新能源汽車(chē)行業(yè)技術(shù)瓶頸及發(fā)展趨勢(shì)

李曉華，錢(qián) 虹

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200093)

在中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、積極推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展、加速結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下，發(fā)展節(jié)能與新能源汽車(chē)已成為一種共識(shí)。發(fā)展節(jié)能與新能源汽車(chē)不僅有利于中國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)、降低石油對(duì)外依存度、保障能源安全，而且可以帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，包括電池、電機(jī)、電力電子、電控、汽車(chē)零部件、整車(chē)制造以及基礎(chǔ)設(shè)施等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)發(fā)展路線呈多元化發(fā)展趨勢(shì)[1]。從“九五”開(kāi)始，我國(guó)將電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)持續(xù)列入國(guó)家科技計(jì)劃，建立起以純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)為“三縱”，以動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電子控制技術(shù)為“三橫”的電動(dòng)汽車(chē)“三縱三橫”研發(fā)布局。目前我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展為“全面開(kāi)花”的態(tài)勢(shì)，多種技術(shù)路線并存，最終將依靠市場(chǎng)來(lái)確立最終的主導(dǎo)模式。

1 動(dòng)力蓄電池是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展最大瓶頸

1.1 動(dòng)力蓄電池技術(shù)難題

汽車(chē)動(dòng)力蓄電池是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件之一，也是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要瓶頸之一。理想的車(chē)用動(dòng)力蓄電池要有高能量密度、高功率密度、壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、可長(zhǎng)期儲(chǔ)存(無(wú)顯著衰減和自放電)、安全性和可靠性良好、成本低等特點(diǎn)。

目前，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力蓄電池存在的技術(shù)難題主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：電池比能量、電池成組、充電時(shí)間和循環(huán)壽命問(wèn)題，如表1所示[2]。

針對(duì)上面的各類(lèi)難題，隨著科技不斷進(jìn)步，未來(lái)電池比能耗問(wèn)題、電網(wǎng)建設(shè)和充電站規(guī)劃將最先得到解決。電池成組和循環(huán)壽命是兩個(gè)相互依存的問(wèn)題，未來(lái)將有可能通過(guò)減少電池成組塊數(shù)甚至用單個(gè)整塊電池來(lái)取代目前的成組電池，通過(guò)將電池內(nèi)部打包的形式來(lái)消除成組帶來(lái)的困難并有效延長(zhǎng)動(dòng)力電池的循環(huán)壽命。動(dòng)力電池充電時(shí)間仍是十分棘手的問(wèn)題，在保證電池使用壽命和質(zhì)量的情況下縮短充電時(shí)間，需要更長(zhǎng)時(shí)間的研究探索。

1.2 鋰電子電池是首選

動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的核心，尤其體現(xiàn)在動(dòng)力電池成組以及動(dòng)力總成。電池是技術(shù)和成本上的最大瓶頸；動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)最核心的一環(huán)，未來(lái)汽車(chē)廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)，將主要是動(dòng)力電池性能的競(jìng)爭(zhēng)，動(dòng)力電池是技術(shù)核心的地位將長(zhǎng)期存在。表2是各動(dòng)力蓄電池技術(shù)指標(biāo)比較。

綜上所述：鋰電池具有長(zhǎng)壽命、小體積、無(wú)污染、高安全性(鐵鋰電池)等優(yōu)點(diǎn)，已被給予厚望。雖然正極材料和電池生產(chǎn)短期內(nèi)還不夠成熟，但長(zhǎng)期來(lái)看將是新能源汽車(chē)中的主要?jiǎng)恿﹄姵仄贩N。根據(jù)預(yù)測(cè)，動(dòng)力鋰電池將在2020年達(dá)到200億美元的市場(chǎng)規(guī)模，年均成長(zhǎng)速度50%。

1.3 BMS是動(dòng)力和儲(chǔ)能電池的必須配套[3]

鋰電池應(yīng)用于小型消費(fèi)電子產(chǎn)品中時(shí)，以單體電池的形式存在，而在新能源汽車(chē)中應(yīng)用時(shí)，其要求的容量逐漸增大，需要通過(guò)并聯(lián)串聯(lián)的方式組成電池組進(jìn)行充放電。單體鋰電池之間的性能差異，決定了其作為動(dòng)力和儲(chǔ)能電池時(shí)，都需要電池管理(Battery Management System,BMS)進(jìn)行充放電的管理、監(jiān)控和保護(hù)，以避免單體電池出現(xiàn)損壞，影響整個(gè)電池組的性能。

BMS作為實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)均衡、智能充放電的電子部件，起到保障安全、延長(zhǎng)壽命、估算剩余電量等重要功能，是動(dòng)力和儲(chǔ)能電池組中不可或缺的重要部件。其市場(chǎng)規(guī)模將與動(dòng)力、儲(chǔ)能領(lǐng)域的鋰電池同步擴(kuò)張。

2 充電站建設(shè)

2.1 充電站建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)，首先必須建設(shè)完備的、與之配套的充電站系統(tǒng)。充電站是給電動(dòng)汽車(chē)提供持續(xù)動(dòng)能的場(chǎng)所。電動(dòng)汽車(chē)以電為動(dòng)力，動(dòng)力蓄電池就如同燃料汽車(chē)的“燃油”一樣，通過(guò)一系列能量轉(zhuǎn)化形成發(fā)動(dòng)機(jī)所需的動(dòng)能，充電站就是為動(dòng)力蓄電池提供持續(xù)運(yùn)動(dòng)的能量，因此動(dòng)力蓄電池的技術(shù)及其發(fā)展就成為充電站乃至電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，其技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)在一定意義上決定了充電站未來(lái)的商業(yè)模式，也決定了電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展格局。

電動(dòng)汽車(chē)充電模式包括三種：常規(guī)充電模式，快速充電模式和更換電池模式。常規(guī)充電模式：又稱(chēng)慢速充電模式，這種情況下充電電流相當(dāng)?shù)停s15 A，充電時(shí)間較長(zhǎng)，一般為5～8 h，甚至長(zhǎng)達(dá)10～20 h。常規(guī)充電模式下，對(duì)充電設(shè)備功率和電流要求不高，充電設(shè)備成本較低，電池使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)在于充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，難以滿足車(chē)輛緊急運(yùn)行需求。

快速充電模式：這種模式下，以較大電流在短時(shí)間內(nèi)完成充電，一般充電電流為150～400 A，在約10～15 min的時(shí)間內(nèi)能使電池儲(chǔ)電量達(dá)到80%～90%，與加油時(shí)間相仿。缺點(diǎn)是充電電流大，充電設(shè)備成本較高。

更換電池模式：電動(dòng)汽車(chē)用戶租用充滿電的蓄電池，更換已經(jīng)耗盡的蓄電池，提高用戶使用的方便性和快捷性，這種模式要求電池和電動(dòng)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化。

2010年7月6日，財(cái)政部、科技部、工信部、發(fā)改委在深圳聯(lián)合召開(kāi)全國(guó)私人購(gòu)買(mǎi)新能源汽車(chē)試點(diǎn)工作會(huì)議上指出，“統(tǒng)一電動(dòng)汽車(chē)所用動(dòng)力電池的規(guī)格和尺寸，決定了將來(lái)更換電池的可行性”，建議“充電的方式以慢充電和分散式充電為主，不宜大規(guī)模建設(shè)集中式快速充電設(shè)備，特別是針對(duì)私家車(chē)”。目前電動(dòng)汽車(chē)充電以“慢充+換電”為主要方式(圖1，圖2)。

圖1 充電站技術(shù)推進(jìn)路線

圖2 充電站發(fā)展路線

2.2 電動(dòng)汽車(chē)充電站“十二五”將迎來(lái)大規(guī)模建設(shè)

“十二五”期間，國(guó)網(wǎng)公司將根據(jù)各城市電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展規(guī)劃，積極推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)充電站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，在國(guó)家電網(wǎng)汽車(chē)示范推廣區(qū)域構(gòu)建完善的充換電網(wǎng)絡(luò)，在其他地區(qū)建設(shè)示范性充電設(shè)施。“十二五”國(guó)網(wǎng)公司計(jì)劃建設(shè)約900座充(換)電站，約23萬(wàn)多個(gè)充電樁，加上已經(jīng)建成的充電站，到“十二五”末，國(guó)網(wǎng)公司自主建設(shè)的充換電站和充電樁分別達(dá)到1000座和24萬(wàn)個(gè)，初步形成覆蓋公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域的充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，基本滿足50萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的需要。“十二五”國(guó)網(wǎng)電動(dòng)汽車(chē)充電站的總投資預(yù)計(jì)在200億元，投資規(guī)模隨著充電站逐漸推廣而遞增，預(yù)計(jì)2015年達(dá)到投資高峰期。

目前，國(guó)網(wǎng)公司更傾向于采用可充可換的充換電站，這種站集充電、換電于一體，對(duì)于大型車(chē)可以采用換電池來(lái)快速完成電池續(xù)航，對(duì)于小型車(chē)可采用快速充電模式。2010年7月1日，國(guó)網(wǎng)公司首座全功能電動(dòng)汽車(chē)充換電站投入運(yùn)行，9月29日，江蘇省蘇州市鄧尉路電動(dòng)車(chē)充換電站也投入投運(yùn)，根據(jù)國(guó)網(wǎng)的規(guī)劃，“十二五”期間蘇州將完成30座充換電站的建設(shè)，另外，常州也將建設(shè)28座充換電站。我們判斷未來(lái)國(guó)網(wǎng)公司電動(dòng)汽車(chē)充電站建設(shè)更多會(huì)采用充換電站模式。

2.3 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展

電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模推廣依賴(lài)于充電基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。與此同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模應(yīng)用后社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的體現(xiàn)、以及充電設(shè)施系統(tǒng)綜合效益的發(fā)揮，都依賴(lài)于智能電網(wǎng)的配套建設(shè)。因此，電動(dòng)汽車(chē)、基礎(chǔ)設(shè)施與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展非常重要。

對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)屬于新型用電需求，具有移動(dòng)性和多樣性的特點(diǎn)，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。第一，充電網(wǎng)絡(luò)的覆蓋需要達(dá)到一定的廣度和密度，這與電網(wǎng)的建設(shè)和改造密切相關(guān)；尤其是電動(dòng)汽車(chē)的快速充電功率可達(dá)上百千瓦，對(duì)城市配電網(wǎng)的改造提出了需求。第二，電動(dòng)汽車(chē)相當(dāng)于為電網(wǎng)提供了大量的分布式儲(chǔ)能元件，若能夠?qū)崿F(xiàn)有效管理和引導(dǎo)，電動(dòng)汽車(chē)不僅可以發(fā)揮削峰填谷的作用，而且對(duì)于電網(wǎng)接入不可控的可再生能源發(fā)電問(wèn)題非常有幫助；反之，若電動(dòng)汽車(chē)的充電高峰與晚上的用電高峰疊加，則需要新建電廠來(lái)滿足新增負(fù)荷。

因此，“充電網(wǎng)絡(luò)”和“智能電網(wǎng)”這兩張網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合起來(lái)。目前國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)都已將電動(dòng)汽車(chē)作為智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)之一來(lái)考慮；城市在制定充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的過(guò)程中也有必要充分考慮到其與智能電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，而不僅僅是孤立的考慮充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資。表3為同充電模式對(duì)電網(wǎng)的影響。

2.4 車(chē)網(wǎng)互聯(lián)(V2G)模式推動(dòng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

V2G模式[4]描述的是這樣一個(gè)系統(tǒng)：電動(dòng)汽車(chē)既可以從電網(wǎng)充電，也可以將電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能電池中的電能輸送回電網(wǎng)。通過(guò)V2G模式，可進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)的雙向電力交換，這對(duì)于發(fā)電、供電企業(yè)的高效平穩(wěn)運(yùn)行，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展帶來(lái)了新的希望。

V2G模式的推廣可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)電動(dòng)汽車(chē)在晚上電力需求小，電價(jià)低時(shí)從電網(wǎng)充電，白天電力需求大，電價(jià)高時(shí)將電反饋給電網(wǎng)，起到削峰填谷、平衡電網(wǎng)的作用。

(2)改善電能質(zhì)量，通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能優(yōu)化供電品質(zhì)如負(fù)荷跟蹤，調(diào)頻、調(diào)壓和功率因素修正。

(3)對(duì)間歇性的可再生能源接入電網(wǎng)起到緩沖作用。如遇到大風(fēng)時(shí)將過(guò)量的風(fēng)電儲(chǔ)存在電動(dòng)汽車(chē)?yán)?，在?fù)載高峰時(shí)再反饋給電網(wǎng)，從而對(duì)間歇性的風(fēng)能起到穩(wěn)定的作用。

(4)電動(dòng)汽車(chē)可以作為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，在突然停電狀態(tài)下提供備用電力。

(5)V2G電力還具有調(diào)頻、調(diào)壓等改善電能品質(zhì)的功能以及緊急狀態(tài)下作為備用電源的功能。

3 稀土永磁同步電機(jī)成為主流

新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在性能方面具有較為苛刻的要求，只有高性能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)才能滿足新能源汽車(chē)的要求。由于新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常要求能夠頻繁地起動(dòng)/停車(chē)、加速/減速，轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能要求高；為了取消笨重而低效的多級(jí)變速器，在低速或爬坡時(shí)，要求的轉(zhuǎn)矩高，而高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)矩低；驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常要能夠承受高達(dá)4～5倍的過(guò)載；驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求調(diào)速范圍大，既要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又要運(yùn)行在恒功率區(qū)，同時(shí)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)還得保持較高的運(yùn)行效率；新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作環(huán)境比工業(yè)驅(qū)動(dòng)惡劣，在結(jié)構(gòu)、環(huán)境適應(yīng)度、可靠性方面要有所考慮；在經(jīng)濟(jì)成本、體積尺寸方面也要考慮。

因此，新能源汽車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求：(1)體積小、質(zhì)量輕；(2)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的高效率；(3)低速大轉(zhuǎn)矩特性及寬范圍內(nèi)的恒功率特性。即使沒(méi)有變速器，電機(jī)本身也應(yīng)滿足所需要的扭矩特性；(4)高可靠性，在任何情況下都應(yīng)確保具有高度的安全性；(5)價(jià)格低。

目前，新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)通常有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。其中，用釹鐵硼制造的永磁電機(jī)，具有體積小、耐高溫、磁力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、省能耗、效率高、高可靠性、高轉(zhuǎn)矩密度等特點(diǎn)，是新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)首選。近年來(lái)，日本在電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)、燃料電池車(chē)上用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)大多采用稀土永磁同步電機(jī)。表4為驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)比較。

在石油資源枯竭和環(huán)境污染嚴(yán)重的雙重壓力下，大力發(fā)展新能源汽車(chē)已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)，新能源汽車(chē)必將取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。在我國(guó)，有了政府的大力支持和政策扶植，必將使新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速，我國(guó)已踏入新能源汽車(chē)發(fā)展的快車(chē)道。

[1]陳清泉.現(xiàn)代電動(dòng)車(chē)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]胡信國(guó).動(dòng)力電池進(jìn)展[J].電池工業(yè),2007,4(2):113.

[3]姜久春.電池管理系統(tǒng)的概況和發(fā)展趨勢(shì)[J].新材料產(chǎn)業(yè),2008(7):40-43.

[4]李瑾.智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車(chē)雙向互動(dòng)技術(shù)綜述[J].供用電技術(shù),2010(6):12-14.