨著石油的大規模開采和內燃機技術的突飛猛進，加之電動汽車在技術方面發展緩慢，燃油車逐漸占據汽車的主導地位，電動汽車發展幾乎停滯不前，逐漸被邊緣化，到了２０世紀末，連續經歷兩次石油危機使汽車企業重新開始發展以電動汽車為首的新能源汽車，１９９２年通用汽車推出了純電動汽車ＥＶ１，開啟了新能源汽車發展的新篇章，此后，１９９７年豐田推出了一款混合動力汽車普銳斯，２００３年單一量產純電動汽車企業特斯拉（Ｔｅｓｌａ）成立，并在之后推出多款的電動汽車，新能源汽車自此進入到了一個快速發展期，２０１７年新能源汽車銷量１２２．４萬輛，較２０１６年同比增長５８．１４％，占整體汽車市場的份額大約為１．３２％，雖然汽車銷量整體比例仍然很低，但是增速遠高于傳統燃油車，潛力巨大。
２　新能源汽車產業技術發展趨勢研究
新能源汽車在性能、節能、駕乘體驗等諸多方面具有顯著優勢，產業發展十分迅速，在短短的數年時間里已經在汽車整體市場中占有了自己的一席之地，但是從整體占比上看依然較低，同時，新能源汽車企業目前在電池續航、成本控制、結構設計等技術領域遇到了發展瓶頸，正在試圖研究創新，尋求技術上的突破，一旦成功地解決了目前的發展困境，新能源汽車產業會迎來更加快速的發展，能源汽車未來的發展方向主要包括以下幾方面。
２．１　動力電池技術
動力電池的主要功能是儲存電能，傳輸給電機，轉化為動能，從而驅動車輛行駛，是新能源汽車的能量和動力來源，在生產成本方面，動力電池的造價會一般占到整車造價的１／３甚至是一半，是新能源汽車重要和成本高的核心組成部分，動力電池的技術水平和產品質量往往決定了新能源汽車整車的技術水平和產品質量，電池的能量密度、使用壽命、安全保障等方面很大程度上決定了消費者對新能源汽車的購買意愿，目前動力電池相關新技術在以下幾方面快速發展。
２．１．１　全固態鋰電池
全固態鋰電池是相對液態鋰電池而言，是指結構中不含液體，所有材料都以固態形式存在的儲能器件。具體來說，它由正極材料＋負極材料和電解質組成，而液態鋰電池則由正極材料＋負極材料＋電解液和隔膜組成，固態電池的電解質為固態，具有的密度以及結構可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導更大的電流，進而提升電池容量，同樣的電量，固態電池的能量密度更高，體積將變得更小。目前在乘用車和車市場，三元鋰電池占據了主流位置，單體能量密度大致在１２０－１４０Ｗｈ／ｋｇ；在客車市場，磷酸鐵鋰電池占據了大部分*，單體能量密度可以達到１３０－２２０Ｗｈ／ｋｇ，純電動汽車目前的續航里程普遍在３００－５００公里。相同體積的固態電池的能量密度在４００Ｗｈ／ｋｇ左右，高可達６００Ｗｈ／ｋｇ，是目前動力電池能量密度的４－５倍，意味著電量將以相同的倍數增加，續航里程比之前大幅度提升，預計會是目前續航里程的數倍甚至是１０倍，將達到上千甚至是數千公里，屆時“里程焦慮”的困擾將會大大緩解，新能源汽車的續航里程也會大幅度超越燃油車，實現更遠距離的行駛，從根本上解決目前阻礙新能源汽車發展的續航里程短的問題。

圖１　電池技術發展階梯圖
全固態鋰電池是未來電池技術的主要發展方向，可以在相同體積的條件下實現更長的續航里程，在相同續航里程的條件下實現更小的體積，目前主要新能源汽車和動力電池企業包括比亞迪、寧德時代、沃、豐田汽車等都在積極研發固態電池，但是受限于當前較高的技術難度和昂貴的制造成本，固態電池的研發進度比較緩慢，還沒有開始在新能源量產汽車上使用，相信一旦技術上有所突破，固態電池在不遠的未來會在新能源汽車領域大規模使用，替代現有電池。
２．１．２　氫燃料電池
氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極，它是通過電化學反應，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲能（蓄電池）方式，氫燃料電池只會產生水和熱，所以，氫燃料電池是*的清潔排放，對環境是真正的*，此外，氫燃料電池續航里程較長，補給燃料時間較短，一般充滿氫僅需３－５分鐘，相較于插電式電池充電時間大幅度縮短，可以節省更多時間，這些優勢使氫燃料電池非常適合長距離長時間行駛的新能源汽車使用。
目前氫燃料電池已經開始在客車、車等車型上應用，在商用車上的應用前景十分廣闊，目前主要的客車和乘用車企業包括宇通客車、上汽集團、豐田汽車、現代汽車等都在積極研發氫燃料電池，但由于氫燃料獲取成本高，同時需要有的加氫站，占地面積大，無法在停車場安裝加氫設備，易用性方面與插電式汽車有較大差距，國內目前僅有５座的氫燃料汽車加氫站，數量極少，并且某些不對外開放，導致現階段氫燃料汽車的能源獲取十分困難和不便，氫燃料電池仍需較長時間加大力度推廣普及。
２．１．３　太陽能電池
太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光伏電池”，是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片，太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能，太陽能電池早是用于工業發電，后來隨著生產成本的降低和轉化率的提高，光伏產品開始廣泛用于家庭發電，走進廣大普通百姓家中，目前，光伏產品的使用已經成為許多家庭日常生活的一部分。
由于太陽能電池是通過吸收自然光作為能量來源，轉化為電能驅動車輛行駛，轉換過程不受時間、空間限制，而且能源成本為零，因此，相對于鋰電池和燃料電池在能源獲取需要的空間和時間方面具有不可比擬的巨大優勢，太陽能汽車真正實現了隨時隨地免費地獲取能源，可以從根本上解決新能源汽車充電難、充電慢的問題，*１輛太陽能汽車可以追溯到２０世紀７０年代末，但是由于太陽能電池能量轉化率低，同時需要電池板裸露在車身外，易破損，加之太陽能電池薄膜的成本較高，導致太陽能汽車普及推廣一直停滯不前，沒有實現量產，不過，目前已有特斯拉、漢能集團等企業仍在積極研發太陽能電池，未來太陽能電池汽車實現量產指日可待。
２．１．４　無線充電和換電池技術
“里程焦慮”是目前消費者對新能源汽車購買的主要顧慮，究其原因主要是現階段電池能量密度技術提升較慢，續航里程不高，無法滿足消費者的需求，在電池本身能量密度沒有突破性提高的現狀下，需要改良現有的充電方式，來間接提升續航里程，解決“里程焦慮”問題，而無線充電和換電池技術就是在這種大背景下產生的。
無線充電技術是無需要線纜的一種充電技術，可以分為小功率無線充電和大功率無線充電兩種方式，小功率無線充電常采用電磁感應式，如對手機充電的Ｑｉ方式，目前已經開始在部分手機產品上應用；大功率無線充電常采用諧振式，由供電設備（充電器）將能量傳送至用電的裝置，該裝置使用接收到的能量對電池充電，并同時供其本身運作之用。大功率無線充電技術目前主要是應用在電動汽車的無線充電方式上，無線充電由于沒有了線纜的束縛，相較于有線充電更加方便，車輛可以在無線充電板上靈活自由停放，不受周邊環境的限制，同時，無線充電沒有機械磨損，也避免了有線充電由于線纜接觸不良出現的故障，安全性進一步提高，使用壽命得以延長。
目前，包括奧迪、奔馳、寶馬、豐田、沃爾沃等汽車企業都在積極研發無線充電技術，其中奧迪已經在部分車型上使用了這項技術，除了靜態無線充電，光伏企業也在積極研發動態無線充電道路，使電動汽車可以在道路行駛的過程通過鋪設在道路上的無線充電裝置充電，真正實現隨時隨地獲取能源，*解決“里程焦慮”的后顧之憂，２０１７年１２月２８日，首條光伏公路在山東省濟南市建成，光伏路面可將太陽能轉換為電能，再由路面下的電磁感應線圈為電動汽車無線充電，真正實現了能源的無限獲取，但是由于目前無線充電和光伏公路只是試驗階段，還沒有真正的大規模應用，無線充電真正普及尚需時日。
除了“里程焦慮”之外，充電時間過長也是制約消費者購買新能源汽車的一大因素，雖然目前已經有快充技術在逐步改善，但與燃油車的加油時間相比，仍然過長，時間成本高，而在充電速度無法大幅度提升的現狀下，換電池技術可以有效解決續航里程問題，換電池技術就是將新能源汽車駛入的換電站，通過裝置將現有電池卸載，將已充滿電的電池替換裝載的技術，換電技術可以大大縮短充電時間，甚至短于燃油車的加油時間，可以大幅度提升汽車的續航能力，消除“里程焦慮”，同時，電池可以采用慢充方式，對電池有更好的保護，延長電池使用壽命，目前已有北汽新能源、蔚來汽車、國金汽車等新能源汽車企業在積極研發換電技術并投入使用，但同時換電技術仍存在諸多發展障礙，首先換電站投入成本較高，短期內無法達到加油站的分布密度，無法滿足所有車主的需求，其次，換電站要求所有車型要使用統一的電池尺寸規格，客觀上限制了汽車企業推出汽車尺寸的種類，從而影響汽車企業的長期發展規劃，此外還有更換過程中的電池衰減、安全防護等問題尚待解決，之前以色列的ＢｅｔｔｅｒＰｌａｃｅ公司和特斯拉公司的換電服務均以失敗告終，但在目前看來，換電技術仍然是有效的解決新能源汽車“里程焦慮”的方法。
２．２　電機技術
電機分別連接著新能源汽車的動力電池和汽車傳動軸，動力電池的電量輸出到電機，通過電機將電能轉化為動能，傳輸到傳動軸，由傳動軸將動力輸出到輪胎，終驅動汽車行駛，電機內部集成了電控系統和單級變速箱，代替了燃油車的發動機和多齒比變速箱，大大簡化了汽車的內部結構，是新能源汽車*的重要組成部分，電機技術由于之前在許多領域廣泛應用，發展得較為成熟，新能源汽車的電機技術一直以來平穩發展，不過近年來新能源汽車的電機技術出現了一些新的發展趨勢，輪轂電機技術是其中的主要方向。
輪轂電機技術就是將集成了減速器的電機總成直接布置在輪轂中，由４個輪邊電機直接驅動４個車輪，輪轂電機技術并非新生事物，早在１９００年，就已經制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車，在２０世紀７０年代，這一技術在礦山運輸車等領域得到應用。隨著２０世紀６０年代石油的大規模開采和發動機技術的飛躍式發展，同時電池技術停滯不前，燃油車在此后的數十年間占據了汽車的主導地位，而隨著近年來新能源汽車的重新崛起，輪轂電機技術再一次成為電機技術的發展趨勢和方向。
目前新能源汽車的電機一般采用前置或后置電機，分別連接動力電池和傳動軸，結構較為成熟，裝配簡易，但由于需要經過傳動系統將動力輸送至輪胎，不可避免地造成電機功率的損耗，影響汽車的性能和電機使用壽命，輪轂電機是將動力裝置、傳動裝置和制動裝置都一起整合到輪轂內，得以將電動車輛的機械部分大為簡化，重量大大減輕，提高了車身的空間利用率，電機直接將動力傳輸到輪轂，在傳動過程中幾乎無損耗，車輛性能得以*發揮，同時輪轂電機具備單個車輪獨立驅動的特性，因此無論是前驅、后驅還是四驅形式，它都可以比較輕松地實現，全時四驅在輪轂電機驅動的車輛上實現起來非常容易，這些優勢都是傳動電機不可比擬的，當然，現階段，輪轂電機需要在空間較小的輪轂布置，結構較為復雜，技術難度高，需要較長時間的研發來實現技術的真正普及。
２．３　輔助駕駛技術
除了動力電池和電機這兩大新能源汽車核心部件的技術以外，還有一些新能源汽車技術同樣與其發展息息相關，這其中輔助駕駛技術與新能源汽車的發展為密切，輔助駕駛技術是輔助駕駛者進行駕駛的技術，可以為駕駛者提供更加全面和優異的駕乘體驗和安全保障，在整個駕駛過程中發揮著重要作用，在新能源汽車領域的輔助駕駛技術主要包括自動駕駛和車載人工智能兩大類。

圖２　汽車輔助駕駛技術邏輯圖
２．３．１　自動駕駛
自動駕駛技術是采用先進的通信、計算機、網絡和控制技術，對汽車實現實時、連續控制。自動駕駛自動機工程師學會（ＳＡＥ）按智能化程度將自動駕駛分為Ｌ０－Ｌ５六個等級，依次為人工輔助、輔助駕駛、半自動駕駛、高度自動駕駛、超高度自動駕駛和全自動駕駛，人工輔助為Ｌ０初級，全自動駕駛為Ｌ５即自動駕駛的形態，在此等級下，駕駛可以在沒有駕駛員的情況下*交由機器完成，應對當前所有工況，并不斷進行學習改進，適應新的工況，在Ｌ５等級下的自動駕駛可以*實現無人駕駛。
自動駕駛技術早出現于２００９年，初旨在輔助駕駛員進行駕駛，而隨著技術的不斷提升，自動駕駛逐漸被認為可以取代人類進行駕駛，真正解放駕駛員的雙手，消除長時間駕駛產生的疲勞，避免交通違章和事故的發生，大大提高車輛的安全性，是未來駕駛技術的必然趨勢，而新能源汽車由于內部結構簡單，駕駛操控簡易，電子控制系統結構相似，是目前發展自動駕駛的理想車型，大部分自動駕駛技術的發展是在新能源汽車平臺上完成的。
自動駕駛技術的核心是自動駕駛芯片，通過芯片處理各種路況，將信號傳輸給車輛控制系統，從而實現自動駕駛，目前，英特爾、高通、英偉達、Ｍｏｂｉｌｅｅｙｅ等芯片廠商正在積極研發自動駕駛芯片，而百度、谷歌等互聯網公司也在積極研發自動駕駛系統，以適應更多的車型，車企方面，奧迪、特斯拉、蔚來等廠商的自動駕駛汽車已經量產并上市，但由于目前量產車的高自動駕駛等級是Ｌ３，在實際使用過程中，仍然只能起到輔助駕駛的作用，并且偶爾會出現故障和問題，同時目前自動駕駛汽車所占的比例較低，但隨著技術的不斷進步，相信在不久的未來，自動駕駛汽車會越來越多，等級會逐步提高。
２．３．２　車載人工智能
人工智能是計算機科學的一個分支，它企圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。人工智能的概念早是在１９５６年提出，由于人工智能的載體是計算機和機器，其定式運算和存儲速度遠高于人腦，并且不會產生疲勞，在重復機械性的工作領域相較于自然人腦有巨大的*的先天優勢，大大提高了生產效率和降低了錯誤率，經過６０多年的發展，已經廣泛應用于計算機、機器人、裝備制造、服務業等多個領域，成為日常生產和生活的*的輔助工具。
汽車產品由于一直是以自然人駕駛員為核心，這一理念始終貫穿著汽車行業的發展，車載人工智能在汽車行業的應用起步較晚，不同于自動駕駛的重復機械性勞動，車載人工智能是在車輛內部為駕駛員提供各項輔助服務，需要熟練掌握聲音語言和肢體語言，更深入地理解和領會駕駛員意圖，甚至是駕駛員的情緒，不是單純的聽從駕駛員指令，而是能與駕駛員進行交流，具備情緒感知和感情培養的能力，真正成為駕駛員的出行伙伴，對于人工智能的要求更高更細致，目前各大車企都在積極研發人工智能，已經有上汽、沃爾沃、特斯拉、奧迪等廠商推出了搭配車載人工智能的汽車，但目前都處于初級的語音識別階段，２０１７年底，蔚來汽車推出了車載人工智能系統“ｎｏｍｉ”，基于強大的車載計算能力和云計算平臺，集成了語音交互系統和智能情感引擎，創造出了一種全新的人車交互方式，次讓車從一個機器，變成一個有生命、有情感的伙伴，真正成為人類的出行伴侶。
３　結語
新能源汽車產業的技術發展趨勢時刻影響著其技術發展路線，終決定了新能源汽車產業的總體發展狀況，目前的技術發展趨勢主要體現在三大方面：
（１）動力電池技術依然是新能源汽車重要的核心技術發展方向，動力電池目前的技術發展主要解決電池容量和電量獲取速度這兩大問題，其中全固態電池可以大大提高電池容量，延長新能源汽車的續航里程，而無線充電和換電技術可以打破充電在時間和空間范圍內的限制，大大提高充電效率，解決新能源汽車目前為詬病的充電問題。
（２）電機作為驅動車輛行駛的直接的動力裝置，在未來的技術發展趨勢中勢必會得到更加迅速的提升，以輪轂電機、ＢＳＧ電機為代表的電機技術顯著提高性能和舒適性，使新能源汽車的接受度更高，更快地進行普及。
（３）人工智能作為一項新興技術，與眾多行業進行緊密結合，而新能源汽車是其重要的實施平臺，在使用便捷、車輛安全、駕乘樂趣等方面大幅度拓寬新能源汽車的使用范圍，使汽車不僅成為可靠的交通工具，更能成為人類未來親密的出行伴侶。
科學技術是生產力，新能源汽車是汽車產業未來發展的必然趨勢，無論是制造環節還是使用環節，其技術發展趨勢一直著整個汽車產業的發展趨勢，同時，固態電池、輪轂電機、駕駛輔助等方面的新技術同樣會影響到裝備制造、智能機器人、服務業等眾多相關產業的發展，促進產業間共同融合發展，終促進整體經濟的快速發展。