新能源電動汽車產業高速發展的未來趨勢展望
發表時間 2019-04-02 16:27 來源
——飛輪功率電池復合能源兼姿態控制新技術將大放異彩

  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
 

天津瑞起科技有限責任公司  李  平

Tianjin richi Technology Co., Ltd. Li Ping

  摘要 本文重點分析新能源電動汽車產業的發展現狀與探討產業未來發展趨勢,也簡要介紹了目前許多對產業未來發展有重要意義的創新與進展。文章末尾還扼要介紹了我們創新的最新研究成果——多功能“儲能姿控兩用同心反轉雙飛輪機電裝置”,力求有助于對產業目前的里程、安全焦慮緩解或解決,以及對產業進步能有所助益。

  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.產業的高速發展

  這是一個科技高速發展的時代,科技的發展速度已遠遠超乎想象。要把握好影響未來的戰略科技與發展趨勢,才能更好地服務于全人類歷史性的巨大進步。許小年在最近的演講中指出:后工業化時代,不是制造、擴大產能、整合資源的時代,而是研發的時代,創新的時代。

  隨著時代進步,汽車技術也在不斷創新,汽車新技術的飛速發展已給人們帶來更為快捷、便利和舒適的體驗。

  未來十年將會出現一系列改變生產、消費、社會生活的顛覆性創新技術,制定正確的發展戰略將推進這一偉大變革的進程。新技術將大規模提升生產力與地球資源的有效利用,現有的生活方式和理念也將可能被徹底改變。人類將從繁重、重復、單調的勞動中解放,將會有更長的壽命、更多的自由與時間追求精神、文化與物質的創造,追求幸福、快樂與自我價值的實現。

  憧憬未來科技的巨大進步,隨之而來的對生活、社會的巨大影響需要有較清楚的預估,對可能發生的變化、帶來的重大影響提早做出戰略規劃。

  為了應對全球能源和環境壓力,世界汽車產業面臨戰略轉型,環保節能與新能源汽車已成為戰略發展方向,這是全球汽車工業以及能源領域的一場大革命。汽車產業正在發生翻天覆地變化,新一輪科技革命將會顛覆整個汽車產業,但資金、技術與勞動密集依然是產業特點。在傳統汽車產業,中國與國際汽車工業在技術、產品、資本方面存在太大的差距。但在新能源電動汽車方面,則基本又站在了同一起跑線上,是中國能實現彎道超車的重大歷史性機遇。

  2018年剛剛過去。經過近十年來的政策激勵加之創新驅動,中國新能源電動汽車產業已實現產業化并走上高速發展之路。無論對于中國還是全球,這都是一個創新時代,節能環保時代,一切都在巨變、進步,前景光明。

  新能源汽車是國務院確定的重要戰略性新興產業。隨著補貼等政策推動以及車企自主發力,中國已成為全球最大的新能源汽車生產國與市場,引領、加速了全球汽車電動化的進程。2018年純電動乘用車的補貼向高能量密度、長續航里程傾斜。與此同時,中央政府再次安排補貼退坡機制的政策接力:《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》——“雙積分”政策出臺。由于政府配套政策逐步落地,新能源汽車補貼也執行到位,有力推動了新能源電動汽車產業的高速發展,產業展現出良好的發展態勢,已進入500km時代。

  根據EV sales數據,全球新能源乘用車2018年銷量突破201.8萬輛,累計保有量突破550萬輛,新能源汽車在汽車總銷量的占比已達2.1%,達到歷史性的新高度,是世界新能源汽車突飛猛進的一年。

  2018年,中國電動汽車產業也開始進入前所未有的爆發期:新能源汽車2018年銷量已達到125.6萬輛,同比增長高達60.8%;其中,乘用車銷售102.0萬輛,已占世界產銷總量的50.5%,同比增長了82.86%,穩居世界第一;中汽協預計:2019年新能源汽車銷量將達到160萬輛。截至2018年底,我國新能源汽車保有量已達261萬輛。

  最近,由國際能源署(IEA)發表的一份《2018全球電動汽車展望》白皮書指出,無論是純電動車還是插電混動,中國的保有量、增長量和增長速度都遠高于全世界所有其他經濟體,中國才是當今世界上最重要的新能源車發展橋頭堡。IEA報告明確指出,現在中國才是火車頭,全世界所有國家都在跟著中國的新能源車的政策走。報告還顯示,預計中國2020年電動汽車保有量將達到五百萬輛,其中包括460萬輛乘用車。

  公安部統計數據顯示:截至到2018年底,我國的汽車保有量已經達到了2.4億輛,相比2017年增長了10.51%,駕駛人3.69億人。

  上述數據充分顯示中國既是世界最大的汽車生產國,也是最大的汽車市場。中國新能源電動汽車的發展已為世界范圍內的節能減碳、應對氣候變化做出了重要貢獻。

  從市場需求來看,汽車是現代人重要的代步工具,甚至已成為生活中不可或缺的一部分,這是新能源汽車產業能迅速發展的源動力。

  近十年來,特別是自2010年起,全球與中國新能源乘用車的年增長率均是以指數級而非線性的模式高速增長,新能源汽車市場的發展勢頭迅猛。以純電動汽車為例,指數已超過2.5,即已超過平方指數的高增速。

  全球新能源純電動汽車年產銷量數學模型:

  y=(x-2010)2.52 (1)

  式中,x為年份,y為年產量。
 

  表1. 全球新能源純電動汽車年產銷量


 

  中國新能源乘用車年產銷量數學模型:

  y=(x-2012)2.54 (2)

  式中,x為年份,y為年產量。


  表2. 中國新能源乘用車年產銷量


 

  不過,中國汽車整體產銷量28年來首次出現負增長,顯示汽車消費有放緩的跡象。中汽協1月14日發布的數據顯示:中國2018年汽車產銷量分別為2781萬輛、2808.1萬輛,同比分別下降4.2%、2.8%,中國車市迎來21世紀首次負增長幾乎已成定局。全球三大汽車市場的中國、歐洲和美國的銷量都出現了平臺。這主要是受到了宏觀經濟形勢以及部分政策等因素的影響,意味著傳統汽車市場將到達拐點,將漸趨飽和。而中國汽車產銷規模已連續10年位居全球第一,不可能始終高速增長。但中國汽車產業目前仍處于普及期,雖大城市的需求有所減緩,隨城鎮化的進程—農村市場的巨大需求尚未被充分釋放;汽車千人保有量僅約是歐洲、美國的1/4-1/5,特別是考慮到中國國民經濟的高增速,故未來仍有很大增長空間。此外,經過近十年的購車迅猛增長后,出于對品牌、品質提升的新訴求,置換升級的風潮也將逐步席卷中國乘用車市場。

  未來,市場的開放和技術競爭將會加強技術創新,加速市場推廣并加快成本的下降。純電動汽車產業要抓住機遇,直面挑戰。

  今后,通過市場機制的優勝劣汰、國民經濟發展質量的穩步提升、排放標準的升級、新能源支持政策的進一步實施、智能網聯汽車的快速發展等因素的推動,資源和產銷量定會向優勢企業進一步集中。可以預計,2019年中國汽車產業將在高質量發展方面取得更多進展,而汽車市場整體仍將保持穩定。

  毋容置疑,電動汽車現仍存在著許多不足與亟待完善的方面,其產銷量目前依然無法和燃油汽車分庭抗禮。但伴隨著未來人類生產、生活的需要,純電動汽車使用的低成本,易于全面智能化、網聯化、自動駕駛,具有高動力性能、無排放污染等重大優勢的完全展現,特別是隨著續駛里程、充電及安全焦慮等現存問題的逐一解決而日臻成熟、完善,以純電動汽車代表的新能源汽車定會越來越受消費者的青睞,將逐步大量普及。

  新一代新能源、新材料、信息通信等新技術與汽車產業加快融合,產業生態深刻變革,競爭格局全面重塑,我國汽車產業發展形勢在產業格局和生態體系、汽車產品形態和生產方式、新興需求和商業模式三方面都將面臨重大變化。

  隨著能源革命和新材料、新一代信息技術的不斷突破,汽車產品加快向新能源、輕量化、智能化和網聯化、共享化的方向發展。汽車正從交通工具轉變為大型移動智能終端、儲能單元和數字空間,乘員、車輛、貨物、運營平臺與基礎設施等實現智能互聯和數據共享。

  目前,我國純電動汽車主流車型續駛里程已經達到300km,一部分車型的續航里程已在400km以上,500-600km的車型也已陸續出現或開始上市。

  車載動力電池能量多少是決定純電動汽車續駛里程長短的關鍵,而電池能量密度的高低則決定著車載電池可安置的最大容量。據調研,2018年第三季度我國龍頭企業的動力電池單體能量密度達到250Wh/kg以上,電池包的系統能量密度也已達到160Wh/kg的新高度,動力電池系統成本則已降至1.2-1.3元/Wh左右。隨著電池產業量產規模的不斷擴大及新技術應用的加快,動力電池的能量密度還將繼續提升,成本也會進一步降低。

  充電樁/站的建設及布局密度決定著電動汽車是否能方便充電。截止至2018年7月,全國共建成公共充電樁27.5萬個,同比增長52%,新用戶私人樁安裝率接近80%,配套環境的充電網絡也在逐步改善并優化。

  自1978年改革開放開始,中國一步步地走上了大國崛起之路。在世界各國GDP的排名由1978年的第15位一路高歌猛進,至2010年即已世界排名第2,僅次于美國。

  人類的工業化進程,經歷了蒸汽機、內燃機、電氣化時代,現仍處于電氣化時代的后半期,其最終目標仍是實現全社會的電氣化。電能替代化石燃料作為動力能源是一個循序漸進的過程,但卻是一個必然趨勢,更是節能環保與時代的要求,體現了能源與動力的大革命。全電氣化帶來的優勢巨大,不但簡化或省去了結構極其復雜的燃油發動機、多級變速器和許多機械傳動機構,噪聲大大減小,動力特性也更好;功率調整更為靈便,自身無污染、無排放、更高效節能,還更易于實現智能化、自動控制、無人駕駛,在主動安全性方面將會比傳統燃油車更具優勢。

  與此對比,燃油車的尾氣排放是PM2.5的最主要來源,也是霧霾的最大元兇。對此問題,顯然在以燃油為能源的基礎上則將基本無解。越來越多的國家在推動能源轉型,傳統內燃汽車將逐步退出歷史舞臺,眾多國家也已發布了禁售燃油車的時間表。

  汽車工業是國民經濟的支柱產業。在中國經濟快速崛起的40年里,中國汽車工業取得了巨大進步。經過幾代人的不懈努力,已使中國汽車工業具備了迎接外部挑戰競爭的強大實力,尤其是近十年來大力發展的中國新能源汽車表現更為突出,與國際同類產品差距不大。

  我國的電動汽車整車、動力電池骨干企業的研發投入的占比已達到了8%以上,比亞迪、北汽、奇瑞、上汽、江淮、廣汽、長安等等電動汽車骨干企業已建立或正建立完善的電動汽車正向開發體系,優勢企業的規模效應開始顯現,我國電動汽車產業整體研發、設計、制造實力已明顯增強。

  電動汽車百人會理事長陳清泰指出: “到2030年,我國電動汽車產銷將超過1500萬輛……。要變成現實,涉及能源結構調整,智能電網建設,交通基礎設施升級,新一代5G移動通信支持,產業鏈的調整和改造,標準法規調整以及就業崗位轉移等,這是一場波瀾壯闊的工業革命。而每一方面都是周期較長、牽動全社會的巨大系統工程。需要政府未雨綢繆,做好頂層設計。”

  發展新能源汽車是中國從汽車大國走向汽車強國的必由之路。在政策多方面鼓勵支持下,中國新能源汽車的市場需求正呈現螺旋式增速上升的模態。

  全球汽車制造商也計劃在未來5到10年內,將對電動汽車技術的投資增加3000億美元,其中近一半的資金將投向中國,加速從化石燃料向電池和電動汽車技術供應商的轉變。

  產業升級戰略將加快推進產業創新和融合發展:中國深化改革在全面推進,汽車產業國際化發展進程在提速。發展中國家很多也都在加緊布局,利用成本、市場等優勢,積極承接國際產業和資本轉移。

  傳統企業和新興企業競合交融發展,價值鏈、供應鏈、創新鏈均在發生深刻變化,全球汽車產業的生態平衡正在重塑。

  產業邊界已日趨模糊:新能源電動汽車結構的大幅度簡化與電氣化,創造了歷史性的發展新機遇:互聯網等新興科技企業已大舉進入汽車行業,形成造車新勢力也紛紛上市搶灘。

  互聯網與汽車的深度融合,使得安全駕乘、便捷出行、移動辦公、本地服務、娛樂休閑等需求充分釋放,用戶體驗已成為影響汽車消費的重要因素。互聯網社交圈對消費的導向作用逐漸增強,消費需求的多元化特征日趨明顯,老齡化和新生代用戶比例持續提升,共享出行、個性化服務未來將成為主要方向。針對多元化的消費需求提供優質、便捷的服務,二手車生態也已經走向成熟。人們對于汽車的要求逐步提高,追求科技發展為出行服務帶來的便利;車險和維修保養的選擇多樣化,滿足不同用車習慣人群的需求。

  電動汽車將向長續航、智能化、互聯化、安全預警、主動安全、自動駕駛方向逐步發展,必將成為未來相當一段歷史時期新能源電動汽車的趨勢;高安全、高能量密度、可快充的固體動力電池預計將逐步成為電動汽車能源的新主流。

  中國汽車市場雖然看似在逐漸飽和,但實際卻仍然處于普及期。之所以造成這一怪現象,主要原因是城市化率仍未能跟上經濟增長。此外,道路管理不善和人口基數過大也是導致這一問題發生的原因。即便是在三四線城市,我們也能看到一些主干道被堵得水泄不通的場面。

  一個非常有價值的數據就是我們的汽車利用率僅4%,其余的時間汽車都在車位上停放,自動駕駛和共享汽車就成了未來解決這一問題的關鍵。分享經濟是互聯網信息技術高速發展的產物,人與人之間“點對點”信息的低成本共享已經實現,信息共享可以讓資源獲得更有效利用。房屋、汽車等多種私有物品未來都可以共享模式存在,物品的固定持有成本也將大幅下降,能讓更多的人享用這些資源。

  做好頂層設計,一是從開始就要把汽車、能源、通信、交通、城市進行綜合考慮,實現技術、規劃、政策、法規協同,有序推進。其中打破壁壘、放開市場,加強跨學科、跨行業的協同創新至關重要。從這個意義上來說,制定經科學論證的頂層設計和時間表、路線圖,能給市場和社會一個應有的預期,也是推進汽車革命走向成功的關鍵。加快頂層設計,一是統籌協調,制定戰略規劃;二是健全制度體系,加快出臺考慮周全的后補貼的政策,加速產業的可持續高速健康發展;三是深化對外開放,不斷提升國際競爭能力,走向全球市場;四是堅持創新驅動,突出科技引領的支撐作用,推進產業的日新月異與社會進步。

  汽車產業的變革正逐漸與能源革命、交通變革、城市管理創新緊密關聯、相互影響,由汽車革命帶動的能源革命、交通和城市變革正在發生。這些變革又將對技術和產業發生極大的推動作用,并將催生出一系列的新技術、新商業模式和新生態。汽車產業自身也在加速變革,產業鏈也將加速重構。

  2018年12月,國家發改委和工信部先后發布了兩個重要的政策準備實施——汽車產業投資管理規定和道路機動車輛生產企業及產品準入管理規定, 這是新能源汽車產業政策的重要調整。從各項條款細則看,對新進入者準入的門檻有所降低,對新增新能源汽車企業的投資準備、技術要求和研發能力進行了明確界定,技術難度未降,而運營難度提升,使項目投資撤離的難度明顯加大,將想借風口賺快錢者拒之門外,限制了融資范圍。這對踏實造車、實業興國的車企則是正能量注入,將提前擠掉產業投資和產能泡沫。通過一套行之有效的監管機制堵漏,可防止渾水摸魚、鉆政策空子,將確保新能源汽車產業可持續健康發展。

  新能源汽車造車已是一個資本加新技術密集型的特征,如果不能通過規模優勢在投資周期內完成商業盈利循環,只靠吸引投資入局,無異將走上潰敗之路。新能源汽車產業要明確定位、抓住機遇、轉型升級。

  雖然2019年的新能源汽車補貼政策暫未出臺,但必定存在汽車市場會進入低增長、低補貼、退補貼的時代的擔心。整車企業會優勝劣汰,集中度將進一步提高。中國企業需要進一步加強自身的專業化水平、提高競爭力與規模效益。

  二.發展新能源電動汽車是時代與環保要求,是重要國策

  2018年,國內新能源乘用車銷售101.97萬輛,銷量跨過了百萬大關,同比增長了82.86%。這其中:插混車型同比增幅領先純電動車型65%,高達135%,翻了一翻多;補貼政策導向推動了車型向高級化、長續駛里程化發展:品質更高、體驗更佳的A級及以上車型正在崛起,成為市場上一支不容忽視的生力軍;純電動和插混C級車實現了歷史性的突破;純電動A級車和A0級車同比增幅都超過了100%,并且高于新能源乘用車市場的總體增幅,這顯示了車型結構正在加速升級。純電動A00級車雖依然是銷量最大的板塊,年度市場占比36.76%,但這一比重較2017年比已是大幅下降。而2019年多款重磅新能源車也即將上市。

  無需回避的是,國內新能源汽車產業目前仍對政策高度依賴,對其變動也高度敏感。直接財政補貼政策目前仍是中國新能源車市興起的關鍵因素。退坡的補貼新政一俟發力,純電動板塊的市場表現就直接映射,當補貼大幅退坡甚至可導致歸零。A00級車型銷量的陡然跳水、后升級反彈,后隨著2019年補貼進一步退坡的政策預期市場份額定又將下跌,就清楚地說明了對政策的這種高度依賴。

  要徹底擺脫對石油進口的依賴:我國目前石油進口比例高達60%,而石油作為全球戰略資源,一直是大國的爭奪的重點。一旦大國關系或者局部地區的局勢出現問題,極易引起能源危機。而根據國家能源局的測算,我國石油儲備的安全線是僅能滿足90天!一旦戰爭、災難與不可抗力類全局性大事件發生,對于擁有燃油汽車2億輛以上的汽車大國——中國,就將面臨極其危險的局面。

  汽車排放造成的環境污染和石油資源枯竭正日益加劇,傳統燃油汽車在使用過程中產生了大量的有害氣體造成嚴重的大氣污染與溫室效應的加劇。全球經濟的高速發展,也加劇了對不可再生石油資源的依賴。因此,尋找清潔的可替代新能源,是每一個國家必須選擇的重大戰略,也是保障全球經濟發展、人類生存的重大課題。

  過去幾年,我們的生存環境已受到嚴重威脅。以北京為例,根據北京市環保局發布的數據,2015年北京空氣質量不達標天數達到179天,占全年總天數的49%,而重度污染天數更是多達46天!空氣污染背后的重要原因之一就是機動車尾氣排放,而且過量的汽車還造成了交通擁堵。因此,在能源領域,必須大幅度降低化石能源的占比。

  根據預測,到2030年,中國將初步構建起集化石能源清潔高效利用和新能源、可再生能源大力發展并舉的能源發展體系,非化石能源的發電量有可能會占到一半左右。為此,我國汽車產業必須:

  明確電動化是節能環保的時代要求與國家戰略:世界能源危機和環境污染問題日益嚴重,化石燃料帶來的環境嚴重污染顯而易見,石油資源枯竭已日益臨近。節能環保、防止溫室效應是世界大事,要為人類健康、保持地球生態平衡并為子孫后代留一片凈土盡力,這也是我國應承擔的歷史性重任。

  大力推進創新,徹底實現重大技術進步與彎道超車:傳統燃油車經過了近百年的研究發展,因有內燃發動機和多級變速箱等復雜的動力系統,導致入門門檻極高。多年來我國在動力系統的核心技術上始終被國外制掣肘。新能源電動汽車的發展則使大家處于同一起跑線,這是時代賦予我們能彎道超車、實現趕超國際競爭對手之重大良機,應珍惜并好好把握。

  三.技術創新是產業未來發展的根本

  產業發展面臨的問題不解決、不突破,將直接影響新能源汽車的未來與發展。在電動汽車剛起步的時候,也充滿了各種缺陷和不足,當這些問題逐步解決,產業就不斷地發展成長。但真正要讓純電車能完全像燃油車一樣使用方便快捷又可靠,這條路或許還將較漫長。

  回顧中國電動汽車的發展史:從2009年到2012年是政策驅動的引入期,2013-2015年為政策性應用落地期,2017-2019年是政策轉變驅動的市場驅動增長的爆發期。傳統的車企,早已將新能源車的研發設計重心,更多的轉向了其內在部分——電池管理、電驅動技術等。而造車新勢力,則在不斷利用自身的智能、網聯技術加強對產業改造。

  在傳統汽車領域,我國技術缺少核心技術與積累,與海外豪強仍存在不小的差距,目前國內自主品牌還集中于其中低端。但在新能源汽車領域,則與國外競爭對手基本處于同一起跑線。加速投入研發創新,中國汽車產業將完全有望實現對國外汽車產業的快速超越、彎道超車。

  電動汽車火爆銷量的背后,離不開國家環保政策、國家與地方補貼、免購置稅、限牌限行政策等方面的大力支持。未來不久的2020年后,國家財政補貼將逐步退出,產業發展將逐步由政策引導轉為市場引導,市場競爭定將加劇。電動汽車及相關產業將面臨新一輪洗牌,產業增速將趨緩,市場定位也將逐漸回歸理性。如何保持國內新能源汽車產業來之不易的成果與保障產業健康持續發展,將是今后一段歷史時期我們將面臨的重大挑戰。

  中國科學院院士歐陽明高指出:“前面發展初期的泡沫基本上過去了,新能源汽車已經進入正常軌道”,“從發展、升溫、出現泡沫,回調,到理性回歸,是新技術發展的一般規律,新能源汽車、智能汽車均是如此”。

  政策補貼退坡后由車企自己消化補貼減少后的價格成本,壓力山大。但力圖大幅度漲價而主要轉嫁給消費者的企圖只能導致難以銷售,繼而會有相當數量的電動汽車車企被淘汰出局,但這也將是泡沫退去的一個重要標志。在市場的選擇過程中,只有真正的好品牌和高質量、高性價比的產品才能脫穎而出、保持旺盛的生命力。優勝劣汰的市場競爭就是如此殘酷。

  毋容置疑的是:在核心技術領域走在前面的車企,才是未來國內新能源汽車的主力。產業鏈上下游合作共贏是大勢所趨,市場巨大,靠單一企業不可能引領產業發展,未來市場定將進一步向優勢企業集中。只有那些擁有雄厚技術知識積累、能獲足夠資金支撐、有理性的市場定位,以及能夠對市場快速反應的廠商才能繼續占得先機、贏得市場。

  未來,電動汽車的發展趨勢主要將聚焦于整車一體化開發、核心零部件和關鍵技術的提升以及下游基礎設備的配套發展。

  電動汽車輕量化。實際上首要的是電動汽車的電池輕量化,未來電動汽車將會進一步提高現有電池的比能量并開發出更先進的電池。

  新一代信息通信、新能源、新材料等技術與汽車產業加快融合,產業生態將深刻變革,競爭格局將全面重塑。

  我國汽車產業發展形勢在產業格局和生態體系、汽車產品形態和生產方式、新興需求和商業模式三方面都將面臨重大變化。

  隨著能源革命和新材料、新一代信息技術的不斷突破,汽車產品加快向新能源、輕量化、智能和網聯的方向發展,汽車正從交通工具轉變為大型移動智能終端、儲能單元和數字空間,乘員、車輛、貨物運營平臺,與基礎設施等實現智能互聯和數據共享。

  在汽車智能化方面,電動汽車將與人工智能、5G通信緊密結合。一方面不斷加強汽車本身的自動化程度,另一方面則是利用現在新一代的移動互聯技術,而兩者相結合無疑是最佳的發展途徑。

  網聯化:未來的新能源電動汽車將是路網一體的移動終端,車聯網也不僅僅是簡單的連接服務,而是對汽車性能、行駛過程以及交通體系的重構。

  共享化:面對能源緊張、道路交通擁堵嚴重的局面,汽車共享并補充公共交通出行,將是未來社會交通發展的趨勢之一。

  智能制造:汽車生產方式將向充分互聯協作的智能制造體系演進,產業上下游關系更加緊密,生產資源將實現全球高效配置,研發、設計、制造的效率也將大幅提升;個性化定制設計、生產的模式將逐漸成為趨勢。

  低能耗是節能終極目標的參數指標,取決于多種因素及其復雜的相互作用結果,也是整車設計、制造水平高低的綜合體現。2019年2月18日,國家市場監管總局、國家標準化管理委員會正式批準發布《電動汽車能量消耗率限值》。標準的第一階段的限值主要定位是為了淘汰部分技術落后的車型,第二階段限的值主要是為促進技術先進的車型得到發展和應用。對于整備質量在750kg-2500kg范圍的電動汽車,第一階段能耗約應在13-21kWh/100km的范圍,第二階段能耗約應在11-18kWh/100km的范圍。應當說新標準的推出,將進一步促使產業的全面技術進步與提升。

  四.產業面臨的重大問題

  中國新能源汽車目前正已處于一個市場導入期到產業成長期大規模量產過渡的關鍵新階段。隨新能源汽車的普及,目前,不盡完善的產品,面對并不成熟的市場,有越來越多的問題正陸續暴露并展現。

  1.續駛里程短(里程焦慮)

  一段時期以來,多數電動汽車的續航里程短是其最大的短板,充電站又未必隨時好找到并立即可用,故用戶最怕行車中途沒電。冬季寒冷,續駛里程又大幅度縮水。解決里程焦慮,曾是前不久電動汽車消費者最為迫切的需求。

  現車載電池的比能量密度目前仍低,成本高、價格也貴。受體積、空間、車重、成本所限,車載能源現難以選擇使用更大容量的電池,故通常電池總能量容量小。而汽油的質量比能量約12.91kWh/kg,體積比能量約為9.2 kWh/L,其質量比能量是目前三元鋰電池的幾十倍,目前的鋰電池根本無法與之相比。但燃油發動機的燃效太低,僅30%左右,還有污染排放問題。

  此外,目前主流的三元鋰電池受氣溫影響仍大,在低溫下內阻增高、活性降低、容量大幅度衰減,這是低溫下其續航里程縮短的根本原因。特別是在2018年末這個寒潮來襲的北方冬天,電動汽車續駛里程甚至低到一半,以致一些用戶在車上連取暖空調都不敢開啟,冰冷駕車的狀況令人不寒而栗,更不用奢望還能長途行駛。開著新能源車上高速的擔心是:如果還沒下高速就沒電,萬一后面還有車,那就可能追尾。如果后車車速很快,就有可能造成傷亡事故。

  實際上,這一階段的純電動新能源汽車的定位主要應是城市內通勤。市面上主流純電動家用轎車的價格為10-20萬元,其中15萬元左右最為集中。不論是價格還是續航里程都更適合于家用、通勤。和轎車一樣,城配用車也正在實行電動化。市面上的純電動微面和輕卡,續航里程在200km左右,同樣是定位城市配送。

  新能源汽車發展已經進入了瓶頸期,電池續航能力的提升目前只能加大車載電池容量,或等待電池基礎科學研究有所突破。但后者并非是一朝一夕就能解決的事情,充電的問題同樣如此。所以在未來的一到兩年的時間內,業界需更加關注的問題首先應該是如何保證安全、方便充電與降低電動車造車成本,即便是車企再單純糾結更長的續航的問題,除了換電技術還有一定范圍的用途外,只能是事倍功半。

  政策推動新能源汽車發展是為了經濟和環保方面的戰略考量,消費者選擇新能源汽車,一些可能僅僅是為了牌號和出行方面的便利,而資本看好新能源汽車是因為產業革命背后的更大蛋糕,是可以在第四次工業革命中實現能夠顛覆出行的自動駕駛等領域。諸多自動駕駛系統均以電動汽車為載體,原因或很簡單:對于自動駕駛軟件程序員來說,電動機比發動機在編程上更易控制,技術也更統一。

  許多用戶抱怨:電池的續航水平一直存在著水分,電動汽車的實際續航均低于廠家承諾的里程數。實際原因是電池受制于溫度、壽命、路況等綜合因素的復雜影響。但生產廠商為自身利益也根本沒有清楚地說明這種“負面”影響,更沒有利用車載計算機HCU根據各種因素智能分析計算確定根據當時的車況路況,提供盡可能接近真實的剩余電量與續駛里程,讓客戶能做出最有利的行駛策略抉擇。

  此外,對電池容量在低溫下大幅度衰減這一情況也不是沒有辦法解決:上汽、江淮等均已開始利用水冷與電加熱等技術對電池的溫度進行實時的監管與調控,使其始終處于良好的工作狀態,從而可很好地解決南北氣溫差異影響續駛里程的問題。

  動力電池系電動汽車核心三大部件之一,目前主流的三元鋰電池包成本大約已是1200-1300元/kWh左右。純電動的百公里能耗現通常在13-20 kWh/100km的范圍,平均約為15kWh/100 km。對于300-500 km續駛里程的電動汽車,僅采購電池成本就約需5.5-9.5萬元,電池成本已占整個電動汽車成本的30-40%以上。

  電動汽車的更新換代快,技術更新迅速,因此保值率較低。電池貴的問題對部分品牌或許已經解決,但產業仍未形成共識。如果所有品牌都能為動力電池提供終身質保,電動汽車的普及速度將可能會以數倍的速率迅速增長。考慮到退役動力電池的梯次利用價值仍不菲——還可回收重組,作為電力儲能電池再繼續使用數十年。因此,為動力電池提供終身質保,應能促進電動汽車產業與企業的大發展,這應是車企發展戰略抉擇之遠見良策,或將成為競爭的致勝法寶。

  電動汽車如普及不了,就只能適合中產或小康家庭作為第二或第三輛城市的短途代步車使用。雖然電動汽車產業的發展并不會停滯,但發展速度會嚴重受限。

  解決里程焦慮更為重要的另一方面是如何節電、減少百公里能耗——這也是體現新能源電動汽車總體節能性能優劣的一個最重要表征參數。目前續駛里程的提升相應伴隨著電池乃至車身質量的顯著增加,導致能耗也顯著增長。今后需要探索最新技術與綜合應用而全盤考慮、合理設計,例如功率電池作為與鋰電池并行工作的復合能源的應用,避免單純依賴車載電池容量的增加。合理利用車載有限的電能也能使車輛獲得顯著增加的續航里程,這比單純依賴增加電池容量將有更好的效果。例如,增加30%續駛里程的效果,實際就等效于將目前的三元鋰電池的最高單體密度由300Wh/kg提高到約400Wh/kg,顯然對于液態電解質鋰電池目前的技術將無法做到。電動汽車整車企業不應把目光與希望只盯在電池上,擴展思維將會發現還有更多、更好的其它選擇。

  2.自燃安全隱患(安全焦慮)

  在新能源汽車保有量快速增長的同時,新能源汽車安全事故呈現出上升態勢。有數據表明,從2016年到2018年,我國新能源汽車起火事故共發生了59起。

  頻發的起火事故,引發了人們對新能源汽車安全的擔憂,已嚴重威脅到使用者的生命和財產安全。

  沒有安全,我國新能源汽車產業發展就沒有未來。中科院院士歐陽明高認為:隨著推廣規模的擴大和車輛使用年限的增加,新能源汽車安全風險不容低估。中國動力電池產業創新聯盟副秘書長王子冬指出:消費者對新能源汽車起火事故關注度和顧慮高。我國新能源汽車安全問題已引起社會廣泛關注。相關研究顯示,目前我國新能源汽車產業總體上對安全性認識不足,產品設計的安全性積累還不夠。電動汽車安全事故頻發,多起電動汽車起火事故已對產業發展造成負面影響。需大幅度提升動力電池系統安全性能,為電動汽車產業發展掃除后顧之憂。

  工信部《電動汽車安全指南》指出,電動汽車安全性事故原因比較復雜,具體與材料選擇、電芯和模塊結構、系統集成、連接結構、整車匹配設計、生產管控、產品試驗驗證、售后服務、充電設備和工程電子、充電運維管理、回收再利用過程安全管理、火災管控方法等多種因素有關。

  由于電池質量、技術和不規范使用等各種原因,引發電池自燃、電池組爆炸、充電時起火等安全事故。

  電動汽車的碰撞安全性也令人擔憂:高壓電氣系統、高壓電池在碰撞后可能存在潛在危險——碰撞引起電池破損、電解液外流,電池短路、溫度升高進而引起熱失控燃燒甚至爆炸。車體浸水或電路接頭脫落、絕緣破損導致外電路短路,電池質量或管理系統、充電及安全系統的失效或損壞等則也都可能是其發生事故的原因。

  目前的主流電池——高能量密度三元鋰離子電池非本質安全,其熱失控則是自燃起火的根本原因。熱失控是是由各種誘因引發的鏈式反應,發熱量可使電池溫度升高上千度,造成自燃;從電池電芯內的負極SEI膜分解開始,繼而隔膜分解熔化,導致負極與電解液發生發應,隨之正極和電解質都會發生分解,從而引發大規模的內短路,造成了電解液燃燒,進而蔓延到其他電芯,造成了嚴重的熱失控,讓整個電池組產生自燃。電化學電池儲能在安全性方面最大的問題,在于其安全隱患的不可預見性。而熱失控一旦發生,又沒有有效的手段來控制。

  電池殼體的結構也對于鋰離子電池的熱失控行為有明顯的影響,例如18650具有底部防爆閥的電池能夠更早的釋放電池內部過高壓力,減少氣體積聚,減少電池熱失控中噴出的高溫物質,從而有效的減少熱失控在電池組內蔓延擴散的風險。鑒此,需要大幅提升高能量密度電池系統的穩定性、可靠性和安全性,并加強動力電池的消防安全研究。

  熱失控是鋰離子電池最嚴重的安全事故,一旦鋰離子電池發生熱失控將會對使用者的人身和財產安全產生嚴重的威脅。發展能阻燃、不起火爆炸、本質安全的新一代高能動力電池才是產業持續發展的根本保障。

  現今,消費者對汽車的安全性也越來越重視,特別是汽車的主被動安全配置。首要的是碰撞測試,無論是中國的C-NCAP,歐洲的Euro,美國的IIHS(美國公路安全保險協會)與NHTSA,獲得安全評分的5星級評價通常才被認為安全。但這只是相對的,只對同車種才有意義,更重要的是交通事故死亡率。目前來看,所有的純電動汽車參加E-NCAP碰撞測試,尚無一例獲得五星級安全證書。

  IIHS統計每款車型的死亡率,系根據每年在平均在每100萬注冊車輛中駕駛員死亡的數量。由于發生車禍時車內乘坐人數不定,所以僅統計駕駛員死亡數,是較公平、科學的評價方式。

  在各類事故中包括整體(單車或多車)的死亡率:豪華品牌汽車的安全性遠高于一般;而轎車的死亡率是SUV的約一倍,故SUV比轎車相對安全。對于SUV,其尺寸大些的更安全。但車體太大、過重,規避事故的能力反倒變差,也不符合節能環保的原則,還將更加劇城市的道路交通擁堵。

  很多情況下,車禍發生主要原因還在于駕駛員本身。除提高駕車人安全意識、為車體裝備充足的生命安全保障裝置外,建立新一代主動安全警報與緊急避險智能自動化系統將成為現代汽車的新時代特征。

  總之,沒有安全,我國新能源汽車產業的發展就沒有未來,這應是產業超越其它問題首要考慮予以保證、解決的重大問題,應具有最大的權重。

  3.充電難、時間長,電池貴,充電配套設施不完善(充電焦慮)

  當前最好的快速充電技術通常也約需要半小時才能充電至80%,而且快速充電還會帶來電池壽命減低,再提高充電速率則會進一步帶來充電站功率過高的挑戰。

  制約純電動汽車大普及主要受制于電池的快速充電安全與其大電流充電的接受能力,以及充電樁/站的分布密度、可用與便利程度。在這兩個關鍵問題未得到徹底解決前,期望徹底替代燃油汽車、實現電動化大普及就是空想。當然,電網供電能力以及應對充電時段集中發生時浪涌峰值到來的供電與沖擊的抑制能力也必須能適應、良好調節與可抑制,以不對公眾用生產、工作、生活用電產生嚴重干擾也是重要前提。

  純電動汽車一旦普及,立即會有大量的汽車出現難以尋找到適合充電地點或無法及時充電的問題。飛線充電即使是對電動兩輪電動車目前也因安全隱患等問題被嚴格禁止。電池充電起火引起的安全焦慮已導致在居民小區安裝充電樁遭遇到極大阻力。此外,小區供電變壓器的有限功率容量也限制了充電樁的設立或擴充。

  所以,如不解決好建樁車位與安全問題,電動汽車未來將只能適合小眾群體。充電站/樁特別是大功率類型的建設速度需要大幅度加快,力爭可以隨時隨地方便的充電,如此才能使買車人充滿信心,無須再為續航擔憂,純電動汽車才能實現大普及。

  充電的狀態設計不同,充電時電壓的變化會影響電池的溫度,且如果充電期間車與充電樁的信息交換不暢,過充也容易出現事故。

  充電速度慢、時間長問題:對燃油汽車——幾分鐘加滿油就可以行駛幾百公里。目前的電動汽車充電慢、時間長,萬一有急事,就抓瞎。充電最快的就是大功率直流電充電樁,但這種充電樁目前還較少。此外,鋰電池的大電流接受能力也受電池性能所限。

  加快充電基礎設施的建設。截至2018年底,國內充電基礎設施達到76萬個,設施結構進一步優化。其中的公共樁約占40%,但其增長速度已放緩;專用樁46萬個,仍保持高速增長的態勢。

  我國充電基礎設施結構性供給不足問題突出:一是充電樁利用率低。公共充電基礎設施利用率只有12%。充電樁布局也存在問題:有的從建立到壽命期結束都很少有人用。隨電池技術的升級,充電功率大幅提高,需要充電基礎設施及時跟蹤和擴容。如充電網絡未能實現互聯互通,各商業運營充電企業現相互獨立,充電APP終端不兼容,用戶充電的操作和體驗均較差。

  純電動汽車充電以”充電樁”為基礎。從實際情況來看,雖然如今在一線城市充電樁已經相對普遍,但在二三線城市,充電樁并不普及,這也成為目前阻礙純電動汽車發展的一個重要問題。再加上如今充電接口和協議不統一,充電樁將無法適用于所有純電動汽車;二是配套設施也不具備區域連貫性。充電樁的問題直接關系到純電動汽車使用的便利性,一旦喪失便利性,純電動汽車也就成了空頭支票一樣無法給力。

  健全充電基礎設施的標準體系:第一是繼續深化互操作性測試,解決車樁兼容的難題。第二是強化標準的實施落實,支持充電聯盟開展充電設施產品的標識評定,規范隨車配送充電樁產品的標準管理。第三,瞄準充電新基礎設施發展,組織有關單位開展大功率充電標準預研工作,提出電網雙向互動技術標準的發展路線圖。

  盡管現在充電還存在不少問題,但充電時間的縮短,以及充電樁數量提升,新能源汽車充電問題正在改善。未來,進一步完善充電設施建設還應努力做到車與路的協同。無線充電的新技術也有許多優點,隨其大功率的增長也應予以重視與發展。

  4.重視退役電池回收與拆解安全,避免污染及事故

  目前,我國電動汽車動力電池報廢開始進入第一波高峰期,處理不好,退役動力電池將帶來環境影響,還有安全隱患,已形成資源回收壓力。須面對難題是:如何實現退役電池梯次利用與廢舊電池資源化處理?目前已生產的動力電池種類繁多,結構不一,廢舊電池的回收利用又缺少指導標準規范,仍存在污染環境、發生拆解安全事故的危險。

  如前所述,回收與梯次利用將是一新產業,市場規模可觀,也有重要的經濟與社會效益,政府給與政策支持并鼓勵民間資本進入發展,應是形成電動汽車產業生態良性循環的重要舉措。

  5.普及型電動汽車動力性能差,制動能量不能回收或利用率低

  動力性能是汽車類產品最重要的性能參數之一,表征著汽車的機動性與快速性,更是豪華車與普通車區分的重大差異之處;而制動能量回收能力則是決定車載有限容量電池能源下續駛里程長短的重要因素之一——這對于城市路況下經常需頻繁啟動加速或減速制動停車時的續駛里程長短有重大影響。

  普及型車多屬A級以下,特別是A000、A00、A0級。產業發展初期,由于動力電池價格太貴、比能量又低,電池也笨重,以致車體整備質量高,繼而導致滾動阻力大引起高能耗。車企為以低價戰略爭奪市場,又需大幅度壓縮成本,故通常選擇的車載電池容量就小,繼而導致續駛里程短,很多僅為150-200km。此外,最高車速也不高,通常多在100km/h左右。與此相應,車企也只能選擇小功率、小扭矩電機,以免啟動、加速時的大電流將儲存的電能迅速耗完,因而加速性能差,百公里加速時間很長,機動性與爬坡能力都很差。

  早期產品電池管理系統也不完善;出于低成本及減少能耗的考慮,即使到現在,多數產品電池組(包)至今仍無溫控。為電池安全,通常還嚴控、限制大電流的充放電。與此相應,汽車的電機則選擇的功率、扭矩都偏小。由于電機驅動的高效率、大扭矩優勢難以發揮,故整車動力性能就很差,以致百公里加速時間很長,甚至遠不如同功率的燃油汽車。也由于電池容量小、充放電電流又受限,減速制動時的短時大功率能量也難以大電流回收,而白白被浪費,其優勢也無法發揮。由于動力性能差,很多產品干脆就不標注其百公里加速時間指標,或僅標注低速下的參數。

  城市交通擁堵日漸嚴重,出于降低日常出行成本的考慮,很多家庭會考慮再選購一輛微型車代步。新能源微型車體積小巧,出行成本很低,銷售目標目前主要定位在三、四線城市,但如具有高動力與安全性能以及高水平的綜合設計,未來一、二線城市也將會擁有可觀的市場規模。

  制動能量回收: 制動能量回收是電動汽車在制動時,驅動電機被轉置于發電狀態,把車體慣性運動的機械能再轉換回電能回收儲存回電池或儲能器中。制動能量回收是電動汽車本自具有的重要節能特征之一,也是燃油汽車通常不具備的優勢。關鍵在于制動能量是否已被有效利用,還是根本未被利用?

  研究表明:在城市行駛工況,約有50%甚至更多的驅動能量在制動過程中被白白損失浪費掉,而在郊區工況至少也有約20%的驅動能量在制動過程中損失掉。因此,制動能量回收功能是提高電動汽車能量利用率的有效措施,對汽車的節能和環保有著不可替代的重要作用。

  如果將車輛減速時的動能轉化為電能,回收并充入動力電池,而不是被剎車片摩擦變廢熱浪費掉,這無疑等于增加了蓄電池的容量。但由于制動時間通常很短,發電狀態的電機瞬間發出的功率和電流都很大,此能量是否能有效被利用將取決于車載電池容量以及可接受的最大充電電流倍率。目前,由于電動汽車車體機械傳動與電氣結構的不同,對制動能量并不是都能有效回收,如車體缺乏制動能量回收裝置就將不能被利用。此部分能量如被充分利用通常可延長續駛里程10-30%;而對每日僅在城市路況下頻繁啟動加速與停車的狀態下行駛,甚至可延長續駛里程高達40%以上!

  制動能量不能被有效回收,實際是很大的浪費。因為這意味著保證電動汽車一定的續駛里程本可以成比例地減少的電池容量與成本,或成為可延長的續駛里程。整車設計者如只盯在鋰電池能量密度每年的小比例的增長,一味只靠增加車載電池容量來加大續駛里程,無異于是撿了芝麻,丟了西瓜。

  開發制動能量回收系統需要同時考慮制動的安全性、駕駛舒適性及能量的回收效率等,世界各大汽車廠商及制動系統的主要零部件供應商針對不同的電動汽車開發了各種類型的制動能量回收系統。國內關于制動能量回收方面也進行了大量的研究。

  按照制動力分配方式的不同,制動能量回收系統分為串聯式和并聯式兩種。早期的電動汽車大多采用并聯式制動能量回收系統,該方式制動時在驅動軸同時施加機械制動力與電機制動力,在非驅動軸上,采用傳統的機械制動。隨著技術的發展,在制動效率、制動效能、制動安全等多方面有明顯優勢的串聯式制動能量回收系統逐漸成為主流。串聯式制動能量回收系統優先使用電機制動力,通過調節機械制動力,使制動力之和與需求制動力保持一致。串聯式制動能量回收效率高,制動性能好,但系統結構復雜,需對傳統機械制動系統進行改造,實施過程較為復雜。

  五.技術創新與發展前景

  新能源電動汽車的核心和共性技術存在短板,突出表現在電動汽車“三電”(電池、電機和電控)核心技術掌控能力不足,高端品牌和高性能產品也缺乏。電動汽車企業的自主創新發明專利少,專利質量也有待提高,需持續大力推動“三電”關鍵核心技術提升。掌握了電動汽車的核心超前先進技術和實行能高度適應市場需求的營銷戰略就可形成企業強大的核心競爭力而制勝。

  研發更高比能量與安全的新型電池、大幅度提升驅動電機和電控系統的功率密度及效率,注重發展顛覆性超前技術或黑科技:超前布局固態鋰電池、燃料電池堆、復合能源、碳化硅功率器件、高智能測控、主動安全及全自動駕駛等等下一代新技術與關鍵部件,如獲成功,都將會成為未來激烈競爭中的制勝法寶。

  新能源電動汽車的核心的技術只有靠自己研發才能確保基業常青、可持續發展。只有那些在核心技術領域走在前面的車企,才會成為未來國內新能源汽車產業的主力。

  那麼現有新能源電動汽車存在的缺點能否克服?用戶焦慮能否解決?答案應是:肯定能,定會逐步解決,且隨著技術的飛速進步,一些焦慮預計解決也不會太久,因新技術、新方法也會層出不窮,會永無止境。

  例如里程焦慮:2018年下半年至今,達到400-600km的長續駛里程已經有很多新車種上市,新能源電動汽車乘用車的續航里程方面,300公里以上的純電動汽車比例目前已達到約81%。不斷提升的電動車續航里程表明新能源汽車產業正在高速發展、與時俱進。實際對于大多數日常以市內通勤為主的用戶,400km已足夠,即使北方冬天容量/續駛里程縮水一半,也還有200km可用,對于我國每日出行25-45km左右的大多數用戶,已不再構成主要焦慮。
 


 

廣汽新能源Aion S:工況續航里程510km、等速最大續航里程可達600km,風阻系數cd僅0.245,今年5月份將上市
 

  何況未來還會有許多創新技術將陸續成熟導致全新型電動汽車上市,即使電池容量密度未能顯著提高,依靠其它創新技術例如飛輪功率電池復合能源延長續駛里程15-30%,甚至40%以上也完全可能。但客觀來說,要讓純電車能像燃油車一樣方便、可靠,這條路會還較漫長。但在不久的將來,電動車里程焦慮等將不再會成為制約消費者購買欲望的絆腳石。

  隨著新能源汽車市場的快速發展,我國的鋰電池也已迎來了發展的黃金期,鋰電池的產量也快速增長,從2014年的29.79GWh增長到2017年的79.91GWh,年均復合增長率達到39%。目前,電池組/包(Pack)的系統能量密度為140Wh/kg的產品成為主流,達到160-170Wh/kg的車種也已出現。

  但目前國內純電動車的百公里電耗仍偏高,與國外先進水平相比還有差距,還要進一步大幅度降低,這是體現電動汽車節能水平最重要的表征參數,涉及眾多因素,例如各能量轉換環節的效率、車重(整備質量)、風阻系數與滾動阻力等,實際體現著產品的綜合設計水平與制造能力。例如,日產聆風是一個標桿車型,屬小型電動汽車,其NEDC工況能耗接近10度電/百公里,裝載40-60度電可以行駛400-500公里,降低了電池的裝載量。

  另一方面,當前若一味追求高續航里程,對用于城市通勤的車也需要背負大量電池包每日跑,不但浪費金錢、造成高能耗,在電池安全未徹底解決前也更危險。特別是有些企業為追求短期利益,將質量不完善、有重大安全隱患的產品直接推向市場就更危險。

  從國家對新能源汽車支持力度可見,支持并不是要單純發展新能源汽車,而是要推動發展真正具有高技術又安全好用的新能源電動汽車,以便滿足社會需求并參與國際市場競爭。

  打造高價值的產品核心是提供有競爭力、差異化的產品和服務,給用戶帶來非凡的用車體驗,也將大幅度提升用戶的購買意愿。

  1.電池技術

  電池技術仍是目前及未來電動汽車產業發展的主要瓶頸。對于新能源汽車動力電池而言,其性能、穩定性、一致性、安全性、使用壽命、成本和生產率無疑都影響、制約著新能源電動汽車的產業發展。高性能就是要獲得高的能量密度、安全性、功率密度和長循環壽命。

  動力電池作為電動汽車三大核心部件之一,成本約占整個電動汽車的40%或以上。電動汽車的發展同樣助推著動力電池的發展,預計2020年我國國內動力電池總需求約90GWh,2025年將達到310GWh。

  電池技術的發展趨勢:未來主要集中在新型電池、高性能電池材料、電池包(PACK)、電池管理系統(BMS)、電池梯級利用回收技術以及電池生產制造專用設備等領域。我國鋰離子動力電池已具有完整的產業鏈,動力電池單體技術指標也已達國際先進水平。在電池設計、生產設備及電池原材料研發方面技術水平也有較大發展潛力。

  2017年,三元鋰電池開始擊敗磷酸鐵鋰電池,成了新能源車動力電池的主力,已是市場主流產品。因此,2018年電池技術的提升,實質就是三元鋰電池技術的提升。這一提升,使純電動汽車的續航能力已能滿足普通家庭的用車需要,并初步具備了與燃油汽車競爭的能力。隨三元鋰電池比能量持續提升,其成本也在不斷下降,技術進步明顯:規模量產應用產品的單體(電芯)能量密度已提升至265Wh/kg,成本也降至了1元/Wh以下,較2012年時的能量密度提高了2.2倍,成本下降了75%。

  但產業對新型電池材料、固態電池等新體系的研發投入方面仍然不足,核心技術原始創新專利仍缺乏,自動化成套裝備水平不高。動力電池產品一致性、可靠性也有待提升。產業發展面臨的這些問題不解決、不突破,將直接影響新能源汽車的未來與發展。繼續提升動力電池性能水平,持續降低成本,仍是產業發展的關鍵和重點。還有安全性、可靠性問題,也對增強純電動汽車產品競爭力、促進新能源汽車產業長期發展具有極重要的意義。

  純電動車為了獲得更長的續航里程,目前唯一的辦法就是增加動力電池組的能量容量。但車身留給動力電池的空間有限,要想提升動力電池組容量,唯一的辦法只有提升動力電池組的能量密度。

  近幾年能量密度的提升,一是從相對較低能量密度的磷酸鐵鋰向相對較高能量密度的三元鋰電池的切換;二是對三元鋰電池正負極材料的提升,特別是采用高鎳三元(鎳Ni從原來的1/3提升到80%,例如NCM811)。如今的三元鋰電池主要是鎳鈷錳(NCM)和鎳鈷鋁(NCA)兩種類型,這都是指電池的正極材料,對電芯能量密度的影響也最大;而負極材料,目前應用最多的是石墨。

  采用活性更高材料替換原有材料是以往常規鋰電池研究思路。Ni基材料憑借著高容量和良好的循環穩定性在動力電池領域迅速得到了廣泛的應用,特別是在國內NCM材料更是成為了高比能電池的主流正極材料。Ni基正極材料的Ni含量一直在不斷提高:從最初的NCM111材料,提高到NCM532,NCM622。隨著動力電池能量密度向更高邁進,NCM811材料的應用也已日益普遍。目前單體最高能量密度已達到300Wh/kg。

  富鎳三元正極材料,因具可逆容量高、成本低等優點,曾被認為是最理想的下一代高能量密度鋰離子動力電池正極材料之一。不過其有界面穩定性差、二次顆粒內部結構衰退等問題,嚴重阻礙了該類正極材料的規模化應用。

  高鎳三元材料的應用,雖電池密度已創新高,但這種能量密度的提升也有其極限——研究者們普遍認為350Wh/kg是鋰離子電池的極限,目前的能量密度上已經到達瓶頸期,繼續提高能量密度就需要采用全新的體系。

  最大問題在于:在提升電池能量密度的同時還有重大安全隱患,這種提升實際系以犧牲安全性為代價,存在很大安全風險。故解決安全問題現已迫在眉睫,刻不容緩!此外,近年來鋰、鈷和鎳等原材料價格的上漲,導致鋰離子電池成本也承受了很大的壓力,繼續降低成本的空間也有限。

  三元鋰電池目前的優化升級,包括調整內部材料的比例、采用新材料替代石墨負極、提升隔膜性能等。但這些方式都很難讓三元鋰電池的能量密度突破至300Wh/kg以上。 目前對三元鋰電池還仍在不斷大力改進,研究全新的體系,特別是提高其安全性、穩定性。例如如下包覆修飾的2個案例及其它方法:

  長沙理工大學李靈均副教授與廈門大學、美國阿貢國家實驗室、內布拉斯加大學林肯分校、布魯克海文國家實驗室等海內外教授及團隊合作,最近同步合成了鈦摻雜、鑭鎳鋰氧化物包覆的“雙重修飾”富鎳三元正極材料。材料展現出了良好的熱穩定性、結構穩定性及優異的電化學性能。在60℃高溫循環150次后,雙重修飾材料的容量保持率,比純相富鎳材料提高了近2倍。這一發現為富鎳三元材料的開發和應用提供了新思路和理論指導,有助于高能量密度鋰離子動力電池的發展。

  美國賓夕法尼亞州立大學王朝陽教授則提出了全天候、免管理電池(MFB)的制備方案:先鈍化正極材料和電解液,然后加溫應用。即利用磷酸鐵鋰材料對NCM811的三元材料對進行包覆,將活性材料“鈍化”,或者在電解液中添加添加劑,來增加電池的內阻、抑制電池材料活性,提升電池穩定性、保證安全。內加熱技術也正是全氣候電池中使用的核心技術,正常使用則需要用熱刺激方式迅速調制電池電化學的動力特性,讓MFB電池能輸出高功率。其內加熱刺激的加熱結構是僅在原有電池結構中增加一個5μ厚的鎳片,這幾乎不增加電池重量,卻可使得電池的能量密度得到保證:用3%的能耗使電池內部迅速升溫20-30攝氏度,在加溫至60℃時電池的內阻會大幅降低,其功率與充電速度將超過正常電池水平1.72倍。傳統電池工作溫度為30℃,而MFB工作溫度為60℃。此外,對電池的熱管理需求非常簡單,甚至可不需要熱管理系統,僅使用自然對流就足夠;而加溫的能耗也并不高。

  硅材料儲量豐富,且能比鋰電池中使用的石墨吸收更多的鋰離子,被認為具有制造大容量電池的前景。但硅顆粒在吸收和釋放鋰離子時會膨脹和收縮,在多次充放電循環后容易破裂。加拿大阿爾伯塔大學化學家布里亞克( Jillian Buriak )團隊發現將硅塑造成納米級的顆粒有助于防止其破裂。他們發現,最小的顆粒(直徑僅約為3.3x10-10m)在多次充放電循環后表現出最佳的長期穩定性。這克服了在鋰離子電池中使用硅的限制。這一發現可能導致新一代電池的容量是目前鋰離子電池的10倍,朝著制造新一代硅基鋰離子電池邁出了關鍵的一步,有廣闊的應用前景,特別是在電動汽車領域,可以使其行駛里程更遠,充電速度更快,電池重量更輕。

  從國家戰略看,中國地大物博,鋰礦資源豐富,是亞洲唯一“富鋰”的國家,故基于電化學鋰電池為動力能源的純電汽車仍應是我國當前這一段時期的主流。全國政協副主席萬鋼指出:未來存在的問題還在于三元鋰電池材料需要鋰Li和鈷Co。我國雖富鋰,但2020年后當電動汽車達到年產500萬輛時,預計全世界鋰和鈷的年產量將都不夠供中國電池用。據美國地理調查估計,全球鋰資源約為 3950 萬噸,而具備商業開采價值的鋰儲備量則僅為 1351.9 萬噸。在目前的產業狀況下,這樣的鋰資源可用上超過 300 年不成問題,但若是需求爆炸性成長,在一年 80萬噸的情況下,不到 17 年就會用盡。

  而中國鈷資源又缺乏,價格也高,已出現鈷金屬價格的暴漲和鋰金屬資源吃緊。雖現高鎳NCM811材料的用鈷量雖已由NCM532、NCM622用量的0.20kg/kwh降低到0.091kg/kwh,減少已超過50%,但產業仍必須為未來及早研究尋找新材料替代,未雨綢繆。

  鋰離子電池實際上是一種亞穩態的體系,在使用的過程中由于電解液與正負極界面的副反應的存在,會導致壽命末期鋰離子電池的熱特性、電特性都發生顯著的改變,因此鋰離子電池的熱穩定性也會必然會隨著鋰離子電池的老化而持續變化。

  對鋰離子電池的熱失控現已進行了很多研究,但是主要還是集中在壽命初期的新電池上,對于壽命末期的電池的熱失控研究還相對比較少。根據一些研究發現:在80℃下進行存儲老化試驗,能夠看到100% SOC(電池荷電狀態/剩余電量)存儲的電池老化程度要明顯大于0% SOC存儲的電池,80℃高溫老化后的電池在0% SOC狀態下老化越嚴重的電池熱穩定越差。電池的SOC狀態對于電池的熱穩定性影響最大,隨著電池SOC狀態的提高,電池的熱失控開始溫度顯著降低。0% SOC狀態下老化程度大的電池熱穩定性較差,在75% SOC狀態下老化程度較大的電池反而熱穩定性較高。對于電池安全性影響最大的還是電池的SOC狀態,SOC狀態越高,則電池的熱穩定性越差,電池發生熱失控的溫度也就越低。

  Amionx正在推廣其SafeCore安全鋰離子電池技術,該公司聲稱其采用了“廉價且廣泛可用的”材料來防止熱失控。SafeCore的核心技術,是位于電池內1-5μ的特殊夾層。Amionx表示,它可由電流、電壓或溫度的快速上升而引發分解,形成電子無法穿越的屏障。Amionx將開放可防止熱失控的鋰電池技術。從其發布的視頻來看,這項技術的實際成效,還相當令人滿意。但其代價:添加安全層之后,電池容量會減少1%-3%,不過整體上還是利大于弊,Aminox稱其有助于延長電池壽命。

  總之,隨著動力鋰電池的技術進步與規模效益的發展,成本將不斷下降,競爭力會逐漸提升,動力電池潛在市場也將逐步壯大,但存在發生熱失控的重大安全隱患,正在研究改進中。

  要細致入微的評估電池的潛在安全風險,還要從化學體系、單體結構設計、系統結構設計等角度提高電池安全。目前常用的電解液是有機溶劑體系,這也是鋰離子電池容易起火爆炸的一大原因。以往在電解液端的安全設計上也僅僅使用了過充添加劑和阻燃添加劑,近些年來電解液方面的進展很少。

  中科院院士歐陽明高指出:“靠增大電池裝載量來增加續駛里程不是根本出路,主流技術路線是提高電動汽車能效和充電便利性。”

  全國政協副主席萬鋼指出:“續駛里程就是純電動汽車的一個短板,而且續駛里程不能簡單的用增加電池的辦法解決。”

  工程院楊裕生院士也指出:隨著比能量提高,汽車危險性就會增大,燃燒爆炸的事故就會增多。

  我們的補充建議是:當下,除增加對三元鋰電池的冷卻/熱管理及其他安全保護措施外,大力研發新型高能電池,例如固態鋰電池;大力加強對三元鋰電池的各種安全保護措施研究,力爭實現新能源電池的本質安全或安全加固。在新電池技術尚未成熟或未能實現量產之前,通過使用功率電池與三元鋰電池組成復合能源,防止鋰電池在使用中的大電流充放電來強化安全;通過功率電池提供加速或高效回收減速制動的能量,加之推動輕量化等各種降低能耗措施來增加新能源電動汽車的續航里程,以保障產業的健康發展,防止與減少惡性事故的發生。

  關于退役電池:汽車鋰電池的使用壽命有限,在內阻增大以及均衡出現問題之后將不適合再作為動力電池繼續使用,但重新匹配之后大內阻的電池非常適合光伏發電,是太陽能發電的理想類型,作為儲能電池還可繼續使用幾十年。未來電動汽車的保有量足夠大而且退役電池形成回收循環,大量的儲能電池涌入新能源發電領域,屆時清潔電能的比例將快速增加,電價的合理化也會推進電動汽車的加速普及,兩者相輔相成。

  a.固態電池

  液體電解質電池被固體電解質(SSE)替代是正在被探索的一個電池新領域,是下一代電池的研發重點。在鋰電領域,則是現有鋰離子傳統電池技術路徑的延伸,當屬前瞻技術。新能源汽車的動力電池能否實現質變提升,將對電動汽車在下一個十年期的發展有重大影響。

  固態鋰電池可以讓更多帶電離子聚集在一端,帶來的好處是能夠傳導更大的電流,電池容量便會隨之提升。從材料方面理解就更為直觀,使用固態電解質的鋰電池終于可以擺脫石墨材料的束縛,轉而去采用金屬鋰作為負極。這一改變大幅減少了負極材料的使用量,從而使電池能量密度將得到明顯的提升。

  業界當前的一致共識是,現有鋰電池的能量密度要進一步提高到大于500wh/kg,固態電解質鋰電池是重要路徑。但實際上固態電解質鋰電池的大量應用,其意義遠不止于此。

  首先,這種電池更安全,不起火或不易起火燃燒,能較徹底的解決目前的熱失控安全焦慮;高能量密度將能更好地解決里程焦慮;可大電流充電,就能緩解充電時間長的充電焦慮。固態電池的成功量產應用,無疑將推動電動汽車的大普及。
 



液態鋰電池與固態鋰電池的結構比較
 

  但須注意,固態鋰電池也并非都絕對安全!一些硫化物全固態鋰電池在某些工況條件下也不安全,燒起來也很厲害。寧波所與贛鋒鋰業合作生產的半固態電池,接受了包括針刺、擠壓、過充、過放、加熱等針對現有鋰離子電池的系統檢測的所有環節,其安全性較現有相同體系的傳統鋰離子電池有了一定的提升;但在一些極限條件下,也會發生熱失控等問題。此外,半固態電池或稱固液混合的電池,與硫化物情況類似,極限條件下也會發生一些失控狀態。

  采用固態電解質,一方面是可以提升電壓平臺高度,進而能提升電池能量密度。另一方面,在固固反應中可以減少氣體排放,提升鋰電池的安全性能,而固態電池具備大大提高續航里程的潛力。

  固態電池的眾多優勢包括:更輕、碰撞起火風險更低。由于無電解液——由固態電解質代替了液態電解質,固態電解質本身不可燃、無腐蝕、不揮發,故無漏液、干涸,也無脹氣問題;固體電解質材料的高抗剪強度則可有效阻斷抑制金屬鋰Li負極的枝晶生長,無需隔膜隔開正負極,所以不會因出現鋰枝晶而刺破隔膜導致短路,從而可避免內短路的發生。電解質自身又不燃燒或不易燃燒,無可燃氣體形成高壓燃氣逸出就更不易起火爆炸。此外,電池高溫電性能更好,可以在更高溫(可長期在60-120°C溫度下)、更大電流、更高電壓下工作,較液態電解質鋰電池應用范圍更加廣泛。正極材料選擇面更寬,非活性物質體積量也減少。

  傳統單體鋰電池內部使用液態電解液,當承載電壓超過5V后會出現分解甚至發生爆炸,故只能實現外部串聯而無法進行內部串聯。

  而固態鋰陶瓷電池能夠在電池內部就首先形成串聯,例如使單顆電池芯的額定電壓可從7.4V最大串聯疊加至高達60V,在單體電池電壓上就要遠高于傳統動力電池。特別是電芯在內部可多片串聯形成高壓模塊。而由于可制成較大面積電芯,能形成大電流容量單體電池,就可大幅度減少通常電芯須并聯的組合的數目。

  實現內部串聯的高電壓支持后,固態電池也能夠實現雙極電池技術,這同樣也是傳統動力電池無法實現的。當單體電池在堆疊串聯后加入上下兩層導電材料,實現雙向正負極的連接,然后再次與橫向的另外一個電池包進行串聯,最高可以實現4×6達到24個單體電池雙向正負極對接的串聯技術,電壓也將由此再次疊加提高,組成一個完整的單體電池組。最終6片24個串聯的電池組疊加后,加入鋁外殼包裝,形成一個單體的固態電池單元(Cell),容量即能達到20kWh以上,其單個固態電池組的系統能量密度就能夠達到255Wh/kg,將是目前液態電解質鋰電池的1.6倍以上。

  這也將大大簡化電池管理系統BMS的設計、制造、組裝難度并降低成本。大功率高壓模塊的結構還可大幅度降低電池組裝、電池包制造的成本,大幅度減少電池與整車組裝的工時,加快量產的產能,還將增加整車內部設計的自由度。

  散熱方面,固態電池也具備重要的優勢,整個電池組從滿電到放電結束,電池溫度會維持在26℃以內,而目前的圓柱形電池整個放電過程結束后,溫度會在40℃以上。雖然固態電池技術目前與圓柱形電池一樣同樣可采用水冷,但因為本身放電溫度低就可以保持的更低。基于固態電池本身放電溫度低的特性,在散熱方式上還能夠進行更多優化。例如在電池與電池組中間加入散熱膠等,可進一步減少電池包的體積和重量

  固態電池由于在安全性、可靠性、能量密度、循環壽命等多方面性能優勢明顯,被行業內認為是較為理想的下一代電池技術體系。從液態到全固態,無疑將是電池技術創新的下一個風口。

  由下圖可發現,固態鋰電池定將會成為電動汽車產業很長一段時間的能源主力,

  圖1 各類鋰二次電池的能量密度與功率密度
 

  歐陽明高院士表示:(液體電解質)鋰離子電池仍在安全性上存在局限。當前我們仍無法避免動力電池熱失控的發生,只能可以從電池系統的熱機電設計與控制設計來防止誘發和蔓延。想要提高電動汽車產品的安全性,就必須發展新型的固態電解質電池。電動汽車也需要提高效能和充電便利性。提高電機效率、完善新一代與儲能結合、安全可靠的快充技術,仍需下功夫,推廣純電動技術路線不能退縮,要堅持走下去。

  當前,全球動力電池市場由中日韓三國主導,但歐美企業已經著手布局固態電池,希望通過提早掌握下一代動力電池技術在下一輪競爭中占據主導。

  國際上,豐田、松下、日產、本田、大眾、奔馳、寶馬、現代、三菱、日立、蘋果、三星、戴森、博世、菲斯克、24M以及被譽為鋰電池之父的John Goodenough的團隊等產業巨頭和科技公司也紛紛將研發目光轉向并涉足固態電池研發,甚至開始商業化試水。豐田高調宣稱2022年量產固態電池,菲斯克汽車近日也公開表示2023年或實現固態電池量產,而1分鐘充電續航804公里的亮眼數字前景更是將固態電池推向了風口浪尖。

  從技術路線上來看,固態電池的發展主要分為3大方向,其中技術成熟度較高、技術沉淀較深的有:法國Bolloré、美國Sakti3和日本豐田,分別代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固態電解質的典型技術開發方向。

  在早期固態電池技術的推進中,薄膜和固態聚合物技術是主要的走向。在過去的幾年中,博世以及戴森等公司都在不斷加大在這兩種固態電池技術上的投資。薄膜和固態聚合物技術有高成本和低離子導電率兩個致命問題,例如薄膜技術無法在室溫25℃左右條件下能實現高導電率,所以需要加熱并維持在60℃才能保證。所以在很多早期的固態電池試產車上,因電池依賴不斷加熱造成電能高自耗,就無法發揮出其它的優勢。

  從全球來看,國際車企的積極性與投入力度很大,不少已經將固態電池作為汽車動力電池的主要方向,車企業和電池企業紛紛下注固態電池,希望打造下一個超級明星公司,如寶馬、豐田、日立、現代等車企都在積極實現固態電池產業化。國內車企則目前對此似還沒有引起足夠的重視。

  在產業化的時間節點上,大部分企業預計將在2025年左右進行產業化。

  目前固態電池所面臨的主要瓶頸是固態電解質的導電率、內阻、界面阻抗及相容性等。因此,現階段各大企業的研發重點是固態聚合物、無機固體電解質的設計及制備,固/固界面構筑及穩定化技術,并在此基礎上完善電池生產工藝及專用設備的研究實現量產。

  國際上,許多企業均在加快量產固態電池的步伐,有不少企業宣稱已取得突破性進展,規模化量產時間節點集中在2025年左右。

  法國的博洛雷(Bolloré)配備了其子公司Batscap生產的30kwh的Bollore金屬鋰聚合物電池(LMP),采用Li-PEO-LFP材料體系。已有3000輛固態電池汽車EV“Bluecar”作巴黎的汽車共享服務計劃Autolib進行商業化運營。其這也是世界上首次用于EV的商業化全固態電池,用磷酸鐵鋰為正極,金屬鋰為負極,用有機的POG為電解質。但這個電池有一個比較大的問題,但據傳其溫度性能還做的很差,正常運行溫度須在100℃以上,未來的能量密度提升還是有一定瓶頸。因為它整個正極只能磷酸鐵鋰,如果不能導入新的正極,未來整個發展還可能受限。但是它驗證了以金屬鋰為負極,整個全固態電池能夠超過兩千次的循環。

  美國菲斯克(FISKER)2016年已就全固態鋰離子電池(“LIB”)制造方法申請了專利,系為機械柔性陶瓷電解質,采用了太陽能電池制造所采用的薄膜技術,外加使用了新的制造工藝,具有大表面積。提及充電最快只需1分鐘的時間,便能換來電動汽車約800公里的續航里程,固態電池的成本每千瓦時不到100美元。FISKER在2018 CES(國際消費電子展)上在推出全新電動跑車Emotion還推出了柔性固態電池材料搭載的石墨烯固態電池,宣稱其新款固態鋰電池充電僅需9分鐘,并將實現量產。但這些還是有些曾是雷聲大,雨點小:先以石墨烯電池為噱頭出了名,之后開發達不到預期。

  日本的研究人員幾年前發現:廉價的亞硫酸鹽基玻璃材料不僅強度足以抵抗枝晶,而且具有很高的離子導電性,這可能有助于開發可充電固態鋰電池。科學家們一直在對其機械和電化學特性、經濟性進行建模,力爭獲得高功率密度與低成本。這種帶有鋰陽極和陰極的亞硫酸鹽基玻璃電解質的鋰金屬電池,預計可達到500元/1kWh。而這是一個關鍵的門檻:將可以讓電動汽車與燃油汽車保持有差不多的價格競爭力比拼。

  豐田汽車在固態電池技術研發上獲得專利已超過兩百項,居全球首位。豐田汽車不僅自己研發,還聯合本田、日產、松下等20余家汽車、電池和材料企業,以及京都大學、日本理化學研究所等10余家科研院所共同研發新能源汽車用全固態鋰電池,預計將于2025年左右實現商業化。

  豐田一直專注于硫化物固態電池技術的開發,但硫化物本身活性很高,在生產和使用中一旦與水接觸,就會產生硫化氫。硫化氫為易燃劇毒危險化學品,與空氣混合能形成爆炸性混合物,遇明火、高熱能引起燃燒爆炸,它在某些工況條件下也是不安全的。硫化物路線雖然在生產成本上要比薄膜技術更低,但保證高的安全性將是更高的門檻,其實也從另一個角度增加了開發成本。

  三井金屬發布了下一代的鋰離子二次電池“全固態電池”,其采用的是硫化物固態電解質,并計劃在2020年正式量產。

  日立公司已宣布其固態電池技術已經研發完成。“公司現在就可以提供與當前鋰離子電池相同性能的固態電池,能更好的處理溫度變化,擁有更長的循環壽命。”

  韓國三星的日本R&D研究院也是基于硫化物的全固態鋰電池,是金屬鋰為負極,硫化物為固體電解質。其體積能量密度能做到921Wh/L,重量能量密度能夠做到427Wh/kg。三星SDI將和LG化學、SKI聯手開發固態電池、鋰金屬電池和鋰硫電池。

  英國戴森將在2020年量產一種電動汽車,其電池組為一種可拆卸的盒式固態電池組。由戴森投資收購的固態電池公司Sakti3開發的固態電池組比鋰離子電池更輕、更節能,能進一步減輕電池組重量和對控制系統的要求。

  德國博世一直積極布局固態電池的研究和生產,已收購了一家的美國電池公司Seeo。此外,還與日本的GSYUASA(湯淺)電池公司和三菱重工共同建立了新工廠,主攻固態陽極鋰離子電池。

  德國大陸目前正在考慮加大對創新型電池生產的投資,計劃在2024年左右投產新一代固態電池。

  德國 Kolibri為奧迪汽車開發出一款大容量的聚合物固態鋰電池鋰金屬聚合物(Lithium Metal Polymer,LMP),電池總重300 kg,續駛里程達到600 km。德國 Kolibri電池應用于奧迪 A1純電動汽車,試驗所用的 Kolibri 電池容量為100 kWh,被分成兩塊安裝。它可提供55 kW的功率,相當于1.4 L的汽油發動機。而相同重量的液態鋰離子電池,則由近 200個鋰離子電池單元組成電池模塊,其容量還不到30 kWh,行駛里程僅為150 km。Kolibri高性能電池的基礎是復雜的膜技術,但目前其電池仍未進入規模化商業推廣階段。

  寶馬一方面在自建電芯研發中心,研發固態電池技術,還積極和Solid Power在固態電池方面深度合作,快速提升電池研發能力。

  大眾:此前宣布將計劃自主生產固態電池,可能從2024或2025年開始批量生產,Quantum Scape擁有200多項固態電池技術專利和專利申請,這將為大眾研發固態電池提供強有力的幫助。目標在2025年前建立固態電池生產線。

  澳洲馬格尼斯資源有限公司(Magnis Resources Limited)宣布其合作伙伴C4V(Charge CCCV)已經生產出固態電池的原型。該原型電池容量目前為380Wh/kg和700Wh/L,預計進一步優化可達400Wh/kg和750Wh/L。該新型電池降低了生產成本,并且無需使用鈷金屬,減少了制約因素。C4V計劃將于2019年第二個季度開始商業生產。
 

  表3全球固態電池產品例


 

  在中國,寧德時代、比亞迪、輝能科技、清陶發展、國軒高科、億緯鋰能、雄韜股份、鵬輝能源、贛鋒鋰業、橫店東磁、珈偉股份、杉杉股份、當升科技、堅瑞沃能、寒銳鈷業和中國科學院物理所、化學所、大連化物所等研究中心,清華大學、浙江長興中俄新能源材料技術研究院等都宣布已在研發固態電池及其相關材料。

  國內對固態電池等前瞻技術的跟進已加速,差距正在逐漸縮小。在全球都沒有成熟技術的前提下,起步相對較晚的國內企業,依然有機會憑借技術突破及規模效應實現“彎道超車”。

  政策上,2017年工信部等四部委共同發布《促進汽車動力電池產業發展行動方案》,明確要求大力推進新型鋰離子動力電池研發和產業化,加大投入研發固態電池等新型電池。

  寧德時代正在加速開發EV用的全固態鋰電池,已在聚合物和硫化物基固態電池方向分別開展了相關的研發工作并取得了初步進展,并在規模化生產上提出了初步的工藝路線。寧德采用熱壓方式改善界面接觸來提高電池體系的整體離子導電性,并且對硫化物材料進行了改進研究,提高了它的穩定性。此外,還進行一系列的材料研究和工藝開發,對固態電池積極布局,已朝產業化更進了一步。

  比亞迪很早就開始布局固態電池的相關研發工作,可能最快五年以后會提供固態電池產品,已經在做小規模試用;

  國軒高科半固態電池技術已處于實驗室向中試轉換階段,計劃2019年建設中試線;

  贛鋒鋰業固態鋰電池產品處于試驗階段,已通過多項第三方安全測試;

  固態電解質的氧化物技術路線缺點是:氧化物很穩定,“脆性”高,對生產的要求也就更高,同時導電性也并不具備優勢,但相比于其它三條路線,克服生產難度要比克服成本和安全性要更簡單,

  臺灣輝能科技公司(PLG)自2006年創辦起,用了8年的時間攻克了陶瓷氧化物技術,目前該公司最核心的研發項目為:LCB固態鋰陶瓷電池,其特點是:高能量密度以及高電壓。

  中科院青島生物能源與過程研究所提出“原位自形成固態電解質”的解決方案,有效降低界面阻抗和提升電池綜合性能。目前已開發出6Ah大容量三元固態鋰電池,具有能量密度高、循環壽命長、安全性能佳等優勢。這是我國首個自主研發并已成功應用于深潛器的高能量密度、高性能全固態鋰電池。

  清陶發展2018年底已對外宣布其已投產全國首條固態鋰電池產線,并開發出單體能量密度達430Wh/kg的全固態電池,預計在量產階段能量密度可輕松達到300Wh/kg以上。而現有液態鋰電池材料體系,想要實現350Wh/kg以上能量密度,則幾乎不可能。其電池包剪切之后,未爆炸,依然能正常供電;彎折10000次,電池容量衰減不超過5%;針刺后進水不燃燒、不爆炸。還展示了納米陶瓷纖維與復合材料薄膜,是儲能高、安全性顯著提高的固態鋰電池,但其性能參數尚未公布。

  巨電新能源的固態聚合物鋰電池項目本月18日在江蘇徐州經濟技術開發區開工。據廠家介紹:此電池單體大、能量密度高。單個電池容量500Ah,具有1.6kWh電能。電池內阻低,僅0.35mΩ,是傳統電池的1%,在使用過程中本身溫度不會超過環境溫度5℃,無需額外散熱系統,安全又省電。一輛12m長的大巴車僅需用168個電池,而采用傳統的小電池則需3萬個。電池模塊創造性地全部采用串聯模式組合,通過互聯網,可對每個電池進行實時監控,降低故障率。

  珈偉股份公司于2016年底在上海發布了固態與快充鋰電池,表示將全力加速兩種鋰電池的合體——使深層安全保障與超強性能合二為一。據報道目前鋰電池工廠已安裝調試并正式投產,即將量產的電池主要為快充型。

  中科院物理所研究員黃學杰介紹,固態鋰電池采用金屬鋰作為負極,固體無機或高分子材料作為電解質,能量密度比采用同類型正極材料的鋰電子電池高20%~30%。

  汽油車被撞,還有個燃油泄漏、著火、爆炸的過程,還有時間逃生。但電動車撞了,如電池擠壓變形短路可能立刻由大電流引發著火,最可怕的是或許沒有逃生的時間。但如果是固態電池,就會完全不一樣,安全度甚至都可超過汽油車。不但具有高能量密度,安全可靠性也極好,還有可實現柔性化的特點,更易于變形、組合、布局。

  中科院寧波材料技術與工程研究所研究員許曉雄認為:基于氧化物固態隔膜的混合固液電解質鋰電池可以兼顧較高能量密度與安全特性,現在已經具備了產業化的基礎,此技術在國內有很多專利,是自主知識產權,但其規模化的推廣還需要國家政策的支持。發展全固態電池如采用金屬鋰為負極,有機無機復合的固態柔性膜應是核心材料,無機硫化物電解質在此應有較好的應用。未來金屬鋰的應用,如果能量密度400wh/kg左右,但要求壽命比較長的話,可能金屬鋰負極走這樣一個鋰基復合——像硅碳復合的思路,此組合有可能實現高能量密度和長循環壽命。對全固態電池而言,電池規模化制備裝備亟待突破,國內仍有所欠缺。

  中國青島儲能產業技術研究院的研究團隊去年創造性地提出了“剛柔并濟”聚合物電解質的設計理念,構建了復合電解質材料體系,制備出一系列綜合性能優異的固態聚合物電解質體系,有效解決了聚合物電解質各項性能不能兼顧的難題,發展了新型的固態電解質關鍵材料體系。

  總之,全固態鋰電池作為替代傳統鋰電的未來電池技術方向之一,吸引了眾多國內外研究機構和企業進行研發。但是在固體電解質材料、界面性能優化、電極材料選擇以及成本、工藝上還有相當長的路要走,不論是生產工藝制程、或是生產線的周圍環境都需要大量的資本投入和嚴格參數控制。國內固態電池研發規模和實力也在加速壯大中,當然還遠不止上述這些,未來還會有更多。縱然固態電池目前還有著這樣那樣的問題與壁壘,但不可否認的是:固態電池正是當前與不久未來鋰電池研發的最重要方向,且光明已現。

  全固態電池是近年來電池領域最值得期待的研究方向之一。目前,領域內普遍意識到使用鋰/鈉金屬作為負極是固態電池超越傳統鋰離子電池能量密度的必要條件之一。 然而,鋰/鈉金屬具有很強的化學活性,會與大多數固態電解質發生化學反應生成電子離子混合導體——這使得分解反應持續進行,直至電解質(或堿金屬)全部消耗,大大降低電池能量利用效率。已發現Na3SbS4的鈉離子固態電解質在暴露空氣后大幅提高全固態鈉電池的充放電性能。這一發現打破了空氣及水環境對電池有害的傳統認知,為全固態鈉電池的鈉金屬-固態電解質的界面設計提供了全新的思路。

  b. 氫燃料電池

  燃料電池 MFC 也是國際電動汽車最重要的技術路線之一,體現著由化學能直接轉換為電能的能源革命,而氫則是21世紀最有希望的新一代綠色能源。

  燃料電池已有180年的發展歷史,最早可追溯到1838年W. R. Grove的發明。到20世紀90年代,作為解決環境污染和能源供需問題的重要途徑之一,燃料電池電動汽車技術受到了空前重視,世界主要汽車廠商投入了大量的人力和物力研發燃料電池電動汽車,目前汽車的應用主要是基于質子交換膜的燃料電池(PEMFC)。

  以氫能為基礎的燃料電池汽車被認為是21 世紀理想的交通工具,從國家能源安全和環境保護的戰略角度考慮,它的出現也為我國調整能源結構和發展交通技術提供了一個極好的機遇。

  氫燃料電池汽車用氫作能源,其氫 H2 的來源十分廣泛。氫燃料電池完全不進行燃燒過程,而通過電化學反應直接將化學能轉化為電能,其能量轉化效率高達45%-60%,約是內燃機的兩倍。直接用氫的燃料電池汽車完全不排放有害氣體,不產生二氧化碳,不存在純電動汽車充電時間長、續航里程短的弊病,是真正的零排放,其優勢重大,理論上或是電動汽車的終極技術。但只有通過可再生資源、生物能、水能、風能或太陽能發電等方式獲得氫,未來才有可能真正實現零排放。

  國內外發展氫燃料電池汽車也已多年,其商業化也已經過多年的示范。從技術角度看,經多年的研究與試驗運行,氫燃料電池汽車的整體應用性能,包括續駛里程、舒適性、加氫時間、低溫適應性等,基本都達到了燃油汽車的水平,并且更清潔,有零排放等環保優勢,其產業化發展態勢較佳,產品似已接近成熟。但目前因制造成本太高,基礎配套設施及產業鏈實際仍非常薄弱,故還不能很好地推廣應用。氫燃料汽車似乎已離我們越來越近,但眼下要使用這類汽車還是早了些,整體籌措規劃發展的代價還太高。

  純氫的生產、儲存、保管、運輸和灌裝或用其它燃料重整仍都比較復雜、成本高。再加之由于對其安全性的要求更高,都導致燃料電池的制造的成本過高,價格昂貴。

  與鋰離子電池不同,氫燃料電池只能充氫發電,不能充電。特別是由于氫氣分子極小,極易泄露又易燃易爆,一旦泄露將會造成不可估量的后果,因此需要極其嚴格的密封。這一要求使得氫燃料電池的制造工藝很復雜,并給使用和維護帶來很多困難。此外,與充電站、充電樁相比,加氫站也需要比加油站嚴格多得多的安全防護措施予以保證。故儲氫、加氫設施的建設,通常需要數倍(粗估至少約3倍或更高)于充電站的巨額的投資,并需更長的建設期間。

  對發展氫燃料電池汽車來說,除要顯著降低燃料電池系統的造價外,氫氣的儲存和輸運問題就是需面臨的另一大挑戰。雖然氫氣的質量能量密度很高,但它的體積能量密度很小:即使把氫氣壓縮到70MPa,它的體積能量密度(1.30k Wh/L)也僅是汽油體積能量密度(9.2kWh/L)的1/7。故要保證同樣的續駛里程長度,氫燃料電池車的燃料罐要比燃油車的汽油箱體積約大7倍,而車載儲氫容器還必需能耐受70MPa(即700個大氣壓 atm!)的超高氣壓,其制造與安全維護難度非同一般,故正式進入商業化仍有一段長路要走。目前如采用更低氣壓的35MPa儲氫罐是可減少制造難度,但絕不是戰略的優選。總之,目前的氫儲運方法仍很不理想。采用高壓氣態儲氫燃料電池汽車的實例如:

  美國通用汽車公司GM的氫動四號 (HydroGen 4) 是雪佛蘭Equinox燃料電池車的歐洲版車型。它的氫燃料存貯裝置由3個70MPa的高壓儲氫罐組成,罐體采用碳纖維復合材料,最大氫燃料存儲量為4.2kg,足以支持320km的行駛里程。

  采用低溫液態氫儲氫的燃料電池汽車的實例如:

  通用汽車公司GM于2000年9月推出了”氫動一號” (HydroGen 1) 燃料電池概念車,是以歐寶“賽飛利”為原型開發的5座轎車,批量生產車的整備質量為1425 kg,0-100km/h,加速時間為16s,最高車速為140km/h,續駛里程為400km。所使用的是聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC),其連續輸出功率80Kw,最大輸出120kW。它采用純凈的氫以 -253℃的低溫儲放在特制的燃料罐中。為了盡量減少液氫的蒸發損失,必須盡量杜絕外界的熱量傳遞給燃料罐:燃料罐很像鋼制的熱水瓶,長1m,直徑0.4m ,整個燃料罐系統(包括閥門、熱交換器等)重約95kg,它可以存放5kg(約75L)的液氫。該燃料罐由兩層不銹鋼殼體組成,在兩層容器壁之間抽真空,以減少熱傳導。其發電的效率可達50%,將來可達60%。相比之下,即使是新型柴油機其熱效率也只有30-40%。

  通用汽車公司于2003年展出的新型氫燃料電池車“氫動三號” ( HydroGen 3),其儲氫罐分為兩種:一種罐內儲存的是溫度為 -253℃的液態氫,液體儲氫罐容量為68 L、氫儲存量為4.6 kg ;另一種罐內儲存的是承受最高壓力可達70MPa的高壓氫氣;兩者的一次充氣行駛里程分別可達400km和270km。其氫燃料電池的主要性能為:燃料電池組的體積為58.76L,額定輸出功率為94 kW,體積比功率為1.6Kw/L ,電機功率為60 kW,最高車速為160 km/h。其最大問題仍是成本過高,該燃料電池驅動系統的高成本系由于昂貴的鉑Pt及高壓儲氫罐上碳纖維的使用等,是傳統內燃發動機的10倍。

  本田 FCX 是世界上首款大批量生產的氫能源汽車,它也采用液態氫作為汽車的燃料。

  發展燃料電池電動汽車還有許多不同的技術路線,但目前都還不成熟,面臨著許多新問題,或存在重大缺點需努力克服而面臨著其它挑戰。雖然其它技術路線有許多比車載高壓氣體儲氫技術有不同的優點,例如:前述的液態儲氫技術需要罐內保持 -253℃以下的低溫就可把 85L 的氫氣制成 1L 的液態氫,但這需要耗費相當高的制冷能量并維持。再如:采用甲醇、乙醇等碳氫化合物作燃料的蒸汽重整技術,將無需車載高壓氣罐也更安全,運輸儲存也更便捷,但其燃料本質上不屬于完全干凈的清潔能源,仍有很高的 CO2 排放,甲醇還有毒性、泄露問題,且重整中還需要凈化,以避免 CO 氣體使燃料電池中毒。其實例如:

  戴姆勒- 克萊斯勒集團于 2000 年11 月推出的一種甲醇燃料電池新車型NECAR5 ,它是以奔馳 A 級車為基礎改裝的,配備了加拿大巴拉德公司的最新質子交換膜燃料電池,采用甲醇來制取氫,燃料電池組最大輸出功率為 75kW、最高車速為150 km/h、一次充注續駛里程為 450 km。

  日本馬自達與美國福特汽車公司在小型轎車“Premacy”的基礎上,聯合開發的乙醇燃料電池車“Premacy2FC2EV”。這輛車可坐 5人、用乙醇作燃料。其引擎的輸出功率為 65 kW。

  豐田汽車公司在2001 年展出的新型汽油燃料電池汽車“FCHV25”,它是用改質型汽油類的清潔碳氫化合物燃料來制取氫氣。豐田將改質器做得更小并安裝在汽車底板下,其尺寸為 600 x 880 x 200mm。不過豐田覺得這一尺寸仍然太大,準備進一步將其縮小到現在的1/3 左右,以便能夠安裝到引擎室中。

  一個對各類燃料汽車的經濟性進行分析比較的實例參見下表,對比是以排量為1.6L 的家用轎車為參照:
 

  表4. 各類燃料汽車的經濟性比較


 

  從儲氫容器來看,美國能源部提出燃料電池汽車車載儲氫目標是:體積儲氫密度為60 kg/m3,這一指標美國通用的70MPa高壓儲氫罐2001年早已達到的67.6 kg/m3,但對車載應用仍還太大。如采用壓力容器存放氣態氫,但其體積要大得多:豐田、本田、現代已開發的氫燃料電池車均低,僅在40kg/m3左右;而國內上汽推出的乘用車“榮威950”則儲氫系統也采用耐高壓70 MPa 的碳纖維纏繞鋁內膽儲氫瓶,但體積儲氫密度還低,現僅為25 kg/m3。如何減小儲氫系統的質量與體積,一直是儲氫技術開發的難點。

  而金屬儲氫的固態儲氫技術,則是指某些金屬或合金能夠吸收氫形成的金屬氫化物——即仍具有金屬性質和外觀的金屬隙間化合物,且其氫的吸收與釋放為可逆。例如用鈦鐵合金板制成的儲氫箱,其強度很高, 在外界溫度 80℃時, 耐壓為 3MPa。只要給儲氫箱內部加熱, 氫原子就會從金屬原子空隙中流出。除金屬氫化物外,還有化學氫化物、納米碳管以及金屬有機架構材料 MOF (metal-organic framework)等方法儲氫。不過如何從分子/原子間作用力的性質出發探索可行的儲氫材料,仍是一項艱巨的基礎研究課題,這方面很多項目仍還在研究發展中。

  通用GM公開的氫儲存系統技術,也有利用氫化物金屬合金——可以在金屬原子的空隙中存放氫原子,或還有以納米碳結構的吸附儲氫,即:利用直徑約為1納米的管狀碳纖維存放氫的方案,曾被用于Precept燃料電池車。

  未來的一個比較理想的方案是:采用高壓儲氫與儲氫材料復合的儲氫新模式,即在高壓儲氫器中填裝質量較輕的儲氫材料。

  從氫燃料電池堆來看:美國通用 GM 是由200塊燃料電他串聯而成,其體積為79.7L,相當于一臺普通汽油機尺寸;其額定輸出功率為80kw,最大輸出功率為120kW(即比功率:1Kw/L,max1.5 Kw/L),它可以在-40℃低溫下起動,能產生125-200V電壓的電能。

  2015年豐田汽車公司在日本正式發布了其量產版氫燃料電池車 Mirai,中文意為“未來”,詮釋出了豐田在做環保車型方面的展望。Mirai的動力系統被稱作“豐田燃料電池堆棧" (Toyota FC Stack,TFSC)是以此為核心組件的混合動力系統。其燃料電池組最大輸出功率為 114 kW,輸出比功率為 3.1 kW/L,這已較2001年美國通用的“氫動三號”的1.6Kw/L提高了近一倍。

  氫燃料電池最大的瓶頸還是膜電極、高壓儲氫瓶、空壓機、氫氣循環泵、車載供氫系統和加氫槍和軟管等加氫站與氫能裝備關鍵部件的產業化,故都需要攻克基礎材料核心技術和關鍵部件的難關。2018年12月初,科技部發布的《2019 氫能等9大重點專項申報指南征求意見稿》已明確提出將對氫能與燃料電池的關鍵零部件進行攻關。只有核心技術和關鍵部件的技術過硬,產品才能進入市場,這將是開啟氫燃料電池汽車商業化的關鍵。
 

  表5 氫燃料電池汽車性能參數例


 

  除了豐田、本田、現代以外,奔馳也相當熱衷于氫能源燃料電池:從1994年至今奔馳已推出了NECAR系列、A-Class、B-Class等氫能源的車型。在國內,長城和上汽都在布局氫能源市場。至2017年底,燃料電池新車型還有上汽大通 FCV80、現代 FE Fuel Cell等。

  國內上汽推出一款乘用車產品:榮威950,其燃料電池電堆額定功率達到43 kW,比功率達到2 kW/L,系統質量比功率達到 500 W/kg,壽命達到 5000 h,能實現-20℃的低溫存儲和啟動;質量儲氫比達到 3.5%, 體積儲氫密度達到 25kg/m3。在燃料電池動力系統技術上, 2018年國內燃料電池發動機的額定功率可達到 60k W,系統最高效率可達 53%,冷啟動溫度達到 -20℃,壽命預期將達到10000小時。

  國外氫燃料乘用車動力系統功率均在100 kW以上,作為主要動力源,匹配的動力電池能量在1kWh左右;車載儲氫系統多采用 70 MPa。氫燃料商用車整車技術方面, 國內在續駛里程、燃料經濟性、壽命等大部分技術指標已初步達到國外先進水平。

  氫燃料電池汽車產業起步期還要打造一條完整的氫能產業鏈,這也需要巨額的投入。發展氫能的研發仍是一漫長而艱辛的歷程,故相關方面都應清楚地看到:短期內將難以看到成果,更不用說指望能短期獲益。其大規模的產業化應用推廣估計最早也要在2025年之后。

  從發展環境看,氫燃料電池汽車的主要專利技術現在大都掌握在日本企業手里,彎道超車的機會少。而國內燃料電池發展尚處初期階段,在冷啟動功能、E M A 的性能提升和電堆的效率上雖逐步跟上了世界的潮流,但在功率、壽命等方面與國際先進水平差距仍較大。

  未來仍應著重大力加強燃料電池關鍵技術研發和建設氫能基礎設施,還要盡快提高體積、重量比功率、降低成本,為乘用車應用打下基礎。

  日本千代田化工建設公司曾宣布,將于2015 年度在川崎市建設世界首個氫燃料大型供給基地:配合本田和豐田在2015 年將氫燃料電池汽車全面推廣的計劃,在世界范圍內首先建立氫燃料電池汽車的領先地位。該基地每天可向4萬輛燃料電池車提供燃料,可將燃料成本降低30%,其投資額為300 億日元(約18.4 億人民幣)。

  目前,國內燃料電池電堆單池的額定工況工作電流密度已從0.5-1A/cm2 提高到了2-3A/cm2,已有了很大的進步。70MPa 氫系統的能量密度是 0.8kW/L,目前僅約與鋰電池相同。今后氫燃料電池電堆還要改進:其能量與功率密度還都要提高,包括制備零部件的一致性和組裝工藝的一致性、降低化學極化、歐姆極化和傳質極化,實現電池關鍵材料如電催化劑、質子交換膜、MEA、雙極板等的批量生產,要提高壽命、降低成本,并確保可靠性和耐久性。

  氫燃料電池的質子交換膜需要的鉑 Pt用量較大,未來需要進一步將燃料電池鉑用量降低到≤0.1g/kWh,這是國際上燃料電池的基本要求,故特別是要開展催化劑鉑超低量化以及非鉑催化劑理論與應用的研究。從目前鉑的用量來看,國際上已達0.2g/kWh,國內在0.4g/kWh左右,故還需要做大量研發實驗工作。

  誠然,對于我國新能源電動汽車向何方向發展已在業內引起了激烈爭論,其背景是:目前純電動汽車的三元鋰電池能量密度仍低,車載容量又有限,短時間取得徹底突破的可能性仍較小,且還有重大安全隱患。這從側面反映出產業內對中國新能源汽車未來發展的迷茫與擔憂。

  就發展氫燃料電池電動汽車而言,當前的現實是也有多方面重大技術難關尚未全面徹底解決:還存在制造與成本、配套設施缺乏等科研與生產、應用以及可能需比電動汽車N多倍的巨額資金投入等多方面的重大難題,故目前實際仍難以大量推廣應用。當前重點還應放在繼續大力研究突破與創新,并在今后數年間逐步同步完善其基礎設施建設,待發展更成熟時再推出上市不遲。

  根據《2018全球電動汽車展望》白皮書,至今全世界所有燃料電池車的總數也僅有7200輛而已!這足以說明推廣應用這種新技術的世界性難度,故目前仍宜規劃作為明日之車。燃料電池電動汽車未來在乘用車領域宜定位在>500km 的長途用車以與鋰電池電動汽車對接,或將是一較好的選擇方案。包括卡車,都應實現1000km 的長途貨運能力,百萬km的可靠性和耐久性。

  從資源角度看,能源的多元化將是必然的選擇。我國有豐富廉價的氫能資源,而未來鋰電池電動汽車的大規模普及將受到全球鋰、鈷資源有限的嚴重限制,鋰也已變得越來越稀缺,且開采成本也越來越高。從這一角度思考,早日發展氫燃料電池電動汽車應是明智之舉。

  中科院院士歐陽明高對中國新能源汽車技術路線進行了展望:“在2025年之前,鋰離子電池和燃料電池都會全方位成熟,電動化拐點來臨;同時,新能源發電價格拐點也將到來。”

  2008年,美國政府認為純電動汽車應該作為發展首選;日本則曾提出2015年要實行氫燃料電池汽車的產業化。在這場新能源汽車的技術路線博弈中,我們該何去何從?中國能不能創造新的氫燃料電池電動汽車巨大的產業鏈去引領全球?

  高鐵、汽車、新能源電動汽車等領域我們都做到了,氫能源車也一定能做到!但難度會更高,時間會更長些。故一定要慎重穩健發展,特別是對于基礎設施建設,要加大投資力度,更要安全第一。

  國家應加大支持力度:在推進純電動汽車發展的同時支持推進氫燃料電池汽車的發展,吸引投資商,鼓勵支持更多的車企參與學習研究國際的先進技術,實現跟進研發創新與產業化。車企也要加大研發力度,無論是整車還是零部件生產企業也應加快工程化和產業化的進程。

  中汽協副秘書長許艷華曾指出:“氫燃料電池汽車市場的真正啟動要具備3個條件:車輛成本大大降低;市場因素或政府政策為零排放車輛提供明顯優惠;加氫網絡建設足以滿足燃料電池車輛日常的使用需求”,以及“要盡快達到對氫燃料電池汽車安全性、輕量化、低成本的基本要求,為產業化做好準備。”他還指出:“基礎研究是產業創新的源泉,汽車產業基礎研究投入嚴重不足,資源分散,……因而效率不高。”

  21 世紀被公認為是氫能時代。展望未來,氫能源汽車的廣泛應用普及將會為汽車產業界打開一個全新的局面,將能有效化解能源危機、改善人類生存環境,進而可為人類社會的可持續健康發展與進步做出重大貢獻。

  C.其它類型新電池

  目前許多新電池技術已在實驗室出現,可望未來實現電池效率的大幅度提升或成本的大幅度下降。如降低成本、實現商品化成功,電動車產業將直接受益。新能源電動汽車采用的動力電池重量需要控制在300-500kg左右,對能量的質量與體積密度都有較嚴格要求,至少應不低于目前三元鋰電池的指標,才有可能在電動汽車中應用。

  鋰-空氣電池(LABs):是一種被認為具有大規模儲能技術的潛在設備,它們在各種類型的電池中具有最高的能量密度(11140 Wh /kg)。然而,有機液體電解質的分解導致的極大的極化、容量降低和安全性等問題阻礙了LABs的實際應用。鋰空氣電池目前仍處于實驗開發階段。

  鋰硫電池:具有高理論能量容量 (1672 mAh/g)、成本效益、無毒性和天然資源豐度的優勢,所以硫也被認為是最有希望的下一代高能系統的正極候選物。鋰硫電池、鋰空氣電池,雖然理論重量能量密度比較高的,但體積能量密度目前還很難超越鋰離子電池。

  鈦酸鋰電池:是鋰電中壽命長、安全度高的電池,但已研究多年,已不是新電池。與碳負極材料相比,鈦酸鋰具有較高的鋰離子擴散系數(2x10-8cm2/s),可高倍率充放電。還有,鈦酸鋰的電勢比純金屬鋰的高,不易產生鋰晶枝,為保障鋰電池的安全提供了基礎。鈦酸鋰電池有“實現6分鐘快速充電、耐寬溫、30年循環使用壽命、不起火不爆炸等優良特性。” 但鈦酸鋰價格太高,比磷酸鐵鋰和三元材料貴兩三倍以上。最致命的是鈦酸鋰能量密度低、體積大,在新能源汽車上采用不現實。由于多種原因,鈦酸鋰技術目前在新能源汽車領域使用并不廣泛,未來也將難以發展成新能源汽車動力電池的主流技術路線。據悉銀龍第四代高能量密度鈦酸鋰電池,與第三代相比成本下降40%,能量密度提高60%。銀隆主打的鈦酸鋰電池,充電快、循環壽命長、耐寬溫性能良好,但能量密度相對較低、生產成本較高,市場應用不及三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。目前,鈦酸鋰電池主要用于部分客車,還難以推廣到其他車輛。

  鋰只占地球地殼的0.7%,人們越來越擔心鋰離子電池能否滿足全球日益增長的需求,而且其不斷上升的成本以及高度稀缺性也迫使人們開始尋找和研發更可行的替代方案。

  鈉離子電池:是一種可充電金屬-離子電池,由于鈉離子比較豐富,因此和鋰離子電池相比成本更低。存在的缺點是通常能量密度較低,從而造成續航里程短應用缺陷。由于成本低廉,在大型儲能設備中(如電網)將是鋰電池的強有力競爭者。

  鈉離子電池工作原理與鋰離子電池類似,都是利用離子在正負極之間嵌、脫過程實現充放電。鈉資源豐富、成本更低,且其電壓平臺高,安全性更高。不過,由于現有鈉離子電極材料性能不理想,從上世紀80年代至今,尋找合適的電極材料一直是鈉離子電池發展的關鍵。

  鈉離子電池采用陶瓷類固態電解質取代可燃的液態電解質,并采用高能量密度的鈉金屬作為負極有望大幅提升鈉電池的能量密度。

  相比鋰資源而言,鈉儲量十分豐富,約占地殼儲量的2.64%,且分布廣泛、提煉簡單。同時,鈉和鋰在元素周期表的同一主族,具有相似的物理化學性質。

  在正常的充放電情況下,鈉離子在正負極間的嵌入脫出不破壞電極材料的基本化學結構。從充放電可逆性看,鈉離子電池反應是一種理想的可逆反應。因此,發展針對于大規模儲能應用的鈉離子電池技術具有重要的戰略意義。

  尋找新的具有高能量密度和功率密度的正極材料,同時尋找在循環過程中體積變化小的負極材料,提高電池的循環穩定性,才是提高鈉離子電池性能的重要途徑,也是使鈉離子電池早日應用到大規模儲能的關鍵。

  尋找更簡單高效的電極材料合成方法,同時對性能較好的材料進行改性研究也是提高鈉離子電池性能的一條途徑。

  鈉離子電池同樣面臨安全問題。因此,大力開發新的電解液體系,研究更為安全的凝膠態及全固態電解質是緩解鈉離子電池安全問題的重要方向。

  斯坦福大學著名華裔材料科學家鮑哲南和崔屹領銜的材料科學研究團隊,跳出了之前使用過渡元素氧化物或聚陰離子作為陰極材料的思維框架,使用了一種全新的有機材料“肌醇”與鈉離子進行結合,成功研發出了一種新型鈉離子電池陰極材料。該材料擁有極高的電池容量且循環壽命大幅增加,有望取代因礦產資源儲量有限而價格高昂的鋰離子電池。這種新型的材料使用了全新的思路,大大提升了鈉離子電池的性能,其循環電池容量達到了 484mAh/g,陰極能量密度更是高達 726Wh/kg。

  2017年,華南理工大學熊訓輝副教授和美國佐治亞理工學院劉美林教授等聯合開發出一種新型結構的硫化銻基負極材料,使硫化銻基鈉離子電池由以前的不超過500個循環提升到900個循環,壽命幾乎可媲美鋰電池,且比容量是鋰離子電池負極材料(石墨)容量的1.5倍。

  他們開發出一種簡單的方法,即商業硫化銻與氧化石墨烯于硫化鈉溶液后混合,再通過控制結晶和燒結制備改性石墨烯與納米硫化銻的復合材料。該材料和鈉片組裝成半電池時,在快速充放電(充放電40分鐘左右完成)900個循環后容量保持率仍高達83%。改性后的石墨烯對硫化銻以及其放電產物具有更好的固定作用,能更有效穩定材料的結構以及防止活性物質從石墨烯上脫落。與已有報道相比,該復合材料具有鈉離子電池銻基負極材料最好的循環性能,使鈉離子電池實現應用邁近了一大步。

  據遼寧日報2019年1月2日的報道,由遼寧星空鈉電電池有限公司自主研發的鈉離子電池,在最近進入了量產階段,世界上首條鈉離子電池生產線,在中國正式投入運營。這也向世界展示出了中國在鈉離子電池技術上所取得的進步。不僅實現了鈉離子電池技術和生產的世界首創,并且其自主研發的鈉離子電池具有安全、經濟、環保三大特性,可循環使用4000多次,產品性能指標均達到國際先進水平。

  報道稱:相比鋰電池,其制造成本不僅更低,同時在使用壽命上也更長,再加上能量密度比較合適,安全性更好,各國科學家認為,它取代鋰電池只是時間問題。

  2017年,中國科學院物理研究所就以鈉離子電池技術相關專利出資成立了中科海鈉科技有限責任公司,中國科學院物理研究所陳立泉院士,胡勇勝研究員為技術帶頭人。隨后,中科海鈉公司在江蘇溧陽準備建立產業化基地,加速推進鈉離子電池商業化進程。但是據了解,目前鈉離子電池的能量密度只能達到120瓦時/公斤。所以,在能量密度這一技術指標上鈉離子電池還不能與鋰離子電池相提并論,因為鋰電池的能量密度已達300 Wh/kg。

  從產業情況來看,目前鈉電池的產業化還停留在初級階段,很多研究成果只是在高校與研究所流轉。

  鈉硫電池:是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。

  鋁離子電池:是很有前景的下一代電池技術,可以滿足未來的能源輸送需求,結構與鋰離子相同,只是鋰被鋁所取代。鋁是地球地殼中第三豐富的元素,也是非常廉價的鋰金屬替代物。由鋁制成的電池具有最高電壓,可存儲最多能量,并且提供最高電流,其存儲容量是鋰離子電池的4倍,而且攜帶的電荷是鋰離子電池的3倍。

  鋁離子電池可能就是后鋰離子電池時代的下一代儲能技術。美國雪城大學(Syracuse University )的侯賽因研究小組(Hosein Research Group)研發出一種新型固體電解質,用以替代目前鋁離子電池中的液體電解質,使其能夠滿足汽車等高需求應用。

  雙離子電池:更像是一匹黑馬,近年來發展速度非常迅猛。在鋰離子電池中在正負極之間穿梭的只有Li+一種離子,電解液中的陰離子(如PF6-)并不參與反應。而在雙離子電池中則不然,不但陽離子能夠發生嵌入反應,電解液中的陰離子也能夠發生嵌入反應。

  在所有的雙離子電池體系中,正負極均采用碳材料的”雙碳電池”是目前研究最多,也是最有潛力的一種雙離子電池設計。從2012年開始,雙離子電池相關文獻發表久已經呈現出穩步增長的趨勢,截止目前已經有超過了一百篇相關文獻,根據目前的研究成果,能夠用于雙離子電池的陽離子包含Li+、Na+、K+、Ca2+和Al3+,以及離子液體用陽離子Pyr14+和PP14+,陰離子則包含PF6–,BF4-,ClO4–, DFOB–等,以及酰亞胺基陰離子,如FSI-, FTFSI-, TFSI-, BETI-。正極材料的選擇更為關鍵,常見的正極材料有石墨化碳、金屬有機物框架材料(MOFs)、有機類正極材料、電活性聚合物材料等。負極材料選擇則比較多,例如常見的堿金屬(Li、Na、K等),嵌入型負極材料(例如石墨、無定形碳、TiO2、MoS2等)、合金類材料(Si、Sn等),以及活性炭等。

  雙離子電池的應用目前還面臨著諸多的困難,首先是隔膜厚度問題。從現階段的結果來看,雙離子電池無論是體積能量密度,還是在重量能量密度上相比于鋰離子電池還都有差距,雙離子電池在現階段成本也要顯著高于鋰離子電池。2014年已經有一家日本公司Power Japan Plus宣布推出首款商業化雙離子電池,并宣稱這將帶來一次新能源市場的革命。

  有機液流電池:哈佛大學的研究人員利用一種有機“長壽”分子制作出液流電池,儲存的能量可以為整座城市供電。該電池既解決了全釩液流電池的成本問題,又突破了有機液流電池的壽命瓶頸。全釩液流電池是現在主流的一種液流電池,比鋰離子電池更安全,更便宜,更耐用。然而,擔任電解質的釩金屬顆粒比較昂貴,化學家一直試圖用一類名為“醌”的有機化合物作為替代品。使用這類有機物制作電解質,成本僅為全釩液流電池的三分之一,但它們在反復充放電后損耗很快,無法達到工業界的要求。哈佛大學材料科學家邁克爾·阿齊茲(Michael Aziz)和他的團隊開始著手提高醌的壽命。他們發現,在原有的醌中添加兩個羧酸基團,就更易溶于堿性溶液。新型醌的液流電池年損耗率下降到了3%左右。液流電池都要使用兩種不同的電解質,阿齊茲團隊只解決了其中一種電解質的損耗問題,另外一種電解質的損耗問題仍待攻克。如果學界最終能“雙管齊下”克服壽命問題,大量有機液流電池將在電網儲能和調峰中擔當重任,真正讓全世界實現可持續能源轉型。

  2.電機、減速/變速器集成與智能驅動控制系統

  電機及驅動控制系統在整車當中起了非常重要的作用,其性能實際上決定了整車的性能,包括動力性能、駕乘性能,并與電池共同決定了其續駛里程的長短。

  隨著新能源汽車產品和市場逐步成熟,電驅動系統將快速向高效率、集成化、輕量化發展。電機為了進一步提高功率密度,減小體積重量,轉速正向1-2萬轉/分(r/min)的高速、高效、小型化發展。目前電機轉速已能夠達到1.8萬r/min。未來電機的體積、重量逐步減少,由于電機材料成本下降,電機成本也會下降。過高的電機轉速將受機械加工精度水平及制造成本的限制,會很難做出減速/變速器所需匹配的高速、高精度齒輪。此外,還有潤滑、密封與軸承等新問題需解決。

  為了獲得更好的動力性能,就可使用簡單的單速或少檔數(2-5)變速器與之匹配,特別是減速/變速器還可與電機及驅動控制器設計成為機電一體、高度集成化的部件,這已是電機控制器技術發展的主流趨勢。集成的電機驅動控制系統能夠有效降低整套系統的重量,縮小尺寸。從而更便于電動汽車的結構的布局。未來,這種多合一集成的零部件還還不斷增多。匹配高速電機的大速比減速器,將是中國企業要努力的重要技術。

  長安已展出了第二代多合一解決方案,它集成了包括電機、減速器、電機與整車控制器、直流變換器、充電機、高壓分線盒等多個部件,整個電驅系統重100kg,體積很小,大大降低了車企的適配和組裝難度。未來“多合一”集成,是電驅動控制系統的必然方向。新一代電驅動產品特征應是集成化、模塊化、定制化、新材料和新工藝的應用,達到整車對電機驅動系統高效、高功率密度、高可靠和低成本的要求。
 

  圖2 長安的機電一體化電驅動系統


  圖3 德國博世的電橋eAxle(機電一體化電驅動動力總成)
 

  博世電橋將電機、逆變器及傳動部件整合為一緊湊型單元,直接驅動車軸。提升了動力總成的能效,更經濟,減少了部件數量。簡化了冷卻系統結構,節省了安裝空間。輸出功率50-300 kW,可驅動SUV等大型車輛,扭矩為1000-6000 Nm,可實現前橋驅動或后橋驅動。功率輸出為150 kW的重量僅約為90 kg。

  精進的電動三合一電驅動總成:半軸輸出扭矩3000N·m,系統最高功率160kW。還將很快推出230kW的“高配版”與 90kW版本系統。

  國外零部件企業如采埃孚的mSTARS系統、GKNeDrive電驅動橋技術等,也都在不同程度上將電驅動系統進行整合,以減少系統總成的尺寸和重量。

  需進一步提升永磁電機效率和電機控制器功率密度:從電機的發展趨勢來看,永磁無刷或同步電機的效率高、功率密度高和體積小,廣泛應用于乘用車領域,占據國內電機市場主要份額。由于我國稀土資源有一定優勢,未來永磁同步電機仍是電動汽車電機發展重點。

  純電動汽車由于電機有遠優于內燃發動機的高效率-恒功率-低速大力矩特性,寬廣的高效率平臺與精細、平滑的調速特性,通常可僅使用結構簡單、成本低廉的單速減速器匹配。

  目前電機效率總體來說比較高,且高效率平臺也比較大。但電機仍非在所有工作點都為高效。例如:低速大扭矩下其效率低,或只有60%-70%,;高速小扭矩時它的效率也不高。而電動汽車對于能耗更為敏感,因為效率低、能耗差,就意味著必須搭載更多昂貴的電池,故可使用少檔位(2-5)的變速器以獲得更好的匹配與更低的能耗。伊頓為中國客車市場專門開發了基于4擋變速器的純電驅動系統,很受車企歡迎,既保持了出色的能耗控制,又有一定的駕駛舒適性。電動乘用車用2-3擋變速器即可獲得良好的經濟性,結構也簡單,性價比很好,其組合還可以擴大傳動扭矩和車速范圍。電機自身可調速范圍很大,過多擋位的變速器改善節能效果有限,效率改善空間不大,且結構復雜、成本激增。由于要在動力傳輸不中斷的情況下實現換擋,所以需要有更強電控能力的電控的換擋執行機構與之配合。

  汽車的行駛工況復雜多變,電機必需與變速器高效配合,通過換擋保持在高效區間工作形成最佳組合,才能發揮最大優勢實現高效節能與最優的動力傳遞。使用少檔位變速器與電機、控制器高度集成應是未來中高檔新能源電動汽車總體設計的優勢驅動新技術路線的優選項之一。

  電機驅動控制系統的國產化率正逐步提高,但從電機控制器連續比功率來看,與國際先進水平仍有較大差距:我國產品連續重量比功率主要集中在1.2-1.6kW/kg,國際主流汽車企業產品的連續比功率可達2.4-2.8kW/kg。美國能源部最近提出面向2025年極具挑戰性、更革命性的體積比功率目標:電機50kW/L,電機控制器100kW/L。此目標如果實現,定將對電動汽車產業產生革命性的影響。目前,豐田的第四代電機產品已達到24kW/L。

  2018年的12月,比亞迪發布了具有標桿性意義的IGBT4.0技術。IGBT即絕緣柵雙極型晶體管,是電機驅動部分最核心的大功率開關元件。IGBT與動力電池電芯并稱為電動車的“雙芯”,是影響電動車性能的關鍵技術,其成本占整車成本的5%左右。對于電動汽車而言,IGBT直接控制驅動系統直、交流電的轉換,決定了車輛的扭矩和最大輸出功率等。

  電控系統的能源轉換與傳輸的核心功率半導體零部件IGBT開關芯片和模塊目前主要仍依賴進口,高端市場被英飛凌、三菱等外國企業占據。比亞迪、中車時代電氣等企業雖然分享了IGBT剩余市場,但與外資品牌仍存在較大技術差距。

  碳化硅SiC功率器件比硅器件具有更低導通電阻及更高切換速度,具有高耐壓、低損耗、高導熱率等優異性能,有效實現電力電子系統的高效率、小型化和輕量化。碳化硅功率器件的能量損耗只有硅器件的功率50%,發熱量也只有硅器件的50%;且有更高的電流密度。在相同功率等級下,碳化硅功率模塊的體積顯著小于Si功率模塊,以智能功率模塊IPM為例,利用碳化硅功率器件,其模塊體積可縮小至Si功率模塊的1/3~2/3。碳化硅用做控制器的電力電子芯片工作頻率、效率很高、體積也可非常小,體積功率密度可以做到100Kw/L,比目前要減少約70%-80%。高工作頻率也意味著碳化硅控制器將可以通過大幅度提高電機的轉速實現電機比功率的升高。

  未來利用耐高溫、低損耗的第三代半導體材料SiC(碳化硅)以及高性能、低導通電阻GaN(氮化鎵)、GaN-on-Si(硅基或硅襯底氮化鎵)功率半導體(MOSFET)提升控制器、開關變換器/逆變器的功率密度,將是電機控制器、DC-DC、電池充電/無線充電器等技術發展的主流趨勢之一。

  此外,還須進一步應用傳感、控制及軟件技術提升整車控制器(HCU/VCU)與電機控制器(MCU)數字化智能控制水平與能力,以便應對越來越復雜的道路交通路況與車況,對關鍵電子設備進行預測性的健康監測,對能源使用情況進行主動監測,并進行高級的電路保護,確保交通出行的安全與舒適,逐步適應網聯與自動駕駛的發展需要。

  菲斯克(Fisker)與里卡多合作,為其即將上市的Fisker EMotion提供全新款電動動力總成系統,其設計基于800V高壓系統架構。該車型將整合菲斯克專屬的800 V Ultra Charger充電器、蓄電池組及電橋系統。

  3.電池熱管理

  熱管理系統的一個重要的功能就是防止電池組內單體電池熱失控和熱失控的蔓延,這就需要掌握單體電池的熱失控中釋放的總熱量和電池噴發釋放的熱量的準確數據。

  在大倍率充放電情況下,為控制動力電池溫度及將溫差控制在較穩定的范圍內,液冷技術逐漸受到青睞。

  冬季耗電量大增、續航里程下降多的問題主要原因是:鋰電池自身在低溫下活性下降,這是根本原因;二是冬季低溫啟動階段為電池預熱就耗電,三是用空調制熱取暖效能低,太耗電。

  按照熱量傳遞的介質不同,電池冷卻系統可分為:風冷、直冷和液冷。

  早期用液冷技術的比較少,主要是市場以A00級車型為主,該類車型對性能的要求不高,同時基于成本問題沒有使用液冷技術。

  風冷存在的明顯問題是冷卻速度慢,效率低,內部均溫性不佳。

  直冷則是采用制冷劑蒸發潛熱的原理的直接冷卻的方式,基本在電動乘用車上,雖然其降溫速度快,但均溫性差。

  液冷技術是利用冷卻液熱容量大的液體經對流換熱循環將電池產生的熱量帶走降低電池溫度,實現電池包的最佳工作溫度條件。介質主要為具有導電性的水、水和乙二醇混合物等液體。液冷是目前許多電動乘用車的優選方案,目前國內外車企在電池熱管理系統上都在導入液冷技術,已成為各大車企電動車配套的主流選擇。

  對電池包的熱管理,Kona EV提供了動態、可配置的三種工作模式:LTR模式、制冷模式、加熱模式。

  由于補貼政策偏重于有長續航里程、使用高能量密度的電池,故電池發熱情況越來越嚴重。在保證整車性能的同時,還要保證一定的動力性能,液冷技術就正在逐步替代傳統風冷,成為了各大車企的主流選擇與優選方案。

  與其它冷卻技術相比,液冷技術的換熱系數高、冷卻速度快,降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著,熱管理系統的體積也相對較小。但液冷技術對密封性的要求較高,需要封閉式的液體管道,結構復雜。

  近期,江淮的新能源iEV6E、iEVS4都搭載為自主研發的最新一代液冷恒溫電池管控系統,可將電池溫度穩定控制在15-35℃適宜范圍內,-30℃~55℃環境溫度下車輛均可正常使用。該技術不僅能在夏季確保電池安全,在冬季也能夠保證電池活性,避免車輛續航里程大幅度衰減,特別是還保障了電池單體失效不引發電池包起火、爆炸,確保了電池壽命、快充性能以及低溫性能和安全性能。

  別克VELITE6PHEV也采用電芯級獨立液冷系統,電池組內的每一個單體電芯都能通過冷卻片,進行散熱的循環,可確保每一個電芯的溫度相差在2℃之內。

  今后,熱泵空調技術在電動汽車中普遍推廣應用,將大幅度減少低溫環境下取暖功耗過大導致的續駛里程減少。

  4.充電設施網絡

  充電設施多樣化——家用電,充電樁,充電站等;充電能力快慢結合,智能化充電更是重要發展方向。

  下游應用市場充換電模式呈現多樣化發展態勢,趨于多元,便捷化發展仍是主要趨勢。在快充、慢充、換電等能源補充形式之外,無線充電可作為一個新的選擇。

  新基建:所謂新基建就是指5G、城際交通、物流、特高壓、人工智能、新能源充電站/樁的建設,這是一個巨大、相互關聯的系統工程,不但需要巨額資金投入,還須政府有關部門精細全面籌劃的頂層設計。
 

  瑞士ABB的400 V/800V、 350 kW快速充電樁,充電8分鐘,續航里程即可達200km
 

  加快完善配套政策和激勵機制,修改完善相關標準規范,在城市建設中全面落實和完善充電設施規劃要求。結合老舊小區改造、城市更新等工作,進一步推進充電設施進小區、單位、公共停車場。

  目前國內的充電樁分為兩類:第一種是小功率的交流充電樁,另一種是大功率的30-100kW以上的充電樁。此外,一個充電樁一般由不同的充電模塊組成,比如一個75kW的充電樁可能由5個15kW的充電模塊組成。

  無線充電: 無線充電模式和移動補充充電模式已開始獲得廣泛關注,未來“互聯網+充電”技術將得到廣泛的推廣和應用。

  2019年1月中旬,國家能源局官員表示,2019年將加強無線充電、智能充電等關鍵技術攻關,在重點領域開展充電設施與電網互動實驗示范。

  寶馬530e是全球首款應用無線充電技術的量產車車型。

  無線充電技術是通過嵌入在道路或停車位的無線充電板自動連入電網進行充電,該技術不僅方便安全,而且還可以有效提高充電效率。無線充電為全自動充電,但其在便利、無人、安全、智能之外,將面臨系統復雜、成本高昂等問題。

  無線充電按充電原理劃分,無線充電技術還可以分為:無線電波式、電磁感應式、電磁共振式。可以預見的是,無線充電技術得以全面普及時,純電動汽車將會充電更方便,因無需插電。

  目前專注無線充電領域的公司主要包括龐巴迪、WiTricity、亦聯以及國內中興新能源、中惠創智等企業。國外無線充電領域的先行者已經開始關注中國市場。

  美國WiTricity公司選擇的共振式無線充電技術,其優勢在于安全性高、功率較大,傳輸距離更遠,最遠傳輸距離已達到2.4m,同時可以為多個設備充電,也無需精準對位,還可以穿過墻體、木材等對充電設備進行充電。該公司產品的無線充電輸出功率已提高到了11kW,可以在4~5h內為設備充滿電。在價格方面,車載無線接收端部分價格已經和有線技術的車載部分一致,地裝發射部分成本在量產后價格有望低于1000美元。該公司認為,無線充電的優勢就在于不存在硬件接口的問題,因而具備了提升兼容性的前提。

  在有線充電領域,世界范圍存在中、美、日、歐等四大流派,如何實現互聯互通已經折磨了產業界很久。而國內目前普遍應用的慢充公共交流7kW充電樁,充滿電通常需7~8小時。

  5.退役電池回收與拆解安全 避免污染及事故

  目前,我國動力電池報廢將開始進入高峰期,如處理不好,退役動力電池將帶來環境影響,還有安全隱患和資源回收壓力。須面對難題是:如何實現退役電池梯次利用與廢舊電池資源化處理?

  目前已生產的動力電池種類繁多,結構不一,廢舊電池的回收利用又缺少指導標準規范,仍存在污染環境、發生拆解安全事故的危險。回收也需認定資質并確具回收利用、處理技術及裝備。

  在政策強制要求、百億市場以及回收補貼等因素的驅動下,多方力量都在積極進入動力電池回收領域。新能源電動車企及電池生產企業也應作為動力電池回收的主體,有義不容辭地肩負起主導或指導電池回收產業的發展與進步的歷史性責任與義務。

  6.混合動力——向插混,增程式轉變

  全國政協副主席、科技部前部長萬鋼近來在演講以及在人民日報撰文,均指出:

  “2017年以來,插電式混合動力乘用車呈快速增長趨勢,應及時推動插電式混合動力向增程式混合動力發展”。

  筆者認為,這是基于對中國及全球新能源汽車產業發展現狀與問題提出的我們當前產業發展方向的戰略選擇。

  這兩種車本質上都屬于混合動力,即都有燃油發動機與電動機,但相互間有重大區別:

  插電式混合動力車PHEV的內燃機直接參與驅動,增程式混合動力車REEV (Extended range electric vehicle)的內燃機僅用于發電,整車驅動只由驅動電機進行。

  插電式混合動力車(PHEV)則在油電混動的基礎上增大了電池容量并增加充電器而來,是充滿電后先以純電動的方式由電機驅動行駛,當電池內儲存的剩余電量接近放完(SOC=10%-15%)時則自動改用燃油發動機驅動行駛。其內燃機與電動機都可參與驅動,但交替進行。這兩者的共同之處在于都可插電——由外部充電口充電,這是與油電混合動力車的重大區別,也都可發揮純電動汽車使用費低廉的優勢,這對于有車位與充電樁的城市用戶將能同樣享受純電動出行方式帶來的很多益處。

  兩種車與純電動汽車相比,優點是:有電時都可以以純電動的方式行駛,都可不受沒有或找不到充電樁/站的限制。但沒電時仍可改用燃油發電(REEV)或由發動機(PHEV)驅動行駛,故都沒有里程焦慮。插電式混合動力在短距離代步可以使用全電池動力,很多上下班距離在40km以內的上班族可以通過充電滿足每天的行駛需要,從而很長時間不用去加油。

  在充電設施建設仍不完備的當今,可以繼續推進電動汽車產業的發展,并可等待更完美的新能源電動汽車今后出現時再淘汰不遲。應當說這是能緩解純電動汽車目前的各種焦慮,是目前還不能完美解決的過渡時期的產物。

  兩種車的缺點也顯而易見:都使用燃油,即都仍有排放與污染,只不過比燃油車可能會減少——在僅在以純電動方式行駛時。從節能角度看,或許節油,但都不節能。插電式混合動力車(PHEV)在50km或更長些的距離(例如100km)內雖然可以純電動方式行駛,但超出這一距離范圍后受車載電池容量的限制則只能以燃油繼續行駛。從而其缺點將充分暴露:車身自帶2套驅動系統——燃油發動機與電動機驅動系統,與燃油車比,重量顯著加重、成本增高,價格高昂,能耗(油耗)自然也比燃油車更大。對于電動機和燃油發動機同時可并行驅動的模式,則可顯著省油,但仍不節能,因能量守恒:省油的那部分能量實際是由消耗電能來提供,而車重顯著加重的結果則是車輪滾動阻力與車重近似成比例的增加,總能耗只會更多,決不會更少。

  增程式混合動力車REEV的優點在于,無充電與里程焦慮。由于純以電機驅動,燃油發動機僅用于與發電機組合發電——只用于給電池充電,或直接送電機驅動行駛,或將所余電能同時為電池充電。即使找不到充電樁/站,還可以利用不行駛的閑暇空余時間用燃油在原地發電而備車的再次使用。這種模式的另一優勢是插電式混合動力車(PHEV)所不具備的:即燃油發動機可設置在最高效率工作點以最佳轉速定速發電,只需發電機與其匹配即可省油,燃燒能效也相對最高。該方案的缺點是,為了降低成本、減小體積重量,多選用小排量(例如1L)發動機。故當對于高速行駛需提供大功率時車將明顯不足乏力,動力性能也將嚴重受限。近來,已有匹配更大排量發動機的增程式車型出現。成本高、車重增加的缺點同樣存在,但比插電式混動車的程度要輕得多。但因以燃油發電,又多了一次能量轉換,也有效率問題,故最佳效率點工作的優勢被打了折扣。

  與油電混合動力車比較,油電混動車不能插電。內部雖有電池,或也可以純電動方式行駛,但通常電動行駛的距離很短,僅不超過幾公里,因車載電池容量很小。電池的充電,也僅用內燃機怠速時或以所余動力發電,而車體外部沒有充電接口。

  油電混合動力車的技術專利目前大部分掌握在日本企業手中,其品種較多,包括重度混合系統(HEV)、中輕度混合系統(MHEV)。但其本質非新能源車,實質是省油、節能車,根本不能徹底解決污染排放問題,只能顯著減少。由于其內燃機、變速器與機械傳動系統結構復雜,設計與制造難度很高,系基于企業多年技術知識積累并依賴于眾多精密制造設備,非我國企業短時能具備或能趕上。也因這不代表未來汽車的發展方向,不大力發展這類產品應是我國產業的明智抉擇。

  7.輕量化

  輕量化作為一項重要的優化指標,對新能源汽車提高綜合續航能力起著重要作用。

  2016 年10 月26 日,中國汽車工程學會編制的《節能與新能源汽車技術路線圖》正式發布,明確了新能源汽車作為未來汽車行業發展方向的必要和必然性,更是確定了汽車輕量化作為七大領域之一,為新能源汽車產業提供關鍵技術支撐的重要地位。

  節能減排是汽車行業的一個主旋律,而輕量化則是汽車節能減排的最行之有效的措施之一。由于電池能量密度的需求與當前技術的限制,新能源汽車相比較傳統汽車必然會出現大幅度增重,所以新能源汽車對于輕量化的要求更加迫切。在保證汽車安全性能的前提下,車身及電池的輕量化,能夠有效提升新能源汽車的續航里程及能量利用率。

  研究表明,對于典型的傳統燃油汽車,汽車整備質量每減輕10%,約可降低油耗6%~8%,排放下降3%~6%;對于典型的新能源純電動汽車,汽車整備質量每減少10%,電耗約可下降5-10%,續航里程約增加5%左右,同時還可以減少電池購置及日常能耗成本、加速與制動性能更好,并提高安全性能。所以,無論是對傳統燃油汽車,還是對新能源汽車,汽車輕量化研究均具有重要意義,即:整車重量減輕,動力性能與經濟性能更好,續航里程更長。

  輕量化技術是在保證強度和安全性能的前提下盡可能地降低整備質量并保證制造成本在合理范圍內,以實現整車安全性、經濟性、動力性能與操縱性能的全面兼顧,并提高電動汽車駕乘的舒適度。其途徑主要有:輕量化高強度新材料、新結構設計與新制造工藝。新材料的應用是汽車輕量化的主要措施,高性能復合材料、高強度鋼與輕金屬都可從結構設計、材料替代、工藝創新等多個途徑實現汽車的“瘦身”。所以新能源汽車的迅速發展,也必然將帶動新能源汽車新材料、新工藝及新工藝制造裝備的發展。輕量化設計方法主要有拓撲、形貌與形狀、結構和尺寸優化等。

  為滿足輕量化的需求,用輕型材料打造的輕量化、高剛性安全車身,保證乘員艙不受擠壓變形,提升了碰撞安全性。

  新能源汽車輕量化結構設計還體現在驅動電機小型化、逆變器的小型化、電驅系統的高度集成及輪轂電機的應用等。逆變器的小型化是加速電動化的關鍵之一,而碳化硅功率器件較現有車載逆變器中使用的硅功率器件,可以使功率損耗降低超過50%,發熱量減少,由此可以減小逆變器尺寸。

  通過電機集成減速器的“二合一”或電控+ 電機+減速器的“三合一”等集成方案,可以實現輕量化、高效、小型化,同時降低成本。某例采用了三合一方案的電驅動總成包含了電機、減速器與電控等集成,相比此前的總成,該電驅動總成質量降低15%,體積也減少將近20%,成本下降了30%,在同等電量下,NEDC 工況的續航里程提升約5%。

  將電機+ 減速器、電機控制器、充電機、直流變換器、高壓分線盒、部分整車控制器等都集成到一起的“多合一”方案更是新能源汽車輕量化技術不斷發展的必然趨勢。集成化可以保證輕量化、減少零部件體積,提高整車性能。對于消費者而言,購車成本會降低,車內空間會提高,整車能耗更低,而性能會更好。這些技術的應用,也會讓車主受益匪淺。

  電池包箱體作為動力電池的承載和防護機構,在電池包系統中占據重要位置,而且其整備質量目前偏大,具有較大的輕量化空間。傳統電池包箱體一般采用低碳鋼鈑金和焊接工藝加工而成,成本較低但箱體質量較大,嚴重影響電池包系統能量密度的提高和新能源汽車的輕量化,不符合發展趨勢,需要進行輕量化改進。

  熱塑性復合材料具有可重復使用、成本低、成型快等特點,是電池包箱體制造的理想材料。熱塑性復合材料的成型,如注塑成型、LFT-D在線模壓成型、GMT模壓成型等,均可用于電池包的成型。電池箱上蓋采用熱固性復合材料成型,如SMC、BMC等,已廣泛應用于電池包生產。

  碳纖維復合材料的高成本是限制其在汽車行業應用的主要問題,研發汽車專用高模量低成本碳纖維是目前研究重點。研發快速固化樹脂與預浸料,提高成型節拍是降低碳纖維復合材料成本的主要措施。

  高強鋼能夠滿足減輕汽車質量和提高碰撞安全性能的雙重需要,甚至從成本與性能角度來看,是目前滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。

  8.人工智能,自動駕駛

  純電驅動為人工智能與互聯網技術的加速應用提供了絕佳的平臺,智能化配置逐步增多,整車產品科技感日益增強,并成為吸引消費者購買的亮點,促進了產品的推廣和普及,加速了智能化與電動化融合。

  北汽新能源則正式將“達爾文系統”上升為企業技術品牌,展示了11項解決痛點、提升體驗的智能電動“黑科技”,涵蓋整車技術、三電系統、智能駕駛、智能網聯以及平臺開放與數據安全等多個領域。依托人工智能的創新科技,不斷打造出高可靠性、長續航里程、高品質的實用型電動汽車,持續改善人們的綠色交通出行。例如,EU5是北汽新能源“達爾文系統”的首款落地車型,將為用戶帶來便捷的綠色智慧出行體驗。

  自動駕駛技術:采用了人工智能、計算機視覺、激光雷達、機器對機器通信等高精尖技術,并已實現部分商業化應用。麥肯錫估計,自動駕駛技術到2025年的經濟規模將達到萬億美元,降低交通事故每年將挽救3萬-15萬個生命,大幅降低汽車的廢氣排放達90%。自動駕駛將幫我們社會實現更少的汽車,更高的效率,更清潔的環境。

  特斯拉的馬斯克近日已宣告將在2019年年底之前推出全自動駕駛汽車,“這意味著這輛車能夠在停車場找到你,接你,并帶你一路前往目的地而無需干預”,他補充道:“即使硬件和軟件完美運行,監管機構也可能迫使特斯拉所有者保持警惕”。這意味著它現在還不可能100%正確地工作,智能測控軟件現今還不能完全保證不出錯,仍需要不斷進化、完善,這也會需要一個過程。

  智能應用與分析: 智能化涉及大量電動汽車自身必須解決服務客戶的問題:例如,可續駛里程,涉及要求到達的時間,目的里程與車速,路況與車況,天氣,需準確計算出包括暖風或制冷所需消耗的能量,要做出最優規劃。利用車能否方便快捷到達目的地與存在或可能遇到的問題,找出最大與關鍵問題或難點,例如電池容量當前還是否夠?是否需要包括回程?是否需要充電,哪里可充?充電站自身及周邊現況,天氣及道路情況,路途有無障礙、目的地有無故障與限制,甚至充電機容量是否適合,插口是否匹配、車位是否已占用或能否預留、能否預約,本車還需多少時間才能到達?預計多長時間可充滿?是否還有其它充電站可選擇……。這些需根據規劃需通過車載傳感器做一系列數據采集、測定,結合經網絡收集的相關信息,智能分析與計算為用戶提供最優出行策略、考慮突發情況及補救或替代方案并直至執行與最終完成。

  這不但需要大量相關數據,也需整車與關鍵部件的物理模型與仿真,包括電池在不同環境溫度下的特性,電機、控制系統與整車能耗與目標參數、各路況與車況參數的函數關系。如連這些都不能提供,或能夠提供的盡是無用或虛假、錯誤信息,就沒有任何真正的使用與實用價值。

  智能化是新能源汽車的一個關鍵技術,也是一個非常熱門的技術。但是智能化技術實際目前仍只處于發展初期,還將經歷一個理性回歸的過程。人機交互界面邏輯混亂難用、缺乏海量專家知識庫支撐等問題也不容小覷,而用戶隱私難以得到保障也將成為重大吐槽點。

  智能應用與分析的基礎是智能感知技術。智能感知技術根據對象和目標的不同,可以分為基于人體分析的感知技術、基于行為分析的感知技術。

  基于行為分析的技術有目標檢測跟蹤技術,該技術是指采用背景差分法或幀間差分法實現目標檢測對象的提取和動態自動跟蹤;異常行為分析技術:該技術是基于雙目識別技術,獲取到目標人員的深度及三維信息(目標高度信息,提升目標行為分析和多目標檢測的準確率、目標位置信息,提升多目標檢測,尤其是目標間距檢測、目標深度信息,提升多目標位置遠近的判斷),實現越界、進入/離開區域、區域入侵、徘徊、人員聚焦、快速移動、非法停車、物品遺留/拿取等異常事件的自動偵測與報警,變被動監控為主動防控。

  基于人體分析技術有人臉識別技術,該技術基于人的臉部特征信息進行身份識別。通過人臉圖像采集及檢測、人臉圖像預處理和人臉圖像匹配與識別,實現面部特征識別。人臉識別智能感知技術。人體特征提取技術,該技術基于計算機視覺、圖象處理與模式識別技術,對人體屬性特征(性別、年齡段、身高、戴眼鏡與否等)進行提取分析,實現人員身份識別。

  人工智能在模仿和替代人類的肢體運動能力、認知感官能力、思維判斷能力已經有了大幅度的提升,取得了令人驚嘆的發展,但顯然人工智能不僅僅是依靠大量的運算和數據處理,從仿生方法拓展到人工神經網絡——主要是深度學習領域是智能應用與分析的一大趨勢。

  甚至通過建立人工智能神經網絡,在終端側運行人工智能算法,不僅實現即時響應、可靠性提升、隱私保護增強,以及高效利用網絡帶寬等,還能實現一些增強現實應用,如風格轉換與濾鏡、情景探測、面部識別、自然語言理解、物體追蹤與規避、手勢和文本識別等。

  可見光攝像頭、聲納和雷達目前已用于L2級量產車輛,激光雷達(LiDAR)已成為L3級和L4級自動駕駛測試平臺的重要成員,但這還不夠。在光線不足、夜間駕駛、晴天眩光和惡劣天氣時由可見光攝像頭進行分類辨識具有高難度因而難具可信性。現有技術還無法在所有條件下探測到道路發生的所有重要狀況,也無法提供確保絕對安全所需的可信正確數據。

  無論是在黑暗的鄉間小路,還是在道路錯綜復雜的城市,特別是在大霧或晴天炫光等惡劣天氣。在這些不常見但真實存在的場景中,熱像儀則能夠對近遠處的潛在危險進行最有效地快速識別和分類,以幫助車輛做出相應的決策與反應。由于熱像儀探測的電磁波波長比可見光攝像頭長,該技術不會出現在夜間或白天無法探測并可靠分類潛在道路危險的問題,即使是道路前方200多米外的車輛、行人、自行車騎行者、動物和其他物體也能明察秋毫。

  未來,熱像儀為可見光攝像頭、激光雷達或雷達系統提供冗余但獨立的數據,將有助于智能系統的分析決策建立在更準確、可靠的信息辨識基礎之上。

  9.設計平臺

  汽車新車型的研發是一個非常復雜的系統工程,以往通常需幾百人花費上幾年的時間才能完成。當然,不同的汽車企業其汽車的研發流程有所不同,快慢、效果也不同。

  汽車制造是高度標準化行業,技術密集、工藝復雜、專業程度高、產業鏈長、投入大。長達20個月的研發周期,每一天都在不斷燒錢,團隊薪酬的人力開支也極為巨大。后續還陸續涉及到建廠、開模具、建設計平臺、試制、測試、試驗等方面,沒有雄厚的資金支持將難以支撐。

  新能源汽車的市場競爭已從過去的藍海逐漸演變成紅海,而競爭的主戰場已經聚焦于創新能力與產品實力的比拼。新車種的快速推出,能以高性能、高質量的產品及時迎合細分化市場客戶的需求,沒有高水平的設計平臺支撐將難以完成,其重要性不言而喻。

  搭建新能源汽車的研發體系與設計平臺極為重要,在研發體系的助力下,形成知識沉淀、技術集聚、資產積累、流程規范,產品研發創新、設計能力與效率才能大幅度提升,可加速系列化新產品的推出并推動產業技術的加速迭代升級。

  比亞迪基于“e平臺”打造的電動車,正是通過高度集成、一體控制,實現了整車重量的減輕、整車布局的優化,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都是基于平臺打造的優秀的高性能、高性價比車型,均性能優異。e平臺下的新能源車,零部件集成化、一體化,還將讓車輛更易于系統控制,車輛狀況更方便監控,能將車輛可預見的風險降低到最小,增加車輛安全性,并通過整車OTA升級,始終讓車保持最新的狀態,跟上時代前進步伐。

  江淮新能源將推出一個名為“432”的全新平臺,可用于生產混動車型、電動車以及燃油車型,覆蓋MPV、A級轎車、SUV多種車型,而首款全新平臺的新能源車將在2019年下半年上市,使企業產品能加速量產進入市場,形成自身強力的市場競爭優勢。

  10.飛輪功率電池復合能源

  飛輪電池實則也為優秀的新能源之一,屬物理電池。飛輪電池技術則源于古老的飛輪——陀螺。飛輪的旋轉慣性已早被用于蒸汽機和內燃機曲軸的持續旋轉與速度均衡,在汽車發動機上也一直被使用持續至今。飛輪的旋轉慣性則可被用作儲能,飛輪轉子與電動——發電機同軸組合在一起,就成為了飛輪電池,可用于電能與機械能的相互轉換。

  飛輪的慣性能量E的大小取決于轉動慣量J與旋轉角速度ω(轉速n),并嚴格遵循力學定律,即E=0.5Jω2,而J=mr2,這里m是飛輪轉子的旋轉質量,r為飛輪轉子的旋轉慣性半徑。兩式聯立,即得E=0.5mr2ω2。也即:旋轉儲能量取決于m、r與ω,與m成正比,與r和ω的平方成正比。須注意,飛輪的質量比能量E/m==0.5 r2ω2。作為電池,希望獲得高能量或高比能量,而要獲得高能量,只需加大m、r與ω。當然,加大這三者并非無限制,實際主要受到體積(安裝空間)、材料強度(安全)的限制。設計良好,可獲得很高的能量與大功率輸入、輸出,成為具有優秀性能的新能源。

  通過與飛輪轉子同軸的電動機高速旋轉飛輪,則可產生很高的旋轉慣性能量,即可用于儲能;反之,高速旋轉的轉子帶動同軸的發電機旋轉即可用于發電。即,飛輪與電動/發電機同軸組合(FMG),即構成了物理電池,就可充電/放電,可儲能或供能。現代的永磁電機,無論是永磁的直流電機還是無刷或同步電機均可逆,故轉子同軸連接一電動/發電機,給電就可旋轉儲能,接通外部電路就可供能。

  飛輪電池具有很高的工作效率,可用于功率極大(兆瓦MW級以上)的高能量儲能,而效率則幾乎完全取決于電機:可從小功率的80%到大功率的99%以上,一般其它能源所難相比,——例如內燃機才只有30%!由于性能優秀,已被用于包括從民用、工業到航天、軍事各領域,包括衛星與宇宙飛船、太陽能與風能的儲存、電網波動抑制,UPS、高鐵、港口起重機等等。在大功率激光炮、電磁炮、艦載機航母電磁彈射等等領域也都在發揮著極其關鍵的作用,甚至無可替代。

  遺憾的是,在新能源電動汽車領域,這項古老又全新的技術似已被遺忘。實際早在上世紀90年代初,美國飛輪系統公司(AFS)就已做出完全用飛輪電池驅動的電動汽車。2008-2010年又與英國里卡多公司Ricardo合作,推出達到150MPG的插電式混合動力SUV原型車XH-150™,節能效果大,相當于百公里油耗僅1.568L,僅約為同級燃油車的1/5以下。

  2009年在F1方程式賽車上飛輪電池就已被世界頂級F1車隊成功地應用。從2009年開始,F1賽車就允許使用動能回收系統(KERS)通過再生制動吸收能量。國際汽聯(FIA)是世界汽車運動的管理機構,也是世界領先汽車運動組織的聯合會,2009年10月FIA就強烈支持飛輪,FIA表示“飛輪減少對電池的依賴,專注于ICE(內燃機)負荷轉移等技術被證明是最有前途的方式。”FIA在他們的背書中挑出了飛輪。

  F1賽車是電機運動的頂峰,KERS將提高效率,降低燃油消耗,給駕駛者一個絕對關鍵性的推力。一些世界著名的車企例如沃爾沃、保時捷、捷豹、福特都十分重視這種新能源的應用,美國能源部則指令Oak Ridge國家實驗室(ORNL)對其進行了較深入全面的調查研究與評估[1]。

  超級電容有類似于飛輪電池的用途,可用作功率電池與鋰離子電池組合作為新型復合電源,也可替代鋰電池作為短途交通工具例如城市公交車輛的大功率電源。超級電容只是純電能的儲存與釋放,沒有能量形式的轉換,現已成功地應用于公交車等許多領域。

  與飛輪電池相比,超級電容的缺點是:比能量太低,通常僅是鋰電池的1%甚至更低。還有是體積大,成本高、價格貴,耐壓又很低,還需要像鋰電池一樣需要多節串聯提高耐壓,但節數則需更多,并需要均衡保護等缺點,故難于作為能源電池在電動汽車主流的乘用車中被應用,目前僅被成功地用于一些短途定線路的電動公交車。

  但超級電容器可以是加速和爬坡期間的主要能量源,以及回收制動能量,因為它們在提供快速爆發能量方面表現出色。使用超級電容器、飛輪電池與鋰電池相組合可將前者的大功率性能與后者的大的能量存儲能力相結合,可延長電池的壽命,節省電池更換和維護成本,并且能夠使電池小型化,同時,通過在必要時提供高峰值功率,可以增加可用能量。然而,電容器和電池的組合需要額外的功率電子器件,例如DC / DC轉換器,這將增加車輛的成本。

  城市道路工況下,車輛制動過程中大約有30%~50% 的能量未被轉化,成為摩擦變熱能被白白消耗掉。高效儲能單元和先進的再生制動技術對提高整車能量與經濟性具有重要意義。

  飛輪具有儲能功率密度大和使用壽命長的特點,可以作為電動汽車的輔助儲能單元——功率電池,在車輛加速、爬坡時輸出很高的瞬時輔助功率,而再生制動時又能提高能量回收率。

  飛輪功率電池用于新能源電動汽車,本質上仍屬電動汽車,但汽車能源已屬于復合能源類型,即由兩種或以上能源供給電能,行駛過程則仍完全依靠單一的電機輸出的動力來驅動。汽車主能源仍為鋰電池,但電池主要負責平穩的能量供給。飛輪功率電池或還有超級電容作復合的輔助能源,在啟動加速時可為電機及驅動控制系統供電,在減速或制動或停車時則負責能量回收,主要負責供給或吸收短時大功率。因此,復合后鋰電池的放電電流平穩,將沒有過大過小的電流起伏,從而可大幅度延長其使用壽命。此外,驅動電機功率將主要依據動力性能選擇,不再受限于鋰電池容量與相應的放電電流限制,故可使小容量電池的普及型電動汽車也能獲得優秀的動力性能而大幅度提升品質檔次。

  與國外相比,我國車用飛輪儲能技術尚處于起步階段,

  飛輪功率電池實際就等效于是汽車的機電式“渦輪增壓器”,能發揮潛能,大幅度提高整車動力性能,減少能耗。與電動汽車驅動電機、主能源鋰電池,或還有輔助能源超級電容能組成“黃金組合”,其效果是:鋰電池放電平穩、無大充放電電流沖擊,大大延長了使用壽命;飛輪功率電池(或還可與小容量的超級電容組合)的交替工作就能將減速制動能量大部分高效收回(至少25%以上),節能顯著,可有效延長一次充電續駛里程:在城市綜合工況——即在須頻繁啟動、加減速與制動停車的工況下,續駛里程能增加15—30%。或反之,在保證一定續駛里程條件下,可顯著減少昂貴的鋰電池使用數量(能量容量)15—30%。

  飛輪功率電池與大功率驅動電機的配合,能在不增加主能源鋰電池容量的情況下,可使普通級別的電動汽車達到豪華級汽車的動力性能,而成本卻極低。例如:百公里加速時間可大幅度縮短、最高車速與爬坡越障、載重能力都能得到顯著提升,能成為理想的輕便快捷、高效節能的現代小型交通工具,并顯著提高現有車種的內在價值/含金量,具有高性價比與市場競爭力。

  顯著減少制造與購車成本:目前,對于綜合工況續駛里程為300km以上的純電動汽車,電池容量通常都要在40-45kwh左右,若減少電池容量30%,即可減少容量12-13.5kwh,制造成本將減少1.8-2.1萬元,車重減少75-85kg。除去飛輪電池成本與重量,考慮到動力性能與安全性的大幅度增加等優勢,顯然其內在價值的提升非同類產品可比。對于綜合工況續駛里程為400-500km以上的純電動汽車,其綜合效益增長更顯著:對應指標分別為:52-65/60-80kwh,16-24kwh,2.5-3.7萬元。其整車功耗還能進一步由于滾動摩擦阻力的減少而降低,動力性能也會進一步提高。

  讓電池在小電流下工作,還將減少鋰電池自燃的安全危險,大幅度延長電池使用壽命,延長更換期,顯著減少更換費用及每公里使用成本。大功率、大電流之工況完全交給功率電池。將減少大電流下電池內阻、外電路電阻等損耗,提高了電池的能量轉換效率。

  由于可完全接受整車制動或減速滑行時的能量,還可不受電池處于高SOC(即充滿或接近電狀態)限制,可顯著將車體運動的動能高效轉換為電能儲存,而不至于大部分經由剎車片經摩擦轉換為熱而耗費。這對須頻繁啟動加速與減速停車的城市工況下的用戶能顯著節能,最高可達40%或以上!

  通過飛輪及減速或變速裝置直接以機械方式與普通燃油車車輛的機械傳動系統連接,也可大幅度提高整車動力性能,能使其明顯減少油耗。

  增加道路安全性:特別是遇到電池電量過低,使用飛輪功率電池仍可不減低驅動功率,可快速使車輛駛離高速區以避免撞車、追尾等危險。而在發生撞車或電池突然斷電停駛的危險出現時,仍能靠飛輪功率電池獨立作為動力能源使車輛快速駛離高速路面、躲避并到達安全區域。使用飛輪功率電池能贏得這幾十秒的高動力性能實際極其寶貴,或可確保乘員生命財產安全。與超級電容相比,飛輪功率電池用作為主功率電池,除有更小的體積、更低的成本等優點之外,還在于它可直接在高電壓下工作,無須像超級電容或鋰電池一樣需要至少百節以上的單體串連,并還須復雜的均衡電路或器件輔助以保證其正常工作與安全,或也無須DC-DC直流變換器的配套工作,以及相應帶來成本的進一步增加與可靠性的降低。

  11.姿態控制技術與兩輪電動汽車

  飛輪也是陀螺,還具有神奇的定位與進動效應,早已用于飛機導航。

  飛輪轉子還具有的陀螺進動效應,在新能源電動汽車領域應用也具有重大意義與作用。

  因飛輪組件可分時工作——也可兼用做反作用飛輪姿態控制器:可防止車輛側傾翻滾,還可使前后兩輪車(摩托等)實現自平衡、使其能直立、被撞不倒,不但可大幅度減小道路交通事故傷亡率與車輛損壞,還可使電動摩托車蛻變升級為現代兩輪電動汽車,從而不但高效節能,還能緩解現代城市化帶來的與通擁堵、存車難的世界性交通難題。

  超級電容則僅可作為功率電池,特別是輔助飛輪電池與主能量源的鋰電池組成復合能源,但無法用于姿態控制的用途。

  我們經近年來已對飛輪功率電池兼姿態控制器做了大量研究,克服了此產品存在的許多不足,解決了長期不能在電動汽車領域大面積應用推廣的關鍵難點,取得了多方面的重要科研成果,目前我們已技術成熟并申報了國家發明專利。其特點是:

  a. 多功能:利用分時技術可使之既作為新能源電動汽車新型復合能源中的功率電池,又可作為車體的姿態控制執行器,功能強大、用途廣泛、市場巨大;

  b. 結構簡潔,低成本:采用無萬向節陀螺框架與進動電機結構的反作用飛輪(RW)技術,采用高比重合金復合轉子及低工作轉速設計,避免或僅極少量使用高價的高強度碳纖維復合材料,不使用結構復雜、維護麻煩的真空或高真空以及高成本的電磁懸浮軸承,具有高性價比、低成本、高生產率,易于實現特大批量生產;

  c. 高安全:有創新的4重安全防護,包括對萬一轉子仍碎裂飛離的殼內全新型吸能結構以及高抗沖擊智能材料的應用,全無飛輪爆裂飛出之安全焦慮,徹底清除了飛輪電池——陀螺技術多年來在汽車應用中的最大使用障礙;

  d. 能大幅度提高行駛安全:可防汽車側翻,或可使前后兩輪車直立不倒——以此為基礎可發展出全新型輕量化的2-4輪電動汽車與電摩,可顯著節能并可有效緩解道路交通擁堵與停車難,還易于快速量產、實現大面積普及;

  e. 采用同心反轉雙飛輪技術:用作飛輪功率電池使用時全無陀螺效應,可完全不干擾駕駛操控及車體運動,能適應復雜路況安全行駛;

  f. 控制簡單,智能化程度與可靠性高 ;

  g. 體積小巧、重量輕,有高體積比功率:安裝于底板中心又占地面積很小,幾乎可不影響車廂內飾裝置的安置及空間布局;

  h. 低能耗,可顯著延長一次充電續駛里程或減少鋰電池容量/成本;

  i. 項目技術成熟度高、無風險或風險極低,投資安全,社會與經濟效益顯著。

  有興趣合作的企業、朋友,歡迎與我們聯系。

  六.結語

  中國的新能源電動汽車經過十年的發展已獲得了巨大成功,2018年新能源乘用車已突破百萬輛大關,穩居世界第一,已是全球產業發展的火車頭。中國和世界的電動汽車產業仍在高速發展,產銷量都在呈指數級迅猛增長。在產業相關科學技術層面,中國也取得了巨大進步。在主要技術層面,不少領域已達到或接近國際先進水平。但應當清醒看到,在很多方面,產業仍有許多焦慮與困擾。與全球產業巨頭比,我們仍有很大差距和不足,還需要迎頭趕上。在這個日新月異的創新時代,決不能有任何松懈與自滿,更不容許出現重大戰略性失誤,否則不進則退,錯失可彎道超車的歷史性重大機遇將難以彌補。在這創新的時代,要同心同德、奮勇砥礪前行,全面實現中華民族的偉大崛起與復興,共同創造更加燦爛、輝煌、美好的明天。本文重點分析產業發展現狀與探討產業未來發展趨勢,也簡要介紹了目前許多對產業未來發展有重要意義的創新與進展。

  在文章末尾,還扼要介紹了我們創新的最新研究成果——多功能“儲能姿控兩用同心反轉雙飛輪機電裝置”。這一技術既能用作功率電池,也能分時工作,用于車體自平衡,防側翻,將提高電動汽車的行駛安全、加速2輪電動汽車的量產,并減少能耗與緩解道路交通擁堵。當用作功率電池時可與高能量密度鋰電池組合作為復合能源,用于提供城市路況下啟動加速的能量與高效回收減速制動能量,能顯著延長電動汽車續駛里程,避免或減少電池大電流充放電帶來的安全與里程焦慮與風險,顯著提高電動汽車的動力性能,并力求推動改變產業目前單一以化學電池為能源或仍使用帶來排放污染問題燃油的局面。

  注:文中各種數據信息均主要來源于網絡,數據的準確性已經反復核對,但數據量太大,又來源不一,難免仍有個別出入或存在錯誤,故僅供參考。此外,還有大量參考文獻資料都有據考證,但限于篇幅,僅能列出少部分供讀者分析研究參照。文中還引用了產業一些著名專家學者及領導的重要論點,作者已盡力遵照其原文(語)以避免其失真。讀者如對我們的科研成果有興趣,或愿與作者進一步切磋討論,歡迎來電,可發信息至作者郵箱:[email protected]

  參考文獻

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  4.周美蘭,胡玲玲,張宇,純電動汽車復合電源控制策略研究,黑龍江大學自然科學學報,2016,33(5):682-687

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  6.于艷敏:汽車工程師,新能源汽車輕量化技術應用現狀,汽車材料網 2019-02-13

  7.房建成,任元,磁懸浮控制力矩陀螺技術,國防工業出版社,2014.12

  8. 房建成,孫津濟,樊亞洪,磁懸浮慣性動量輪技術,國防工業出版社,2012.12

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