中國工程院陳清泉院士：新能源汽車發(fā)展意義及技術(shù)路線研究
發(fā)布時間：2023-09-07 來源：未知 分享到：
伴隨互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的掀起，新技術(shù)、新能源、新工藝以及新的商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)，我國汽車產(chǎn)業(yè)正面臨從量變到質(zhì)變的關(guān)鍵節(jié)點。新能源汽車作為未來汽車發(fā)展的重要方向，協(xié)同智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，正逐步促進我國汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。
本文從能源、環(huán)境、信息、科技等方面，剖析了我國發(fā)展新能源汽車的重大意義。規(guī)劃設(shè)計出到2050年我國新能源汽車發(fā)展的戰(zhàn)略目標路線。分析探討了未來新能源汽車發(fā)展的整車基本技術(shù)路線、動力電池基本技術(shù)路線以及驅(qū)動電機、系統(tǒng)構(gòu)型等動力總成的基本技術(shù)路線。針對新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)攻關(guān)，提出組建國家級技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的建議，以期為我國未來新能源汽車發(fā)展提供戰(zhàn)略參考。本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2018年第1期新能源汽車發(fā)展意義及技術(shù)路線研究[J].中國工程科學,2018,20(1):68-73.
“十三五”以來，我國汽車行業(yè)由持續(xù)多年的高速增長轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)增長。汽車大國背景下，產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式、競爭格局都在發(fā)生深刻變化，而能源、污染、交通等因素的制約也日益嚴重。同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的掀起，新技術(shù)、新能源、新工藝以及新的商業(yè)模式的不斷涌現(xiàn)，我國汽車產(chǎn)業(yè)正面臨從量變到質(zhì)變的關(guān)鍵節(jié)點。新能源汽車作為未來汽車發(fā)展的重要方向，協(xié)同智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，正逐步促進我國汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。在此過程中，需進一步明確我國發(fā)展新能源汽車的重大意義以及推進路徑。（一）我國能耗及環(huán)保形勢不容樂觀，發(fā)展新能源汽車是節(jié)能減排的重要途徑
目前，我國人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（人均GDP）尚未達到10 000美元，若按照目前的發(fā)展模式與能源結(jié)構(gòu)，預測我國人均GDP增長到18 000美元時，人均能源消耗將達到8000kg石油當量，即為美國、加拿大目前的人均能耗水平，但目前這些國家的人均GDP均已達到40 000美元甚至更高。為此，要提升經(jīng)濟實力，實現(xiàn)強國夢，必須改革發(fā)展模式，合理調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，走上綠色可持續(xù)發(fā)展道路。
據(jù)中國工程院研究報告結(jié)論，2020年是我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要轉(zhuǎn)折點，屆時煤、石油等傳統(tǒng)化石能源占比將開始大幅下降，而水電、核電等清潔能源則將開始快速增長。我國汽車成品油消耗量接近石油消費總量的一半，發(fā)展新能源汽車可以減少國家石油資源消耗，是順應我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時，由于新能源汽車天然的低排放特點，大力推廣新能源汽車可大幅度削減車輛運行階段大氣污染物的排放，對改善城市空氣質(zhì)量，保證人群健康均有重要意義。
（二）汽車的電動化以及智能互聯(lián)，正在形成新一輪的技術(shù)沖擊浪潮
近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、4G、衛(wèi)星定位技術(shù)等的快速發(fā)展，汽車的電動化及智能互聯(lián)浪潮正在席卷全球。各相關(guān)領(lǐng)域已達成一個普遍共識，即未來的汽車將從今天的代步工具進化為一個“移動智能終端”，成為一個隨時互聯(lián)互通、具備多種功能的交互應用平臺。相比傳統(tǒng)汽車，新能源汽車是智能化技術(shù)應用集成更為理想的平臺，兩者的緊密聯(lián)系和互動將催生出更多新理念、新模式、新維度，進而帶動信息技術(shù)的發(fā)展。
（三）新能源汽車涉及面廣、融合度高，承載著我國汽車強國建設(shè)的重任
新能源汽車作為低碳化和智能化這兩個未來時代主題高度融合的典型產(chǎn)品，涉及材料科學、信息技術(shù)、控制技術(shù)、制造工藝、制造裝備等幾大領(lǐng)域。其產(chǎn)業(yè)發(fā)展將有效促進各領(lǐng)域相關(guān)的前沿基礎(chǔ)研究、設(shè)計開發(fā)、測試、生產(chǎn)制造等各環(huán)節(jié)的技術(shù)進步和科技創(chuàng)新，其相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品創(chuàng)新將對其他產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新起到示范帶動作用。
同時，新能源汽車的核心是驅(qū)動力的新能源化，其創(chuàng)新與發(fā)展，除了革新汽車電機、電控乃至整車技術(shù)外，還將高度融合能源管理、智能互聯(lián)和云服務(wù)，極大地重塑汽車產(chǎn)業(yè)鏈，這對汽車產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱的我國來說，既是契機，更是挑戰(zhàn)。節(jié)能與新能源汽車作為十大重點發(fā)展領(lǐng)域之一，是實現(xiàn)2025目標的重要抓手和組成部分，也是實現(xiàn)汽車強國戰(zhàn)略的重要機遇。
從現(xiàn)在起到2050年，以節(jié)能減排為主驅(qū)動力，根據(jù)產(chǎn)品成熟度的不同，有計劃、有安排、有次序地在各領(lǐng)域推廣應用不同類型的新能源汽車，并逐步提升技術(shù)水平、調(diào)整車型結(jié)構(gòu)、提高應用規(guī)模，最終實現(xiàn)新能源汽車占我國汽車總保有量的50%，如表1所示。
表1? 新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略目標整車路線圖
第一階段：從現(xiàn)在起到2020年，重點減少汽車PM2.5排放。主要在公交出租、物流運輸、公務(wù)機構(gòu)等公共服務(wù)及小型純電動乘用車領(lǐng)域推廣應用新能源汽車。該階段重點發(fā)展純電動與插電式混合動力汽車，支持鼓勵燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)。到2020年，新能源汽車年產(chǎn)銷量達200萬輛，市場占比為5%~10%，占我國汽車總保有量的2%以上。
第二階段：2020—2030年，以節(jié)能為主要驅(qū)動力，PM2.5得到有效控制，CO2排放有所上升。在全社會各領(lǐng)域大規(guī)模推廣應用純電動與插電式混合動力汽車，同時實現(xiàn)燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化并達到一定的產(chǎn)銷規(guī)模。大力研發(fā)、成熟應用清潔發(fā)電及氫燃料制備（如利用自產(chǎn)可燃冰等資源發(fā)電、制氫）等技術(shù)，實現(xiàn)自產(chǎn)氣、可燃冰等資源用量超過石油用量。到2030年，新能源汽車年產(chǎn)銷量達2000萬輛，市場占比為50%左右，占我國汽車總保有量的15%。
第三階段：2030—2050年，以減少CO2排放量為主要驅(qū)動力，降低全產(chǎn)業(yè)鏈能耗水平。在全國各領(lǐng)域開始大規(guī)模推廣氫燃料電池汽車，建設(shè)完善能滿足全面普及燃料電池汽車的基礎(chǔ)設(shè)施。研發(fā)應用更清潔更高效的燃料制備技術(shù)，利用太陽能、潮汐能、風能等可再生能源生產(chǎn)燃料。同時擴充燃料類型，積極開發(fā)生物質(zhì)燃料、甲醇、CO等多種燃料類型。到2050年，基本實現(xiàn)新能源汽車占我國汽車總保有量的50%以上，其中相當部分為燃料電池汽車。在關(guān)鍵零部件中，高能量密度動力電池是新能源汽車當前的迫切需求。目前三元層狀鋰離子電池材料是最有應用前景的高能量密度正極材料，發(fā)展方向主要有高鎳及高電壓兩個方向。高電壓三元材料受高電壓電解液等配套技術(shù)不成熟的限制，短期內(nèi)還無法大批量應用。而高鎳正極材料組合Si基負極是三元動力電池面向300 Wh/kg以上要求的主要技術(shù)路線，如圖1所示。Si具有最高的理論嵌鋰容量（約4200 mAh/g）和較為適中的嵌脫鋰電位（約0.45 V vs.Li/Li+），在高速充電時能更好地避免鋰在極片表面的析出和枝晶生長，從而改善電池的操作安全性，可適應較寬的溫度范圍和較高的倍率性能。
圖1 300 Wh/kg以上三元動力電池技術(shù)路線
但是，高鎳三元材料隨著鎳含量的增加，其氧化性、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性隨之明顯增加。目前，為提升能量密度的約束，在提升材料的克容量時，其循環(huán)壽命、熱存儲、安全性等性能都會惡化。因此，只有這些性能達成一個平衡狀態(tài)，滿足實際使用需求時，才能真正實現(xiàn)量產(chǎn)應用。
鋰離子電池屬于封閉體系，其能量提升空間存在一定的瓶頸，因此未來將逐漸被新型電池所替代。當前研究比較熱門的下一代動力電池有全固態(tài)電池、鋰硫電池、金屬空氣電池、燃料電池等。
全固態(tài)電池電壓平臺高，固態(tài)電解質(zhì)比有機電解液普遍具有更寬的電化學窗口，且能阻隔鋰枝晶生長，為具有更高能量密度空間的新型鋰電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。全固態(tài)鋰電池當前能量密度約為350 Wh/kg，預估最大值可達900 Wh/kg，但其生產(chǎn)工藝流程和技術(shù)跟當前的常規(guī)液態(tài)鋰離子電池完全不同，產(chǎn)業(yè)化面臨相當高的技術(shù)壁壘。由于固體電解質(zhì)中離子傳輸速度較慢，固體電解質(zhì)和正負極材料界面的電阻很大，決定了其倍率性能必然是短板，同時全固態(tài)電池的循環(huán)性和溫度性能也會面臨很大挑戰(zhàn)。當前全固態(tài)鋰電池還處于試驗階段，商業(yè)化還需時日。
鋰硫電池以硫作為正極，其理論比能量高達2600 Wh/kg，且單質(zhì)硫成本低、資源豐富、對環(huán)境友好，目前主要存在活性物質(zhì)利用率低和循環(huán)性差等問題。開展高性能碳硫復合材料制備技術(shù)、高穩(wěn)定性鋰或鋰合金負極制備技術(shù)以及鋰硫電池制備技術(shù)的優(yōu)化等，獲得比能量大于500 Wh/kg的鋰硫電池，方可滿足新能源汽車長續(xù)駛里程的使用要求。
金屬空氣電池因為電池陰極活性物質(zhì)O2可以從環(huán)境中攝取而不需要存儲于電池體系中，因而具有較高的理論能量密度（～11 500 Wh/kg，不包括O2質(zhì)量），也因此成為近年來人們研究的熱點。以鋰空氣電池（Li-O2）為例，最近的研究表明，可以承受100周期以上的循環(huán)，同時充放電過程中Li2O2的生成/分解也被證實。但是，Li-O2電池陰極氧電極充放電動力學過程緩慢，且存在較大的極化過電位，所以導致目前報道的Li-O2電池能量效率較低。開發(fā)高效的雙功能催化劑，以較大限度地提高Li-O2電池的能量效率是當前研究的重點。目前研究較為廣泛的氧電極催化劑包括碳材料、非貴金屬（氧化物）及貴金屬（氧化物）等。
另外一種研發(fā)比較熱門的新型電池是燃料電池，其獨特的異相電催化反應過程，使得不管是氫的電化學氧化還是氧的電化學還原，都可以在Pt/C催化劑表面獲得較高的交換電流密度。同時兼具高能量和高功率的工況特性，這恰恰是現(xiàn)代汽車對動力系統(tǒng)的最基本的技術(shù)要求。站在電化學器件的角度，相較于二次電池，燃料電池是化學電源的一個更高的發(fā)展層次。燃料電池和二次電池在工作方式上的本質(zhì)不同，決定了二次電池適用于中小功率的儲能應用，而燃料電池則適合于較大功率的儲能應用。
綜合來看，未來5~10年內(nèi)全固態(tài)電池、鋰硫電池、金屬空氣電池、燃料電池產(chǎn)業(yè)化的可能性都較小，動力鋰電池在未來幾年將迎來快速發(fā)展期。
目前全球高端動力鋰電池產(chǎn)能吃緊，正極、負極、電解液等關(guān)鍵原材料高端產(chǎn)品被日本企業(yè)所控制。目前我國已經(jīng)出現(xiàn)在動力鋰電池電芯制造領(lǐng)域具備國際競爭力的企業(yè)，其電池能量密度與國外接近，但差距主要體現(xiàn)在可靠性及一致性上。
燃料電池方面，國外汽車企業(yè)早于我國率先進行技術(shù)布局，并建立了燃料電池發(fā)展路線，形成了多國聯(lián)合研發(fā)陣營，鉑金催化劑等關(guān)鍵技術(shù)已實現(xiàn)突破，并完成產(chǎn)業(yè)化升級，同時推出了市場化乘用車產(chǎn)品。我國燃料電池汽車基礎(chǔ)較弱，關(guān)鍵材料和部件大多依賴進口，燃料電池發(fā)動機成本居高不下，其耐久性、環(huán)境適用性等方面還存在技術(shù)瓶頸，有待繼續(xù)研究突破。五、驅(qū)動電機及系統(tǒng)構(gòu)型基本路線
新能源汽車的驅(qū)動電機技術(shù)相對成熟。我國電機系統(tǒng)的技術(shù)與產(chǎn)品滿足了新能源商用車、乘用車和特殊用途車輛的需求，多家驅(qū)動電機企業(yè)產(chǎn)能達到萬套級以上，部分產(chǎn)品已經(jīng)批量出口歐美國家，驅(qū)動電機部分指標達到了國際水平。
驅(qū)動電機主流路線有異步電機和永磁同步電機。其中，永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、響應快速、調(diào)速范圍寬、定位準確等特點，已經(jīng)成為主流技術(shù)。國內(nèi)外近期上市的新能源汽車大多采用永磁同步電機，個別企業(yè)如美國特斯拉汽車公司采用異步電機。2016年，在我國新能源汽車中，配套永磁同步電機的比例高達81.7%，而配套交流異步電機的比例則為17.8%。
未來車用驅(qū)動電機發(fā)展趨勢主要包括：電機的功率密度不斷提高，永磁電機應用范圍不斷擴大；電驅(qū)動系統(tǒng)的集成化和一體化趨勢更加明顯，電機與發(fā)動機、變速箱、底盤系統(tǒng)的集成度不斷提高；車用電驅(qū)動控制系統(tǒng)數(shù)字化程度不斷加大。
目前市面上的混合動力車型，主要匹配有增程式、并聯(lián)、混聯(lián)三種系統(tǒng)構(gòu)型。
增程式構(gòu)型通過發(fā)動機向電池充電，僅由電動機驅(qū)動車輛，這樣可以使發(fā)動機一直在最佳工況下工作且效率較高，即使在城市擁堵工況行駛也可以保持較低的油耗。但在高速工況下，由于能量傳遞有層級，會造成部分功率的損失，油耗偏高。其代表車型有寶馬i3、奧迪A1e-tron等。
并聯(lián)構(gòu)型大多是在傳統(tǒng)燃油車的基礎(chǔ)上增加電動機、電池、電控，由電動機與發(fā)動機共同驅(qū)動車輪，這樣能充分利用功率，沒有浪費問題，同時也能實現(xiàn)純電與混動模式兩種工況。其缺點在于，混動模式下由于單電機不能同時發(fā)電與驅(qū)動車輛，所以發(fā)動機不能保持最佳工況，油耗較高。其代表車型有奔馳550插電版、比亞迪秦等。
混聯(lián)構(gòu)型則有兩個電機，一個電動機僅用于直接驅(qū)動車輪，另一個電機即可用于充電，也可輸出驅(qū)動力。其優(yōu)點在于，任何行駛工況發(fā)動機均能保持最佳轉(zhuǎn)速，油耗較低，但也存在結(jié)構(gòu)復雜、成本較高、開發(fā)難度高等缺點。其代表車型有豐田普銳斯插電版、上汽榮威等。
市面上并聯(lián)、混聯(lián)構(gòu)型車型較多。國外實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)的乘用車混合動力系統(tǒng)多使用功率分流、混聯(lián)系統(tǒng)，傳遞效率高、節(jié)油性能好。國內(nèi)目前的混合動力系統(tǒng)仍然以微混和中混為主，混合動力系統(tǒng)的可升級產(chǎn)品（如插電式混合動力汽車，PHEV），主要是基于汽車起動發(fā)電一體機（ISG）的構(gòu)型拓展而來。自主汽車企業(yè)推出的插電式混合動力乘用車型，多使用并聯(lián)、串并聯(lián)系統(tǒng)，綜合性能距離國外還有一定的差距。尤其在專用發(fā)動機、機電耦合裝置、系統(tǒng)集成及控制等核心技術(shù)方面水平不高，與國外差距較大。
當前全球及我國在發(fā)展新能源汽車的過程中，均面臨著傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)性能提升困難、新體系電池處于研發(fā)中、燃料電池技術(shù)不成熟等核心障礙，導致新能源汽車續(xù)駛里程無法與傳統(tǒng)汽車競爭。新體系電池技術(shù)存在一定的顛覆性，燃料電池技術(shù)代表未來車用清潔能源的終極方向，我國的深度混合動力技術(shù)儲備相較國際領(lǐng)先水平還存在差距。因此，必須高度重視，組建國家級技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，加強投入力度，引導創(chuàng)新突破，掌握產(chǎn)業(yè)制高點與發(fā)展先機。
針對電動汽車的三大關(guān)鍵領(lǐng)域，建議由國家組織建立三家技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟：國家動力電池創(chuàng)新中心（已有）、國家新能源汽車動力系統(tǒng)研究中心、國家燃料電池技術(shù)創(chuàng)新中心，并設(shè)置目標任務(wù)書和實施制度約束，推動實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)資源集聚和研發(fā)產(chǎn)出。
定位目標：引導汽車及相關(guān)行業(yè)集成現(xiàn)有創(chuàng)新資源，組建協(xié)同攻關(guān)、開放共享的創(chuàng)新平臺。加強統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，開展關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)與工程化應用。發(fā)展模塊化供貨等先進模式以及高附加值、知識密集型等高端零部件。全面提升我國汽車工業(yè)自主開發(fā)能力和整體技術(shù)水平。
研究領(lǐng)域：動力電池（新型電池隔膜、新型電解液、新型正負極材料等）、動力系統(tǒng)（混合動力專用發(fā)動機、混合動力專用耦合機構(gòu)、絕緣柵雙極型晶體管、高速減速器、逆變器集成技術(shù)等）、燃料電池（電池堆、高性能膜材料、低鉑催化劑、制氫/儲氫/運氫技術(shù)等）。
組織形式：由國家相關(guān)部門組織科研機構(gòu)、整車企業(yè)、零部件企業(yè)、行業(yè)協(xié)會、高等院校等建立創(chuàng)新聯(lián)盟，并分別設(shè)定一家牽頭單位（原則上由第三方科研機構(gòu)牽頭，各單位按任務(wù)分工分頭開展研究）。
運行機制：國家相關(guān)部門制定各階段的研究目標及任務(wù)書，由牽頭單位組織成員單位共同完成，實行研究成果（包括技術(shù)專利、數(shù)據(jù)、資料等）共享，并逐步實施成果的推廣計劃。
資金需求：國家每年定期投入30%的研究經(jīng)費，企業(yè)自籌70%，鼓勵吸收社會資本、金融資本參與、政府和社會資本合作（PPP）等融資模式，解決資金需求。
總結(jié)來看，發(fā)展新能源汽車對我國降低石油對外依存度、緩解環(huán)境污染壓力、帶動相關(guān)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新、助推制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級等都具有重大意義。目前各種產(chǎn)品的技術(shù)路線還處于不斷探索改進的階段，電池技術(shù)尚未形成終極方案、混合動力技術(shù)構(gòu)型還在優(yōu)化，整車推進步驟也會伴隨產(chǎn)品成熟度的發(fā)展做出調(diào)整。未來新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還將伴隨補貼力度下降、國際競爭接踵而來的挑戰(zhàn)，為此，必須堅持創(chuàng)新驅(qū)動為第一核心，發(fā)揮好國家級技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的作用，加強產(chǎn)品技術(shù)競爭力。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
