国内新能源汽车关键技术发展现状与趋势分析.pdf

年第 期国内新能源汽车关键技术发展现状与趋势分析昝雪松(湖北工业职业技术学院,湖北 十堰 )摘要:中国新能源汽车的发展,经历了产业链的打造,市场规模的拓展,目前正处于快速发展的新阶段,在电池、电机、电控等关键技术领域取得了一系列突破.结合形势政策、产业发展和市场应用,分析了政策背景对新能源汽车发展的影响,介绍了新能源汽车关键产业及市场应用现状,阐述了新能源汽车发展过程中电池、充换电、电机和动力电池回收等关键技术的发展现状和趋势.关键词:新能源汽车;发展现状;关键技术;趋势中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()D e v e l o p m e n t S t a t u sa n dT r e n da n a l y s i so fC h i n e s eN e wE n e r g yA u t o m o b i l ek e yT e c h n o l o g i e sZ a nX u e s o n g(H u b e i I n d u s t r i a lP o l y t e c h n i c,H u b e iS h i y a n )A b s t r a c t:T h ed e v e l o p m e n to fn e we n e r g yv e h i c l e sh a se x p e r i e n c e dt h ec o n s t r u c t i o no f t h e i n d u s t r i a l c h a i n,t h ee x p a n s i o no f t h em a r k e t s c a l e i no u rc o u n t r y,n o wi t i s i nt h en e ws t a g eo f r a p i dd e v e l o p m e n t,o u rc o u n t r yh a sm a d eas e r i e so fb r e a k t h r o u g h s i nt h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sb a t t e r y,m o t o r,e l e c t r i cc o n t r o l C o m b i n e dw i t ht h es i t u a t i o n,p o l i c y,i n d u s t r i a l d e v e l o p m e n t a n dm a r k e t a p p l i c a t i o n,t h e i n f l u e n c e so f p o l i c yb a c k g r o u n do nt h ed e v e l o p m e n t o fn e we n e r g yv e h i c l e s a r ea n a l y z e d,t h e s t a t u so fk e y i n d u s t r i e s a n dm a r k e t a p p l i c a t i o n so fn e we n e r g yv e h i c l e sa r e i n t r o d u c e d,t h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d so fk e yt e c h n o l o g i e sa r ee x p o u n d e d,s u c ha sb a t t e r y,c h a r g ea n dc h a n g eo fb a t t e r y,m o t o r a n dp o w e rb a t t e r yr e c y c l i n g i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fn e we n e r g yv e h i c l e s K e yw o r d s:N e we n e r g yv e h i c l e s;D e v e l o p m e n t s t a t u s;K e yt e c h n o l o g y;T r e n d作者简介:昝雪松(),男,汉族,湖北十堰人,硕士,研究方向:新能源汽车技术.前言发展新能源汽车是实现汽车产业绿色低碳发展的重要方向,中国从 年开始着力发展新能源汽车重大关键技术及应用,经历了产业链的打造,市场规模的扩大,目前正处于快速发展的新阶段,根据中汽协数据,中国新能源汽车在 年分别完成产销 万辆和 万辆,市场份额达到(见图).新能源汽车产业发展规划(年)对中国未来新能源汽车的发展做出了部署,提出了相应要求.规划指出,中国应开展正负极材料、电解液、隔膜、膜电极等关键核心技术研究,加快固态动力电池技术研发及产业化,电驱动系统关键技术和产品研发.攻克氢能储运、加氢及车载储氢技术,立足新能源汽车可持续发展.在 年之后,汽车碳排放与碳交易机制将开始衔接,电力供应将以清洁能源为主.普通燃油车会逐渐失去市场竞争力,而纯电动车型将具备长期优势,并在市场竞争中胜出,成为汽车市场的主流.在相应政策的鼓励与支持下,中国新能源汽车产业在电池和电机等方面取得了较大成就,新能源汽车产销量连续多年位居世界第一,同时在电动汽车“三电”领域也涌现出不少零部件和整车生产企业.动力电池发展现状新能源汽车动力电池类型包含镍氢电池、锂离子电池图中国历年新能源汽车产销量及燃料电池等,电动汽车续航里程对动力电池的能量密度要求较高,因此锂离子电池目前应用最广泛,镍氢电池主要应用于纯电续航要求不高的混合动力汽车,燃料电池目前还没有大规模应用.根据正极材料的不同,锂离子电池主要分为磷酸铁锂电池、N CM三元电池、N C A三元电池,三者市场占有率之和达 以上.其中磷酸铁锂电池占比为,三元电池 占 比 为 .年 中 国 动 力 电 池 装 机 量 GW h,同比增长 ,预计到 年,中国的动力电池市场占全球比例能达到 左右,中国动力电池具有较大的市场主体,且未来市场发展潜力巨大.动力 电 池 产 业 链 包 括 锂(L i)、镍(N i)、钴(C o)、锰内燃机与配件w w w n r j p j c n(M n)和石墨(C)等正负极原材料、电池隔膜的生产,电芯和电池系统集成的生产.中国动力电池发展路线以N CM三元电池、磷酸铁锂电池为主,在正负极材料上均占据优势地位,年,中国磷酸铁锂产量约为 万吨,磷酸铁锂电池能量密度比三元电池低,但安全性更好,近年来,国内无模组刀片电池等结构性创新大幅提升了磷酸铁锂电池的能量密度.隔膜材料是锂离子动力电池的关键材料之一,如何能兼顾各项性能的要求是隔膜设计和开发的难点,目前以上海恩捷为代表的企业已逐步掌握了涂覆隔膜等高端隔膜技术,并且降低了生产成本,有效地占据了市场.隔膜材料将向轻薄化、适当高孔隙率、良好吸液性、高安全性和低成本方向发展电芯和电池系统技术方面,宁德时代、比亚迪等几家龙头企业占据着领先地位.典型产品包括宁德时代C T P方形电池、比亚迪刀片电池、特斯拉 圆柱电池.比亚迪刀片电池对电芯进行减薄设计,成组时电芯直接充当电池包结构件,使集成效率大幅提升,电池包的结构强度、续航里程、散热性能得到一定提高.宁德时代的麒麟电池,电池包空间利用率突破,电池比能量可达 W h/k g.特斯拉 电池单体能量密度达到 W h/k g,国产品牌中,亿纬锂能、宁德时代等电池厂商在 电池方面均有布局.在兼顾能量密度和安全性的前提下,通过提高镍含量来提高三元电池电芯的容量是必然发展趋势.空间利用率和能量密度的提升是动力电池系统的重要发展方向,主要通过去模组化、集成化的系统结构实现,系统结构大致可分为C T P、C T B、C T C三种.其中,C T P为电池包技术,C T B、C T C分别为电池车身一体化和电池底盘一体化.相比于“电芯模组电池包”三级结构,以宁德时代为代表的C T P技术减少模组组装环节,将电芯直接集成至电池包,提升空间利用率.C T B是比亚迪新提出的一种全新电芯集成方式,电池属于结构体,搭载C T B技术的整车扭转刚度提升一倍.特斯拉C T C技术配合一体化压铸技术使用,可实现车身轻量化,降低生产成本.锂离子电池快速发展的同时,国产品牌在钠离子电池、半固态电池和固态电池领域也取得了一系列成果.孚能科技、国轩高科等厂商已有成熟的半固态电池产品.钠离子电池在成本、安全、快充和低温性能上有较大优势,目前钠离子电池技术发展尚不够成熟,中科海钠、宁德时代等具备钠离子电池的生产能力,预计 年实现产业化.燃料电池方面,中国在燃料电池领域的研发制造起步较晚,技术储备相比于国际领先水平还有一定差距,年,国家发改委发布能源技术革命创新行动计划 年,积极推动燃料电池车的示范运行和推广,综合中国未来燃料电池行业的发展规划,预计 年,燃料电池汽车可以实现小规模运行.充换电技术发展现状 年月,国家发改委发布关于进一步提升充换电基础设置服务保障能力的实施意见,文件对中国新能源汽车充换电基础设施的建设和发展提出了具体要求,要实现适度超前的设施布局.新能源汽车有传导式充电、无线充电和换电三种补电形式,传导式充电是目前的主要形式.充电技术发展现状电动汽车目前存在的问题主要有:续航里程易受冬季低气温等因素影响、充电不够便捷、充电时间长等.相对于燃油车稳定的续航里程,汽车电池寿命的衰减导致的续航缩短,充电基础设施发展的滞后,是影响电动汽车产业发展的因素.截止 年,中国充电基础设施累计数量为 万台,其中公共充电桩数量 万台,私人充电桩数量 万台.传导式充电有交流充电和直流充电种形式,前者充电时间较长,设备较为分散,但充电时间灵活,充电途径便捷.后者充电速度更快,分布于公共场所,易形成规模效应.直流充电的充电速度与充电电流、电压有关,增大充电电压,可以有效提升充电速度,高压快充是未来充电技术的发展趋势之一,国外相继有车企推出 V高压充电平台,中国企业也正在进行相关研发布局.无线充电通过非物理接触的电能传输方式来驱动用电器,更加方便安全,但充电功率受到限制,暂时没有大规模推广使用.换电技术发展现状换电模式通过更换动力电池,可以快速补充电量,解决了充电速度慢的问题.动力电池由运营商统一管理,有利于合理安排充电功率,延长电池的使用寿命,便于电池回收.其缺点是换电站建设成本高、动力电池规格标准需高度统一、存在一定的安全隐患.年月,工信部发布 年汽车标准化工作要点,要求加快充换电系统和标准建设.截止 年,中国共建成换电站 座,其中蔚来汽车运营数量超过 座.同 时,蔚 来 汽 车 计 划 到 年,在 国 内 建 成 座换电站,奥动新能源计划到 年在国内建设超万座换电站.要发挥换电技术的优势,需要实现各个品牌、各种车型电池包参数的统一,增强互换性,在动力电池包外形尺寸、通讯控制、设备匹配等方面要实现通用.因此,换电标准的制定与统一,是影响未来换电技术发展的重要因素之一.驱动电机技术发展现状依据整车对驱动系统的要求,目前主流的驱动电机类型有交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机.交流异步电机成本相对较低,运行坚固可靠,在欧美品牌新能源汽车中应用广泛.永磁同步电机采用永磁体励磁,实现了功率密度高、启动转矩大,而且中国稀土资源丰富,绝大多数国产新能源汽车使用永磁同步电机,但永磁同步电机成本相对较高,高温下永磁体存在退磁风险,因此对冷却系统要求很高.从目前应用状态来看,未来一段时间内,国产新能源汽车中永磁同步电机仍将占据主要市场.开关磁阻电机使用硅钢片凸极结构,其显著优点是调速性能好,但开关磁阻电机转矩波动大且经常引起噪声问题,目前在新能源汽车领域应用较少.国内也有学者研 年第 期究如何减少开关磁阻电机的转矩波动和噪音问题,并取得了一系列成果,因此,磁阻电机是新能源汽车电驱系统的发展方向之一.提高功率密度是驱动电机发展的必然趋势,使用扁线电机是一项有效策略.扁线电机相较于传统圆线电机,大幅提高了功率密度,总铜耗明显减少,效率也有所提升,性能优势更加明显.在此背景下,新能源车扁线电机渗透率加速提升.目前,扁线电机生产仍面临着制造工序多且复杂、严重依赖高端设备、产线和设备投入较大等问题,未来在企业的发力下,扁线电机产品和工艺上将不断取得突破,行业将实现大规模产业化.目前的电驱动系统主要采用集中式驱动,依托驱动电机体积小、功率密度高的优势,电机布置较为灵活,可以实现多电机驱动.轮毂电机是未来驱动系统的重要发展趋势,轮毂电机将电机集成在车轮内,由电机直接驱动车轮,直接驱动车轮,省去了机械差速器、传动轴等部件,传动效率进一步提高,驱动系统结构简化.轮毂电机对电控策略提出了更高的要求,基于轮毂电机的分布式驱动控制策略、结构优化、效率优化等关键技术仍然需要突破.中国的电动汽车轮毂电机在技术和设计开发方面已取得了阶段性成果.比亚迪已发布全新核心技术“易四方”,可实现高附着力原地掉头、应急浮水脱困等,四个电机独立对车辆四轮进行驱动,通过感知力更强的电驱系统,更好地控制车身姿态.奇瑞公司轴向磁通轮毂电机驱动系统”项目开发的轮毂电机,功率和扭矩性能优秀,且适配现有车辆底盘、悬架系统.电池回收技术发展现状根据中国新能源汽车的发展阶段,未来将有大量动力电池面临退役.根据相关机构预测,年中国退役动力电池规模将达到 GW h,动力电池中含有对环境有害的化学物质,必须经过合理的回收处理,避免因新能源汽车数量剧增可能带来的污染问题.对动力电池进行梯次利用,延长其使用寿命,或者拆解回收,避免有害物质流出.动力电池梯次利用重点在于电池的检测、分类和重组,保证重组后的电池能够适用对应的场景,以及确保过程中的安全性.新能源汽车对动力电池的容量和一致性有严格的要求,退役动力电池可以用于要求相对更低的场合.拆解 回 收 重 点 是 对 电 池 中 的 金 属 资 源 进 行 回 收利用.中国相继出台了一系列政策,调控支持动力电池回收产业的发展,主要包括:落实电池生产商的主体责任,对动力电池的生命周期进行完整的信息采集与监控.完善蓄电池回收利用试点与网点建设,使电池回收利用产业更加规范化和标准化.电池生产商在设计生产电池时会考虑电池的回收利用,完整规划动力电池生命周期,整车厂商、电池生产商和第三方回收企业将建立更加有效的合作机制,动力电池回收利用行业必将有更广阔的发展前景.总结新能源汽车是汽车产业发展的必然趋势,未来一段时间内,中国新能源汽车将以电动汽车为主,动力电池依然是电动汽车最关键的核心技术,动力电池的发展方向以提高能量密度和安全性为总体目标,固态电池将成为发展方向之一.充换电设施的逐步完善也将极大促进电动汽车的发展,充电时间缩短,充电效率提高,电池标准化和政策支持将进一步推动换电技术的发展.中国驱动电机将继续以永磁同步电机为主,提升电机能量密度和轮毂电机推广应用是重要的发展趋势.随着电动汽车的迅速发展,动力电池回 收 利 用 产 业 将 趋 于 更 加 标 准 规 范,发 展 前 景广阔.参考文献:新能源汽车产业发展规划(年)尹宗义绿色低碳背景下双积分政策对新能源汽车行业的影响分析J汽车与新动力,():陈吉清,翁楚滨,兰凤崇,等政策影响下的动力电池产 业 发 展 现 状 与 趋 势J科 技 管 理 研 究,():邢佳韵,陈其慎,张艳飞,等中国锂及其下游动力电池产业链发展探讨J中国工程科学,():刘艳,胡香玉浅谈锂离子动力电池隔膜材料的发展现状和趋势J江西化工,():赵世佳,赵福全,郝瀚,等中国新能源汽车充电基础设施发展现状与应对策略J中国科技论坛,():刘红江,王信锐新能源汽车换电模式现状及发展趋势J合作经济与科技,():胡建,徐枭,郝维健电动汽车换电技术与标准需求研究J中国汽车,():温传新,王培欣,花为电动汽车驱动系统的研究现状与发展趋势J微电机,():陈阁,杨延忠,黄福昊,赵南南电动汽车轮毂电机发展综述J汽车实用技术,():王凯荣动力电池回收利用难题如何破解?J中国有色金属,():覃俊桦,鲍莹,戴永强,邱鹏,邵杰锂离子动力电池回收利用现状及发展趋势J现代工业经济和信息化,():