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新能源汽车生长意义及技术门路研究

作者:宝博体育app 时间:2021-09-30 14:51
本文摘要:一、前言“十三五”以来,我国汽车行业由连续多年的高速增长转变为平稳增长。汽车大国配景下,工业生产模式、竞争格式都在发生深刻变化,而能源、污染、交通等因素的制约也日益严重[1]。同时,随着互联网、云盘算、大数据等新一轮科技革命和工业革命的掀起,新技术、新能源、新工艺以及新的商业模式的不停涌现,我国汽车工业正面临从量变到质变的关键节点。新能源汽车作为未来汽车生长的重要偏向,协同智能化、网联化生长,正逐步促进我国汽车工业的转型升级。

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一、前言“十三五”以来,我国汽车行业由连续多年的高速增长转变为平稳增长。汽车大国配景下,工业生产模式、竞争格式都在发生深刻变化,而能源、污染、交通等因素的制约也日益严重[1]。同时,随着互联网、云盘算、大数据等新一轮科技革命和工业革命的掀起,新技术、新能源、新工艺以及新的商业模式的不停涌现,我国汽车工业正面临从量变到质变的关键节点。新能源汽车作为未来汽车生长的重要偏向,协同智能化、网联化生长,正逐步促进我国汽车工业的转型升级。

在此历程中,需进一步明确我国生长新能源汽车的重大意义以及推进路径。二、生长新能源汽车的重大意义(一)我国能耗及环保形势不容乐观,生长新能源汽车是节能减排的重要途径现在,我国人均海内生产总值(人均GDP)尚未到达10000美元,若根据现在的生长模式与能源结构,预测我国人均GDP增长到18000美元时,人均能源消耗将到达8000kg石油当量,即为美国、加拿大现在的人均能耗水平,但现在这些国家的人均GDP均已到达40000美元甚至更高[2]。为此,要提升经济实力,实现强国梦,必须革新生长模式,合理调整能源结构,走上绿色可连续生长门路。

据中国工程院研究陈诉结论,2020年是我国能源结构调整的重要转折点,届时煤、石油等传统化石能源占比将开始大幅下降,而水电、核电等清洁能源则将开始快速增长[3]。我国汽车制品油消耗量靠近石油消费总量的一半,生长新能源汽车可以淘汰国家石油资源消耗,是顺应我国能源结构调整的关键环节。

同时,由于新能源汽车天然的低排放特点,鼎力大举推广新能源汽车可大幅度削减车辆运行阶段大气污染物的排放,对改善都会空气质量,保证人群康健均有重要意义[4]。(二)汽车的电动化以及智能互联,正在形成新一轮的技术打击浪潮近年来,随着移动互联网、物联网、大数据、4G、卫星定位技术等的快速生长,汽车的电动化及智能互联浪潮正在席卷全球。各相关领域已告竣一个普遍共识,即未来的汽车将从今天的代步工具进化为一个“移动智能终端”,成为一个随时互联互通、具备多种功效的交互应用平台。

因此,相比传统汽车,新能源汽车是智能化技术应用集成更为理想的平台,两者的精密联系和互动将催生出更多新理念、新模式、新维度,进而动员信息技术的生长。(三)新能源汽车涉及面广、融合度高,承载着我国汽车强国建设的重任新能源汽车作为低碳化和智能化这两个未来时代主题高度融合的典型产物,涉及质料科学、信息技术、控制技术、制造工艺、制造装备等几大领域。其工业生长将有效促进各领域相关的前沿基础研究、设计开发、测试、生产制造等各环节的技术进步和科技创新,其相关技术及产物创新将对其他工业科技创新起到示范动员作用。

同时,新能源汽车的焦点是驱动力的新能源化,其创新与生长,除了革新汽车电机、电控以致整车技术外,还将高度融合能源治理、智能互联和云服务,极大地重塑汽车工业链,这对汽车工业基础相对单薄的我国来说,既是契机,更是挑战。2015年国务院正式公布《中国制造2025》,节能与新能源汽车作为十大重点生长领域之一,是实现2025目的的重要抓手和组成部门,也是实现汽车强国战略的重要机缘[5]。

三、整车基本技术门路从现在起到2050年,以节能减排为主驱动力,凭据产物成熟度的差别,有计划、有摆设、有序次地在各领域推广应用差别类型的新能源汽车,并逐步提升技术水平、调整车型结构、提高应用规模,最终实现新能源汽车占我国汽车总保有量的50%,如表1所示。表 1  新能源汽车生长战略目的整车门路图第一阶段:从现在起到2020年,重点淘汰汽车PM2.5排放。

主要在公交出租、物流运输、公务机构等公共服务及小型纯电动乘用车领域推广应用新能源汽车。该阶段重点生长纯电动与插电式混淆动力汽车,支持勉励燃料电池汽车技术研发。到2020年,新能源汽车年产销量达200万辆,市场占比为5%~10%,占我国汽车总保有量的2%以上。

第二阶段:2020—2030年,以节能为主要驱动力,PM2.5获得有效控制,CO2排放有所上升。在全社会各领域大规模推广应用纯电动与插电式混淆动力汽车,同时实现燃料电池汽车的工业化并到达一定的产销规模。鼎力大举研发、成熟应用清洁发电及氢燃料制备(如使用自产可燃冰等资源发电、制氢)等技术,实现自产气、可燃冰等资源用量凌驾石油用量。

到2030年,新能源汽车年产销量达2000万辆,市场占比为50%左右,占我国汽车总保有量的15%。第三阶段:2030—2050年,以淘汰CO2排放量为主要驱动力,降低全工业链能耗水平。在全国各领域开始大规模推广氢燃料电池汽车,建设完善能满足全面普及燃料电池汽车的基础设施。研发应用更清洁更高效的燃料制备技术,使用太阳能、潮汐能、风能等可再生能源生产燃料。

同时扩充燃料类型,努力开发生物质燃料、甲醇、CO等多种燃料类型。到2050年,基本实现新能源汽车占我国汽车总保有量的50%以上,其中相当部门为燃料电池汽车。

四、动力电池基本技术门路在关键零部件中,高能量密度动力电池是新能源汽车当前的迫切需求。现在三元层状锂离子电池质料是最有应用前景的高能量密度正极质料,生长偏向主要有高镍及高电压两个偏向。

高电压三元质料受高电压电解液等配套技术不成熟的限制,短期内还无法大批量应用。而高镍正极质料组合Si基负极是三元动力电池面向300Wh/kg以上要求的主要技术门路,如图1所示。

Si具有最高的理论嵌锂容量(约4200mAh/g)和较为适中的嵌脱锂电位(约0.45 V vs.Li/Li+),在高速充电时能更好地制止锂在极片外貌的析出和枝晶生长,从而改善电池的操作宁静性,可适应较宽的温度规模和较高的倍率性能。图 1 300 Wh/kg 以上三元动力电池技术门路可是,高镍三元质料随着镍含量的增加,其氧化性、结构不稳定性随之显着增加。现在,为提升能量密度的约束,在提升质料的克容量时,其循环寿命、热存储、宁静性等性能都市恶化。

因此,只有这些性能告竣一个平衡状态,满足实际使用需求时,才气真正实现量产应用。锂离子电池属于关闭体系,其能量提升空间存在一定的瓶颈,因此未来将逐渐被新型电池所替代。当前研究比力热门的下一代动力电池有全固态电池、锂硫电池、金属空气电池、燃料电池等。

全固态电池电压平台高,固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口,且能阻隔锂枝晶生长,为具有更高能量密度空间的新型锂电技术奠基了基础。全固态锂电池当前能量密度约为350Wh/kg,预估最大值可达900Wh/kg,但其生产工艺流程和技术跟当前的通例液态锂离子电池完全差别,工业化面临相当高的技术壁垒。

由于固体电解质中离子传输速度较慢,固体电解质和正负极质料界面的电阻很大,决议了其倍率性能一定是短板,同时全固态电池的循环性和温度性能也碰面临很大挑战。当前全固态锂电池还处于试验阶段,商业化还需时日。锂硫电池以硫作为正极,其理论比能量高达2600Wh/kg,且单质硫成本低、资源富厚、对情况友好,现在主要存在活性物质使用率低和循环性差等问题。

开展高性能碳硫复合质料制备技术、高稳定性锂或锂合金负极制备技术以及锂硫电池制备技术的优化等,获得比能量大于500Wh/kg的锂硫电池,方可满足新能源汽车长续驶里程的使用要求[6]。金属空气电池因为电池阴极活性物质O2可以从情况中摄取而不需要存储于电池体系中,因而具有较高的理论能量密度(~11500Wh/kg,不包罗O2质量),也因此成为近年来人们研究的热点。

以锂空气电池(Li-O2)为例,最近的研究讲明,可以蒙受100周期以上的循环,同时充放电历程中Li2O2的生成/剖析也被证实。可是,Li-O2电池阴极氧电极充放电动力学历程缓慢,且存在较大的极化过电位,所以导致现在报道的Li-O2电池能量效率较低。

开发高效的双功效催化剂,以较大限度地提高Li-O2电池的能量效率是当前研究的重点。现在研究较为广泛的氧电极催化剂包罗碳质料、非贵金属(氧化物)及贵金属(氧化物)等。

另外一种研发比力热门的新型电池是燃料电池,其奇特的异相电催化反映历程,使得不管是氢的电化学氧化还是氧的电化学还原,都可以在Pt/C催化剂外貌获得较高的交流电流密度。同时兼具高能量和高功率的工况特性,这恰恰是现代汽车对动力系统的最基本的技术要求。站在电化学器件的角度,相较于二次电池,燃料电池是化学电源的一个更高的生长条理。

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燃料电池和二次电池在事情方式上的本质差别,决议了二次电池适用于中小功率的储能应用,而燃料电池则适合于较大功率的储能应用。综合来看,未来5~10年内全固态电池、锂硫电池、金属空气电池、燃料电池工业化的可能性都较小,动力锂电池在未来几年将迎来快速生长期。

现在全球高端动力锂电池产能吃紧,正极、负极、电解液等关键原质料高端产物被日本企业所控制。现在我国已经泛起在动力锂电池电芯制造领域具备国际竞争力的企业,其电池能量密度与外洋靠近,但差距主要体现在可靠性及一致性上。燃料电池方面,外洋汽车企业早于我国率先举行技术结构,并建设了燃料电池生长门路,形成了多国团结研发阵营,铂金催化剂等关键技术已实现突破,并完成工业化升级,同时推出了市场化乘用车产物。

我国燃料电池汽车基础较弱,关键质料和部件大多依赖入口,燃料电池发念头成本居高不下,其耐久性、情况适用性等方面还存在技术瓶颈,有待继续研究突破。五、驱动电机及系统构型基本门路(一)驱动电机新能源汽车的驱动电机技术相对成熟。我国电机系统的技术与产物满足了新能源商用车、乘用车和特殊用途车辆的需求,多家驱动电机企业产能到达万套级以上,部门产物已经批量出口西欧国家,驱动电机部门指标到达了国际水平。

驱动电机主流门路有异步电机和永磁同步电机。其中,永磁同步电机具有结构简朴、体积小、重量轻、响应快速、调速规模宽、定位准确等特点,已经成为主流技术。

海内外近期上市的新能源汽车大多接纳永磁同步电机,个体企业如美国特斯拉汽车公司接纳异步电机。2016年,在我国新能源汽车中,配套永磁同步电机的比例高达81.7%,而配套交流异步电机的比例则为17.8%。未来车用驱动电机生长趋势主要包罗:电机的功率密度不停提高,永磁电机应用规模不停扩大;电驱动系统的集成化和一体化趋势越发显着,电机与发念头、变速箱、底盘系统的集成度不停提高;车用电驱动控制系统数字化水平不停加大[7]。

(二)混淆动力系统构型现在市面上的混淆动力车型,主要匹配有增程式、并联、混联三种系统构型。增程式构型通过发念头向电池充电,仅由电念头驱动车辆,这样可以使发念头一直在最佳工况下事情且效率较高,纵然在都会拥堵工况行驶也可以保持较低的油耗。但在高速工况下,由于能量通报有层级,会造成部门功率的损失,油耗偏高。其代表车型有宝马i3、奥迪A1e-tron等。

并联构型大多是在传统燃油车的基础上增加电念头、电池、电控,由电念头与发念头配合驱动车轮,这样能充实使用功率,没有浪费问题,同时也能实现纯电与混动模式两种工况。其缺点在于,混动模式下由于单电机不能同时发电与驱动车辆,所以发念头不能保持最佳工况,油耗较高。其代表车型有疾驰550插电版、比亚迪秦等。混联构型则有两个电机,一个电念头仅用于直接驱动车轮,另一个电机即可用于充电,也可输出驱动力。

其优点在于,任何行驶工况发念头均能保持最佳转速,油耗较低,但也存在结构庞大、成本较高、开举事度高等缺点。其代表车型有丰田普锐斯插电版、上汽荣威等。

市面上并联、混联构型车型较多。外洋实现规模量产的乘用车混淆动力系统多使用功率分流、混联系统,通报效率高、节油性能好。海内现在的混淆动力系统仍然以微混和中混为主,混淆动力系统的可升级产物(如插电式混淆动力汽车,PHEV),主要是基于汽车起动发电一体机(ISG)的构型拓展而来。

自主汽车企业推出的插电式混淆动力乘用车型,多使用并联、串并联系统,综合性能距离外洋另有一定的差距。尤其在专用发念头、机电耦合装置、系统集成及控制等焦点技术方面水平不高,与外洋差距较大。六、措施建议当前全球及我国在生长新能源汽车的历程中,均面临着传统锂电池技术性能提升难题、新体系电池处于研发中、燃料电池技术不成熟等焦点障碍,导致新能源汽车续驶里程无法与传统汽车竞争。

新体系电池技术存在一定的颠覆性,燃料电池技术代表未来车用清洁能源的终极偏向,我国的深度混淆动力技术储蓄相较国际领先水平还存在差距。因此,必须高度重视,组开国家级技术创新同盟,增强投入力度,引导创新突破,掌握工业制高点与生长先机。针对电动汽车的三大关键领域,建议由国家组织建设三家技术创新同盟:国家动力电池创新中心(已有)、国家新能源汽车动力系统研究中心、国家燃料电池技术创新中心,并设置目的任务书和实施制度约束,推动实现关键技术的研发资源集聚和研发产出。定位目的:引导汽车及相关行业集成现有创新资源,组建协同攻关、开放共享的创新平台。

增强统筹协调,开展关键共性技术研发与工程化应用。生长模块化供货等先进模式以及高附加值、知识麋集型等高端零部件。全面提升我国汽车工业自主开发能力和整体技术水平。

研究领域:动力电池(新型电池隔膜、新型电解液、新型正负极质料等)、动力系统(混淆动力专用发念头、混淆动力专用耦合机构、绝缘栅双极型晶体管、高速减速器、逆变器集成技术等)、燃料电池(电池堆、高性能膜质料、低铂催化剂、制氢/储氢/运氢技术等)。组织形式:由国家相关部门组织科研机构、整车企业、零部件企业、行业协会、高等院校等建设创新同盟,并划分设定一家牵头单元(原则上由第三方科研机构牵头,各单元按任务分工分头开展研究)。

运行机制:国家相关部门制定各阶段的研究目的及任务书,由牵头单元组织成员单元配合完成,实行研究结果(包罗技术专利、数据、资料等)共享,并逐步实施结果的推广计划。资金需求:国家每年定期投入30%的研究经费,企业自筹70%,勉励吸收社会资本、金融资本到场、政府和社会资本互助(PPP)等融资模式,解决资金需求。

七、结语总结来看,生长新能源汽车对我国降低石油对外依存度、缓解情况污染压力、动员相关领域的科技创新、助推制造业转型升级等都具有重大意义。现在种种产物的技术门路还处于不停探索革新的阶段,电池技术尚未形成终极方案、混淆动力技术构型还在优化,整车推进步骤也会陪同产物成熟度的生长做出调整。

未来新能源汽车工业生长,还将陪同补助力度下降、国际竞争接踵而来的挑战,为此,必须坚持创新驱动为第一焦点,发挥好国家级技术创新同盟的作用,增强产物技术竞争力。


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