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新能源电动汽车产业高速发展的未来趋势展望
发表时间 2019-04-02 16:27 来源
——飞轮功率电池复合能源兼姿态控制新技术将大放异彩

Prospects for the future development of the high-speed development of new power energy electric auto industry---Flywheel power battery compound energy and attitude control new technology will shine
 

天津瑞起科技有限责任公司  李  平

Tianjin richi Technology Co., Ltd. Li Ping

摘要 本文重点分析新能源电动汽车产业的发展现状与?#25945;?#20135;业未来发展趋势也简要介绍了目前许多对产业未来发展有重要意义的创新与进展文章末尾还扼要介绍了我们创新的最新研究成果——多功能“储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置”力求有助于对产业目前的里程安全焦虑缓解或解决以及对产业进步能有所助益

Abstract. This paper focuses on the development status of the new energy electric vehicle industry and discusses the future development trend of the industry. It also briefly introduces many innovations and progresses that are of great significance to the future development of the industry. At the end of the article, we also introduce the latest research results of our innovation - multi-functional “Energy storage and attitude control dual-purpose concentric reverse double- flywheel electric device”, in order to help to ease or solve the current mileage and safety anxiety of the industry, and can help the Industrial progress.

一.产业的高速发展

这是一个科技高速发展的时代科技的发展速度已?#23545;?#36229;乎想象要把握好影响未来的战略科技与发展趋势才能更好地服务于全人类历史性的巨大进?#20581;?#35768;小年在最近的演讲中指出后工业化时代不是制造扩大产能整合资源的时代而是研发的时代创新的时代

随着时代进步汽车技术也在不断创新汽车新技术的飞速发展已给人们带来更为快捷便利和舒适的体验

未来十年将会出现一系列改变生产消费社会生活的颠覆?#28304;?#26032;技术制定正确的发展战?#36234;平?#36825;一伟大变革的进程新技术将大规模提升生产力与地球资源的有效利用现有的生活方式和理念也将可能被彻底改变人类将从繁重重复单调的劳动中解放将会有更长的寿命更多的自由与时间追求精神文化与物质的创造追求幸福快乐与自我价值的实现

憧憬未来科技的巨大进步随之而来的对生活社会的巨大影响需要有较清楚的预估对可能发生的变化带来的重大影响提早做出战略规划

为了应对全球能源和环境压力世界汽车产业面临战略转型?#32321;?#33410;能与新能源汽车已成为战略发展方向这是全球汽车工业以及能源领域的一场大革命汽车产业正在发生翻天覆地变化新一轮科技革命将会颠覆整个汽车产业但资金技术与劳动密集依然是产业特点在传统汽车产业中国与国际汽车工业在技术产品?#26102;?#26041;面存在太大的差距但在新能源电动汽车方面则基本又站在?#36865;?#19968;起跑线上是中国能实现弯道超车的重大历史性机遇

2018年刚?#23637;?#21435;经过近十年来的政策激励加之创新驱动中国新能源电动汽车产业已实现产业化并走上高速发展之路无论对于中国还是全球这都是一个创新时代节能?#32321;?#26102;代一切都在巨变进步前景光明

新能源汽车是国务院确定的重要战略性新兴产业随着补贴等政策推动以及车企自主发力中国已成为全球最大的新能源汽车生产国与市场引领加速了全球汽车电动化的进程2018年纯电动乘用车的补贴向高能量密?#21462;?#38271;续航里程倾斜与?#36865;?#26102;中央政府再次安排补贴退坡机制的政策接力乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法——“双积分”政策出台由于政府配套政策逐步落地新能源汽车补贴也执行到位有力推动了新能源电动汽车产业的高速发展产业展现出良好的发展态势已进入500km时代

根据EV sales数据全球新能源乘用车2018年销量突破201.8万辆累计保有量突破550万辆新能源汽车在汽车总销量的占比已达2.1%达到历史性的新高度是世界新能源汽车突飞猛进的一年

2018年中国电动汽车产业?#37096;?#22987;进入前所未有的爆发期新能源汽车2018年销量已达到125.6万辆同比增长高达60.8%;其中乘用车销售102.0万辆已占世界产销总量的50.5%同比增长了82.86%稳居世界第一;中汽协预计2019年新能源汽车销量将达到160万辆截至2018年底我国新能源汽车保有量已达261万辆

最近由国际能源署(IEA)发表的一份2018全球电动汽车展望白皮书指出无论是纯电动车还是插电混动中国的保有量增长量和增长速度都远高于全世界所有其他经济体中国才是当今世界上最重要的新能源车发展桥头堡IEA报告明?#20998;?#20986;现在中国才是火车头全世界所有国家都在跟着中国的新能源车的政策走报告还显示预计中国2020年电动汽车保有量将达到五百万辆其中包括460万?#22659;?#29992;车

公安部统计数据显示?#33322;?#33267;到2018年底我国的汽车保有量已经达到了2.4亿辆相比2017年增长了10.51%驾驶人3.69亿人

上述数据充分显示中国既是世界最大的汽车生产国?#24425;?#26368;大的汽车市场中国新能源电动汽车的发展已为世界范围内的节能减碳应对气候变化做出了重要贡献

从市场需求来看汽车是现代人重要的代步工具甚至已成为生活中不可或缺的一部分这是新能源汽车产业能迅速发展的源动力

近十年来特别是自2010年起全球与中国新能源乘用车的年增长?#31034;?#26159;以指数级而非线性的模式高速增长新能源汽车市场的发展势头迅猛?#28304;?#30005;动汽车为例指数已超过2.5即已超过平方指数的高增速

全球新能源纯电动汽车年产销量数学模型

y=(x-2010)2.52 (1)

式中x为年份y为年产量
 

表1. 全球新能源纯电动汽车年产销量


 

中国新能源乘用车年产销量数学模型

y=(x-2012)2.54 (2)

式中x为年份y为年产量


表2. 中国新能源乘用车年产销量


 

?#36824;?#20013;国汽车整体产销量28年来首次出现负增长显示汽车消费有放缓的迹象中汽协1月14日发布的数据显示中国2018年汽车产销量分别为2781万辆2808.1万辆同比分别下降4.2%2.8%中国车市迎来21世纪首次负增长几乎已成定局全球三大汽车市场的中国?#20998;?#21644;美国的销量都出现了平台这主要是受到了宏观经济形势以及部分政策等因素的影响意味着传统汽车市场将到达拐点将渐趋饱和而中国汽车产销规模已连续10年位居全球第一不可能始终高速增长但中国汽车产业目前?#28304;?#20110;普及期虽大城市的需求有所减缓随城镇化的进程—农村市场的巨大需求尚未被充分?#22836;?汽车千人保有量仅约是?#20998;ޡ?#32654;国的1/4-1/5特别是考虑到中国国民经济的高增速故未来仍有很大增长空间?#36865;?#32463;过近十年的购车迅猛增长后出于对?#25918;ơ分?#25552;升的新诉求置换升级的风潮也将逐步席卷中国乘用车市场

未来市场的开放和技术竞争将会加强技术创新加速市场推广并加快成本的下降纯电动汽车产业要抓住机遇直面挑?#20581;?/p>

今后通过市场机制的优胜劣汰国民经济发展质量的稳?#25945;?#21319;排放标准的升级新能源支持政策的进一步实施智能网联汽车的快速发展等因素的推动资源和产销量定会向优势企业进一步集中可以预计2019年中国汽车产业将在高质量发展方面取得更多进展而汽车市场整体?#36234;?#20445;持稳定

毋容置疑电动汽车现?#28304;?#22312;着许多不足与亟待完善的方面其产销量目前依然无法和?#21152;?#27773;车分庭?#20272;?#20294;伴随着未来人类生产生活的需要纯电动汽车使用的低成本?#23376;?#20840;面智能化网联化自动驾驶具有高动力性能无排放污染等重大优势的完全展现特别是随着续驶里程充电及安全焦虑?#35748;?#23384;问题的逐一解决而日臻成熟完善?#28304;?#30005;动汽车代表的新能源汽车定会越来越受消费者的青睐将逐步大?#31185;?#21450;

新一代新能源新材料信息通信等新技术与汽车产业加快融合产业生态深刻变革竞争格局全面重塑我国汽车产业发展形势在产业格局和生态体系汽车产品形态和生产方?#20581;?#26032;兴需求和商业模式三方面都将面临重大变化

随着能源革命和新材料新一代信息技术的不断突破汽车产品加快向新能源轻量化智能化和网联化共享化的方向发展汽车正从交通工具转变为大型移动智能终端储能单元和数字空间乘员车辆货物运营平台与基础设施等实现智能互联和数据共享

目前我国纯电动汽车主流车型续驶里程已经达到300km一部分车型的续航里程已在400km以上500-600km的车型也已陆续出现或开始上?#23567;?/p>

车载动力电池能量多少是决定纯电动汽车续驶里?#22363;?#30701;的关键而电池能量密度的高低则决定着车载电池可安置的最大容量据调研2018年第三季?#20219;?#22269;龙头企业的动力电池单体能量密度达到250Wh/kg以上电池包的系统能量密度也已达到160Wh/kg的新高度动力电池系统成本则已降至1.2-1.3元/Wh左右随着电池产业量产规模的不断扩大及新技术应用的加快动力电池的能量密度还将继续提升成本也会进一步降低

充电桩/站的建设?#23433;季置?#24230;决定着电动汽车是否能方便充电截止至2018年7月全国共建成公共充电桩27.5万个同比增长52%新用户私人桩安装率接近80%配套环?#36710;?#20805;电网络也在逐步改善并优化

自1978年改革开放开始中国一步步地走上了大国崛起之路在世界各国GDP的排名由1978年的第15位一路高歌猛进至2010年即已世界排名第2仅次于美国

人类的工业化进程经历了蒸汽机内燃机电气化时代现?#28304;?#20110;电气化时代的后半期其最终目标仍是实现全社会的电气化电能替代化石燃料作为动力能源是一个循序渐进的过程但却是一个必然趋势更是节能?#32321;?#19982;时代的要求体现了能源与动力的大革命全电气化带来的优势巨大不但简化或省去了结构极其复杂的?#21152;?#21457;动机多级变速器和许多机械传动机构噪声大大减小动力特性也更好;功率调整更为灵便自身无污染无排放更高效节能还更?#23376;?#23454;现智能化自动控制无人驾驶在主动安全性方面将会比传统?#21152;?#36710;更具优势

与此对比?#21152;?#36710;的尾气排放是PM2.5的最主要来源?#24425;?#38654;霾的最大元?#20303;源?#38382;题显然在以?#21152;?#20026;能源的基础上则将基本无解越来越多的国?#20197;?#25512;动能源转型传统内燃汽车将逐步退出历史舞台众多国家也已发布了禁售?#21152;?#36710;的时间表

汽车工业是国民经济的支柱产业在中国经?#27599;?#36895;崛起的40年里中国汽车工业取得?#21496;?#22823;进?#20581;?#32463;过?#22797;?#20154;的不懈努力已使中国汽车工业具备了迎接外部挑战竞争的强大实力尤其是近十年来大力发展的中国新能源汽车表现更为突出与国际同类产品差距不大

我国的电动汽车整车动力电池骨干企业的研发?#24230;?#30340;占比已达到了8%以上比亚迪北汽奇瑞上汽江?#30784;?#24191;汽长安等等电动汽车骨干企业已建立或正建立完善的电动汽车正向开发体系优势企业的规模效应开始显现我国电动汽车产业整体研发设计制造实力已明显增强

电动汽车百人会理事长?#34385;?#27888;指出: “到2030年我国电动汽车产销将超过1500万辆……要变成现实涉及能源结构调整智能电网建设交通基础设施升级新一代5G移动通信支持产业链的调整和改造标准法规调整以及就业岗位转移等这是一场波澜壮阔的工业革命而每一方面都是周期较长牵动全社会的巨大系统工程需要政府未雨绸缪做好顶层设计”

发展新能源汽车是中国从汽车大国走向汽车强国的必由之路在政策多方面鼓励支持下中国新能源汽车的市场需求正呈现螺旋式增速上升的模态

全球汽车制造商也计划在未来5到10年内将对电动汽车技术的投资增加3000亿美元其中近一半的资金将?#26029;?#20013;国加速从化石燃料向电池和电动汽车技术供应商的转变

产业升级战?#36234;?#21152;快?#24179;?#20135;业创新和融合发展中国深化改革在全面?#24179;?#27773;车产业国际化发展进程在提速发展中国家很多也都在加紧布局利用成本市场等优势积极承接国际产业和?#26102;?#36716;移

传统企业和新兴企业竞合交融发展价值?#30784;?#20379;应?#30784;?#21019;新链均在发生深刻变化全球汽车产业的生态平衡正在重塑

产业边界已日趋模糊新能源电动汽车结构的大幅度简化与电气化创造了历史性的发展新机遇互联网等新兴科技企业已大举进入汽车行业形成造车新势力也?#36861;?#19978;市抢滩

互联网与汽车的深度融合使得安全驾乘便捷出行移动办公本地服务娱?#20013;?#38386;等需求充分?#22836;ţ?#29992;户体验已成为影响汽车消费的重要因素互联网社交圈对消费的导向作用逐渐增强消费需求的多元化特征日趋明显老龄化和新生代用户比例?#20013;?#25552;升共享出行个性化服务未来将成为主要方向针对多元化的消费需求提供优质便捷的服务二手车生态也已经走向成熟人们对于汽车的要求逐?#25945;?#39640;追求科技发展为出行服务带来的便利;车险和维修保养的选择多样化满足不同用车习惯人群的需求

电动汽车将向长续?#20581;?#26234;能化互联化安全预警主动安全自动驾驶方向逐步发展必将成为未来相当一段历史时期新能源电动汽车的趋势;高安全高能量密?#21462;?#21487;快充的固体动力电池预?#24179;?#36880;步成为电动汽车能源的新主流

中国汽车市场虽然?#27492;?#22312;逐渐饱和但实际却仍然处于普及期之所以造成这一怪现象主要原因是城市化率仍未能跟上经济增长?#36865;?#36947;路管理不善和人口基数过大?#24425;?#23548;致这一问题发生的原因即便是在三四线城市我们也能看到一些主干道被堵得水?#20849;?#36890;的场面

一个非常有价值的数据就是我们的汽车利用率仅4%其余的时间汽车都在车位上停放自动驾驶和共享汽车就成了未来解决这一问题的关键分享经济是互联网信息技术高速发展的产物人与人之间“点对点”信息的低成本共享已经实现信息共享可以让资源获得更有效利用房屋汽车等多种私有物品未来都可以共享模式存在物品的固定持有成本也将大幅下降能让更多的人享用这些资源

做好顶层设计,一是从开始就要把汽车能源通信交通城市进行综合考虑实现技术规划政策法规协同有序?#24179;?#20854;中打破壁垒放开市场加强跨学科跨行业的协同创新至关重要从这个意义上来说制定经科学论证的顶层设计和时间表路线?#36857;?#33021;给市场和社会一个应有的预期?#24425;平?#27773;车革命走向成功的关键加快顶层设计一是统筹协调制定战略规划;二是健全制度体系加快出台考虑周全的后补贴的政策加速产业的可?#20013;?#39640;速健康发展;三是深化对外开放不断提升国?#31034;?#20105;能力走向全球市场;四是坚持创新驱动突出科技引领的支撑作用?#24179;?#20135;业的日新月异与社会进?#20581;?/p>

汽车产业的变革正逐渐与能源革命交通变革城市管理创新紧密关联相互影响由汽车革命带动的能源革命交通和城市变革正在发生这些变革又将对技术和产业发生极大的推动作用并将催生出一系列的新技术新商业模式和新生态汽车产业自身也在加速变革产业链也将加速重构

2018年12月,国家发改委和工信部先后发布了两个重要的政策准备实施——汽车产业投资管理规定和道路机动车辆生产企业及产品准入管理规定, 这是新能源汽车产业政策的重要调整从各项条款细则看对新进入者准入的门槛有所降低对新增新能源汽车企业的投?#39318;?#22791;技术要求和研发能力进行了明?#26041;?#23450;技术难度未降而运营难度提升使项目投资?#38450;?#30340;难度明显加大将想借风口赚快钱者拒之门外限?#23631;?#34701;资范围这对踏实造车实业兴国的车企则是正能量注入将提前挤掉产业投资和产能泡沫通过一套行之有效的监管机制堵漏可防止浑水摸鱼钻政策空子将确保新能源汽车产业可?#20013;?#20581;康发展

新能源汽车造车已是一个?#26102;?#21152;新技术密集型的特征如果不能通过规模优势在投?#25163;?#26399;内完成商业盈利循环只靠吸引投资入局无异将走上溃败之路新能源汽车产业要明确定位抓住机遇转型升级

虽然2019年的新能源汽车补贴政策暂未出台但必定存在汽车市场会进入低增长低补贴退补贴的时代的担心整车企业会优胜劣汰集中度将进一?#25945;?#39640;中国企业需要进一步加强自身的专业化水平提高竞争力与规模效益

二.发展新能源电动汽车是时代与?#32321;?#35201;求是重要国策

2018年国内新能源乘用车销售101.97万辆销量跨过了百万大关同比增长了82.86%这其中插混车型同比增幅领先纯电动车型65%高达135%翻了一翻多;补贴政策导向推动了车型向高级化长续驶里程化发展?#20998;?#26356;高体验更佳的A级及以上车型正在崛起成为市场上一支不容忽视的生力军;纯电动和插混C级车实现了历史性的突破;纯电动A级车和A0级车同比增幅都超过了100%并且高于新能源乘用车市场的总体增幅这显示了车型结构正在加速升级纯电动A00级车虽依然是销量最大的板块年度市场占比36.76%但这一比重较2017年比已是大幅下降而2019年多款重磅新能源车也即将上?#23567;?/p>

无需回避的是国内新能源汽车产业目前仍对政策高度依?#25285;?#23545;其变动也高度敏?#23567;?#30452;接财政补贴政策目前仍是中国新能源车?#34892;?#36215;的关键因素退坡的补贴新政一俟发力纯电动板块的市场表现就直接?#25104;?#24403;补贴大幅退坡甚至可导致归零A00级车型销量的陡然跳水后升级反弹后随着2019年补贴进一步退坡的政策预期市场份额定又将下跌就清楚地说明了对政策的这种高度依赖

要彻?#35013;I讯?#30707;油进口的依?#25285;?/strong>我国目前石油进口比例高达60%而石油作为全球战略资源一直是大国的争夺的重点一旦大国关系或者局部地区的局势出现问题极易引起能源危机而根据国家能源局的测算我国石油储备的安全线是仅能满足90天!一旦战争灾难与不可抗力类全?#20013;源?#20107;件发生对于拥有?#21152;?#27773;车2亿辆以上的汽车大国——中国就将面临极其危险的?#32622;?/p>

汽车排放造成的环境污染和石油资源枯竭正日益加剧传统?#21152;?#27773;车在使用过程中产生了大量的有害气体造成?#29616;?#30340;大气污染与?#29575;?#25928;应的加剧全球经济的高速发展也加剧了对不可再生石油资源的依赖因此寻找清洁的可替代新能源是每一个国家必须选择的重大战略?#24425;?#20445;障全球经济发展人类生存的重大课题

过去几年我们的生存环境已受到?#29616;?#23041;胁以?#26412;?#20026;例根据?#26412;?#24066;?#32321;?#23616;发布的数据2015年?#26412;?#31354;气质量不达标天数达到179天占全年总天数的49%而重?#20219;?#26579;天数更是多达46天!空气污染背后的重要原因之一就是机动车尾气排放而且过量的汽车还造成了交通拥堵因此在能源领域必须大幅度降低化石能源的占?#21462;?/p>

根据预测到2030年中国将初?#28966;?#24314;起集化石能源清洁高效利用和新能源可再生能源大力发展并举的能源发展体系非化石能源的发电量有可能会占到一半左右为此我国汽车产业必须

明确电动化是节能?#32321;?#30340;时代要求与国家战略世界能源危机和环境污染问题日益?#29616;أ?#21270;石燃料带来的环境?#29616;?#27745;染?#36828;准?#30707;油资源枯竭已日益临近节能?#32321;?#38450;止?#29575;?#25928;应是世界大事要为人类健康保?#20540;?#29699;生态平衡并为子孙后代留一片净?#36742;?#21147;这?#24425;?#25105;国应?#26800;?#30340;历史性重任

大力?#24179;?#21019;新彻?#36164;?#29616;重大技术进步与弯道超车传统?#21152;?#36710;经过了近百年的研究发展因有内燃发动机和多级变速箱等复杂的动力系统导致入门门槛极高多年来我国在动力系?#36710;?#26680;心技术上始终被国外制掣肘新能源电动汽车的发展则使大家处于同一起跑线这是时代赋予我们能弯道超车实现赶超国?#31034;?#20105;对手之重大良机应珍惜并好好把握

三.技术创新是产业未来发展的根本

产业发展面临的问题不解决不突破将直接影响新能源汽车的未来与发展在电动汽车刚起步的时候也充满了各种缺陷和不足当这些问题逐步解决产业就不断地发展成长但真正要让纯电车能完全像?#21152;?#36710;一样使用方便快捷又可靠这条路或许还将?#19979;?#38271;

回顾中国电动汽车的发展史从2009年到2012年是政策驱动的引入期2013-2015年为政策性应用落地期2017-2019年是政策转变驱动的市场驱动增长的爆发期传?#36710;?#36710;企早已将新能源车的研发设计重心更多的转向了其内在部分——电池管理电驱动技术?#21462;?#32780;造车新势力则在不断利用自身的智能网联技术加强对产业改造

在传统汽车领域我国技术缺少核心技术与积累与海外豪强?#28304;?#22312;不小的差距目前国内自主?#25918;?#36824;集中于其中低端但在新能源汽车领域则与国外竞争对手基本处于同一起跑线加速?#24230;?#30740;发创新中国汽车产业将完全有望实现对国外汽车产业的快速超越弯道超车

电动汽车火爆销量的背后离不开国?#19968;繁?#25919;策国家与地方补贴免购置税限牌限行政策等方面的大力支持未来不久的2020年后国家财政补贴将逐步退出产业发展将逐步由政策引导转为市场引?#36857;?#24066;场竞争定将加剧电动汽车及相关产业将面临新一轮洗牌产业增速将趋缓市场定位也将逐渐回归理性如何保持国内新能源汽车产业来之不易的成果与保障产业健康?#20013;?#21457;展将是今后一段历史时期我们将面临的重大挑?#20581;?/p>

中国科学院院士?#36153;?#26126;高指出“前面发展初期的泡沫基本上过去了新能源汽车已经进入正常轨道”“从发展升温出现泡沫回调到理性回归是新技术发展的一般规律新能源汽车智能汽车均是如此”

政策补贴退坡后由车企自?#21512;?#21270;补贴减少后的价格成本压力山大但力?#21363;?#24133;度涨价而主要转嫁给消费者的企图只能导致难以销售继而会有相当数量的电动汽车车企被淘汰出局但这也将是泡沫退去的一个重要标?#23613;?#22312;市场的选择过程中只有真正的好?#25918;?#21644;高质量高性价比的产品才能脱颖而出保持旺盛的生命力优胜劣汰的市场竞争就是如此残酷

毋容置疑的是在核心技术领域走在前面的车企才是未来国内新能源汽车的主力产业链上下游合作共赢是大势所趋市场巨大?#24247;?#19968;企业不可能引领产业发展未来市场定将进一步向优势企业集中只有?#20999;?#25317;有雄厚技术知识积累能获足够资金支撑有理性的市场定位以及能够对市场快速反应的厂商才能继续占得先机赢得市场

未来电动汽车的发展趋势主要将聚焦于整车一体化开发核心零部件和关键技术的提升以及下?#20301;?#30784;设备的配套发展

电动汽车轻量化实际上首要的是电动汽车的电池轻量化未来电动汽车将会进一?#25945;?#39640;现有电池的比能量并开发出更先进的电池

新一代信息通信新能源新材?#31995;?#25216;术与汽车产业加快融合产业生态将深刻变革竞争格局将全面重塑

我国汽车产业发展形势在产业格局和生态体系汽车产品形态和生产方?#20581;?#26032;兴需求和商业模式三方面都将面临重大变化

随着能源革命和新材料新一代信息技术的不断突破汽车产品加快向新能源轻量化智能和网联的方向发展汽车正从交通工具转变为大型移动智能终端储能单元和数字空间乘员车辆货物运营平台与基础设施等实现智能互联和数据共享

在汽车智能化方面电动汽车将与人工智能5G通信紧密结合一方面不断加强汽车本身的自动化程度另一方面则是利用现在新一代的移动互联技术而两者相结合无疑是最佳的发展途径

网联化未来的新能源电动汽车将是路网一体的移动终端车联网也不仅仅是简单的连接服务而是对汽车性能行?#36824;?#31243;以及交通体系的重构

共享化?#22909;?#23545;能源紧张道?#26041;?#36890;拥堵?#29616;?#30340;?#32622;?#27773;车共享并补充公共交通出行将是未来社会交通发展的趋势之一

智能制造汽车生产方式将向充分互联协作的智能制造体系演进产业上下游关系更加紧密生产资源将实现全球高效配置研发设计制造的效率也将大幅提升;个性化定制设计生产的模式将逐渐成为趋势

低能耗是节能?#21344;?#30446;标的参数指标取决于多种因素及其复杂的相互作用结果?#24425;?#25972;车设计制造水平高低的综合体现2019年2月18日国家市场监管总局国家标准化管理委员会正式批准发布电动汽车能量消耗率限值标准的第一阶段的限值主要定位是为了淘汰部分技术落后的车型第二阶段限的值主要是为促进技术先进的车型得到发展和应用对于整备质量在750kg-2500kg范围的电动汽车第一阶段能耗约应在13-21kWh/100km的范围第二阶段能耗约应在11-18kWh/100km的范围应当说新标准的推出将进一步促使产业的全面技术进步与提升

四.产业面临的重大问题

中国新能源汽车目前正已处于一个市场导入期到产业成长期大规模量产过渡的关键新阶段随新能源汽车的普及目前不尽完善的产品面对并不成熟的市场有越来越多的问题正陆续暴露并展现

1.续驶里程短(里?#25506;?#34385;)

一段时期以来多数电动汽车的续航里程短是其最大的短板充电站又未必随时好?#19994;讲?#31435;即可用故用户最怕行车中?#20037;?#30005;冬?#31454;?#20919;续驶里程又大幅度缩水解决里?#25506;?#34385;曾是前不久电动汽车消费者最为迫切的需求

现车载电池的比能量密度目前仍低成本高价格也贵受体积空间车重成本所限车载能源现难以选择使用更大容量的电池故通常电池总能量容量小而汽油的质量比能量约12.91kWh/kg体积比能量约为9.2 kWh/L其质量比能量是目前三元锂电池的几十倍目前的锂电池根本无法与之相?#21462;?#20294;?#21152;?#21457;动机的燃效太低仅30%左右还有污染排放问题

?#36865;?#30446;前主流的三元锂电池受气温影响?#28304;?#22312;低温下内阻增高活?#36234;?#20302;容量大幅度衰减这是低温下其续航里程缩短的根本原因特别是在2018年末这个寒潮来袭的北方冬天电动汽车续驶里程甚至低到一半以致一些用户在车上连取暖空调都不敢开启冰冷驾车的状况令人?#32531;?#32780;栗更不用奢望还能长途行驶开着新能源车上高速的担心是如果还没下高速就没电万一后面还有车那就可能追尾如果后车车速很快就有可能造成?#36865;?#20107;故

实际上这一阶段的纯电动新能源汽车的定位主要应是城市内通勤市面?#29616;?#27969;纯电动家用轿车的价格为10-20万元其中15万元左右最为集中不论是价格还是续航里程都更适合于家用通勤和轿车一样城配用车也正在实行电动化市面上的纯电动微面和轻卡续航里程在200km左右同样是定位城?#20449;?#36865;

新能源汽车发展已经进入了瓶颈期电池续航能力的提升目前只能加大车载电池容量或等待电池基础科学研究有所突破但后者并非是一朝一夕就能解决的事情充电的问题同样如此所以在未来的一到两年的时间内业界需更加关注的问题首先应该是如何保证安全方便充电与降低电动车造车成本即便是车企再单纯纠结更长的续航的问题除了换电技术还有一定范围的用途外只能是事倍功半

政策推动新能源汽车发展是为?#21496;?#27982;和?#32321;?#26041;面的战略考量消费者选择新能源汽车一些可能仅仅是为了牌号和出行方面的便利而?#26102;究?#22909;新能源汽车是因为产业革命背后的更大蛋糕是可以在第四次工业革命中实现能够颠覆出行的自动驾驶等领域诸多自动驾驶系统均以电动汽车为载体原因或很简单对于自动驾驶软件程序员来说电动机比发动机在编程上更易控制技术也更统一

许多用户抱怨电池的续航水平一直存在着水分电动汽车的实际续航均低于厂?#39029;信?#30340;里程数实际原因是电池受制于温?#21462;?#23551;命路况等综合因素的复杂影响但生产厂商为自身利益也根本没有清楚地说明这种“?#22909;?rdquo;影响更没有利用车载计算机HCU根据各种因素智能分析计算确定根据当时的车况路况提供尽可能接近真实的剩余电量与续驶里程?#27599;突?#33021;做出最有利的行驶策略抉择

?#36865;?#23545;电池容量在低温下大幅度衰减这一情况也不是没有办法解决上汽江淮等均已开始利用水冷与电加热等技术对电池的温度进行实时的监管与调控使其始终处于良好的工作状态从而可很好地解决南北气温差异影响续驶里程的问题

动力电池系电动汽车核心三大部件之一目前主流的三元锂电池包成本大约已是1200-1300元/kWh左右纯电动的百公里能耗现通常在13-20 kWh/100km的范围平均约为15kWh/100 km对于300-500 km续驶里程的电动汽车仅采购电池成本就约需5.5-9.5万元电池成本已占整个电动汽车成本的30-40%以上

电动汽车的更新换代快技术更新迅速因此保值率?#31995;͡?#30005;池贵的问题对部?#21046;放?#25110;许已经解决但产业仍未形成共识如果所有?#25918;?#37117;能为动力电池提供终身?#26102;?#30005;动汽车的普及速度将可能会以数倍的速率迅速增长考虑到退役动力电池的梯次利用价值仍不菲——还可回收重组作为电力储能电池再继续使用数十年因此为动力电池提供终身?#26102;?#24212;能促进电动汽车产业与企业的大发展这应是车企发展战略抉择之远见良策或将成为竞争的?#29575;?#27861;宝

电动汽车如?#21344;安?#20102;就只能适合中产或小康家庭作为第二或第三?#22659;?#24066;的短途代步车使用虽然电动汽车产业的发展并不会停?#20572;?#20294;发展速度会?#29616;?#21463;限

解决里?#25506;?#34385;更为重要的另一方面是如何节电减少百公里能耗——这?#24425;?#20307;现新能源电动汽车总体节能性能优劣的一个最重要表征参数目前续驶里程的提升相应伴随着电池乃至车身质量的显著增加导致能耗也显著增长今后需要探索最新技术与综合应用而全盘考虑合理设计例如功率电池作为与锂电池并行工作的复合能源的应用避免单纯依赖车载电池容量的增加合理利用车载有限的电能也能使车辆获得显著增加的续航里程这比单纯依赖增加电池容量将有更好的效果例如增加30%续驶里程的效果实?#31034;?#31561;效于将目前的三元锂电池的最高单体密度由300Wh/kg提高到约400Wh/kg显然对于液态电解质锂电池目前的技术将无法做到电动汽车整车企业不应把目光与希望只盯在电池上扩展思维将会发现还有更多更好的其它选择

2.自燃安全隐患(安全焦虑)

在新能源汽车保有量快速增长的同时新能源汽车安全事故呈现出上升态势有数据表明从2016年到2018年我国新能源汽车起火事故共发生了59起

频发的起火事故引发了人们对新能源汽车安全的担?#29301;?#24050;?#29616;?#23041;胁到使用者的生命和财产安全

没有安全我国新能源汽车产业发展就没有未来中科院院士?#36153;?#26126;高认为随着推广规模的扩大和车辆使用年限的增加新能源汽车安全风险不容低估中国动力电池产业创新联盟副秘书长王子冬指出?#21512;?#36153;者对新能源汽车起火事故关注度和顾虑高我国新能源汽车安全问题已引起社会广泛关注相关研究显示目前我国新能源汽车产业总体上?#22253;?#20840;性认识不足产品设计的安全性积累?#20849;还?#30005;动汽车安全事?#21183;?#21457;多起电动汽车起火事故已对产业发展造成?#22909;?#24433;响需大幅度提升动力电池系统安全性能为电动汽车产业发展扫除后顾之忧

工信部电动汽车安全指南?#20998;?#20986;电动汽车安全性事故原因比较复杂具体与材料选择电芯和模块结构系统集成连接结构整车匹配设计生产管控产品试验验证售后服务充电设备和工程电子充电运维管理回收再利用过程安全管理火灾管控方法等多种因素有关

由于电池质量技术和?#36824;?#33539;使用等各种原因引发电池自燃电池组爆炸充电时起火等安全事故

电动汽车的碰撞安全性也令人担?#29301;?#39640;压电气系?#22330;?#39640;压电池在碰撞后可能存在潜在危险——碰撞引起电池破损电解液外流电池短路温度升高进而引起热失控燃烧甚至爆炸车体浸水或电?#26041;?#22836;脱落绝缘破损导致外电路短路电池质量或管理系?#22330;?#20805;电及安全系?#36710;?#22833;效或损坏等则也都可能是其发生事故的原因

目前的主流电池——高能量密度三元锂离子电池非本质安全其热失控则是自燃起火的根本原因热失控是是由各种诱因引发的链式反应发热量可使电池温度升高上千度造成自燃;从电池电芯内的负极SEI膜分解开始继而隔膜分解熔化导致负极与电解液发生发应随之正极和电解质都会发生分解从而引发大规模的内短路造成了电解液燃烧进而蔓延到其他电芯造成?#25628;现?#30340;热失控让整个电池组产生自燃电化学电池储能在安全性方面最大的问题在于其安全隐患的不可预见性而热失控一旦发生?#32622;?#26377;有效的手段来控制

电池壳体的结构也对于锂离子电池的热失控行为有明显的影响例如18650具有底部防爆阀的电池能够更早的?#22836;?#30005;池内部过高压力减少气体积聚减少电池热失控中喷出的高温物质从而有效的减少热失控在电池组内蔓延扩散的风险鉴此需要大幅提升高能量密度电池系?#36710;?#31283;定性可靠?#38498;?#23433;全性并加强动力电池的消防安全研究

热失控是锂离子电池最?#29616;?#30340;安全事故一旦锂离子电池发生热失控将会对使用者的人身和财产安全产生?#29616;?#30340;威胁发展能阻燃不起火爆炸本质安全的新一代高能动力电池才是产业?#20013;?#21457;展的根本保障

现今消费者对汽车的安全性也越来越重视特别是汽车的主被动安全配置首要的是碰撞测试无论是中国的C-NCAP?#20998;?#30340;Euro美国的IIHS(美国公路安全保?#25307;?#20250;)与NHTSA获得安全评分的5星级评价通常才被认为安全但这只是相对的只对同车种才有意义更重要的是交通事故?#21171;?#29575;目前来看所有的纯电动汽车参加E-NCAP碰撞测试尚无一例获得五星级安全证书

IIHS统计每款车型的?#21171;?#29575;系根据每年在平均在每100万注册车辆中驾驶员?#21171;?#30340;数量由于发生车祸时车内乘坐人数不定所?#36234;?#32479;计驾驶员?#21171;?#25968;是较公平科学的评价方?#20581;?/p>

在各类事故中包括整体(单车或多车)的?#21171;?#29575;豪华?#25918;?#27773;车的安全性远高于一般;而轿车的?#21171;?#29575;是SUV的约一倍故SUV比轿车相?#22253;?#20840;对于SUV其尺寸大些的更安全但车体太大过重规避事故的能力反倒变差也不符合节能?#32321;?#30340;原则还将更加剧城市的道?#26041;?#36890;拥堵

很多情况下车祸发生主要原因还在于驾驶员本身除提高驾车人安全意识为车体装备充足的生命安全保障装置外建立新一代主动安全警报与紧?#21271;?#38505;智能自动化系统将成为现代汽车的新时代特征

总之没有安全我国新能源汽车产业的发展就没有未来这应是产业超越其它问题首要考虑予以保证解决的重大问题应具有最大的权重

3.充电?#36873;?#26102;间长电池贵充电配套设施不完善(充电焦虑)

当前最好的快速充电技术通常也约需要半小时才能充电至80%而且快速充电还会带来电池寿命减低再提高充电速率则会进一步带来充电站功率过高的挑?#20581;?/p>

制?#21363;?#30005;动汽车大普及主要受制于电池的快速充电安全与其大电流充电的接受能力以及充电桩/站的分布密?#21462;?#21487;用与便利程?#21462;?#22312;这两个关键问题未得到彻底解决前期望彻底替代?#21152;?#27773;车实现电动化大普及就是空想当然电网供电能力以及应对充电时段集中发生时浪涌峰值到来的供电与冲击的抑制能力也必须能适应良好调节与可抑制以不对公众用生产工作生活用电产生?#29616;?#24178;扰?#24425;?#37325;要前提

纯电动汽车一旦普及立即会有大量的汽车出现难以寻?#19994;?#36866;合充电地点或无法及时充电的问题飞线充电即使是对电动两轮电动车目前也因安全隐患?#20219;?#39064;被严格禁止电池充电起火引起的安全焦虑已导?#30053;?#23621;民小区安装充电桩遭遇到极大阻力?#36865;?#23567;区供电变压器的有限功率容量也限?#23631;?#20805;电桩的设立或扩充

所以如不解决好建桩车位与安全问题电动汽车未来将只能适合小众群体充电站/桩特别是大功率类型的建设速度需要大幅度加快力争可以随时随地方便的充电如此才能使买车人充满信心无须再为续航担?#29301;?#32431;电动汽车才能实现大普及

充电的状态设计不同充电时电压的变化会影响电池的温度且如果充电期间车与充电桩的信息?#25442;?#19981;畅过充也容易出现事故

充电速度慢时间长问题对?#21152;?#27773;车——几分钟加满油就可以行驶几百公里目前的电动汽车充电慢时间长万一有急事就抓瞎充电最快的就是大功?#25163;?#27969;电充电桩但这种充电桩目前还较少?#36865;?#38146;电池的大电流接受能力?#24425;?#30005;池性能所限

加快充电基础设施的建设截至2018年底国内充电基础设施达到76万个设施结构进一步优化其中的公共桩约占40%但其增长速度已放缓;专用桩46万个仍保持高速增长的态势

我国充电基础设施结构性供给不足问题突出一是充电桩利用率低公共充电基础设施利用?#25163;?#26377;12%充电桩布局也存在问题有的从建立到寿命期结束都很少有人用随电池技术的升级充电功率大幅提高需要充电基础设施及时跟踪和扩容如充电网络未能实现互联互通各商业运营充电企业现相互独立充电APP终端不兼容用户充电的操作和体验均较差

纯电动汽车充电以”充电桩”为基础从实?#26159;?#20917;来看虽然如今在一线城市充电桩已经相对普遍但在二三线城市充电桩并不普及这也成为目前阻碍纯电动汽车发展的一个重要问题再?#30001;先?#20170;充电接口和协议不统一充电桩将无法适用于所有纯电动汽车;二是配套设施也不具备区域连贯性充电桩的问题直接关系到纯电动汽车使用的便利性一旦丧失便利性纯电动汽车也就成了空头支票一样无法给力

健全充电基础设施的标准体系第一是继续深化互操作性测试解决车桩兼容的难题第二是强化标准的实施落实支持充电联盟开展充电设施产品的标识评定规范随车配送充电桩产品的标准管理第三瞄准充电新基础设施发展组织有关单位开展大功率充电标准预研工作提出电网双向互动技术标准的发展路线图

尽管现在充电还存在不少问题但充电时间的缩短以及充电桩数量提升新能源汽车充电问题正在改善未来进一步完善充电设施建设还应努力做到车与路的协同无线充电的新技术也有许多优点随其大功率的增长也应予以重视与发展

4.重视退役电池回收与拆解安全避免污染及事故

目前我国电动汽车动力电池报废开始进入第一波高峰期处理?#32531;茫?#36864;役动力电池将带来环境影响还有安全隐?#36857;?#24050;形成资源回收压力须面对难题是如何实现退役电池梯次利用与废旧电池资源化处理?目前已生产的动力电池种类繁多结?#20849;?#19968;废旧电池的回收利用又缺少指导标准规范?#28304;?#22312;污染环境发生拆解安全事故的危险

如前所述回收与梯次利用将是一新产业市场规模可观也有重要的经济与社会效益政府给与政策支持并鼓励民间?#26102;?#36827;入发展应是形成电动汽车产业生态良性循环的重要举措

5.普及型电动汽车动力性能差制动能量不能回收或利用率低

动力性能是汽车类产品最重要的性能参数之一表征着汽车的机动性与快速性更是豪华车与普通车区分的重大差异之处;而制动能量回收能力则是决定车载有限容量电池能源下续驶里?#22363;?#30701;的重要因素之一——这对于城?#26032;房?#19979;经常需频繁启动加速或减速制动停车时的续驶里?#22363;?#30701;有重大影响

普及型车多属A级以下特别是A000A00A0级产业发展初期由于动力电池价格太贵比能量?#20540;停?#30005;池也笨重以致车体整备质量高继而导致滚动阻力大引起高能耗车企为以低价战略争夺市场?#20013;?#22823;幅度压缩成本故通常选择的车载电池容量就小继而导致续驶里程短很多仅为150-200km?#36865;?#26368;高车速也不高通常多在100km/h左右与此相应车企也只能选择小功率小扭矩电机以免启动加速时的大电流将储存的电能迅速耗完因而加速性能差百公里加速时间很长机动性与爬坡能力都很差

早期产品电池管理系统也不完善;出于低成本及减少能耗的考虑即使到现在多数产品电池组(包)?#20004;?#20173;无温控为电池安全通常还严控限制大电流的充放电与此相应汽车的电机则选择的功率扭矩都偏小由于电机驱动的高效率大扭矩优势难以发挥?#25910;?#36710;动力性能就很差以致百公里加速时间很长甚至远不如同功率的?#21152;?#27773;车也由于电池容量小充放电电流?#36136;?#38480;减速制动时的短时大功率能量也难?#28304;?#30005;流回收而?#35013;?#34987;浪费其优势?#21442;?#27861;发挥由于动力性能差很多产品干脆就不标注其百公里加速时间指标或仅标注低速下的参数

城市交通拥堵?#25112;现أ?#20986;于降低日常出行成本的考虑很多家庭会考虑再选购一辆微型车代?#20581;?#26032;能源微型车体积小巧出行成本很低销售目标目前主要定位在三四线城市但如具有高动力与安全性能以及高水平的综合设计未来一二线城市也将会拥有可观的市场规模

制动能量回收 制动能量回收是电动汽车在制动时驱动电机被转置于发电状态把车体惯性运动的机械能再转换回电能回收储存回电池或储能器中制动能量回收是电动汽车本自具有的重要节能特征之一?#24425;S加?#27773;车通常不具备的优势关键在于制动能量是否已被有效利用还是根本未被利用?

研究表明在城?#34892;?#39542;工况约有50%甚至更多的驱动能量在制动过程中被?#35013;姿?#22833;浪费掉而在?#35760;?#24037;况至少也有约20%的驱动能量在制动过程中损失掉因此制动能量回?#23637;?#33021;是提高电动汽车能量利用率的有效措施对汽车的节能和?#32321;?#26377;着不可替代的重要作用

如果将车辆减速时的动能转化为电能回收并充入动力电池而不是被刹车片摩擦变?#20808;?#28010;费掉这无疑等于增加了蓄电池的容量但由于制动时间通常很短发电状态的电机瞬间发出的功率和电流都很大此能量是否能有效被利用将取决于车载电池容量以及可接受的最大充电电流倍率目前由于电动汽车车体机械传动与电气结构的不同对制动能量并不是都能有效回收如车体缺乏制动能量回收装置就将不能被利用此部分能量如被充分利用通常可延长续驶里程10-30%;而对每?#25112;?#22312;城?#26032;房?#19979;频繁启动加速与停车的状态下行驶甚至可延长续驶里程高达40%以上!

制动能量不能被有效回收实际是很大的浪费因为这意味着保证电动汽车一定的续驶里程本可以成比例地减少的电池容量与成本或成为可延长的续驶里程整车设计者如只盯在锂电池能量密度每年的小比例的增长一味只靠增加车载电池容量来加大续驶里程无异于是捡了芝麻丢了西瓜

开发制动能量回收系统需要同时考虑制动的安全性驾驶舒适性及能量的回收效率等世界各大汽车厂商及制动系?#36710;?#20027;要零部件供应商针对不同的电动汽车开发了各种类型的制动能量回收系?#22330;?#22269;内关于制动能量回收方面也进行了大量的研究

按照制动力分配方式的不同制动能量回收系统分为串联式和并联式两种早期的电动汽车大多采用并联式制动能量回收系统该方式制动时在驱动轴同时施加机械制动力与电机制动力在非驱动轴上采用传?#36710;?#26426;械制动随着技术的发展在制动效率制动效能制动安全等多方面有明显优势的串联式制动能量回收系统逐渐成为主流串联式制动能量回收系统优先使用电机制动力通过调节机械制动力使制动力之和与需求制动力保持一致串联式制动能量回收效率高制动性能好但系统结构复杂需?#28304;?#32479;机械制动系统进行改造实施过?#25506;?#20026;复杂

五.技术创新与发展前景

新能源电动汽车的核心和共性技术存在短板突出表现在电动汽车“三电”(电池电机和电控)核心技术掌控能力不足高端?#25918;?#21644;高性能产品也缺乏电动汽车企业的自主创新发明专利少专利质量也有待提高需?#20013;?#22823;力推动“三电”关键核心技术提升掌握了电动汽车的核心超前先进技术和实行能高度适应市场需求的营销战略就可形成企业强大的核心竞争力而制胜

研发更高比能量与安全的新型电池大幅度提升驱动电机和电控系?#36710;?#21151;率密度及效率注重发展颠覆性超前技术或黑科技超前布局固态锂电池燃料电池?#36873;?#22797;合能源碳化硅功?#21183;?#20214;高智能测控主动安全及全自动驾驶等?#35748;?#19968;代新技术与关键部件如获成功都将会成为未来激烈竞争中的制胜法宝

新能源电动汽车的核心的技术只有靠自己研发才能确保基业常青可?#20013;?#21457;展只有?#20999;?#22312;核心技术领域走在前面的车企才会成为未来国内新能源汽车产业的主力

?#36235;?#29616;有新能源电动汽车存在的缺点能否克服?用户焦虑能否解决?答案应是肯定能定会逐步解决且随着技术的飞速进步一些焦虑预?#24179;?#20915;也不会太久因新技术新方法也会层出不穷会永无止境

例如里?#25506;?#34385;2018年下半年?#20004;?#36798;到400-600km的长续驶里程已经有很多新车种上市新能源电动汽车乘用车的续航里程方面300公里以上的纯电动汽车比例目前已达到约81%不断提升的电动车续航里程表明新能源汽车产业正在高速发展与时俱进实际对于大多数日常以市内通勤为主的用户400km已足够即?#36129;?#26041;冬天容量/续驶里程缩水一半也还有200km可用对于我国每日出行25-45km左?#19994;?#22823;多数用户已不再构成主要焦虑
 


 

广汽新能源Aion S工况续航里程510km等速最大续航里程可达600km风阻系数cd仅0.245今年5月份将上市
 

何况未来还会有许多创新技术将陆续成熟导致全新型电动汽车上市即使电池容量密度未能显著提高依?#31185;?#23427;创新技术例如飞轮功率电池复合能源延长续驶里程15-30%甚至40%以上也完全可能但客观来说要让纯电车能像?#21152;?#36710;一样方便可靠这条路会还?#19979;?#38271;但在不久的将来电动车里?#25506;?#34385;等将不再会成为制约消费者购买欲望的绊脚石

随着新能源汽车市场的快速发展我国的锂电池也已迎来了发展的?#24179;?#26399;锂电池的产量?#37096;?#36895;增长从2014年的29.79GWh增长到2017年的79.91GWh年均复合增长率达到39%目前电池组/包(Pack)的系统能量密?#20219;?40Wh/kg的产品成为主流,达到160-170Wh/kg的车种也已出现

但目前国内纯电动车的百公里电耗仍偏高与国外先进水平相比还有差距还要进一步大幅度降低这是体现电动汽车节能水平最重要的表征参数涉及众多因素例如各能量转换?#26041;?#30340;效率车重(整备质量)风阻系数与滚动阻力等实际体现着产品的综合设计水平与制造能力例如日产聆风是一个标杆车型属小型电动汽车其NEDC工况能耗接近10度电/百公里装载40-60度电可以行驶400-500公里降低了电池的装载量

另一方面当前若一味追求高续航里程对用于城市通勤的车也需要背负大量电池包每日跑不但浪费金钱造成高能?#27169;?#22312;电池安全未彻底解决前也更危险特别是有些企业为追求短期利益将质量不完善有重大安全隐患的产?#20998;?#25509;推向市场就更危险

从国家对新能源汽车支持力度可见支持并不是要单纯发展新能源汽车而是要推动发展真正具有高技术又安全好用的新能源电动汽车以便满足社会需求并参与国?#36866;?#22330;竞争

打造高价值的产品核心是提供有竞争力差异化的产品?#22836;?#21153;给用户带来非凡的用车体验也将大幅度提升用户的购买意愿

1.电池技术

电池技术仍是目前及未来电动汽车产业发展的主要瓶颈对于新能源汽车动力电池而言其性能稳定性一致性安全性使用寿命成本和生产率无疑都影响制约着新能源电动汽车的产业发展高性能就是要获得高的能量密?#21462;?#23433;全性功率密度和长循环寿命

动力电池作为电动汽车三大核心部件之一成本约占整个电动汽车的40%或以上电动汽车的发展同样助推着动力电池的发展预计2020年我国国内动力电池总需求约90GWh2025年将达到310GWh

电池技术的发展趋势未来主要集中在新型电池高性能电池材料电池包(PACK)电池管理系统(BMS)电池梯级利用回收技术以及电池生产制造专用设备等领域我国锂离子动力电池已具有完整的产业链动力电池单体技术指标也已达国际先进水平在电池设计生产设备及电池原材料研发方面技术水平也有较大发展潜力

2017年三元锂电池开始击败?#23039;?#38081;锂电池成了新能源车动力电池的主力已是市场主流产品因此2018年电池技术的提升实?#31034;?#26159;三元锂电池技术的提升这一提升使纯电动汽车的续航能力已能满足普通家庭的用车需要并初步具备了与?#21152;?#27773;车竞争的能力随三元锂电池比能量?#20013;?#25552;升其成本也在不断下降技术进步明显规模量产应用产品的单体(电芯)能量密度已提升至265Wh/kg成本也降至了1元/Wh以下较2012年时的能量密度提高了2.2倍成本下降了75%

但产业对新型电池材料固态电池等新体系的研发?#24230;?#26041;面仍然不足核心技术原始创新专利仍缺乏自动化?#21830;?#35013;备水平不高动力电池产品一致性可靠性也有待提升产业发展面临的这些问题不解决不突破将直接影响新能源汽车的未来与发展继续提升动力电池性能水平?#20013;?#38477;低成本仍是产业发展的关键和重点还有安全性可靠性问题也对增强纯电动汽车产品竞争力促进新能源汽车产业长期发展具有极重要的意义

纯电动车为了获得更长的续航里程目前唯一的办法就是增加动力电池组的能量容量但车身留给动力电池的空间有限要想提升动力电池组容量唯一的办法只有提升动力电池组的能量密?#21462;?/p>

近几年能量密度的提升一是从相?#36234;系?#33021;量密度的?#23039;?#38081;锂向相?#36234;?#39640;能量密度的三元锂电池的切换;二是对三元锂电池正负极材料的提升特别是采用高镍三元(镍Ni从原来的1/3提升到80%例如NCM811)如今的三元锂电池主要是镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)两种类型这都是指电池的正极材料对电芯能量密度的影响也最大;而负极材料目前应用最多的是石墨

采用活性更高材料替换原有材料是以往常规锂电池研究思路Ni基材料凭借着高容量和良好的循环稳定性在动力电池领域迅速得到了广泛的应用特别是在国内NCM材料更是成为了高比能电池的主流正极材料Ni基正极材料的Ni含量一直在不断提高从最初的NCM111材料提高到NCM532NCM622随着动力电池能量密?#35748;?#26356;高迈进NCM811材料的应用也已日益普遍目前单体最高能量密度已达到300Wh/kg

富镍三元正极材料因具可逆容量高成本低等优点曾被认为是最理想的下一代高能量密度锂离子动力电池正极材?#29616;?#19968;?#36824;?#20854;有界面稳定性差二次颗粒内部结构衰退?#20219;?#39064;?#29616;?#38459;碍了该类正极材料的规模化应用

高镍三元材料的应用虽电池密度已创新高但这种能量密度的提升也有其极限——研究者们普遍认为350Wh/kg是锂离子电池的极限目前的能量密度上已经到达瓶颈期继续提高能量密度就需要采用全新的体系

最大问题在于在提升电池能量密度的同时还有重大安全隐?#36857;?#36825;种提升实际系以牺牲安全性为代价存在很大安全风险故解决安全问题现已迫在眉睫刻不容缓!?#36865;?#36817;年来锂钴和镍等原材料价格的上?#29301;?#23548;致锂离子电池成本也承受了很大的压力继续降低成本的空间也有限

三元锂电池目前的优化升级包括调整内部材料的比例采用新材料替代石墨负极提升隔膜性能?#21462;?#20294;这些方式都很难让三元锂电池的能量密度突破至300Wh/kg以上 目前对三元锂电池还仍在不断大力改进研究全新的体系特别是提高其安全性稳定性例如如下包覆修饰的2个案例及其它方法

长沙理工大学李灵均副教授与厦门大学美国阿贡国家实验室内布拉斯加大学林肯?#20013;?#24067;鲁克海文国家实验?#19994;群?#20869;外教授及团队合作最近同步合成了钛掺杂镧镍锂氧化物包覆的“双重修饰”富镍三元正极材料材料展现出了良好的?#20219;?#23450;性结构稳定性及优异的电化学性能在60高温循环150次后双重修?#23614;?#26009;的容量保持率比纯相富镍材料提高了近2倍这一发现为富镍三元材料的开发和应用提供了新思路和理论指?#36857;?#26377;助于高能量密度锂离子动力电池的发展

美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授则提出了全天候免管理电池(MFB)的制备方?#31119;合?#38045;化正极材料和电解?#28023;缓?#21152;温应用即利用?#23039;?#38081;锂材料对NCM811的三元材料?#36234;?#34892;包覆将活性材料“钝化”或者在电解液中添加添加?#31890;?#26469;增加电池的内阻抑制电池材料活性提升电池稳定性保证安全内加热技术也正是全气候电池中使用的核心技术正常使用则需要用?#21364;?#28608;方式迅速调制电池电化学的动力特性让MFB电池能输出高功率其内加?#21364;?#28608;的加热结构是仅在原有电池结构中增加一个5μ厚的镍片这几乎不增加电池重量却可使得电池的能量密度得到保证用3%的能耗使电池内部迅速升温20-30摄氏度在加?#36718;?0时电池的内阻会大幅降低其功率与充电速度将超过正常电池水平1.72倍传统电池工作温?#20219;?0棬而MFB工作温?#20219;?0档?#36865;?#23545;电池的热管理需求非常简单甚至可不需要热管理系统仅使用自然对流就足够;而加温的能耗也并不高

硅材料储量丰富且能比锂电池中使用的石墨吸收更多的锂离子被认为具有制造大容量电池的前景但硅颗粒在吸收和?#22836;?#38146;离子时会膨胀和收缩在多次充放电循环后容易?#23631;选?#21152;拿大阿尔伯塔大学化学家布里?#24378;? Jillian Buriak )团队发现将硅塑造成纳米级的颗粒有助于防止其?#23631;选?#20182;们发现最小的颗粒(?#26412;?#20165;约为3.3x10-10m)在多次充放电循环后表现出最佳的长期稳定性这克服了在锂离子电池中使用硅的限制这一发现可能导致新一代电池的容量是目前锂离子电池的10倍朝着制造新一代硅基锂离子电池迈出了关键的一步,有广阔的应用前景特别是在电动汽车领域可以使其行驶里?#35848;?#36828;充电速度更快电池重量更轻

从国家战略看中国地大物博锂矿资源丰富是亚洲唯一“富锂”的国家故基于电化学锂电池为动力能源的纯电汽车仍应是我国当前这一段时期的主流全国政协副主席万钢指出未来存在的问题还在于三元锂电池材料需要锂Li和钴Co我国虽富锂但2020年后当电动汽车达到年产500万辆时预计全世界锂和钴的年产量将都?#36824;还?#20013;国电池用据美国地理调查估计全球锂资源约为 3950 万吨而具备商业开采价值的锂储备量则仅为 1351.9 万吨在目前的产业状况下这样的锂资源可用上超过 300 年不成问题但若是需求爆炸性成长在一年 80万吨的情况下不到 17 年就会用尽

而中国钴资源又缺乏价格也高已出现钴金属价格的暴涨和锂金属资源?#36234;?#34429;现高镍NCM811材料的用钴量虽已由NCM532NCM622用量的0.20kg/kwh降低到0.091kg/kwh减少已超过50%但产业仍必须为未来及早研究寻找新材料替代未雨绸缪

锂离子电池实际上是一种亚稳态的体系在使用的过程中由于电解液与正负极界面的副反应的存在会导?#29575;?#21629;末期锂离子电池的热特性电特?#36828;?#21457;生显著的改变因此锂离子电池的?#20219;?#23450;性也会必然会随着锂离子电池的老化而?#20013;?#21464;化

对锂离子电池的热失控现已进行了很多研究但是主要还是集中在寿命初期的新电池上对于寿命末期的电池的热失控研究还相对比较少根据一些研究发现在80下进行存储老化试验能够看到100% SOC(电池荷电状态/剩余电量)存储的电池老化程度要明?#28304;?#20110;0% SOC存储的电池80高温老化后的电池在0% SOC状态下老化越?#29616;?#30340;电池?#20219;?#23450;越差电池的SOC状态对于电池的?#20219;?#23450;性影响最大随着电池SOC状态的提高电池的热失控开始温?#35748;灾?#38477;低0% SOC状态下老化程度大的电池?#20219;?#23450;?#36234;?#24046;在75% SOC状态下老化程度较大的电池反而?#20219;?#23450;?#36234;?#39640;对于电池安全性影响最大的还是电池的SOC状态SOC状态越高则电池的?#20219;?#23450;性越差电池发生热失控的温度也就越低

Amionx正在推广其SafeCore安全锂离子电池技术该公司声?#30772;?#37319;用了“廉价且广泛可用的”材料来防止热失控SafeCore的核心技术是位于电池内1-5μ的特殊夹层Amionx表示它可由电流电压或温度的快速上升而引发分解形成电子无法穿越的屏障Amionx将开放可防止热失控的锂电池技术从其发布的视频来看这项技术的实际成效还相当令人满意但其代价添加安全层之后电池容量会减少1%-3%?#36824;?#25972;体上还是利大于弊Aminox?#30772;?#26377;助于延长电池寿命

总之随着动力锂电池的技术进步与规模效益的发展成本将不断下降竞争力会逐渐提升动力电池潜在市场也将逐步壮大但存在发生热失控的重大安全隐?#36857;?#27491;在研究改进中

要细致入微的评估电池的潜在安全风险还要从化学体系单体结构设计系统结构设计等角度提高电池安全目前常用的电解液是有机溶剂体系这?#24425;?#38146;离子电池容易起火爆炸的一大原因以往在电解液端的安全设计上也仅仅使用了过充添加剂和阻燃添加?#31890;?#36817;些年来电解液方面的进展很少

中科院院士?#36153;?#26126;高指出“靠增大电池装载量来增?#26377;?#39542;里程不是根本出路主流技术路线是提高电动汽车能效和充电便利性”

全国政协副主席万钢指出“续驶里程就是纯电动汽车的一个短板而且续驶里程不能简单的用增加电池的办法解决”

工程院杨裕生院士也指出随着比能量提高汽车危?#25307;?#23601;会增大燃烧爆炸的事?#31034;?#20250;增多

我们的补充建议是当下除增加对三元锂电池的冷却/热管理及其他安全保护措施外大力研发新型高能电池例如固态锂电池;大力加强对三元锂电池的各种安全保护措施研究力争实现新能源电池的本质安全或安全加固在新电池技术尚未成熟或未能实现量产之前通过使用功率电池与三元锂电池组成复合能源防止锂电池在使用中的大电流充放电来强化安全;通过功率电池提供加速或高效回收减速制动的能量加之推动轻量化等各种降低能耗措施来增加新能源电动汽车的续航里程以保障产业的健康发展防止与减少恶性事故的发生

关于退役电池汽车锂电池的使用寿命有限在内阻增大以及均衡出现问题之后将不适合再作为动力电池继续使用但重新匹配之后大内阻的电池非常适合光伏发电是太阳能发电的理想类型作为储能电池还可继续使用几十年未来电动汽车的保有量足够大而且退役电池形成回收循环大量的储能电池涌入新能源发电领域届时清洁电能的比例将快速增加电价的合理化也会?#24179;?#30005;动汽车的加速普及两者相辅相成

a.固态电池

液体电解质电池?#36824;?#20307;电解质(SSE)替代是正在被探索的一个电池新领域是下一代电池的研发重点在锂电领域则是现有锂离子传统电池技术路径的?#30001;e?#24403;属前瞻技术新能源汽车的动力电池能否实现?#26102;?#25552;升将对电动汽车在下一个十年期的发展有重大影响

固态锂电池可以让更多带电离子聚集在一端带来的好处是能够传导更大的电流电池容量便会随之提升从材料方面理解就更为直观使用固态电解质的锂电池终于可以摆脱石墨材料的束缚转而去采用金属锂作为负极这一改变大幅减少了负极材料的使用量从而使电池能量密度将得到明显的提升

业界当前的一致共识是现有锂电池的能量密度要进一?#25945;?#39640;到大于500wh/kg固态电解质锂电池是重要路径但实际上固态电解质锂电池的大量应用其意义远不止于此

首先这种电池更安全不起火或不易起火燃烧能较彻底的解决目前的热失控安全焦虑;高能量密度将能更好地解决里?#25506;?#34385;;可大电流充电就能缓解充电时间长的充电焦虑固态电池的成功量产应用无疑将推动电动汽车的大普及
 



液态锂电池与固态锂电池的结构比较
 

但须注意固态锂电池也并非都绝?#22253;?#20840;!一些硫化物全固态锂电池在?#25215;?#24037;况条件下也不安全烧起来也很厉害宁波所与赣锋锂业合作生产的半固态电池接受了包括针刺?#36153;?#36807;充过放加热等针对现有锂离子电池的系统检测的所有?#26041;ڣ?#20854;安全?#36234;?#29616;有相同体系的传统锂离子电池有了一定的提升;但在一些极限条件下也会发生热失控?#20219;?#39064;?#36865;?#21322;固态电池或称固液混合的电池与硫化物情况类似极限条件下也会发生一些失控状态

采用固态电解质一方面是可以提升电压平台高度进而能提升电池能量密?#21462;?#21478;一方面在固固反应中可以减少气体排放提升锂电池的安全性能而固态电池具备大大提高续航里程的潜力

固态电池的众多优势包括更轻碰撞起火风险更低由于无电解液——由固态电解质代替了液态电解质固态电解?#26102;?#36523;不可燃无腐?#30784;?#19981;挥发故无漏液干?#35029;参推?#38382;题;固体电解质材料的高抗剪强度则可有效阻断?#31181;平?#23646;锂Li负极的枝晶生长无需隔膜隔开正负极所以不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路从而可避免内短路的发生电解?#39318;?#36523;又不燃烧或不易燃烧无可燃气体形成高压燃气逸出就更不易起火爆炸?#36865;?#30005;池高温电性能更好可以在更高温(可长期在60-120°C温?#35748;?更大电流更高电压下工作较液态电解质锂电池应用范围更加广泛正极材料选择面更宽非活性物质体积量也减少

传?#36710;?#20307;锂电池内部使用液态电解?#28023;?#24403;?#24615;?#30005;压超过5V后会出?#22336;?#35299;甚至发生爆炸?#25163;?#33021;实现外部串联而无法进行内部串联

而固态锂陶瓷电池能够在电池内部就首先形成串联例如使单颗电池芯的额定电压可从7.4V最大串联叠?#21448;?#39640;达60V在单体电池电压上就要远高于传统动力电池特别是电芯在内部可多片串联形成高压模块而由于可制成较大面积电芯能形成大电流容?#24247;?#20307;电池就可大幅度减少通常电芯须并联的组合的数目

实现内部串联的高电压支持后固态电池也能够实现双极电池技术这同样?#24425;?#20256;统动力电池无法实现的当单体电池在堆叠串联后加入上下两层导电材料实现双向正负极的连接?#32531;?#20877;次与横向的另外一个电池包进行串联最高可以实现4×6达到24个单体电池双向正负极?#36234;?#30340;串联技术电压也将由此再次叠加提高组成一个完整的单体电池组最终6片24个串联的电池组叠加后加入铝外?#21069;?#35013;形成一个单体的固态电池单元(Cell)容量即能达到20kWh以上其单个固态电池组的系统能量密度就能够达到255Wh/kg将是目前液态电解质锂电池的1.6倍以上

这也将大大简化电池管理系统BMS的设计制造组装难度并降低成本大功率高压模块的结构还可大幅度降低电池组装电池包制造的成本大幅度减少电池与整车组装的工时加快量产的产能还将增加整车内?#21487;?#35745;的自由?#21462;?/p>

散热方面固态电池也具备重要的优势整个电池组从满电到放电结束电池温度会维持在26以内而目前的圆柱形电池整个放电过程结束后温度会在40以上虽?#36824;?#24577;电池技术目前与圆柱形电池一样同样可采用水冷但因为本身放电温度低就可以保持的更低基于固态电池本身放电温度低的特性在散热方式上还能够进行更多优化例如在电池与电池组中间加入散热胶等可进一步减少电池包的体积和重量

固态电池由于在安全性可靠性能量密?#21462;?#24490;环寿命等多方面性能优势明显被行业内认为是较为理想的下一代电池技术体系从液态到全固态无疑将是电池技术创新的下一个风口

由下图可发现固态锂电池定将会成为电动汽车产业很长一段时间的能源主力

图1 各类锂二次电池的能量密度与功率密度
 

?#36153;?#26126;高院士表示(液体电解质)锂离子电池仍在安全性上存在局限当前我们仍无法避免动力电池热失控的发生只能可?#28304;?#30005;池系?#36710;?#28909;机电设计与控制设计来防止诱发和蔓延想要提高电动汽车产品的安全性就必须发展新型的固态电解质电池电动汽车也需要提高效能和充电便利性提高电机效率完善新一代与储能结合安全可靠的快充技术仍需下功夫推广纯电动技术路线不能退缩要坚持走下去

当前全球动力电池市场由中日韩三国主?#36857;?#20294;?#35775;?#20225;业已经着手布局固态电池希望通过提早掌握下一代动力电池技术在下一轮竞争中占据主导

国际上丰田松下日产本田大众奔驰宝马现代三菱日立苹果三星戴森博世菲斯克24M以及被誉为锂电池之父的John Goodenough的团队等产业巨头和科技公司也?#36861;?#23558;研发目光转向并涉足固态电池研发甚至开始商业化?#36816;?#20016;田高调宣称2022年量产固态电池菲斯克汽车近日也公开表示2023年或实现固态电池量产而1分钟充电续航804公里的?#35010;?#25968;字前景更是将固态电池推向了风口?#24605;?/p>

从技术路线上来看固态电池的发展主要分为3大方向其中技术成熟度较高技术沉淀较深的有法国Bolloré美国Sakti3和日本丰田分别代表了以聚合物氧化物和硫化物三大固态电解质的典型技术开发方向

在早期固态电池技术的?#24179;?#20013;薄膜和固态聚合物技术是主要的走向在过去的几年中博世以及戴森等公司都在不断加大在这两?#27490;?#24577;电池技术上的投资薄膜和固态聚合物技术有高成本和低离子导电率两个致命问题例如薄膜技术无法在室温25左右条件下能实现高导电率所以需要加热并维持在60才能保证所以在很多早期的固态电池试产车上因电池依赖不断加热造成电能高?#38498;模?#23601;无法发挥出其它的优势

从全球来看国际车企的积极性与?#24230;?#21147;度很大不少已经将固态电池作为汽车动力电池的主要方向车企业和电池企业?#36861;?#19979;注固态电池希望打造下一个超级明星公司如宝马丰田日立现代等车企都在积极实现固态电池产业化国内车企则目前?#28304;?#20284;还没有引起足够的重视

在产业化的时间节点上大部?#21046;?#19994;预?#24179;?#22312;2025年左?#21307;?#34892;产业化

目前固态电池所面临的主要瓶颈是固态电解质的导电率内阻界面阻抗及相容性?#21462;?#22240;此现阶段各大企业的研发重点是固态聚合物无机固体电解质的设计及制?#31119;?#22266;/?#25506;?#38754;构筑及稳定化技术并在此基础上完善电池生产工艺及专用设备的研究实现量产

国际上许多企业均在加快量产固态电池的步伐有不少企业宣称已取得突破?#36234;?#23637;规模化量产时间节点集中在2025年左右

法国的博洛雷(Bolloré)配备了其子公司Batscap生产的30kwh的Bollore金属锂聚合物电池(LMP)采用Li-PEO-LFP材料体系已有3000辆固态电池汽车EV“Bluecar”作巴黎的汽车共享服务计划Autolib进行商业化运营其这?#24425;?#19990;界上首次用于EV的商业化全固态电池用?#23039;?#38081;锂为正极金属锂为负极用有机的POG为电解质但这个电池有一个比较大的问题但据传其温度性能还做的很差正常运行温度须在100以上未来的能量密度提升还是有一定瓶颈因为它整个正极只能?#23039;?#38081;锂如果不能导入新的正极未来整个发展还可能受限但是它验证了?#36234;?#23646;锂为负极整个全固态电池能够超过两千次的循环

美国菲斯克(FISKER)2016年已就全固态锂离子电池(“LIB”)制造方法申请了专利系为机?#31561;?#24615;陶瓷电解质采用了太阳能电池制造所采用的薄膜技术外加使用了新的制造工艺具有大表面积提及充电最快只需1分钟的时间便能换来电动汽车约800公里的续航里程固态电池的成本每千瓦时不到100美元FISKER在2018 CES(国际消费电子展)上在推出全新电动跑车Emotion还推出了柔性固态电池材料搭载的石墨烯固态电池宣?#30772;?#26032;款固态锂电池充电仅需9分钟并将实现量产但这些还是有些曾是雷声大雨点小?#21512;?#20197;石墨烯电池为噱头出了名之后开发达不到预期

日本的研究人员几年前发现?#27627;?#20215;的亚硫酸?#20301;?#29627;璃材料不仅强度足以抵抗枝晶而且具有很高的离子导电性这可能有助于开发可充电固态锂电池科学家们一直在对其机械和电化学特性经济?#36234;?#34892;建模力争获得高功率密度与低成本这种带有锂阳极和阴极的亚硫酸?#20301;?#29627;璃电解质的锂金属电池预计可达到500元/1kWh而这是一个关键的门槛将可以让电动汽车与?#21152;?#27773;车保持有差不多的价格竞争力比?#30784;?/p>

丰田汽车在固态电池技术研发上获得专利已超过两百项居全球首位丰田汽车不仅自己研发还联合本田日产松下等20余家汽车电池和材料企业以及京?#21363;?#23398;日本理化学研究所等10余家科研院所共同研发新能源汽车用全固态锂电池预?#24179;?#20110;2025年左右实现商业化

丰田一直专注于硫化物固态电池技术的开发但硫化物本身活?#38498;?#39640;在生产和使用中一旦与水接触就会产生硫化氢硫化氢为易燃剧毒危险化学品与空气混合能形成爆炸性混合物遇明火高热能引起燃烧爆炸它在?#25215;?#24037;况条件下?#24425;?#19981;安全的硫化物路线虽然在生产成本上要比薄膜技术更低但保证高的安全?#36234;?#26159;更高的门槛其实也从另一个角度增加了开发成本

三井金属发布了下一代的锂离子二次电池“全固态电池”其采用的是硫化物固态电解质并计划在2020年正式量产

日立公司已宣?#35745;?#22266;态电池技术已经研发完成“公司现在就可以提供与当前锂离子电池相同性能的固态电池能更好的处理温度变化拥有更长的循环寿命”

韩国三星的日本R&D研究院?#24425;?#22522;于硫化物的全固态锂电池是金属锂为负极硫化物为固体电解质其体积能量密度能做到921Wh/L重量能量密度能够做到427Wh/kg三星SDI将和LG化学SKI联手开发固态电池锂金属电池和锂硫电池

英国戴森将在2020年量产一种电动汽车其电池组为一种可拆卸的盒?#28966;?#24577;电池组由戴森投资?#23637;?#30340;固态电池公司Sakti3开发的固态电池组比锂离子电池更轻更节能能进一步减轻电池组重量和对控制系?#36710;?#35201;求

德国博世一?#34987;?#26497;布局固态电池的研究和生产已?#23637;毫?#19968;?#19994;?#32654;国电池公司Seeo?#36865;?#36824;与日本的GSYUASA(汤浅)电池公司和三菱重工共同建立了新工厂主攻固态阳极锂离子电池

德国大陆目前正在考虑加大?#28304;?#26032;型电池生产的投资计划在2024年左右投产新一代固态电池

德国 Kolibri为奥迪汽车开发出一款大容量的聚合物固态锂电池锂金属聚合物(Lithium Metal Polymer,LMP)电池总重300 kg续驶里程达到600 km德国 Kolibri电池应用于奥迪 A1纯电动汽车试验所用的 Kolibri 电池容量为100 kWh被分成两块安装它可提供55 kW的功率相当于1.4 L的汽油发动机而相同重量的液态锂离子电池则由近 200个锂离子电池单元组成电池模块其容量?#20849;?#21040;30 kWh行驶里?#25506;?#20026;150 kmKolibri高性能电池的基础是复杂的膜技术但目前其电池仍未进入规模化商业推?#25004;?#27573;

宝马一方面在?#36234;?#30005;芯研发中心研发固态电池技术还积极和Solid Power在固态电池方面深度合作快速提升电池研发能力

大众此前宣布将计划自主生产固态电池可能从2024或2025年开始批?#21487;?#20135;Quantum Scape拥有200多项固态电池技术专利和专利申请这将为大众研发固态电池提供强有力的帮助目标在2025年前建立固态电池生产线

澳洲马格尼斯资源有限公司(Magnis Resources Limited)宣?#35745;?#21512;作伙伴C4V(Charge CCCV)已经生产出固态电池的原型该原型电池容量目前为380Wh/kg和700Wh/L预?#24179;?#19968;步优化可达400Wh/kg和750Wh/L该新型电池降低了生产成本并且无需使用钴金属减少了制?#23478;?#32032;C4V计划将于2019年第二个季度开始商业生产
 

表3全球固态电池产?#38450;?/p>


 

在中国宁德时代比亚迪辉能科技清陶发展国轩高科亿?#31609;?#33021;雄韬股份鹏辉能源赣锋锂业横店东磁珈伟股份杉杉股份当升科技坚瑞沃能寒锐钴业和中国科学院物理所化学所大连化物所等研究中心清华大学?#25004;?#38271;兴中俄新能源材料技术研究院等都宣布已在研发固态电池及其相关材料

国内对固态电池等前瞻技术的跟进已加速差距正在逐渐缩小在全球都没有成熟技术的前提下起步相?#36234;?#26202;的国内企业依然有机会凭借技术突破及规模效应实现“弯道超车”

政策上2017年工信?#24247;人?#37096;委共同发布促进汽车动力电池产业发展行动方案明确要求大力?#24179;?#26032;型锂离子动力电池研发和产业化加大?#24230;?#30740;发固态电池等新型电池

宁德时代正在加速开发EV用的全固态锂电池已在聚合物和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作并取得了初步进展并在规模化生产上提出了初步的工艺路线宁德采用热压方式改?#24179;?#38754;接触来提高电池体系的整体离子导电性并且对硫化物材料进行了改进研究提高了它的稳定性?#36865;?#36824;进行一系列的材料研究和工艺开发对固态电池积极布局已朝产业化更进了一?#20581;?/p>

比亚迪很早就开始布局固态电池的相关研发工作可能最快五年以后会提供固态电池产品已经在做小规模试用;

国轩高科半固态电池技术已处于实验室向中试转换阶段计划2019年建设中试线;

赣锋锂业固态锂电池产?#21453;?#20110;试验阶段已通过多项第三方安全测试;

固态电解质的氧化物技术路线缺点是氧化物很稳定“脆性”高对生产的要求也就更高同时导电性也并不具备优势但相比于其它三条路线克服生产难度要比克服成本和安全性要更简单

台湾辉能科技公司(PLG)自2006年?#31383;?#36215;用了8年的时间攻克了陶瓷氧化物技术目前该公司最核心的研发项目为LCB固态锂陶瓷电池其特点是高能量密度以及高电压

中科院青岛生物能源与过程研究所提出“原位自形成固态电解质”的解决方?#31119;?#26377;效降低界面阻抗和提升电池综合性能目前已开发出6Ah大容量三元固态锂电池具有能量密度高循环寿命长安全性能佳等优势这是我国首个自主研发并已成功应用于深潜器的高能量密?#21462;?#39640;性能全固态锂电池

清陶发展2018年底已对外宣?#35745;?#24050;投产全国首条固态锂电池产线并开发出单体能量密度达430Wh/kg的全固态电池预计在量产阶段能量密度可轻松达到300Wh/kg以上而现有液态锂电池材料体系想要实现350Wh/kg以上能量密度则几乎不可能其电池包剪切之后未爆炸依然能正常供电;弯折10000次电池容量衰减不超过5%;针刺后进水不燃烧不爆炸还展示了纳米陶?#19978;?#32500;与复合材料薄膜是储能高安全性显著提高的固态锂电池但其性能参数尚未公布

巨电新能源的固态聚合物锂电池项目本月18日在江?#25307;?#24030;经济技术开发区开工据厂家介绍此电池单体大能量密度高单个电池容量500Ah具有1.6kWh电能电池内阻低仅0.35mΩ是传统电池的1%在使用过程中本身温度不会超过环境温度5棬无需额外散?#35748;?#32479;安全?#36136;?#30005;一辆12m长的大巴车仅需用168个电池而采用传?#36710;?#23567;电池则需3万个电池模块创造性地全部采用串联模式组合通过互联网可对每个电池进行实时监控降低?#25910;下省?/p>

珈伟股份公司于2016年底在上海发布了固态与快充锂电池表示将全力加速两种锂电池的合体——使深层安全保障与超强性能合二为一据报道目前锂电池工厂已安装调试并正式投产即将量产的电池主要为快充型

中科院物理所研究?#34987;?#23398;杰介绍固态锂电池采用金属锂作为负极固体无机或高分子材料作为电解质能量密度比采用同类型正极材料的锂电子电池高20%30%

汽油车被撞还有个?#21152;?#27844;漏着火爆炸的过程还有时间逃生但电动车撞了如电池?#36153;?#21464;形短路可能立刻由大电流引发着火最可怕的是或许没有逃生的时间但如果是固态电池就会完全不一样安全度甚至都可超过汽油车不但具有高能量密度安全可靠性也极好还有可实现柔性化的特点更?#23376;?#21464;形组合布局

中科院宁波材料技术与工程研究所研究员许晓雄认为基于氧化物固态隔膜的混合固液电解质锂电池可以兼顾较高能量密度与安全特性现在已经具备了产业化的基础此技术在国内有很多专利是自主知识产权但其规模化的推广还需要国家政策的支持发展全固态电池如采用金属锂为负极有机无机复合的固态柔性膜应是核心材料无机硫化物电解质在此应有较好的应用未来金属锂的应用如果能量密度400wh/kg左右但要求寿命比较长的话可能金属锂负极走这样一个锂基复合——像硅碳复合的思路此组合有可能实现高能量密度和长循环寿命对全固态电池而言电池规模化制备装备亟待突破国内仍有所欠缺

中国青岛储能产业技术研究院的研究团队去年创造性地提出了“刚柔并济”聚合物电解质的设?#35780;?#24565;构建了复合电解质材料体系制备出一系列综合性能优异的固态聚合物电解质体系有效解决?#21496;?#21512;物电解质各项性能不能兼顾的难题发展了新型的固态电解质关键材料体系

总之全固态锂电池作为替代传统锂电的未来电池技术方向之一吸引了众多国内外研究机构和企业进行研发但是在固体电解质材料界面性能优化电极材料选择以及成本工艺上还有相当长的路要走不论是生产工艺制程或是生产线的周围环境都需要大量的?#26102;就度?#21644;严格参数控制国内固态电池研发规模和实力也在加速壮大中当然还远不止上述这些未来还会有更多纵?#36824;?#24577;电池目前还有着这样那样的问题与壁垒但不可否认的是固态电池正是当前与不久未来锂电池研发的最重要方向且光明已现

全固态电池是近年来电池领域最值得期待的研究方向之一目前领域内普遍意识到使用锂/?#24179;?#23646;作为负极是固态电池超越传统锂离子电池能量密度的必要条件之一 然而锂/?#24179;?#23646;具有很强的化学活性会与大多数固态电解质发生化学反应生成电子离子混合导体——这使得分解反应?#20013;?#36827;行直至电解质(或碱金属)全部消?#27169;?#22823;大降低电池能量利用效率已发现Na3SbS4的?#35780;?#23376;固态电解质在暴露空气后大幅提高全固态钠电池的充放电性能这一发现打?#23631;?#31354;气及水环境对电池有害的传统认知为全固态钠电池的?#24179;?#23646;-固态电解质的界面设计提供了全新的思路

b. 氢燃料电池

燃料电池 MFC ?#24425;?#22269;际电动汽车最重要的技术路线之一体现着由化学能直接转换为电能的能源革命,而氢则是21世纪最有希望的新一代绿色能源

燃料电池已有180年的发展历史最早可追溯到1838年W. R. Grove的发明到20世纪90年代作为解决环境污染和能源供需问题的重要途径之一燃料电池电动汽车技术受到了空前重视世界主要汽车厂商?#24230;?#20102;大量的人力和物力研发燃料电池电动汽车目前汽车的应用主要是基于?#39318;ԁ换?#33180;的燃料电池(PEMFC)

以氢能为基础的燃料电池汽车被认为是21 世纪理想的交通工具,从国家能源安全和环境保护的战?#36234;?#24230;考虑,它的出现?#21442;?#25105;国调整能源结构和发展交通技术提供了一个极好的机遇

氢燃料电池汽车?#20204;?#20316;能源其氢 H2 的来源十分广泛氢燃料电池完全不进行燃?#23637;?#31243;而通过电化学反应直接将化学能转化为电能其能量转化效率高达45%-60%约是内燃机的两倍直接?#20204;?#30340;燃料电池汽车完全不排放有害气体不产生二氧化碳不存在纯电动汽车充电时间长续航里程短的?#25758;?#26159;真正的零排放其优势重大理论上或是电动汽车的?#21344;?#25216;术但只有通过可再生资源生物能水能风能或太阳能发电等方式获?#20204;?#26410;来才有可能真正实现零排放

国内外发展氢燃料电池汽车也已多年其商业化也已经过多年的示范从技术角度看经多年的研究与试验运行氢燃料电池汽车的整体应用性能包括续驶里程舒适性加氢时间低?#29575;?#24212;性等基本?#21363;?#21040;了?#21152;?#27773;车的水平并且更清洁有零排放?#28982;繁?#20248;势其产业化发展态势较佳产品似已接近成熟但目前因制造成本太高基础配套设施及产业链实际仍非常薄弱?#39542;共?#33021;很好地推广应用氢燃料汽车似乎已离我们越来越近但眼下要使用这类汽车还是早了些整体筹措规划发展的代价还太高

纯氢的生产储存保管运输和灌装或用其它燃?#29616;?#25972;?#36828;?#27604;较复杂成本高再加之由于对其安全性的要求更高都导致燃料电池的制造的成本过高价格昂贵

与锂离子电池不同氢燃料电池只能充氢发电不能充电特别是由于氢气分子极小极易泄露又易?#23478;?#29190;一旦泄露将会造成不可估量的后果因此需要极其严格的密封这一要求使?#20204;?#29123;料电池的制造工艺很复杂并给使用和维护带来很多困?#36873;送?#19982;充电站充电桩相比加氢站也需要比加油站严格多得多的安全防护措施予以保证故储氢加氢设施的建设通常需要数倍(?#27490;乐?#23569;约3倍或更高)于充电站的巨额的投资并需更长的建设期间

对发展氢燃料电池汽车来说除要显著降低燃料电池系?#36710;?#36896;价外氢气的储存和输运问题就是需面临的另一大挑?#20581;?#34429;然氢气的质量能量密度很高但它的体积能量密度很小即使把氢气压缩到70MPa它的体积能量密度(1.30k Wh/L)也仅是汽油体积能量密度(9.2kWh/L)的1/7故要保证同样的续驶里?#22363;?#24230;氢燃料电池车的燃料罐要比?#21152;?#36710;的汽油箱体积?#21363;?倍而车载储氢容器还必需能耐受70MPa(即700个大气压 atm!)的超高气压其制造与安全维护难度非同一般?#25910;?#24335;进入商业化仍有一段长路要走目前如采用更?#25512;?#21387;的35MPa储氢罐是可减少制造难度但绝不是战略的优选总之目前的氢储运方法?#38498;?#19981;理想采用高压气态储氢燃料电池汽车的实例如

美国通用汽车公司GM的氢动四号 (HydroGen 4) 是雪佛兰Equinox燃料电池车的?#20998;?#29256;车型它的氢燃料存贮装置由3个70MPa的高压储氢罐组成罐体采用碳纤维复合材料最大氢燃料存储量为4.2kg足以支持320km的行驶里程

采用低温液态氢储氢的燃料电池汽车的实例如

通用汽车公司GM于2000年9月推出了”氢动一号” (HydroGen 1) 燃料电池概念车是以?#32321;?ldquo;赛飞利”为原型开发的5座轿车批?#21487;?#20135;车的整备质量为1425 kg0-100km/h加速时间为16s最高车速为140km/h续驶里程为400km所使用的是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)其连续输出功率80Kw最大输出120kW它采用纯净的氢以 -253的低温储放在特制的燃料罐中为?#21496;?#37327;减少液氢的蒸发损失必须尽量杜绝外界的热量传递给燃料罐燃料罐很像钢制的?#20154;?#29942;长1m?#26412;?.4m ,整个燃料罐系统(包括阀门热?#25442;?#22120;等)重约95kg它可?#28304;?#25918;5kg(约75L)的液氢该燃料罐由两层不锈钢壳体组成在两层容器壁之间抽真空以减少热传导其发电的效率可达50%,将来可达60%相比之下即使是新型柴油机其热效率也只有30-40%

通用汽车公司于2003年展出的新型氢燃料电池车“氢动三号” ( HydroGen 3)其储氢罐分为两种一?#27490;?#20869;储存的是温?#20219;?-253的液态氢液体储氢罐容量为68 L氢储存量为4.6 kg ;另一?#27490;?#20869;储存的是承受最高压力可达70MPa的高压氢气;两者的一次充气行驶里程分别可达400km和270km其氢燃料电池的主要性能为燃料电池组的体积为58.76L额定输出功率为94 kW体积比功率为1.6Kw/L ,电机功率为60 kW最高车速为160 km/h其最大问题仍是成本过高该燃料电池驱动系?#36710;?#39640;成本系由于昂贵的铂Pt及高压储氢罐上碳纤维的使用等是传统内燃发动机的10倍

本田 FCX 是世界上首款大批?#21487;?#20135;的氢能源汽车它也采用液态氢作为汽车的燃料

发展燃料电池电动汽车还有许多不同的技术路线但目前都?#20849;?#25104;熟面临着许多新问题或存在重大缺点需努力克服而面临着其它挑?#20581;?#34429;然其它技术路线有许多比车载高压气体储氢技术有不同的优点例如前述的液态储氢技术需要罐内保持 -253以下的低温就可把 85L 的氢气制成 1L 的液态氢但这需要耗费相当高的制冷能量并维持再如采用?#29366;肌?#20057;醇等?#35760;?#21270;合物作燃料的蒸汽重整技术将无需车载高压气罐也更安全运输储存也更便捷但其燃料本质上不属于完全干净的清洁能源仍有很高的 CO2 排放?#29366;?#36824;有毒性泄露问题且重整中还需要净化以避免 CO 气体使燃料电池中?#23613;?#20854;实例如

戴?#38450;? ?#27515;乘估?#38598;团于 2000 年11 月推出的一种?#29366;?#29123;料电池新车型NECAR5 它是以奔驰 A 级车为基础改装的,配备了加拿大巴拉德公司的最新?#39318;ԁ换?#33180;燃料电池,采用?#29366;?#26469;制取氢,燃料电池组最大输出功率为 75kW最高车速为150 km/h一次充注续驶里程为 450 km

日本马?#28304;?#19982;美国福特汽车公司在小型轿车“Premacy”的基础上,联合开发的乙醇燃料电池车“Premacy2FC2EV”这辆车可坐 5人用乙醇作燃料其引擎的输出功率为 65 kW

丰田汽车公司在2001 年展出的新型汽油燃料电池汽车“FCHV25”,它是用改质型汽油类的清洁?#35760;?#21270;合物燃料来制取氢气丰田将改?#21183;?#20570;得更小并安装在汽车底板下,其尺寸为 600 x 880 x 200mm?#36824;?#20016;田觉得这一尺寸仍然太大,准备进一步将其缩小到现在的1/3 左右,以便能够安装到引擎室中

一个对各类燃料汽车的经济?#36234;?#34892;分析比较的实例参见下表对比是以排量为1.6L 的家用轿车为参照
 

表4. 各类燃料汽车的经济性比较


 

从储氢容器来看美国能源部提出燃料电池汽车车载储氢目标是体积储氢密?#20219;?0 kg/m3这一指标美国通用的70MPa高压储氢罐2001年早已达到的67.6 kg/m3但对车载应用仍还太大如采用压力容器存放气态氢但其体积要大得多丰田本田现代已开发的氢燃料电池车均低仅在40kg/m3左右;而国内上汽推出的乘用车“荣威950”则储氢系统也采用耐高压70 MPa 的碳纤维缠?#22369;?#20869;胆储氢瓶但体积储氢密度还低现仅为25 kg/m3如何减小储氢系?#36710;?#36136;量与体积一直是储氢技术开发的难点

而金属储氢的固态储氢技术则是指?#25215;?#37329;属或合金能够吸收氢形成的金属氢化物——即仍具有金属性质和外观的金属隙间化合物且其氢的吸收与?#22836;?#20026;可逆例如用钛铁合金板制成的储氢箱其强度很高, 在外界温度 80时, 耐压为 3MPa只要给储氢箱内部加热, 氢原子就会从金属原子空隙中流出除金属氢化物外还有化学氢化物纳米碳管以及金属有机架?#20849;?#26009; MOF (metal-organic framework)等方法储氢?#36824;?#22914;?#26410;?#20998;子/原子间作用力的性质出发探索可行的储氢材料仍是一项艰巨的基础研究课题这方面很多项目仍还在研究发展中

通用GM公开的氢储存系统技术也有利?#20204;?#21270;物金属合金——可以在金属原子的空隙中存放氢原子或还有以纳米碳结构的吸附储氢即利用?#26412;对?#20026;1纳米的管状碳纤维存放氢的方?#31119;?#26366;被用于Precept燃料电池车

未来的一个比较理想的方案是采用高压储氢与储氢材料复合的储氢新模式即在高压储氢器中填装质量较轻的储氢材料

从氢燃料电池堆来看?#22909;?#22269;通用 GM 是由200块燃料电他串联而成其体积为79.7L相当于一台普通汽油机尺寸;其额定输出功率为80kw最大输出功率为120kW(即比功率1Kw/Lmax1.5 Kw/L)它可以在-40低温下起动能产生125-200V电压的电能

2015年丰田汽车公司在日本正式发布了其量产版氢燃料电池车 Mirai中文意为“未来”诠释出了丰田在做?#32321;?#36710;?#22836;?#38754;的展望Mirai的动力系统被称作“丰田燃料电池堆栈" (Toyota FC Stack,TFSC)是?#28304;?#20026;核心组件的混合动力系?#22330;?#20854;燃料电池组最大输出功率为 114 kW输出比功率为 3.1 kW/L这已较2001年美国通用的“氢动三号”的1.6Kw/L提高了近一倍

氢燃料电池最大的瓶颈还是膜电极高压储氢瓶空压机氢气循?#32321;֙?#36710;载供氢系统和加氢枪和软管等加氢站与氢能装备关键部件的产业化故都需要攻克基础材料核心技术和关键部件的难关2018年12月初科技部发布的2019 氢能等9大重点专项申报指南征求意见稿已明确提出将对氢能与燃料电池的关键零部件进行攻关只有核心技术和关键部件的技术过?#29627;?#20135;品才能进入市场这将是开启氢燃料电池汽车商业化的关键
 

表5 氢燃料电池汽车性能参数例


 

除了丰田本田现代以外奔驰也相?#27604;?#34935;于氢能源燃料电池从1994年?#20004;?#22868;驰已推出了NECAR系?#23567;A-ClassB-Class等氢能源的车型在国内长城和上汽都在布局氢能源市场至2017年底燃料电池新车型还有上汽大通 FCV80现代 FE Fuel Cell?#21462;?/p>

国内上汽推出一款乘用车产品荣威950其燃料电池电?#35759;?#23450;功率达到43 kW比功率达到2 kW/L系统质量比功率达到 500 W/kg寿命达到 5000 h能实现-20的低温存储?#25512;?#21160;;质量储氢比达到 3.5% 体积储氢密度达到 25kg/m3在燃料电池动力系统技术上 2018年国内燃料电池发动机的额定功率可达到 60k W系统最高效率可达 53%冷启动温度达到 -20棬寿命预期将达到10000小时

国外氢燃料乘用车动力系统功?#31034;?#22312;100 kW以上作为主要动力源匹配的动力电池能量在1kWh左右;车载储氢系统多采用 70 MPa氢燃料商用车整车技术方面 国内在续驶里程燃料经济性寿命等大部分技术指标已初步达到国外先进水平

氢燃料电池汽车产业起步期还要打造一条完整的氢能产业链这也需要巨额的?#24230;?#21457;展氢能的研发仍是一漫长而艰辛的历程故相关方面都应清楚地看到短期内将难以看到成果更不用说指望能短期获益其大规模的产业化应用推广估计最早也要在2025年之后

从发展环境看氢燃料电池汽车的主要专利技术现在大都掌握在日本企业手里弯道超车的机会少而国内燃料电池发展尚处初期阶段在冷启动功能E M A 的性能提升和电堆的效率上虽逐步跟上了世界的潮流但在功率寿命等方面与国际先进水平差距?#36234;?#22823;

未来仍应着重大力加强燃料电池关键技术研发和建设氢能基础设施还要尽快提高体积重量比功率降低成本为乘用车应用打下基础

日本千代田化工建设公司曾宣?#36857;?#23558;于2015 年度在川崎市建设世界首个氢燃料大型供给基地配合本田?#22836;?#30000;在2015 年将氢燃料电池汽车全面推广的计划在世界范围内首先建立氢燃料电池汽车的领先地位该基地每天可向4万辆燃料电池车提供燃料可将燃料成本降低30%其投资额为300 亿日元(约18.4 亿人民币)

目前国内燃料电池电堆单池的额定工况工作电流密度已从0.5-1A/cm2 提高到了2-3A/cm2已有了很大的进?#20581;?0MPa 氢系?#36710;?#33021;量密度是 0.8kW/L目前仅约与锂电池相同今后氢燃料电池电堆还要改进其能量与功率密度还都要提高包括制备零部件的一致?#38498;?#32452;装工艺的一致性降低化学极化欧姆极化和传?#22987;?#21270;实现电池关键材料如电催化剂?#39318;ԁ换?#33180;MEA双极板等的批?#21487;?#20135;要提高寿命降低成本并确保可靠?#38498;?#32784;久性

氢燃料电池的?#39318;ԁ换?#33180;需要的铂 Pt用量较大未来需要进一步将燃料电池铂用量降低到≤0.1g/kWh这是国际上燃料电池的基本要求故特别是要开展催化剂铂超低量化以及非铂催化剂理论与应用的研究从目前铂的用量来看国际上已达0.2g/kWh国内在0.4g/kWh左右故还需要做大量研发实验工作

诚然对于我国新能源电动汽车向何方向发展已在业内引起了激?#33402;?#35770;其背景是目前纯电动汽车的三元锂电池能量密度仍低车载容量又有限短时间取得彻底突破的可能性?#36234;?#23567;?#19968;?#26377;重大安全隐患这从侧面反映出产业内对中国新能源汽车未来发展的迷茫与担忧

就发展氢燃料电池电动汽车而言当前的现实是也有多方面重大技术难关尚未全面彻底解决还存在制造与成本配套设施缺乏等科研与生产应用以及可能需比电动汽车N多倍的巨额资金?#24230;?#31561;多方面的重大难题故目前实际仍难?#28304;?#37327;推广应用当前重点还应放在继续大力研究突破与创新并在今后数年间逐步同步完?#30772;?#22522;础设施建设待发展更成熟时再推出上市不迟

根据2018全球电动汽车展望白皮书?#20004;?#20840;世界所有燃料电池车的总数也仅有7200辆而已!这足以说明推广应用这种新技术的世界性难度故目前仍宜规划作为明日之车燃料电池电动汽车未来在乘用车领域宜定位在>500km 的长途用车以与锂电池电动汽车?#36234;?#25110;将是一较好的选择方案包括卡车都应实现1000km 的长途货运能力百万km的可靠?#38498;?#32784;久性

从资源角度看能源的多元化将是必然的选择我国有丰富廉价的氢能资源而未来锂电池电动汽车的大规模普及将受到全球锂钴资源有限的?#29616;?#38480;制锂也已变得越来越稀?#20445;?#19988;开采成本也越来越高从这一角度思?#36857;?#26089;日发展氢燃料电池电动汽车应是明智之举

中科院院士?#36153;?#26126;高对中国新能源汽车技术路线进行了展望“在2025年之前锂离子电池和燃料电池都会全方位成熟电动化拐点来临;同时新能源发电价格拐点也将到来”

2008年美国政府认为纯电动汽车应该作为发展首选;日本则曾提出2015年要实行氢燃料电池汽车的产业化在这场新能源汽车的技术路线博弈中我们该何去?#26410;?中国能不能创造新的氢燃料电池电动汽车巨大的产业链去引领全球?

高铁汽车新能源电动汽车等领域我们都做到了氢能源车也一定能做到!但难度会更高时间会更长些故一定要慎重稳健发展特别是对于基础设施建设要加大投资力度更要安全第一

国家应加大支持力度在?#24179;?#32431;电动汽车发展的同时支持?#24179;?#27682;燃料电池汽车的发展吸引投资商鼓励支持更多的车企参与学习研究国际的先进技术实现跟进研发创新与产业化车企也要加大研发力度无论是整车还是零部件生产企业也应加快工程化和产业化的进程

中汽协副秘书长许艳华曾指出“氢燃料电池汽车市场的真正启动要具备3个条件车辆成本大大降低;市场因素或政府政策为零排放车辆提供明显优惠;加氢网络建设足以满足燃料电池车辆日常的使用需求”以及“要尽快达到对氢燃料电池汽车安全性轻量化低成本的基本要求为产业化做好准备”他还指出“基础研究是产业创新的源泉汽车产业基础研究?#24230;现?#19981;足资源分散……因而效率不高”

21 世纪被公认为是氢能时代展望未来氢能源汽车的广泛应用普及将会为汽车产业界打开一个全新的?#32622;?#23558;能有效化解能源危机改善人类生存环境进而可为人类社会的可?#20013;?#20581;康发展与进步做出重大贡献

C.其它类型新电池

目前许多新电池技术已在实验?#39029;?#29616;可望未来实现电池效率的大幅度提升或成本的大幅?#35748;?#38477;如降低成本实现商品化成功电动车产业将直接受益新能源电动汽车采用的动力电池重量需要控制在300-500kg左右对能量的质量与体积密度都有较严格要求至少应不低于目前三元锂电池的指标才有可能在电动汽车中应用

锂-空气电池(LABs)是一种被认为具有大规模储能技术的潜在设?#31119;?#23427;们在各种类型的电池中具有最高的能量密度(11140 Wh /kg)然而有机液体电解质的分解导致的极大的极化容量降低和安全性?#20219;?#39064;阻碍了LABs的实际应用锂空气电池目前?#28304;?#20110;实验开发阶段

锂硫电池具有高理论能量容量 (1672 mAh/g)成本效益无毒?#38498;?#22825;然资源丰度的优势所以硫也被认为是最有希望的下一代高能系?#36710;?#27491;极候选物锂硫电池锂空气电池虽然理论重量能量密度比较高的但体积能量密度目前还很难超越锂离子电池

钛酸锂电池是锂电中寿命长安全度高的电池但已研究多年已不是新电池与碳负极材料相比钛酸锂具有较高的锂离子扩散系数(2x10-8cm2/s)可高倍率充放电还有钛酸锂的电势比纯金属锂的高不易产生锂晶枝为保障锂电池的安全提供了基础钛酸锂电池有“实现6分钟快速充电耐宽温30年循环使用寿命不起火不爆炸等优良特性” 但钛酸锂价格太高比?#23039;?#38081;锂和三元材料贵两三倍以上最致命的是钛酸锂能量密度低体积大在新能源汽车上采用不现实由于多种原因钛酸锂技术目前在新能源汽车领域使用并?#36824;海?#26410;来也将难以发展成新能源汽车动力电池的主流技术路线据悉银龙第四代高能量密度钛酸锂电池与第三代相比成本下降40%能量密度提高60%银隆主打的钛酸锂电池充电快循环寿命长耐宽温性能良好但能量密?#35748;D越系͡?#29983;产成本较高市场应用不及三元锂电池和?#23039;?#38081;锂电池目前钛酸锂电池主要用于部分客车还难以推广到其他车辆

锂只占地球地壳的0.7%人们越来越担心锂离子电池能否满足全球日益增长的需求而且其不断上升的成本以及高?#35748;?#32570;性也迫使人们开始寻找和研发更可行的替代方案

?#35780;?#23376;电池是一种可充电金属-离子电池由于?#35780;?#23376;比较丰富因此和锂离子电池相比成本更低存在的缺点是通常能量密度?#31995;停?#20174;而造成续航里程短应用缺陷由于成本低廉在大型储能设备中(如电网)将是锂电池的强有力竞争者

?#35780;?#23376;电池工作原理与锂离子电池类似都是利用离子在正负极之间嵌?#21387;?#31243;实现充放电钠资源丰富成本更低且其电压平台高安全性更高?#36824;?#30001;于现有?#35780;?#23376;电极材料性能不理想从上世纪80年代?#20004;?#23547;找合适的电极材料一直是?#35780;?#23376;电池发展的关键

?#35780;?#23376;电池采用陶瓷类固态电解质取代可燃的液态电解质并采用高能量密度的?#24179;?#23646;作为负极有望大幅提升钠电池的能量密?#21462;?/p>

相比锂资源而言钠储量十?#22336;?#23500;约占地壳储量的2.64%且分布广泛提炼简单同时钠和锂在元素周期表的同一主族具有相似的物理化学性质

在正常的充放电情况下?#35780;?#23376;在正负极间的?#24230;?#33073;出不破坏电极材料的基本化学结构从充放电可逆性看?#35780;?#23376;电池反应是一种理想的可逆反应因此发展针对于大规模储能应用的?#35780;?#23376;电池技术具有重要的战略意义

寻找新的具有高能量密度和功率密度的正极材料同时寻?#20197;?#24490;环过程中体积变化小的负极材料提高电池的循环稳定性才是提高?#35780;?#23376;电池性能的重要途径?#24425;?#20351;?#35780;?#23376;电池早日应用到大规模储能的关键

寻找更简单高效的电极材料合成方法同时对性能较好的材料进行改性研究?#24425;?#25552;高?#35780;?#23376;电池性能的一条途径

?#35780;?#23376;电池同样面临安全问题因此大力开发新的电解液体系研究更为安全的凝胶态及全固态电解质是缓解?#35780;?#23376;电池安全问题的重要方向

?#22266;?#31119;大学著名华裔材料科学家鲍哲南和崔屹领衔的材料科学研究团队跳出了之前使用过渡元素氧化物或聚阴离子作为阴极材料的思维框架使用了一种全新的有机材料“肌醇”与?#35780;?#23376;进行结合成功研发出了一种新型?#35780;?#23376;电池阴极材料该材料拥有极高的电池容量?#24050;?#29615;寿命大幅增加有望取代因矿产资源储量有限而价格高昂的锂离子电池这种新型的材料使用了全新的思路大大提升了?#35780;?#23376;电池的性能其循环电池容量达到了 484mAh/g阴极能量密度更是高达 726Wh/kg

2017年华南理工大学熊训辉副教授和美国佐治亚理工学?#27627;?#32654;林教授等联合开发出一种新型结构的硫化锑基负极材料使硫化锑基?#35780;?#23376;电池由以前的不超过500个循环提升到900个循环寿命几乎可媲?#37324;?#30005;池且比容量是锂离子电池负极材料(石墨)容量的1.5倍

他们开发出一种简单的方法即商业硫化锑与氧化石墨烯于硫化?#36843;?#28082;后混合再通过控?#24179;?#26230;和烧结制?#29238;?#24615;石墨烯与纳米硫化锑的复合材料该材料和?#30772;?#32452;装成半电池时在快速充放电(充放电40分钟左右完成)900个循环后容量保持率仍高达83%改?#38498;?#30340;石墨烯对硫化锑以及其放电产物具有更好的固定作用能更有效稳定材料的结构以及防止活性物质从石墨烯上脱落与已有报道相比该复合材料具有?#35780;?#23376;电池锑基负极材料最好的循环性能使?#35780;?#23376;电池实现应用迈近了一大?#20581;?/p>

据辽宁日报2019年1月2日的报道由辽宁星空钠电电池有限公司自主研发的?#35780;?#23376;电池在最近进入了量产阶段世界上首条?#35780;?#23376;电池生产线在中国正式?#24230;?#36816;营这也向世界展示出了中国在?#35780;?#23376;电池技术上所取得的进?#20581;?#19981;仅实现了?#35780;?#23376;电池技术和生产的世界首创并且其自主研发的?#35780;?#23376;电池具有安全经济?#32321;?#19977;大特性可循环使用4000多次产品性能指标均达到国际先进水平

报道称?#21512;?#27604;锂电池其制造成本不仅更低同时在使用寿命上也更长再?#30001;?#33021;量密度比较合适安全性更好各国科学家认为它取代锂电池只是时间问题

2017年中国科学院物理研究所就以?#35780;?#23376;电池技术相关专利出资成立了中科海钠科技有限责任公司中国科学院物理研究所陈立泉院士胡?#29575;?#30740;究员为技术带头人随后中科海钠公司在江?#29645;?#38451;准备建立产业化基地加速?#24179;评?#23376;电池商业化进程但是据了解目前?#35780;?#23376;电池的能量密度只能达到120瓦时/公斤所以在能量密度这一技术指标上?#35780;?#23376;电池?#20849;?#33021;与锂离子电池相提并论因为锂电池的能量密度已达300 Wh/kg

从产业情况来看目前钠电池的产业化还停留在初级阶段很多研究成果只是在高校与研究所流转

?#23631;?#30005;池是一种?#36234;?#23646;钠为负极硫为正极陶瓷管为电解质隔膜的二次电池

铝离子电池是很有前景的下一代电池技术可以满足未来的能源输送需求结构与锂离子相同只是锂被?#20102;?#21462;代铝是地球地壳中第三丰富的元素?#24425;?#38750;常廉价的锂金属替代物由铝制成的电池具有最高电压可存储最多能量并且提供最高电流其存储容量是锂离子电池的4倍而且携带的电荷是锂离子电池的3倍

铝离子电池可能就是后锂离子电池时代的下一代储能技术美国雪城大学(Syracuse University )的侯赛因研究小组(Hosein Research Group)研发出一种新型固体电解质用以替代目前铝离子电池中的液体电解质使其能够满足汽车等高需求应用

双离子电池更像是一匹黑马近年来发展速度非常迅猛在锂离子电池中在正负极之间穿梭的只有Li+一种离子电解液中的阴离子(如PF6-)并不参与反应而在双离子电池中则不然不但阳离子能够发生?#24230;?#21453;应电解液中的阴离子也能够发生?#24230;?#21453;应

在所有的双离子电池体系中正负极均采用碳材料的”双碳电池”是目前研究最多?#24425;?#26368;有潜力的一种双离子电池设计从2012年开始双离子电池相关文献发表久已经呈现出稳步增长的趋势截止目前已经有超过了一百篇相关文献根据目前的研究成果能够用于双离子电池的阳离子包含Li+Na+K+Ca2+和Al3+以及离子液体用阳离子Pyr14+和PP14+阴离子则包含PF6–BF4-ClO4–, DFOB–等以及酰?#21069;?#22522;阴离子如FSI-, FTFSI-, TFSI-, BETI-正极材料的选择更为关键常见的正极材料有石墨化碳金属有机物框架材料(MOFs)有机类正极材料电活性聚合物材?#31995;取?#36127;极材料选择则比较多例如常见的碱金属(LiNaK等)?#24230;?#22411;负极材料(例如石墨无定形碳TiO2MoS2等)合金类材料(SiSn等)以及活性?#24247;取?/p>

双离子电池的应用目前还面临着诸多的困难首先是隔膜厚?#20219;?#39064;从现阶段的结果来看双离子电池无论是体积能量密度还是在重量能量密度上相比于锂离子电池还都有差距双离子电池在现阶段成本也要显著高于锂离子电池2014年已经有一家日本公司Power Japan Plus宣布推出首款商业化双离子电池并宣称这将带来一次新能源市场的革命

有机?#27627;?#30005;池哈佛大学的研究人员利用一种有机“长寿”分子制作出?#27627;?#30005;池储存的能量可以为整座城市供电该电池既解决了全钒?#27627;?#30005;池的成本问题又突?#23631;?#26377;机?#27627;?#30005;池的寿命瓶颈全钒?#27627;?#30005;池是现在主流的一种?#27627;?#30005;池比锂离子电池更安全更便宜更耐用然而担任电解质的钒金属颗粒比较昂贵化学家一直试图用一类名为“醌”的有机化合物作为替代品使用这类有机物制作电解质成本仅为全钒?#27627;?#30005;池的三分之一但它们在反复充放电后损耗很快无法达到工业界的要求哈佛大学材料科学家迈克尔·阿齐兹(Michael Aziz)和他的团队开始着手提高醌的寿命他们发现在原有的醌中添加两个?#20154;?#22522;团就更易溶于碱性溶液新型醌的?#27627;?#30005;池年损耗率下降到了3%左右?#27627;?#30005;池都要使用两种不同的电解质阿齐兹团?#21448;?#35299;决了其中一种电解质的损耗问题另外一种电解质的损耗问题?#28304;?#25915;克如果学界最终能“双管齐下”克服寿命问题大量有机?#27627;?#30005;池将在电网储能和调峰中担当重任真正让全世界实现可?#20013;?#33021;源转型

2.电机减速/变速器集成与智能驱动控制系统

电机及驱动控制系统在整车当中起了非常重要的作用其性能实际上决定了整车的性能包括动力性能驾乘性能并与电池共同决定了其续驶里程的长短

随着新能源汽车产品和市场逐步成熟电驱动系统将快速向高效率集成化轻量化发展电机为了进一?#25945;?#39640;功率密度减小体积重量转速正向1-2万转/分(r/min)的高速高效小型化发展目前电机转速已能够达到1.8万r/min未来电机的体积重量逐步减少,由于电机材料成本下降,电机成本也会下降过高的电机转速将受机械加工精度水平及制造成本的限制会很难做出减速/变速器所需匹配的高速高精度齿轮?#36865;?#36824;有润滑密封与轴承等新问题需解决

为了获得更好的动力性能就可使用简单的单速或少档数(2-5)变速器与之匹配特别是减速/变速器还可与电机及驱动控制器设计成为机电一体高度集成化的部件这已是电机控制器技术发展的主流趋势集成的电机驱动控制系统能够有效降低整套系?#36710;?#37325;量缩小尺寸从而更便于电动汽车的结构的布局未来这种多合一集成的零部件还?#20849;?#26029;增多匹配高速电机的大速?#29123;?#36895;器将是中国企业要努力的重要技术

长安已展出了第二代多合一解决方?#31119;?#23427;集成了包括电机减速器电机与整车控制器直流变换器充电机高压分线盒等多个部件整个电驱系统重100kg体积很小大大降低了车企的适配和组装?#35759;取?#26410;来“多合一”集成是电驱动控制系?#36710;?#24517;然方向新一代电驱动产品特征应是集成化模块化定制化新材料和新工艺的应用达到整车对电机驱动系统高效高功率密?#21462;?#39640;可靠和低成本的要求
 

图2 长安的机电一体化电驱动系统


图3 德国博世的电桥eAxle(机电一体化电驱动动力总成)
 

博世电桥将电机逆变器及传动部件整合为一紧?#25307;?#21333;元直接驱动车轴提升了动力总成的能效更经济减少了部件数量简化了冷却系统结构节省了安装空间输出功率50-300 kW可驱动SUV等大型车辆扭矩为1000-6000 Nm可实现前桥驱动或后桥驱动功率输出为150 kW的重量仅约为90 kg

精进的电动三合一电驱动总成半轴输出扭矩3000N·m系统最高功率160kW还将很快推出230kW的“高配版”与 90kW版本系?#22330;?/p>

国外零部件企业如采埃孚的mSTARS系?#22330;GKNeDrive电驱动桥技术等也都在不同程度上将电驱动系统进行整合以减少系统总成的尺寸和重量

需进一?#25945;?#21319;?#26469;?#30005;机效率和电机控制器功率密度从电机的发展趋势来看?#26469;?#26080;刷或同步电机的效率高功率密度高和体积小广泛应用于乘用车领域占据国内电机市场主要份额由于我国稀土资源有一定优势未来?#26469;?#21516;步电机仍是电动汽车电机发展重点

纯电动汽车由于电机有远优于内燃发动机的高效率-恒功率-低速大力矩特性宽广的高效?#21183;教?#19982;精细平滑的调速特性通常可仅使用结构简单成本低廉的单速减速器匹配

目前电机效?#39318;?#20307;来说比较高且高效?#21183;教?#20063;比较大但电机仍非在所有工作点都为高效例如低速大扭矩下其效率低或只有60%-70%;高速小扭矩时它的效率也不高而电动汽车对于能耗更为敏感因为效率低能耗差就意味着必须搭载更多昂贵的电池故可使用少档位(2-5)的变速器以获得更好的匹配与更低的能耗?#28860;?#20026;中国客车市场专门开发了基于4挡变速器的纯电驱动系统很受车企欢迎既保持了出色的能耗控制又有一定的驾驶舒适性电动乘用车用2-3挡变速器即可获得良好的经济性结构也简单性价比很好其组合还可以扩大传动扭矩和车速范围电机自身可调速范围很大过多?#21442;?#30340;变速器改?#24179;?#33021;效果有限效率改善空间不大?#21307;?#26500;复杂成本激增由于要在动力传输不中断的情况下实现换?#29627;?#25152;以需要有更强电控能力的电控的换挡执行机构与之配合

汽车的行驶工况复杂多变电机必需与变速器高效配合通过换挡保持在高效区间工作形成最佳组合才能发挥最大优势实现高效节能与最优的动力传递使用少档位变速器与电机控制器高度集成应是未来中高档新能源电动汽车总体设计的优势驱动新技术路线的优选项之一

电机驱动控制系?#36710;?#22269;产化?#25910;?#36880;?#25945;?#39640;但从电机控制器连续比功率来看与国际先进水平仍有较大差距我国产品连续重量比功?#25163;?#35201;集中在1.2-1.6kW/kg国?#25163;?#27969;汽车企业产品的连续比功率可达2.4-2.8kW/kg美国能源部最近提出面向2025年极具挑战性更革命性的体积比功率目标电机50kW/L电机控制器100kW/L此目标如果实现,定将对电动汽车产业产生革命性的影响目前丰田的第四代电机产品已达到24kW/L

2018年的12月比亚迪发布?#21496;?#26377;标杆性意义的IGBT4.0技术IGBT即绝缘栅双极型晶体管是电机驱动部分最核心的大功?#22763;?#20851;元件IGBT与动力电池电芯并称为电动车的“双芯”是影响电动车性能的关键技术其成本占整车成本的5%左右对于电动汽车而言IGBT直接控制驱动系统直交流电的转换决定了车辆的扭矩和最大输出功率?#21462;?/p>

电控系?#36710;?#33021;源转换与传输的核心功率半导体零部件IGBT开关芯片和模块目前主要仍依?#21040;?#21475;高端市场被英飞凌三菱等外国企业占据比亚迪中车时代电气等企业虽然分享了IGBT剩余市场但与外?#21183;放迫源?#22312;较大技术差距

碳化硅SiC功?#21183;?#20214;比硅器件具有更低导通电阻及更高切换速度具有高耐压?#36864;?#32791;高?#26082;?#29575;等优异性能有效实现电力电子系?#36710;?#39640;效率小型化和轻量化碳化硅功?#21183;?#20214;的能量损耗只有硅器件的功率50%发热量也只有硅器件的50%;且有更高的电流密?#21462;?#22312;相同功率等级下碳化硅功率模块的体积显著小于Si功率模块,以智能功率模块IPM为例利用碳化硅功?#21183;?#20214;其模块体积可缩小至Si功率模块的1/32/3碳化硅用做控制器的电力电?#26377;?#29255;工作频率效率很高体积也可非常小体积功率密度可以做到100Kw/L比目前要减少约70%-80%高工作频率也意味着碳化硅控制器将可以通过大幅度提高电机的转速实现电机比功率的升高

未来利用耐高温?#36864;?#32791;的第三代半导体材料SiC(碳化硅)以及高性能低导通电阻GaN(氮化镓)GaN-on-Si(硅基或硅衬底氮化镓)功率半导体(MOSFET)提升控制器开关变换器/逆变器的功率密度将是电机控制器DC-DC电池充电/无线充电器等技术发展的主流趋势之一

?#36865;?#36824;须进一步应用传?#23567;?#25511;制及软件技术提升整车控制器(HCU/VCU)与电机控制器(MCU)数字化智能控制水平与能力以便应对越来越复杂的道?#26041;?#36890;路况与车况对关键电子设备进行预测性的健康监测对能源使?#20204;?#20917;进行主动监测并进行高级的电?#32321;?#25252;确保交通出行的安全与舒适逐步适应网联与自动驾驶的发展需要

菲斯克(Fisker)与里卡多合作为其即将上市的Fisker EMotion提供全新款电动动力总成系统其设计基于800V高压系统架构该车型将整合菲斯克专属的800 V Ultra Charger充电器蓄电池组及电桥系?#22330;?/p>

3.电池热管理

热管理系?#36710;?#19968;个重要的功能就是防止电池组内单体电池热失控和热失控的蔓延这就需要掌握单体电池的热失控中?#22836;?#30340;总热量和电池喷发?#22836;?#30340;热量的准确数据

在大倍率充放电情况下为控制动力电池温度及将温差控制在较稳定的范围内?#35946;?#25216;术逐渐受到青睐

冬季耗电量大增续航里程下降多的问题主要原因是锂电池自身在低温下活性下降这是根本原因;二是冬季低温启动阶段为电池预?#26579;?#32791;电三是?#27599;?#35843;制热取暖效能低太耗电

按照热量传递的介质不同电池冷却系统可分为风冷直冷和?#35946;?/p>

早期用?#35946;?#25216;术的比较少主要是市场以A00级车型为主该类车型对性能的要求不高同时基于成本问题没有使用?#35946;?#25216;术

风冷存在的明显问题是冷却速度慢效率低内部均温性不?#36873;?/p>

直冷则是采用制冷剂蒸发?#27604;?#30340;原理的直接冷却的方式基本在电动乘用车上虽然其降温速度快但均温性差

?#35946;?#25216;术是利用冷却液热容量大的液体经对流换热循?#26041;?#30005;池产生的热量带走降低电池温度实现电池包的最佳工作温度条件介?#25163;?#35201;为具有导电性的水水和乙二醇混合物等液体?#35946;?#26159;目前许多电动乘用车的优选方?#31119;?#30446;前国内外车企在电池热管理系?#25104;?#37117;在导入?#35946;?#25216;术已成为各大车企电动车配套的主流选择

对电池包的热管理Kona EV提供了动态可配置的三种工作模式LTR模?#20581;?#21046;冷模?#20581;?#21152;热模?#20581;?/p>

由于补贴政策偏重于有长续航里程使用高能量密度的电池故电池发热情况越来越?#29616;ء?#22312;保证整车性能的同时还要保证一定的动力性能?#35946;?#25216;术就正在逐?#25945;?#20195;传统风冷成为了各大车企的主流选择与优选方案

与其它冷却技术相比?#35946;?#25216;术的换?#35748;?#25968;高冷却速度快降低最高温?#21462;?#25552;升电池组温度场一致性的效果显著热管理系?#36710;?#20307;积也相?#36234;?#23567;但?#35946;?#25216;术对密封性的要求较高需要封闭式的液体管道结构复杂

近期江淮的新能源iEV6EiEVS4?#21363;?#36733;为自主研发的最新一代?#35946;?#24658;温电池管控系统可将电池温?#20219;?#23450;控制在15-35适宜范围内-30桫55环境温?#35748;?#36710;辆均可正常使用该技术不仅能在夏季确保电池安全在冬季也能够保证电池活性避免车辆续航里程大幅度衰减特别是还保障了电池单体失效不引发电池包起火爆炸确保了电池寿命快充性能以及低温性能和安全性能

别克VELITE6PHEV也采用电芯级独立?#35946;?#31995;统电池组内的每一个单体电芯都能通过冷却片进行散热的循环可确保每一个电芯的温?#35748;?#24046;在2之内

今后?#32570;每?#35843;技术在电动汽车中普遍推广应用将大幅度减少低温环境下取暖功耗过大导致的续驶里程减少

4.充电设施网络

充电设施多样化——家用电充电桩充电站等;充电能力快慢结合智能化充电更是重要发展方向

下游应用市场充换电模式呈现多样化发展态势趋于多元便捷化发展仍是主要趋势在快充慢充换电等能源补充形式之外无线充电可作为一个新的选择

新基建所谓新基建就是指5G城?#24335;?#36890;物流特高压人工智能新能源充电站/桩的建设这是一个巨大相互关联的系统工程不但需要巨额资金?#24230;?#36824;须政府有关部门精细全面筹划的顶层设计
 

瑞士ABB的400 V/800V 350 kW快速充电桩充电8分钟续航里程即可达200km
 

加快完善配套政策和激励机制修改完善相关标准规范在城市建设中全面落实和完善充电设施规划要求结合老旧小区改造城市更新等工作进一步?#24179;?#20805;电设施进小区单位公共停车场

目前国内的充电桩分为两类第一种是小功率的交流充电桩另一种是大功率的30-100kW以上的充电桩?#36865;?#19968;个充电桩一般由不同的充电模块组成比如一个75kW的充电桩可能由5个15kW的充电模块组成

无线充电 无线充电模式和移动补充充电模式已开始获得广泛关注未来“互联网+充电”技术将得到广泛的推广和应用

2019年1月中旬国家能源局官员表示2019年将加强无线充电智能充电等关键技术攻关在重点领域开展充电设施与电网互动实验示范

宝马530e是全球首款应用无线充电技术的量产车车型

无线充电技术是通过?#24230;?#22312;道路或停车位的无线充电板自动连入电网进行充电该技术不仅方便安全而?#19968;?#21487;以有效提高充电效率无线充电为全自动充电但其在便利无人安全智能之外将面临系统复杂成本高昂?#20219;?#39064;

无线充电按充电原理划分无线充电技术还可以分为无线电波?#20581;?#30005;磁感应?#20581;?#30005;磁共振?#20581;?#21487;以预见的是无线充电技术得以全面普及时纯电动汽车将会充电更方便因无需插电

目前专注无线充电领域的公司主要包括?#24433;?#36842;WiTricity亦联以及国内中兴新能源中惠创智等企业国外无线充电领域的先行者已经开始关注中国市场

美国WiTricity公司选择的共振式无线充电技术其优势在于安全性高功率较大传输距离更远最远传输距离已达到2.4m同时可以为多个设备充电?#21442;?#38656;精准对位还可?#28304;?#36807;?#25945;?#26408;材等对充电设备进行充电该公司产品的无线充电输出功率已提高到了11kW可以在45h内为设备充满电在价格方面车载无线接收端部分价格已经和有线技术的车载部分一致地装发射部分成本在量产后价格有望低于1000美元该公司认为无线充电的优势就在于不存在硬件接口的问题因而具备了提升兼容性的前提

在有线充电领域世界范围存在中美日欧?#20154;?#22823;流派如何实现互联互通已经折磨了产业界很久而国内目前普遍应用的慢充公共交流7kW充电桩充满电通常需78小时

5.退役电池回收与拆解安全 避免污染及事故

目前我国动力电池报废将开始进入高峰期如处理?#32531;茫?#36864;役动力电池将带来环境影响还有安全隐患和资源回收压力须面对难题是如何实现退役电池梯次利用与废旧电池资源化处理?

目前已生产的动力电池种类繁多结?#20849;?#19968;废旧电池的回收利用又缺少指导标准规范?#28304;?#22312;污染环境发生拆解安全事故的危险回收也需认定?#25163;?#24182;确具回收利用处理技术及装备

在政策强制要求百亿市场以及回收补贴等因素的驱动下多方力量都在积极进入动力电池回收领域新能源电动车企及电池生产企业也应作为动力电池回收的主体有义不容辞地肩负起主导或指导电池回收产业的发展与进步的历史性责任与义务

6.混合动力——向插混增程式转变

全国政协副主席科技部前部长万钢近来在演讲以及在人民日报撰文均指出

“2017年以来插电式混合动力乘用车?#22763;?#36895;增长趋势应及时推动插电式混合动力向增程式混合动力发展”

笔者认为这是基于对中国及全球新能源汽车产业发展现状与问题提出的我们当前产业发展方向的战略选择

这两种车本质上?#38469;?#20110;混合动力即都有?#21152;?#21457;动机与电动机但相互间有重大区别

插电式混合动力车PHEV的内燃机直接参与驱动增程式混合动力车REEV (Extended range electric vehicle)的内燃机仅用于发电整车驱动只由驱动电机进行

插电式混合动力车(PHEV)则在油电混动的基础上增大了电池容量并增加充电器而来是充满电后先?#28304;?#30005;动的方式由电机驱动行驶当电池内储存的剩余电量接近放完(SOC=10%-15%)时则自动改用?#21152;?#21457;动机驱动行驶其内燃机与电动机都可参与驱动但交替进行这两者的共同之处在于都可插电——由外部充电口充电这是与油电混合动力车的重大区别也都可发挥纯电动汽车使用费低廉的优势这对于有车位与充电桩的城市用户将能同样享受纯电动出行方式带来的很多益处

两种车与纯电动汽车相比优点是有电时都可以?#28304;?#30005;动的方式行驶都可不受没有或?#20063;?#21040;充电桩/站的限制但没电时仍可改用?#21152;?#21457;电(REEV)或由发动机(PHEV)驱动行驶故都没有里?#25506;?#34385;插电式混合动力在短距离代步可以使用全电池动力很多上下班距离在40km以内的上班族可以通过充电满足每天的行驶需要从而很长时间不用去加油

在充电设施建设仍不完备的当今可以继续?#24179;?#30005;动汽车产业的发展并可等待更完美的新能源电动汽车今后出现时再淘汰不迟应当说这是能缓解纯电动汽车目前的各种焦虑是目前?#20849;?#33021;完美解决的过渡时期的产物

两种车的缺点也?#36828;准憾际?#29992;?#21152;停?#21363;都仍有排放与污染只?#36824;?#27604;?#21152;?#36710;可能会减少——在仅在?#28304;?#30005;动方式行驶时从节能角度看或许节油但都不节能插电式混合动力车(PHEV)在50km或更长些的距离(例如100km)内虽然可?#28304;?#30005;动方式行驶但超出这一距离范围后受车载电池容量的限制则只能以?#21152;?#32487;续行驶从而其缺点将充分暴露车身?#28304;?套驱动系统——?#21152;?#21457;动机与电动机驱动系统与?#21152;?#36710;比重量显著加重成本增高价格高?#28023;?#33021;耗(油耗)自然也比?#21152;?#36710;更大对于电动机和?#21152;?#21457;动机同时可并行驱动的模式则可显著省油但仍不节能因能量守恒省油的那部分能量实际是由消耗电能来提供而车重显著加重的结果则是车轮滚动阻力与车重近似成比例的增加总能耗只会更多决不会更少

增程式混合动力车REEV的优点在于无充电与里?#25506;?#34385;由于纯以电机驱动?#21152;?#21457;动机仅用于与发电机组合发电——只用于给电池充电或直接送电机驱动行驶或将所余电能同时为电池充电即?#25296;也?#21040;充电桩/站还可以利用不行驶的闲?#31350;?#20313;时间用?#21152;?#22312;原地发电而备车的再次使用这种模式的另一优势是插电式混合动力车(PHEV)所不具备的即?#21152;?#21457;动机可设置在最高效率工作点以最佳转速定速发电只需发电机与其匹配即可省油燃烧能效也相对最高该方案的缺点是为了降低成本减小体积重量多选用小排量(例如1L)发动机?#23454;?#23545;于高速行驶需提供大功率时车将明显不足乏力动力性能也将?#29616;?#21463;限近来已有匹配更大排量发动机的增程式车型出现成本高车重增加的缺点同样存在但比插电式混动车的程度要轻得多但因以?#21152;?#21457;电又多了一次能量转换也有效率问题?#39318;`研?#29575;点工作的优势被打了折扣

与油电混合动力车比较油电混动车不能插电内部虽有电池或也可?#28304;?#30005;动方式行驶但通常电动行驶的距离很短仅不超过几公里因车载电池容量很小电池的充电也仅用内燃机怠速时或以所余动力发电而车体外部没有充电接口

油电混合动力车的技术专利目前大部分掌握在日本企业手中其?#20998;?#36739;多包括重度混合系统(HEV)中轻度混合系统(MHEV)但其本?#21490;?#26032;能源车实质是省油节能车根本不能彻底解决污染排放问题只能显著减少由于其内燃机变速器与机械传动系统结构复杂设计与制造难度很高系基于企业多年技术知识积累并依赖于众多精密制造设?#31119;?#38750;我国企业短时能具备或能赶上也因这不代表未来汽车的发展方向不大力发展这类产品应是我国产业的明智抉择

7.轻量化

轻量化作为一项重要的优化指标对新能源汽车提高综合续航能力起着重要作用

2016 年10 月26 日中国汽车工程学会编制的节能与新能源汽车技术路线图正式发?#36857;?#26126;确了新能源汽车作为未来汽车行业发展方向的必要和必然性更是确定了汽车轻量化作为七大领域之一为新能源汽车产业提供关键技术支撑的重要地位

节能减排是汽车行业的一个主旋律而轻量化则是汽车节能减排的最行之有效的措施之一由于电池能量密度的需求与当前技术的限制新能源汽车相比较传统汽车必然会出现大幅度增重所以新能源汽车对于轻量化的要求更加迫?#23567;?#22312;保证汽车安全性能的前提下车身及电池的轻量化能够有效提升新能源汽车的续航里程及能量利用率

研究表明对于典型的传统?#21152;?#27773;车汽车整备质量每减轻10%约可降低油耗6%8%排放下降3%6%;对于典型的新能源纯电动汽车汽车整备质量每减少10%电耗约可下降5-10%续航里程约增加5%左右同时还可以减少电池购置及日常能耗成本加速与制动性能更好并提高安全性能所以无论是?#28304;?#32479;?#21152;?#27773;车还是对新能源汽车汽车轻量化研究均具有重要意义即整车重量减轻动力性能与经济性能更好续航里?#35848;?#38271;

轻量化技术是在保证强度和安全性能的前提下尽可能地降低整备质量并保证制造成本在合理范围内以实现整车安全性经济性动力性能与操纵性能的全面兼顾并提高电动汽车驾乘的舒适?#21462;?#20854;途径主要有轻量化高强度新材料新结构设计与新制造工艺新材料的应用是汽车轻量化的主要措施高性能复合材料高强度钢与轻金属都可从结构设计材料替代工艺创新等多个途径实现汽车的“瘦身”所以新能源汽车的迅速发展也必然将带动新能源汽车新材料新工艺及新工艺制造装备的发展轻量化设计方法主要有拓扑形貌与形状结构和尺寸优化?#21462;?/p>

为满足轻量化的需求?#20204;?#22411;材料打造的轻量化高?#25307;园?#20840;车身保证乘员舱不受?#36153;?#21464;形提升了碰撞安全性

新能源汽车轻量化结构设计还体现在驱动电机小型化逆变器的小型化电驱系?#36710;?#39640;度集成及轮毂电机的应用?#21462;?#36870;变器的小型化是加速电动化的关键之一而碳化硅功?#21183;?#20214;较现有车载逆变器中使用的硅功?#21183;?#20214;可以使功率损耗降低超过50%发热量减少由此可以减小逆变器尺寸

通过电机集成减速器的“二合一”或电控+ 电机+减速器的“三合一”等集成方?#31119;?#21487;以实现轻量化高效小型化同时降低成本某例采用了三合一方案的电驱动总成包含了电机减速器与电控等集成相比此前的总成该电驱动总成质量降低15%体积也减少将近20%成本下降了30%在同等电量下NEDC 工况的续航里程提升约5%

将电机+ 减速器电机控制器充电机直流变换器高压分线?#23567;?#37096;分整车控制器等?#25216;?#25104;到一起的“多合一”方?#29238;?#26159;新能源汽车轻量化技术不断发展的必然趋势集成化可以保证轻量化减少零部件体积提高整车性能对于消费者而言购车成本会降低车内空间会提高整车能耗更低而性能会更好这些技术的应用也会让车主受益匪?#22330;?/p>

电池包箱体作为动力电池的?#24615;G头?#25252;机构在电池包系统中占据重要位置而且其整备质量目前偏大具有较大的轻量化空间传统电池包箱体一般采用低碳?#35832;?#37329;和焊接工艺加工而成成本?#31995;?#20294;箱体质量较大?#29616;?#24433;响电池包系统能量密度的提高和新能源汽车的轻量化不符合发展趋势需要进行轻量化改进

?#20154;?#24615;复合材料具有可重复使用成本低成型快等特点是电池包箱体制造的理想材料?#20154;?#24615;复合材料的成型如注塑成型LFT-D在线模压成型GMT模压成型等均可用于电池包的成型电池箱上盖采用热固性复合材料成型如SMCBMC等已广泛应用于电池包生产

碳纤维复合材料的高成本是限制其在汽车行业应用的主要问题研发汽车专用高模?#24247;?#25104;本碳纤维是目前研究重点研发快速固化树脂与预浸料提高成型节拍是降低碳纤维复合材料成本的主要措施

高强钢能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要甚至从成本与性能角度来看是目前满足车身轻量化提高碰撞安全性的最佳材料

8.人工智能自动驾驶

纯电驱动为人工智能与互联网技术的加速应用提供?#21496;?#20339;的平台智能化配置逐步增多整车产品科技感日益增强并成为吸引消费者购买的亮点促进了产品的推广?#25512;?#21450;加速了智能化与电动化融合

北汽新能源则正式将“达尔文系统”上升为企业技术?#25918;ƣ?#23637;示了11项解决痛点提升体验的智能电动“黑科技”涵盖整车技术三电系?#22330;?#26234;能驾驶智能网联以及平台开放与数据安全等多个领域?#21171;?#20154;工智能的创新科技不断打造出高可靠性长续航里程高?#20998;?#30340;实用型电动汽车?#20013;?#25913;善人们的绿色交通出行例如EU5是北汽新能源“达尔文系统”的首款落地车型将为用户带来便捷的绿色智慧出行体验

自动驾驶技术采用了人工智能计算机视觉激光?#29366;|?#26426;器对机器通信等高精尖技术并已实现部分商业化应用麦肯锡估计自动驾驶技术到2025年的经济规模将达到万亿美元降低交通事故每年将挽救3万-15万个生命大幅降低汽车的废气排放达90%自动驾驶将帮我们社会实现更少的汽车更高的效率更清洁的环境

特?#20272;?#30340;马斯克近日已宣告将在2019年年底之前推出全自动驾驶汽车“这意味着这辆车能够在停车场?#19994;?#20320;接你并带你一路前往目的地而无需干预”他补充道“即使硬件和软件完美运行监管机构也可能迫使特?#20272;?#25152;有者保持警惕”这意味着它现在?#20849;?#21487;能100%正确地工作智能测控软件现今?#20849;?#33021;完全保证不出错仍需要不断进化完善这也会需要一个过程

智能应用与分析 智能化涉及大量电动汽车自身必须解决服务?#31361;?#30340;问题例如可续驶里程涉及要求到达的时间目的里程与车速路况与车况天气需准确计算出包括暖风或制冷所需消耗的能量要做出最优规划利用车能否方便快捷到达目的地与存在或可能遇到的问题?#39029;?#26368;大与关键问题或难点例如电池容?#24247;?#21069;还是否够?是否需要包括回程?是否需要充电哪里可充?充电站自身及周边现况天气及道路情况路途有无?#20064;?#30446;的地有无?#25910;?#19982;限制甚至充电机容量是否适合插口是否匹配车位是否已占用或能否预留能否预?#36857;?#26412;车还需多少时间才能到达?预计多长时间可充满?是否还有其它充电站可选择……这些需根据规划需通过车载传感器做一系列数据采集测定结合经网络收集的相关信息智能分析与计算为用户提供最优出行策略考虑突发情况?#23433;?#25937;或替代方?#35206;?#30452;至执行与最终完成

这不但需要大量相关数据也需整车与关键部件的物理模型与仿真包括电池在不同环境温?#35748;?#30340;特性电机控制系统与整车能耗与目标参数各路况与车况参数的函数关系如连这些都不能提供或能够提供的尽是无用或虚假错误信息就没有任何真正的使用与实用价值

智能化是新能源汽车的一个关键技术?#24425;?#19968;个非常?#35753;?#30340;技术但是智能化技术实际目前仍只处于发展初期还将经历一个理性回归的过程人机?#25442;?#30028;面逻辑混乱难用缺乏海量专家知识库支撑?#20219;?#39064;也不容小觑而用户隐私难以得到保障也将成为重大吐槽点

智能应用与分析的基础是智能感知技术智能感知技术根据对象和目标的不同可以分为基于人体分析的感知技术基于行为分析的感知技术

基于行为分析的技术有目标检测跟踪技术该技术是指采用背?#23433;址?#25110;帧间差?#22336;?#23454;现目标检测对象的提取和动态自动跟踪;异常行为分析技术该技术是基于双目识别技术获取到目标人员的深度及三维信息(目标高度信息提升目标行为分析和多目标检测的准确率目标位置信息提升多目标检测尤其是目标间距检测目标深度信息提升多目标位置远近的判断)实现越界进入/离开区域区域入?#24103;?#24472;?#30149;?#20154;?#26412;?#28966;快速移动非法停车物品遗留/拿取等异常事件的自动侦测与报警变被动监控为主动防控

基于人体分析技术有人?#21576;?#21035;技术该技术基于人的脸部特征信息进行身份识别通过人脸图像采集及检测人脸图像预处理和人脸图像匹配与识别实现面部特征识别人?#21576;?#21035;智能感知技术人体特征提取技术该技术基于计算机视觉图象处理与模式识别技术对人体属性特征(性别年龄段身高戴眼镜与否等)进行提取分析实现人员身份识别

人工智能在模仿和替代人类的肢体运动能力认知感官能力思维判断能力已经有了大幅度的提升取得了令?#21496;?#21497;的发展但显然人工智能不仅仅是依靠大量的运算和数据处理从仿生方法拓展到人工神经网络——主要是深度学习领域是智能应用与分析的一大趋势

甚至通过建立人工智能神经网络在终端侧运行人工智能算法不仅实现即时响应可靠性提升隐私保护增强以及高效利用网络带宽等还能实现一些增强现实应用如风格转换与?#21496;怠?#24773;景探测面部识别自然语言理解物体追踪与规避手势和文本识别?#21462;?/p>

可见光摄像头声纳和?#29366;?#30446;前已用于L2级量产车辆激光?#29366;?LiDAR)已成为L3级和L4级自动驾驶测试平台的重要成?#20445;?#20294;这?#20849;还?#22312;光线不足夜间驾驶晴天眩光和恶劣天气时由可见光摄像头进行分类辨识具有高难度因而难具可信性现有技术还无法在所有条件?#32511;讲?#21040;道路发生的所有重要状况?#21442;?#27861;提供确保绝?#22253;?#20840;所需的可信正确数据

无论是在黑暗的乡间小路还是在道?#21453;?#32508;复杂的城市特别是在大雾或晴天炫光等恶劣天气在这些不常见但真实存在的场景中?#35748;?#20202;则能够?#36234;?#36828;处的潜在危险进行最有效地快速识别?#22836;?#31867;以帮助车辆做出相应的决策与反应由于?#35748;?#20202;探测的电磁波波长比可见光摄像头长该技术不会出现在夜间或白天无法探测并可靠分类潜在道路危险的问题即使是道路前方200多米外的车辆行人自行车骑行者动物?#25512;?#20182;物体也能明察秋毫

未来?#35748;?#20202;为可见光摄像头激光?#29366;?#25110;?#29366;?#31995;?#31243;?#20379;冗余但独立的数据将有助于智能系?#36710;?#20998;析决策建立在更准确可靠的信息辨识基础之上

9.设计平台

汽车新车型的研发是一个非常复杂的系统工程以往通常需几百人花费上几年的时间才能完成当然不同的汽车企业其汽车的研发流程有所不同快慢效果也不同

汽车制造是高度标准化行业技术密集工艺复杂专业程度高产业链长?#24230;?#22823;长达20个月的研发周期每一天都在不断烧钱团?#26377;?#37228;的人力开支也极为巨大后续还陆续涉及到建厂开模具建设计平台试制测试试验等方面没有雄厚的资金支持将难以支撑

新能源汽车的市场竞争已从过去的蓝海逐渐演变成红海而竞争的主战场已经聚焦于创新能力与产品实力的比?#30784;?#26032;车种的快速推出能以高性能高质量的产品及时迎合细分化市场?#31361;?#30340;需求没有高水平的设计平台支撑将难以完成其重要性不?#36828;?#21947;

搭建新能源汽车的研发体系与设计平台极为重要在研发体系的助力下形成知识沉淀技术集聚资产积累流程规范产?#36153;?#21457;创新设计能力与效率才能大幅度提升可加速系列化新产品的推出并推动产业技术的加速迭代升级

比亚迪基于“e平台”打造的电动车正是通过高度集成一体控制实现了整车重量的减轻整车布局的优化能耗效率的提升和可靠性的提高全新一代唐 EV600秦Pro EV500以及元EV360都是基于平台打造的优秀的高性能高性价比车型均性能优异e平台下的新能源车零部件集成化一体化还将让车辆更?#23376;?#31995;统控制车辆状况更方便监控能将车辆可预见的风?#25112;?#20302;到最小增加车辆安全性并通过整车OTA升级始终让车保持最新的状态跟上时代前进步伐

江淮新能源将推出一个名为“432”的全新平台可用于生产混动车型电动车以及?#21152;?#36710;型覆盖MPVA级轿车SUV多种车型而首款全新平台的新能源车将在2019年下半年上市使企业产品能加速量产进入市场形成自身强力的市场竞争优势

10.飞轮功率电池复合能源

飞轮电池实则?#21442;?#20248;秀的新能源之一属物理电池飞轮电池技术则源于古老的飞轮——陀螺飞轮的旋转惯性已早被用于蒸汽机和内燃机曲轴的?#20013;?#26059;转与速度均衡在汽车发动机上也一直被使用?#20013;两?#39134;轮的旋转惯性则可被用作储能飞轮转子与电动——发电机同轴组合在一起就成为了飞轮电池可用于电能与机械能的相互转换

飞轮的惯性能量E的大小取决于转动惯量J与旋转角速度ω(转速n)并严格遵循力学定律即E=0.5Jω2而J=mr2这里m是飞轮转子的旋转质量r为飞轮转子的旋转惯?#22253;?#24452;两式联立即得E=0.5mr2ω2也即旋转储能量取决于mr与ω与m成正比与r和ω的平方成正?#21462;?#39035;注意飞轮的质量比能量E/m==0.5 r2ω2作为电池希望获得高能量或高比能量而要获得高能量只需加大mr与ω当然加大这三者并非无限制实?#25163;?#35201;受到体积(安装空间)材料强度(安全)的限制设?#23631;?#22909;可获得很高的能量与大功率输入输出成为具有优秀性能的新能源

通过与飞轮转子同轴的电动机高速旋转飞轮则可产生很高的旋转惯性能量即可用于储能;反之高速旋转的转子带动同轴的发电机旋转即可用于发电即飞轮与电动/发电机同轴组合(FMG)即构成了物理电池就可充电/放电可储能或供能现代的?#26469;?#30005;机无论是?#26469;?#30340;直流电机还是无刷或同步电机均可逆?#39318;?#23376;同轴连接一电动/发电机给电就可旋转储能接通外部电路就可供能

飞轮电池具有很高的工作效率可用于功?#22987;?#22823;(兆瓦MW级以上)的高能量储能而效率则几乎完全取决于电机可?#26377;?#21151;率的80%到大功率的99%以上一般其它能源所难相比——例如内燃机才只有30%!由于性能优秀已被用于包括从民用工业到航天军事各领域包括卫星与宇宙飞船太阳能与风能的储存电网波动抑制UPS高铁港口起重机等?#21462;?#22312;大功?#22987;?#20809;炮电?#25490;ڡ?#33328;载机航母电磁弹射等等领域也都在发挥着极其关键的作用甚至无可替代

遗憾的是在新能源电动汽车领域这项古老又全新的技术似已被遗忘实际早在上世纪90年代初美国飞轮系统公司(AFS)就已做出完全用飞轮电池驱动的电动汽车2008-2010年又与英国里卡多公司Ricardo合作推出达到150MPG的插电式混合动力SUV原型车XH-150™节能效果大相当于百公里油耗仅1.568L仅约为同?#24230;加?#36710;的1/5以下

2009年在F1方程式赛车上飞轮电池就已被世界顶级F1车队成功地应用从2009年开始F1赛车就允许使用动能回收系统(KERS)通过再生制动吸收能量国际汽联(FIA)是世界汽车运动的管理机构?#24425;?#19990;界领先汽车运动组织的联合会2009年10月FIA就强烈支?#22336;?#36718;FIA表示“飞轮减少对电池的依?#25285;?#19987;注于ICE(内燃机)负荷转移等技术被证明是最有前途的方?#20581;?rdquo;FIA在他们的背书中挑出了飞轮

F1赛车是电机运动的顶峰KERS将提高效率降低?#21152;?#28040;?#27169;?#32473;驾驶者一个绝对关键性的?#23631;?#19968;些世界著名的车企例如沃尔沃保时捷捷豹福特都十分重视这种新能源的应用美国能源部则指令Oak Ridge国家实验室(ORNL)对其进行了较深入全面的调查研究与评估[1]

超级电容有类似于飞轮电池的用途可用作功率电池与锂离子电池组合作为新型复合电源也可替代锂电池作为短途交通工具例如城市公交车辆的大功率电源超级电容只是纯电能的储存与?#22836;ţ?#27809;有能量形式的转换现已成功地应用于公交车等许多领域

与飞轮电池相比超级电容的缺点是比能量太低通常仅是锂电池的1%甚至更低还有是体积大成本高价格贵耐压又很低还需要像锂电池一样需要多节串联提高耐压但节数则需更多并需要均衡保护等缺点故难于作为能源电池在电动汽车主流的乘用车中被应用目前仅被成功地用于一些短途定线路的电动公交车

但超级电容器可以是加速和爬坡期间的主要能量源以及回收制动能量因为它们在提供快速爆发能量方面表现出色使用超级电容器飞轮电池与锂电池相组合可将前者的大功率性能与后者的大的能量存储能力相结合可延长电池的寿命节省电池更换和维护成本并且能够使电池小型化同时通过在必要时提供高峰值功率可以增加可用能量然而电容器和电池的组合需要额外的功率电子器件例如DC / DC转换器这将增加车辆的成本

城市道路工况下车辆制动过程中大约有30%50% 的能量未被转化成为摩擦变热能被?#35013;?#28040;耗掉高效储能单元和先进的再生制动技术对提高整车能量与经济性具有重要意义

飞轮具有储能功率密度大和使用寿命长的特点可以作为电动汽车的辅助储能单元——功率电池在车辆加速爬坡时输出很高的瞬时辅助功率而再生制动时又能提高能量回收率

飞轮功率电池用于新能源电动汽车本质上仍属电动汽车但汽车能源已属于复合能源类型即由两种或以上能源供给电能行?#36824;?#31243;则仍完全依?#24247;?#19968;的电机输出的动力来驱动汽车主能源仍为锂电池但电池主要负责平稳的能量供给飞轮功率电池或还有超级电容作复合的辅助能源在启动加速时可为电机及驱动控制系?#24443;?#30005;在减速或制动或停车时则负责能量回收主要负责供给或吸收短时大功率因此复合后锂电池的放电电流平稳将没有过大过小的电流起伏从而可大幅度延长其使用寿命?#36865;?#39537;动电机功率将主要依据动力性能选择不再受限于锂电池容量与相应的放电电流限制故可使小容量电池的普及型电动汽车也能获得优秀的动力性能而大幅度提升?#20998;实?#27425;

与国外相比我国车用飞轮储能技术尚处于起步阶段

飞轮功率电池实?#31034;?#31561;效于是汽车的机电式“?#26032;?#22686;压器”能发?#24551;?#33021;大幅度提高整车动力性能减少能耗与电动汽车驱动电机主能源锂电池或还有辅助能源超级电容能组成“?#24179;?#32452;合”其效果是锂电池放电平?#21462;?#26080;大充放电电流冲击大大延长了使用寿命;飞轮功率电池(或还可与小容量的超级电容组合)的交替工作就能将减速制动能量大部分高效收回(至少25%以上)节能显著可有效延长一次充电续驶里程在城市综合工况——即在须频繁启动加减速与制动停车的工况下续驶里程能增加15—30%或反之在保证一定续驶里程条件下可显著减少昂贵的锂电池使用数量(能量容量)15—30%

飞轮功率电池与大功率驱动电机的配合能在不增?#21448;?#33021;源锂电池容量的情况下可使普通级别的电动汽车达到豪华级汽车的动力性能而成本却极低例如百公里加速时间可大幅度缩短最高车速与爬坡越障载重能力都能得到显著提升能成为理想的轻便快捷高效节能的现代小型交通工具并显著提高现有车种的内在价值/含金量具有高性价比与市场竞争力

显著减少制造与购车成本目前对于综合工况续驶里程为300km以上的纯电动汽车电池容量通常都要在40-45kwh左右若减少电池容量30%即可减少容量12-13.5kwh制造成本将减少1.8-2.1万元车重减少75-85kg除去飞轮电池成本与重量考虑到动力性能与安全性的大幅度增加等优势显然其内在价值的提升非同类产品可?#21462;?#23545;于综合工况续驶里程为400-500km以上的纯电动汽车其综合效益增长更显著对应指标分别为52-65/60-80kwh16-24kwh2.5-3.7万元其整车功耗还能进一步由于滚动摩擦阻力的减少而降低动力性能也会进一?#25945;?#39640;

让电池在小电流下工作还将减少锂电池自燃的安全危险大幅度延长电池使用寿命延长更换期显著减少更换费用及每公里使用成本大功率大电流之工况完全交给功率电池将减少大电流下电池内阻外电路电阻?#20154;v模?#25552;高了电池的能量转换效率

由于可完全接受整车制动或减速滑行时的能量还可不受电池处于高SOC(即充满或接近电状态)限制可显著将车体运动的动能高效转换为电能储存而不至于大部分经由刹车片经摩擦转换为热而耗费这对须频繁启动加速与减速停车的城市工况下的用户能显著节能最高可达40%或以上!

通过飞轮及减速或变速装置直接以机械方式与普通?#21152;?#36710;车辆的机械传动系统连接也可大幅度提高整车动力性能能使其明显减少油耗

增加道路安全性特别是遇到电池电量过低使用飞轮功率电池仍可不减低驱动功率可快速使车辆驶离高速区以避免撞车追尾?#20219;?#38505;而在发生撞车或电池突然断电停驶的危险出现时仍能靠飞轮功率电池独立作为动力能源使车?#31350;?#36895;驶离高速?#35775;?#36530;避并到达安全区域使用飞轮功率电池能赢得这几十秒的高动力性能实?#22987;?#20854;宝贵或可确保乘员生命财产安全与超级电容相比飞轮功率电池用作为主功率电池除有更小的体积更低的成本等优点之外还在于它可直接在高电压下工作无须像超级电容或锂电池一样需要至少百节以上的单体串连并还须复杂的均衡电路或器件辅助以保证其正常工作与安全或?#21442;?#39035;DC-DC直流变换器的配套工作以及相应带来成本的进一步增加与可靠性的降低

11.姿态控制技术与两轮电动汽车

飞轮?#24425;?#38464;螺还具有神奇的定位与进动效应早已用于飞机导?#20581;?/p>

飞轮转子还具有的陀螺进动效应在新能源电动汽车领域应用也具有重大意义与作用

因飞轮组件可分时工作——也可兼用做反作用飞轮姿态控制器可防止车辆侧倾翻滚还可使前后两轮车(摩托等)实现自平衡使其能直立被撞不倒不但可大幅度减小道?#26041;?#36890;事故?#36865;?#29575;与车辆损?#25285;?#36824;可使电动摩托车蜕变升级为现代两轮电动汽车从而不但高效节能还能缓解现代城市化带来的与通拥堵存车难的世界?#36234;?#36890;难题

超级电容则仅可作为功率电池特别是辅助飞轮电池与主能量源的锂电池组成复合能源但无法用于姿态控制的用?#23613;?/p>

我们经近年来已对飞轮功率电池兼姿态控制器做了大量研究克服了此产?#21453;?#22312;的许多不足解决了长期不能在电动汽车领域大面积应用推广的关键难点取得了多方面的重要科研成果目前我们已技术成熟并申报了国家发明专利其特点是

a. 多功能利用分时技术可使之既作为新能源电动汽车新型复合能源中的功率电池又可作为车体的姿态控制执行器功能强大用途广泛市场巨大;

b. 结构简洁低成本采用无万向节陀螺框架与进动电机结构的反作用飞轮(RW)技术采用高比重合金复合转子及低工作转速设计避免或仅极少量使用高价的高强度碳纤维复合材料不使用结构复杂维护麻?#36710;?#30495;空或高真空以及高成本的电磁悬浮轴承具有高性价?#21462;?#20302;成本高生产率?#23376;?#23454;现特大批?#21487;?#20135;;

c. 高安全有创新的4重安全防护包括对万一转子仍碎裂飞离的壳内全新型吸能结构以及高抗冲击智能材料的应用全无飞轮爆裂飞出之安全焦虑彻底清除了飞轮电池——陀螺技术多年来在汽车应用中的最大使用?#20064;?

d. 能大幅度提高行驶安全可防汽车侧翻或可使前后两轮车直立不倒——?#28304;?#20026;基础可发展出全新型轻量化的2-4轮电动汽车与电摩可显著节能并可有效缓解道?#26041;?#36890;拥堵与停车难还?#23376;?#24555;速量产实现大面积普及;

e. 采用同心反转双飞轮技术用作飞轮功率电池使用时全无陀螺效应可完全不干扰驾驶操控及车体运动能适应复杂路况安全行驶;

f. 控制简单智能化程度与可靠性高 ;

g. 体积小巧重量轻有高体积比功率安装于底板中心又占地面积很小几乎可不影响车厢内饰装置的安置及空间布局;

h. 低能?#27169;?#21487;显著延长一次充电续驶里程或减少锂电池容量/成本;

i. 项目技术成熟度高无风险或风?#21344;?#20302;投资安全社会与经济效益显著

有兴趣合作的企业朋友欢迎与我们联系

六.结语

中国的新能源电动汽车经过十年的发展已获得?#21496;?#22823;成功2018年新能源乘用车已突破百万辆大关稳居世界第一已是全球产业发展的火车头中国和世界的电动汽车产业仍在高速发展产销量都在?#25163;?#25968;级迅猛增长在产业相关科学技术层面中国也取得?#21496;?#22823;进?#20581;?#22312;主要技术层面不少领域已达到或接近国际先进水平但应当清醒看到在很多方面产业仍有许多焦虑与困扰与全球产业巨头比我们仍有很大差距和不足还需要迎头赶上在这个日新月异的创新时代决不能有任何?#23578;?#19982;?#26376;?#26356;不容许出现重大战略性失误否则不进则退错失可弯道超车的历史性重大机遇将难以弥补在这创新的时代要同心同德奋?#39532;?#30778;前行全面实现中华民族的伟大崛起与复兴共同创造更加?#27704;֙?#36745;煌美好的明天本文重点分析产业发展现状与?#25945;?#20135;业未来发展趋势也简要介绍了目前许多对产业未来发展有重要意义的创新与进展

在文章末尾还扼要介绍了我们创新的最新研究成果——多功能“储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置”这一技术既能用作功率电池也能分时工作用于车体自平衡?#21862;?#32763;将提高电动汽车的行驶安全加速2轮电动汽车的量产并减少能耗与缓解道?#26041;?#36890;拥堵当用作功率电池时可与高能量密度锂电池组合作为复合能源用于提供城?#26032;房?#19979;启动加速的能量与高效回收减速制动能量能显著延长电动汽车续驶里程避免或减少电池大电流充放电带来的安全与里?#25506;?#34385;与风险显著提高电动汽车的动力性能并力求推动改变产业目前单一以化学电池为能源或仍使用带来排放污染问题?#21152;?#30340;?#32622;?/p>

注文中各种数据信息均主要来源于网络数据的准确性已经反复核对但数据量太大又来源不一难免仍有个别出入或存在错误?#24335;?#20379;参考?#36865;?#36824;有大量参考文献资料都有据考证但限于篇幅仅能列出少部分供读者分析研究参照文中还引用了产业一些著名专?#24050;?#32773;及领导的重要论点作者已尽力遵照其原文(语)以避免其失真读者如对我们的科研成果有兴趣或愿与作者进一步切磋讨论欢迎来电可发信息至作者邮箱[email protected]

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