快乐12彩票开奖
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;蕖?#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;猓?#32463;过近十年的购车迅猛增长后,出于对?#25918;啤⑵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;瘛?#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;6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;牛?#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;猓?#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;峭平?#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;洌?#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;諭讯?#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;妗?/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;兀?#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;媯?#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;猓?#30446;前主流的三元锂电池受气温影响?#28304;螅?#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;猓?#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;汀?#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;还弧?#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;猓?#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;猓?#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A000、A00、A0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;猓?#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;パ现兀?#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;僑加?#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;瘢?#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90GWh,2025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NCM532,NCM622。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;猓?#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℃,而MFB工作温?#20219;?0℃。?#36865;猓?#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;簟?#34429;现高镍NCM811材料的用钴量虽已由NCM532、NCM622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;歟?#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;埂?#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;冢?#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;猓?#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;参拚推?#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;猓?#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;狻?/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;猓?#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 km。Kolibri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;猓?#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℃,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;詠换?#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;猓?#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;4送猓?#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 kg,0-100km/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;詠换?#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/L,max1.5 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;謾?#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;-Class、B-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℃,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;搿?#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;詠换?#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;詠换?#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;櫻?#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;胙现?#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;媯?#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;惴海?#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;嘍越系汀?#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;瘢?#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(Li、Na、K等),?#24230;?#22411;负极材料(例如石墨、无定形碳、TiO2、MoS2等)、合金类材料(Si、Sn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;猓?#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;KNeDrive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1/3~2/3。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;猓?#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;洹?/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;亍?#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iEV6E、iEVS4?#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℃~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;耄?#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;猓?#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;濉?#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4~5h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7~8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;羆研?#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;睪头?#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SMC、BMC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;疲?#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;鎩?#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;罘址?#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;还弧?#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MPV、A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;两瘛?#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m、r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m、r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;凇?#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;Α?#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;牛?#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;猓?#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:52-65/60-80kwh,16-24kwh,2.5-3.7万元。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;鷙模?#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;妗?#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;謾?#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;妗?/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;猓?#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]

  参考文献

  1.James G. R. Hansen,David U. O’ Kain ,An Assessment of Flywheel High Power Energy Storage Technology for Hybrid Vehicles, Oak Ridge:Oak Ridge National Laboratory,Materials Science and Technology Division , U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, December 2011

  2.陈爎,?#22534;?#27874;,?#22363;?#22857;,纯电动汽车复合电源功率分配策略研究,重庆理工大学学报(自然科学版),2018.32(3):18-27,67

  3.李洪?#31890;?#20648;江伟,李宏刚,段 超,车用飞轮储能系统能量回收特性,华中科技大学学报(自然科学版),2017. 45(3 ) :51-57

  4.周美?#36857;?#32993;玲玲,张宇,纯电动汽车复合电源控制策略研究,黑龙江大学自然科学学报,2016,33(5):682-687

  5.黄?#26632;ǎ?#29579;?#25269;遙?#26472;军平,飞轮式汽车制动能量回收系?#36710;?#30740;究, 系统仿真学报©,2016,28(5):1197-1205

  6.于艳敏:汽车工程师,新能源汽车轻量化技术应用现状,汽车材料网 2019-02-13

  7.房建成,任元,磁悬浮控?#23631;?#30697;陀螺技术,国防工业出版社,2014.12

  8. 房建成,孙津济,樊亚洪,磁悬浮惯性动量轮技术,国防工业出版社,2012.12

  9.汤双清,飞轮储能技术及应用,华中科技大学出版社,2007.9

 
下一篇?#22909;?#26377;了
快乐12彩票开奖
三分彩群 天龙八部老区赚钱大全 星空棋牌软件 今天开码结果 白小姐 王者荣耀下载 快乐10分过滤器 彩票软件客户端购买 快速时时彩计算方法 上海快三走势图分布图 斗地主单机版绿色版