AutoR智驾 2019-07-05 15:41
2025年:中国新能源汽车进入性价比时代
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2012年我国发布了节能与新能源汽车产业发展规划,经过六年的时间,新能源汽车产销连续四年居世界首位,保有量占世界的50%以上。

新能源汽车的未来机遇与挑战并存,机遇来自政策,挑战来自电池安全。


7月初,在海南博鳌举办的2019世界新能源汽车大会期间,工业和信息化部党组成员、副部长辛国斌表示,“新能源汽车产业的发展有效带动了投资、就业和税收增长,初步估算,全产业链累计投资超过2万亿元,逐渐培育成推动经济发展的新动能,逐步看到中国新能源汽车产业处于政策驱动向市场驱动转变,与能源、交通、新一代信息通讯等产业加速融合的关口,迎来了新的发展机遇,但也面临不少挑战。”


2012年我国发布了节能与新能源汽车产业发展规划,经过六年的时间,新能源汽车产销连续四年居世界首位,保有量占世界的50%以上。


最新数据显示,今年1月-5月,新能源汽车产销分别完成48万辆和46.4万辆,同比增加46%和41.5%。


更为激进的博鳌共识目标中,到2035年全球新能源汽车的市场份额达到50%,全球汽车产业基本实现电动化转型。


辛国斌称,“新能源汽车的推广应用共减少成品油消耗2425万吨,减少二氧化碳的排放7045万吨。”


不过,随着新能源汽车补贴的退坡,动力电池企业下一步也面临新一轮洗牌。”


目前,我们动力电池配套的排名80%都集中在宁德时代新能源和比亚迪等少数几家企业。


不过,北京理工大学教授、中国工程院院士吴峰认为,“中国动力电池目前状况是总体产能过剩,优质产能不足,急需进一步创新发展,以期取得具有颠覆性的技术突破。”


信息显示,到2020年国家对于动力锂离子电池能量密度的指标是300Wh/kg,一些电池企业已经初步达到了这个指标,一些企业还在进一步提高综合性能。


从2018年动力电池所用材料体系的统计结果来看,磷酸铁锂、三元、锰酸锂等材料中,占比最多的是三元材料。


但在国家补贴退坡后,随着磷酸铁锂材料的性能进一步提高和它在安全性方面的一些优势,它是否会在动力电池市场有新一轮崛起,还有待观察。


在新能源大会上,吴峰发表了他的团队在新一代高比能锂离子电池正极材料富锂锰基材料方面的突破。


他的团目前聚焦在在仿生膜设计,通过界面保护提高材料稳定性,构筑选择性锂离子通道,提高材料倍率性能方面也进行了一系列的研究。


在新型负极材料方面,进行了无集流体,无黏结剂电极方面的尝试,可以提供更多电化学位点,从而提高电极比容量。

 

在锂硫电池正极材料方面,利用双“费歇尔酯化”的模块组装方法,将分散的导电碳组装为椭球型的微米超结构,显著提高了正极单位面积的硫载量,电池能量密度达到545Wh/kg。


在动力电池安全性方面,材料入手,包括研制出温度敏感电极、陶瓷高强隔膜、安全电解质等显著提高了电池的夲征安全性,并且研制出基于纳米TiO2与离子液体的新一代凝胶固态电解质,具有高室温电导率与显著的安全性(1300℃/60s不燃)。


在系统安全性方面,基于团队提出的电池安全阈值边界的识别与控制概念,建立了相关的安全状态的数学模型,通过建立这个数学模型,可以将量化安全度实时显示在电动汽车仪表盘,给司机提供可视化的安全预警。

 

在动力电池回收再生和再利用方面,研发出天然有机酸绿色高效回收技术,钴、锂、镍的浸取率达到92%以上。把回收过来的材料再做成正极,并符合正极材料的要求,这形成一个内循环,从废旧正极的回收到正极材料的再生。


讲到动力电池技术发展方面,吴峰认为,“今后主要还是集中在提高安全性、提升比能量,提高寿命、控制成本方面,寿命和成本本身也是密切相关的。”


在正极材料选择方面,他透露,高镍或者做低钴、无钴的材料,目前低钴是大趋势。富锂锰基是下一代高比能锂离子电池的主要正极材料,因为在研究当中发现,在这个体系里,氧参与了反应,也就是说从单电子上升为多电子反应,为锂离子电池能量密度的大幅度提升提供了材料基础。


对新型负极材料而言,硅碳复合还是研发重点,纯硅还要再远一点,负极材料在纳米化方面还有很多研究的空间。


电解质是影响锂离子安全的主要因素之一,在向固态化方向发展。


吴峰认为“目前还达不到全固态,研制出新型仿生蚁穴结构的新型离子凝胶电解质,在锂金属表面形成保护层,可有效抑制锂枝晶生长。电池材料在仿生方面的研究有利于电池本身的绿色化。”


动力电池隔膜需要高稳定性,在保证强度的基础上,有待进一步轻质和薄型化。


动力电池正迈向固态化时代,现在硫化合物和聚合物的结合还是比较看好的,从准固态向固态发展。


对于锂硫电池,吴峰也做了进一步的讲解,他认为,“锂硫电池虽然有很高的理论质量能量密度,但它的体积能量密度目前还难以满足新能源汽车的要求。北京交通非常堵,如果在堵车的时候车子可以腾空往前走几百米再下来,这个地方是可以考虑用锂硫电池的,因为它轻,目前主要可用于无人机。”


最后他建议,在保障安全性前提下,继续开发高能量密度、功率密度、低成本、高可靠性的动力电池体系,建立完整的动力电池梯次利用和电池回收再利用体系,加快推进新能源汽车发展。


另一方面,技术发展的不确定性,意味着可能随时被颠覆,中国动力电池目前状况是总体产能过剩,优质产能不足,急需进一步创新发展,以期取得具有颠覆性的技术突破。


来自中国科学院院士,清华大学欧阳明高同样认为,“锂离子电池在体积能量密度是具有优势的,其他的高比能量电池在这方面无法和锂离子电池竞争,锂离子电池有望成为车用电池主流技术。”


对于锂离子的安全问题他谈到,“动力电池热失控的主动防控可以基本解决电池安全问题,并不是不可解决的。”


他从负极析活性锂,就是快充或者过充引起的,隔膜刺穿导致内短路引发热失控,高比能量电池正级析释活性氧,析氧密度随着比能量提升在不断下降三个方面解读了电池安全方面的研究。


针对电池充电析锂与快充控制,通过与日产在充电的算法上的合作,通过大量实验数据支撑,并考虑各种各样的情况,避免了很多热失控问题。


另外是电池的内短路与电池管理问题,内短路要通过电池管理手段提前预防,电池管理还有很多技术都会对整个电池内短路的诱因方面进行最好的预防,电池管理系统要升级为新一代以安全为核心的电池管理。


基于第三个机理,也就是高镍出现之后失氧温度下降,核心要从单体电池设计尤其热设计着手,新一代电解液添加剂等。


欧阳明高说,“新一代811失氧温度降低、热释放速率大幅度提升,热失控最高温度也大幅度提升。”


欧阳明高判断,在2027年左右,全球锂离子动力电池产量达到1万亿kWh,按照现在大众、宝马、丰田的电动车推出技术普遍提前了2-3年。中国原有的估计是在2030年左右达到1万亿kWh,乐观估计会提前2-3年,中国纯电动汽车市场在2025年出现性价比的转折点,然后迎来大发展。


在大会期间,针对新能源汽车关键核心领域技术难点、技术瓶颈的重要应用性技术以及新能源汽车未来产品技术更新换代和推动产业发展的重要基础性技术评选出了8项创新技术和8项前沿技术。


创新技术


华为5G+C-V2X车载通信技术


华为5G+C-V2X车载通讯技术助力5G时代智能网联汽车的发展。5G的高速率和低时延特性可支持智能汽车更快获取高精度地图等道路数据;C-V2X可支持车辆与道路基础设施、其他车辆、弱势交通参与者等进行直连通讯,该技术基于华为自主研发的5G车载通信模组MH5000和5G通信芯片Balong5000实现。Balong5000是世界上第一款支持C-V2X车联网技术的5G芯片。

 

丰田汽车高功率密度电堆设计技术


丰田汽车的MIRAI是世界上第一款量产级别的燃料电池汽车,汽车所使用的燃料电池电堆功率密度可以达到3.1kW/L,代表了国际顶尖水平。为了提高燃料电池输出功率,MIRAI采用铂钴合金,催化活性提高了80%。同时,通过先进的电堆结构和控制手段,降低了燃料电池单片的尺寸,使燃料电池变得小型化和轻量化;相比上一版本,MIRAI的电堆电流密度提高了1.4倍。

 

宁德时代高比能快充锂离子电池技术


该技术将石墨负极材料用于快充电池,运用孔道优化和“快离子环”技术,在石墨表面打造一圈高速通道,大大提高锂离子在石墨负极的嵌入速度,可实现10~12min充电80%SOC,结合正负极极片的晶体取向和容量过量系数等参数调配,配套机械件、热管理和快充BMS设计,使化学体系和电池设计参数达到最优匹配,在实现快充的同时保持高能量和长寿命等特点。

 

特斯拉基于SiC MOSFET的电机控制器


电机控制技术是打造高性能电机系统的关键。特斯拉开发并量产了基于SiC MOSFET的大功率电机控制器。基于SiC MOSFET的电机控制器开关频率高,耐热性能好且损耗低,并使得电机进一步小型化和轻量化。该技术可降低电动汽车工况循环电耗,增加车辆单次充电续驶里程。目前,该电控技术已大批量应用于Model 3纯电动车。

 

日产e-POWER技术:发动机发电专用、纯电机驱动


日产汽车的e-POWER技术利用纯电动汽车控制技术和零部件技术,将发动机调校成发电专用的规格和设置,通过优化电池的容量和功率以及发电的功率和时机,成功实现了低油耗节能减排效果。利用e-POWER驱动系统与发动机物理分离的技术,无需考虑工况,可以选择油耗最佳的发动机工作点,从而有效提高发动机热效率。

 

戈尔膨体聚四氟乙烯增强超薄质子交换膜技术


增强超薄质子交换膜是目前几乎所有量产燃料电池汽车必选的关键材料。戈尔公司的膨体聚四氟乙烯增强超薄质子交换膜具有独特的超薄膜结构增强设计,对导电树脂和添加剂的优选以及特殊生产工艺,实现了性能,耐久性和综合成本的平衡,为燃料电池汽车走向产业化提供了保障。

 

比亚迪汽车高效大功率轮边驱动系统关键技术


比亚迪汽车的高效大功率轮边驱动系统关键技术,包括电机与驱动桥轮边深度集成技术、电机铁芯直冷技术、分布式精准控制技术、IGBT复用融合技术等先进创新技术,解决了纯电动城市客车全通道低地板的技术难题。该技术属中国首创且已大批量应用在纯电动城市客车上。

 

宝马eDrive电力驱动技术


宝马eDrive电力驱动技术拥有超凡紧凑的设计。该技术将电机、传动系统、以及动力电子设备整合化一,可搭载在不同的车型结构中,包括插电式混合动力车型或者纯电动车型。基于模块化的动力单元设计,可以灵活组合不同尺寸,性能和结构形状的电机和动力电池。这一技术在车辆性能、续航里程、重量、空间和灵活性方面均带来显著优化。

 

前沿技术


智能驾驶汽车合成孔径雷达


合成孔径雷达属于一种高分辨率成像雷达,它的基础原理是雷达利用汽车平台的运动,将不同位置的回波进行合成处理,虚拟出很大的天线孔径,借此将方位向分辨率提升至毫米级。随着智能驾驶的兴起,该技术可以应用高精度地图定位以及代客泊车等汽车领域。

 

固态锂电池


固态锂电池具有高能量密度,高安全性和长循环寿命的突出优点。固态锂电池的固态电解质能与正极形成稳定的界面,同时能够阻挡锂枝晶的穿刺,使得运用高电压的正极材料和高能量密度的锂金属负极成为可能。在提高安全性的同时提升锂电池的能量密度,极大地提升了新能源汽车的经济性和环保性。

 

智能网联汽车基础数据云控平台


智能网联汽车基础数据云控平台采用边缘云、区域云、中心云三级技术架构。以大数据驱动的群体决策为基础,解决了单车智能在感知范围、协同控制方面的技术瓶颈,实现全要素网联化感知与人车路协同控制,全面提高交通安全性,优化交通通行效率,促进智能网联驾驶与智慧交通的深度融合。

 

高功率密度碳化硅车用电机驱动控制器技术


碳化硅器件具有高温、高效和高频特性,应用到电机控制器上可提高其功率密度和效率,同时降低成本。技术关键是解决高温SiC芯片载流子输运机理、SiC模块封装系统多应力耦合机制、电磁干扰产生与传播机理三大科学问题,此外需要突破SiC芯片电流输运增强、SiC平面型双面冷却封装、控制器集成方法等关键技术。

 

三维编织碳纤维复合材料汽车轻量化技术


三维编织CFRP零部件成型是一种可从纤维直接制造纤维预制件的编织方法。与传统二维编织布铺层形成层合纤维预制件的方法相比,三维编织技术减少了裁切、铺放、预成型等工序,大幅降低了工艺环节及相应的工艺成本。该技术应用将在汽车结构设计、车身部件加工和整车制造等方面产生重大影响。

 

燃料电池动力系统—高比功率的车用燃料电池电堆


燃料电池电堆是燃料电池系统的核心部件,其比功率决定了车载发动机的动力性能和成本。高比功率的燃料电池电堆能在有限空间内实现高功率装载,提升汽车动力性能;同时在同样功率输出情况下,可以降低材料等硬件使用量,使电堆成本得到下降,从而加速燃料电池车商业化时代的到来。

 

分布式电驱动系统技术


分布式电驱动系统通常采用多个轮毂/轮边驱动系统代替传统电动汽车的一个集中驱动系统,具有传动链短、动力传递高效、结构紧凑、底盘布置方便的优点,为车辆模块化、系列化开发和车内空间设计营造了极大的发展空间,通过力矩分配和复合制动等电控技术,可显著提高车辆主动安全性,改善汽车行驶性能和能源效率。

 

电动汽车无线充电技术


电动汽车无线充电技术是一种利用电磁感应原理,通过非接触的方式为电动汽车进行充电的技术。该项技术的应用通常是在地面端与车载端各安装两个耦合线圈,利用两线圈之间的磁场耦合实现能量从发射端到接收端的传输。电动汽车的无线充电避免了车载充电机与地面端电源的直接电气连接,具有易操作性、高安全性、强环境适应性的特点。


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