鉅大LARGE | 點擊量：1713次 | 2018年06月21日
中外電動汽車關鍵技術有哪些不同？
本文通過分析對比國內外電動汽車關鍵技術，明確我國新能源汽車產業的國際競爭地位，為國家宏觀政策引導和產業研發投入提供參考依據。
國外電動汽車發展現狀
發達國家諸如歐美日已經將電動汽車發展作為其在汽車產業具備核心競爭的一枚重要棋子，電動汽車的發展不僅得到了政府的諸多鼓勵措施，而且受到了民眾的歡迎。純電動、混合動力以及燃料電池汽車都已經在其能夠大放異彩的營運地點試用著，如日本東京電力的客服服務車、美國的街道垃圾清掃車等。
影響著電動汽車發展的最核心關鍵的因素是動力電池。這其中，鋰離子電池已經逐步成為國外混合動力以及純電動汽車的御用動力電池。為了讓鋰離子電池在全球范圍內得到廣泛的使用，各大車廠已經將動力電池的標準化作為全球推廣的關鍵一步。日本車企在此做出表率，豐田、日產在與松下電器的合作之中將合作制定了車用動力電池的標準，該電池標準包含測試、充電、安全等主要方面。
國內電動汽車發展現狀
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
進入21世紀以來，中國在新能源汽車方面的研究有著相當不錯的成績，在車用動力電池等核心技術上的研究取得成果的前提下，研發并生產出了一批電動汽車的整車產品，并且在諸多城市開展了公共交通示范運作。如北京121純電動公交線路、上海Y1純電動公交線路等。純電動公交的投入使用成為電動汽車在中國更好發展的先驅者。
2005年以來，電動汽車的關鍵技術探討研究和量產推廣得到了國家相關部門的大力支持，動力電池及電機總成、供充電基站、能源供給及回收模式、示范試用考核、政府支持政策等都在協同推進過程中得到發展。
電動汽車的發展趨勢
汽車工業發展的趨勢必將是電動汽車的使用，純電動、混合動力汽車現已是電動汽車發展的兩大類型。電動汽車的量產化及推廣使用一定會經歷漫長的過程和不同階段。電動汽車的發展階段可以大致分為起步、過渡和成熟這三個時期：起步期主要是電動汽車技術方面的探索和研究;過渡期是混合動力汽車的發展研究;成熟期是以純電動和燃料電池汽車作為最終發展目標。事實上傳統汽車行業受到金融危機的不小沖擊，其帶來的國際油價的不穩定，造成了節能減排的壓力增長、動力電池技術研發遲滯，使得部分主流車企在純電動汽車的投入研發資金增多，如豐田、大眾、日產、比亞迪等，相信在各國新能源產業政策的支持下，純電動汽車的發展會迎來新的市場熱潮。
一、純電動汽車關鍵技術
(一)動力電池方面
1、三元電池向高鎳方向發展
我國目前三元電池廠商主要生產的是NCM333和NCM523電池，NCM622已經進入部分企業的材料供應鏈，處于研發階段的NCM811也有望于近期開始應用。電池單體能量密度將從200Wh/kg向250-300Wh/kg邁進。國際方面，NCM622已經開始應用(寶馬i3)，NCM811開始小范圍適用。
2、圓柱電池向21700方向發展
國際上Tesla和松下共同研發的21700電池單體容量為3-4.8Ah，質量為60-65g，能量密度為300Wh/kg，并且已經應用在Model3車型上。而國內在乘用車領域還沒有21700電池應用的案例，但一些企業開始布局。
深圳比克電池預計21700電池單體容量可達到6Ah的;天鵬電源21700電池單體能量密度為200-240Wh/kg;億緯鋰能21700電池單體容量為4Ah，能量密度為215Wh/kg并計劃在2019年推出260Wh/kg的產品;遠東福斯特21700電池規劃單體容量為5Ah以上;力神發布的21700電池單體容量為2-5Ah，能量密度為210-260Wh/kg。
(二)電驅動系統方面
1、我國車用驅動電機技術處于國際領先地位
我國乘用車驅動電機產品功率密度已經達到3.3-3.6kW/kg(峰值功率/有效質量)，最高轉速提高至12800rpm以上;商用車驅動電機轉矩密度達到18Nm/kg以上，最高轉速達到3500rpm以上。在乘用車方面，我國驅動電機產品的功率密度已經達到3.8kW/kg(峰值功率/有效質量)，轉矩密度為7.1Nm/kg，與寶馬i3的驅動電機技術指標處于同一水平。
2、國內外車用電機控制器技術現狀我國車用電機控制器技術正在迅速追趕國外同類產品水平。我國電機控制器功率密度已經達到12kW/L以上，控制器效率達到98%以上。從數值上看，與博世2015年的水平接近，但這是在標準模塊封裝下的性能參數，而在客戶不同要求的定制化封裝時，我國電機控制器的指標數據會有所降低。然而，雖然技術水平還落后于國外，但我國企業仍在不懈的追趕中，目前已經開發出功率密度18kW/L的定制化封裝電機控制器樣機。
3、我國車用電驅動系統發展目標
十三五重點研發計劃對于驅動電機的發展目標為：乘用車電機功率密度4kW/kg，商用車電機轉矩密度做到20Nm/kg，繼續保持國際領先水平。
十三五重點研發計劃對于驅動電機控制器的發展目標為：電機控制器實現功率密度倍增，達到國際先進水平。具體技術目標為2020年達到16-18kW/L，力爭2025年達到32-36kW/L(碳化硅)。
二、深度混合動力汽車關鍵技術
深度混合動力的特點是動力系統以電動機為基礎動力，汽油發動機為輔助動力。電動機完全可以滿足車輛在起步和低速行駛狀態下的動力要求，隨著速度的提升汽油發動機會和電動機通過智能系統來協同高效的工作，并且可以帶動發電機為電池充電。
(一)串聯式混合動力
串聯混合動力在車輛行駛時，發動機不直接驅動車輪，而是作為發電機為電池充電，僅由電池帶動電動機驅動車輛行駛。
日產NOTE
日產在2016年發布一款名為e-POWER的動力系統，該系統屬于串聯式混合動力(增程式)。
與傳統混合動力系統不同，日產e-POWER動力系統中，搭載了一臺三缸1.2L排量發動機(HR12DE)，該發動機具有如下技術特點：
一、采用米勒循環的工作原理，使得發動機的膨脹比大于壓縮比，在膨脹行程中可最大限度的將熱能轉化為機械能，有助于提高發動機的熱效率，降低燃油消耗。二、12:1的壓縮比，可以讓混合氣中的汽油分子汽化的更完全，提高了發動機的工作效率。三、缸體采用真圓加工工藝，令缸體內壁更加光滑，減少活塞和氣缸之間的摩擦力，提高工作效率，延長壽命。
與純電動汽車不同的是，e-POWER動力系統中的能量來源是發動機，而不再是電池。
整個e-POWER動力系統可以讓車輛的加速性能如純電動車一樣，主要元器件與純電動汽車通用(與聆風采用同款電機)，減少研發和生產成本。由于發動機只負責發電，燃油經濟性表現優異(Notee-Power的油耗水平在日本JC08測試標準下達到了37.2km/L)。
(二)混聯式混合動力混聯混合動力在車輛行駛時，電動機和發動機都能夠分別單獨的驅動車輛，能夠提供純電、純油和油電混合三種驅動模式。1、雪佛蘭VOLT2018款雪佛蘭VOLT的動力系統名為Voltec，該系統由充電接口、電子驅動單元、發動機、鋰離子電池組構成。VOLT完全由電機驅動，當電池組的電力耗盡時，可以通過一臺1.5L的發動機帶動發電機來為車輛電驅系統繼續提供電能，在純電模式下可以行駛53英里，在增程模式下可以行駛420英里。其工作方式為：插電模式下，外接電源為電池充電，電池為電機提供電力，電機向車輪提供動力;增程模式下，發動機帶動發電機發電，發電機為電池充電，電池為電機提供電力，電機向車輪提供動力。
2、榮威eRX5榮威eRX5的動力系統主要由發動機、EDU電驅變速箱組成。發動機是一臺代號為15E4E的1.5T發動機，最大功率124kW，峰值扭矩250Nm，與之匹配的是整套混動系統最核心的執行機構——EDU電驅變速箱。在純電模式下可以行駛60km，在增程模式下可以行駛650km。
3、比亞迪秦比亞迪“秦”搭載的最新DMII系統除了可實現純電動模式行駛和混合動力模式行駛外，當電量不足或高壓系統故障時還可單獨用發動機驅動行駛，實現了高壓系統的獨立性。該系統搭載了一臺1.5T渦輪增壓發動發動機，最大功率113kw，峰值扭矩240Nm，6檔雙離合變速、110kW永磁同步電機以及10kWh容量的電池組合在一起，整體采用集成式一體化設計，從而使結構緊湊便于布置且提高了結構強度。
三、燃料電池汽車關鍵技術
(一)豐田
1、車型基本情況
豐田的燃料電池技術處于世界領先，以其量產的乘用車Mirai為例，體積功率密度為3.1kW/L(比2008年豐田的技術提升了2.2倍)，發電功率達114kW，據美國環保局EPA官方數據顯示，Mirai最高續航里程可達312英里(約502公里)。
2、燃料電池技術解析
電池單體流道構造的創新。豐田Mirai配備的新型燃料電池技術，革新性的使用了世界首創的3D細孔流道設計。3D細孔流道為三維的微細格子流道，通過使空氣向接觸電極的方向以紊流形式流動，來促使氧向觸媒層的擴散。
另外，通過流道內外形狀的最佳化與流道表面的親水性使生成水快速地從電極排出，抽出到流道表面，防止由于流道堵水造成氣體流動不暢，以此實現電池組內面的發電均一和降低電池組之間電壓的誤差。此外，在電池組內面可以改變流道形式，在空氣極上游道分緩和紊流，即使在無外部加濕的情況下也能夠控制電極的干燥。
正極的創新。電解質薄膜采用薄層設計，厚度減小1/3，導電性提高3倍。氣體擴散層通過基材的低密度化和薄膜化，使氧氣擴散性提升2倍以上。催化劑通過采用最佳的Pt/Co合金比例，使催化活性提高了1.8倍。
通過以上技術創新提高了氣體擴散性減低了濃度過電壓;提高了質子傳導性降低了電阻過電壓;提高了催化活性降低了活性過電壓，相當于單位面積不變的情況下，大幅增大了可發電電流，使電流密度為原來的2.4倍。
取消加濕器。新型電池組的結構使空氣流道和電極兩端在宏觀上形成對流，靈活運用電池組內空氣流道下流生成的水，在氫流道上流部加濕氫，通過氫的流動將水蒸氣運送到氫下流部，通過電解質膜使水逆擴散，對電極容易干燥的空氣流道上流部進行加濕，無需額外添加加濕器。
通過以上的改進，豐田新型的燃料電池堆體積功率密度達到原來的2倍以上(3.1kW/L)，最大功率從原來的90kW提高到了114kW，相當于電堆的功率提高了36%，而電堆的體積也實現了24%的小型化。
(二)本田
1、車型基本情況
本田Clarity搭載的燃料電池體積功率密度為3.1kW/L，發電總功率達103kW，整個電堆位于發動機艙內，兩個氫瓶分別布置在后排座椅下方以及后方，最大儲氫量為141L(約5kg)。Clarity最高續航里程可達366英里(約589公里)。
2、燃料電池技術解析
本田通過不斷技術的改進，使得Clarity所采用的新動力系統的電機高度縮小34%，燃料電池單體的數量減少了30%。
此外，新燃料電池單體自身的厚度也降低了20%。盡管燃料電池數量有所減少，但每個燃料電池單體的輸出均增加了1.5倍，總功率達103kW，每個電堆體積僅為33L，功率密度達到3.1kW/L。
新型電驅動兩級空氣壓縮器。它提高了1.7倍的空氣輸送能力，壓縮機的體積也縮小了40%左右。
新型燃料電池電壓控制單元。利用碳化硅功率半導體器件將燃料電池的電壓輸出提高至500V。此外，電機的最高轉速也從之前的12,500轉提高至13,000轉，最高時速上升至166km/h。
取消加濕器。為了提高燃料電池單元的發電效率，改進了氫氣和空氣的流動方向，令生成的水在電池單元內循環，無需額外添加加濕器，這使得電池的輸出功率提高了50%，體積減少20%，降低了生產成本。
(三)現代
1、車型基本情況
2013年2月26日，現代發布了世界上第一輛量產版氫燃料電池車ix35FCV。該車型配備了發電功率為95kW的燃料電池，可在-20℃的情況下正常啟動。同時配有兩個700bar的氫瓶，可儲存氫氣5.6kg，最大續航距離為415km。
2017年8月17日，現代集團官方發布一輛名為新一代FCEV的燃料電池概念車型，并計劃于2018年量產。該車型搭配了現代第四代燃料電池系統7，，相比于上一代系統，對四個關技術進行了升級：燃料電池系統效率、性能(最大輸出功率)、耐用性和氫儲存。
2、燃料電池技術解析
燃料電池系統效率提升。通過提高燃料電池性能、降低氫氣消耗率以及優化關鍵部件，新車型與ix35燃料電池車相比，效率提升達60%，比ix35提高了9%。由于系統效率大幅提升，新車型有望實現單次續航里程達到580公里(基于韓國的測試標準)。
產品性能(最大輸出功率)提升。與上一代車型相比，新車型最大輸出功率提升了20%，高達163馬力(約120kW)。除此之外，該系統還提高了車輛的冷啟動能力，經過優化后可以在-30℃下順利啟動。
耐用性提高。由于采用了高耐用性催化劑技術，新款氫燃料SUV的使用壽命較上一代產品有了大幅提升。
氫儲存技術優化。新款燃料電池車在儲氫能力方面也有了顯著提升。通過對塑料內膽結構的創新及高效的分層，減少了氫瓶厚度，重量減少了10%，儲氫效率提升25%，實現了世界一流的氫氣存儲能力。與此前兩個不同尺寸的氫瓶相比，新車型搭配了三個同尺寸的氫瓶，并且可以安裝在座椅下方，進而保證行李箱擁有如同燃油車般的使用空間。
(四)日產
1、車型基本情況
2016年，日產汽車在巴西發布了世界首款由固體氧化物燃料電池(SOFC)驅動的原型車e-BioFuel-Cell，該原型車基于海外版NV200電動版打造，配備了一個5kW的固體氧化物燃料電池和30L油箱，采用生物乙醇作為燃料發電，向一個24kWh的電池提供電能，續航里程將不少于600公里，計劃到2020年正式發售。
2、燃料電池技術解析
無需外供氫。與豐田的技術路線不同，日產這款原型車無需添加氫氣，而是直接添加生物乙醇燃料，通過車內車載改質器的轉化，將生物乙醇轉化為氫氣和二氧化碳，其中的氫氣通過固體燃料電池堆與空氣中的氧氣發生電化學反應產出電能。
降低對氫氣純度的要求。此類型燃料電池車輛，可以使用純度較低的氫氣作為能源供給，并且無需新建加氫站，利用現有加油站就可對生物乙醇進行存儲。雖然固體氧化物燃料電池系統在工作時會產生二氧化碳，但包括甘蔗在內的一些植物在生長過程中需要吸收二氧化碳，因此這種電池能夠實現總體上的碳平衡狀態。
(五)上汽
1、車型基本情況
榮威950FULLCELL氫燃料電池轎車搭載有動力電池和氫燃料電池雙動力源系統，除了常規的補充氫氣外，還可以通過外接充電的形式對電池充電。車內搭載兩個700bar氫氣瓶，其氫氣儲量可達4.34公斤，最大續航里程為430公里，最高時速160km/h，可在-20℃的情況下正常啟動。
四、總結
(一)動力電池技術與國外具有一定差距，我國目前三元電池廠商主要應用的是NCM333和NCM523電池，NCM622已經進入部分企業的材料供應鏈，處于研發階段的NCM811也有望于近期開始應用，電池單體能量密度將從200Wh/kg向250-300Wh/kg邁進。國際方面，NCM622已經開始應用(寶馬i3)，NCM811開始小范圍適用。另外，圓柱型電池也由18650逐步向27100方向發展。國際上Tesla和松下共同研發的21700電池的單體容量為3-4.8Ah，質量為60-65g，能量密度為300Wh/kg，并且已經應用在了Model3車型上。而我國在乘用車領域還沒有21700電池應用的案例，但已經出現一些企業開始布局。
(二)我國車用驅動電機技術處于國際領先地位，我國乘用車驅動電機產品功率密度已經達到3.3-3.6kW/kg(峰值功率/有效質量)，最高轉速提高至12800rpm以上。國際上寶馬i3的驅動電機功率密度為3.8kW/kg(峰值功率/有效質量)，與我國驅動電機水平基本保持一致。
(三)我國車用電機控制器技術正在迅速追趕國外同類產品水平，我國電機控制器功率密度已經達到12kW/L以上，控制器效率達到98%以上，僅僅達到博世2015年的技術水平。而在定制化封裝下，我國電機控制器的性能將會有所下降，技術差距明顯。但我國企業正在不懈努力的追趕中，目前已經開發出功率密度18kW/L的定制化封裝電機控制器樣機。
(四)純電驅動技術路線獲得國際認可，增程技術嶄露頭角
日產在2016年發布一款名為e-POWER的動力系統，該系統屬于串聯式混合動力(增程式)，其發動機不再與車輪連接，只起到為電池充電的作用。由于發動機只負責發電，并且一直處于最佳的工作區間，其油耗水平在日本JC08測試標準下達到了37.2km/L。
2018款雪佛蘭VOLT的動力系統名為Voltec，其特點是整車完全由電機驅動，當電池組的電力耗盡時，可以通過一臺1.5L的發動機帶動發電機來為車輛電驅系統繼續提供電能，在純電模式下可以行駛53英里，在增程模式下可以行駛420英里。
由上汽集團自主研發的榮威eRX5同樣具有增程模式，并且該系統更傾向于純電驅動的設計，只有在電量低與需要大扭矩輸出時，發動機才會啟動介入。在純電模式下可以行駛60km，在增程模式下可以行駛650km。
(五)日本引領全球燃料電池技術發展，我國燃料電池乘用車產業化進展緩慢2014年豐田發布燃料電池車型Mirai，其搭載的燃料電池系統體積功率密度為3.1kW/L(比2008年豐田的技術整整提升了2.2倍)，發電功率達114kW，最高續航里程可達312英里(約502公里)。
本田Clarity于2016年上市，其搭載的燃料電池體積功率密度為3.1kW/L，發電總功率達103kW，最高續航里程可達366英里(約589公里)。
2016年，日產在巴西發布了世界首款由固體氧化物燃料電池(SOFC)驅動的原型車e-BioFuel-Cell，續航里程將不少于600公里，計劃到2020年正式發售。
我國燃料電池乘用車以上汽榮威950FULLCELL為代表，其搭載有動力電池和氫燃料電池雙動力源系統，除了常規的補充氫氣外，還可以通過外接充電的形式對電池充電，最大續航里程為430公里，可在-20℃的情況下正常啟動。
五、發展建議電動汽車的出現為我國提供了一個由汽車大國邁向汽車強國的機遇。建議國家層面要堅定不移的支持電動汽車關鍵技術的發展，持續設立科研項目，特別是在我們還比較薄弱的方面，比如：電池材料、結構設計、產業配套、生產設備等;電機本體永磁化、控制數字化、系統集成化、碳化硅功率器件等;插電式混合動力系統和深度混合動力系統;燃料電池關鍵技術等方面。
純電動汽車發展的關鍵技術
車身、底盤、動力電池組、電機、電機控制器和輔助設備是純電動汽車的主要構成部分。純電動汽車作為新能源汽車分類下的重要角色，國內外關于純電動汽車的研究更是有著良好的發展。要做好純電動汽車的關鍵技術研發工作并不容易，需要車企及研究人員在諸多關鍵的技術上有突破性進展。這其中電動整車結構、電池組、電機及電控以及電能管理技術等將都是發展電動汽車的最關鍵的地方。
1電池技術
純電動汽車的車用動力電池的發展經歷了三代，第一代是鉛酸電池，第二代是堿性電池，第三代是燃料電池。各種類型的電池性能比較如表1所示。但這些電池技術成熟但相對陳舊，新型的電池技術，諸如模塊化電池技術、無線快速充電技術等都有待研發，并有效提升電池性能。
2電機及控制技術
驅動電機同樣是純電動汽車的關鍵組成。為了使純電動汽車的具備良好的行駛性能，驅動電機應該具有調速范圍寬、轉速高，扭矩大等基本特征。另外要質量輕、體積小、機械效率高、制動效能高和能量回收的性能。純電動汽車驅動電機的性能表現如表2所示。
在機電一體化快速應用的時代，智能數字化的控制系統得到廣泛應用。自適應、變結構、遺傳算法模糊、神經網絡等非線性的智能控制技術也會被快速的應用與電機控制系統。合理使用這些技術將使得系統結構更加優化、響應更加靈敏、抗干擾能力更強，這大大提高整個系統的綜合性能。
3整車技術
純電動汽車是多學科的高合成度的產品，在動力電池、電動機以及電動控制系統之外，整車總布置和車身結構也是最基本的構成部分。對于整車技術的研究多借鑒于傳統燃油汽車，并以此作為電動汽車的改進基礎。輕量化材料如鋁鎂合金、優質合成鋼材及諸如碳纖維等材料的采用，會使得車身質量大量減輕;高性能的子午線輪胎的使用會減少車輛行駛過程中的車輪滾動阻力;流線型車身造型，可使得汽車行駛的空氣阻力減少等等。
這其中整車車身輕量化始終是純電動汽車的各項整車技術當中核心的研究內容。純電動汽車因為布置了動力蓄電池組，增加了整車重量，所以輕量化得問題更加突出，汽車輕量化的技術主要有以下幾種。第一，使用輕型材料，例如鋁合金、碳纖維等。第二，通過結構優化，利用CAD/CAE結合技術對車身結構進行多工況強度分析以及模態分析研究，計算試驗相結合驗證，實現結構最優，達到質量減輕的效果。第三，采用先進的汽車制造工藝技術，例如激光拼焊等。
4能量管理技術
比能量高、比功率大、使用壽命長的蓄電池是電動汽車具備高續駛里程和良好動力特性的必要條件，但是一個優秀的電池能量管理系統不僅能夠延長電池的使用壽命而且可以增加電動汽車的續駛里程。電動汽車的ECU是能量管理系統。一方面，它能夠采集汽車各個子系統的實時運行數據，進行實時監控和修復診斷;另一方面，有著控制充放電模式、顯示電池剩余電量等功能。能量管理系統是電動汽車的安全保障，它需要執行的功能之多，負擔之重前所未有。它不僅可以在線對電池進行修復并且能夠實時保護電池，監測電池電壓、電流和溫度，建立安全保護機制，有效提升電池使用壽命。
電動汽車產業化的前景展望
技術成熟程度、使用便利性及經濟性是影響電動汽車普及的主要因素，電動汽車必須在這三個方面具有與燃油汽車相比較的核心競爭力，這樣才能讓電動汽車大規模應用和量產。
在對純電動汽車產業的考察分析之后，可以看到推動其發展的因素主要技術、能源以及政府政策。純電動汽車產業發展必須要汽車技術、市場需求、政府支持及能源等因素協同作用下才能夠更快的實現產業化，也只有這樣才能夠有效的緩解漸趨嚴峻的能源及環境問題。
上一篇：電動汽車與中國環境污染的關系
下一篇：諒解備忘錄，你造嗎？
