新能源電動汽車發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及制造技術(shù)

■上汽大眾汽車有限公司 （上海 201089） 張書橋

上汽大眾高級經(jīng)理 張書橋

1. 世界新能源汽車發(fā)展歷程

1993年9月美國推出了汽車能源可持續(xù)發(fā)展的PNGV計劃（the partnership for a new generation of vehicle），美國聯(lián)邦政府和美國大汽車公司為實現(xiàn)PNGV計劃投入了大量的資金和技術(shù)力量。美國三大汽車公司進(jìn)行了分工合作，圍繞安全、節(jié)能減排及環(huán)保等，全面研究新能源、能源儲備、電子技術(shù)、新型材料、制造技術(shù)及車輛輕量化，開發(fā)和制造了多種新型概念車，推動電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。

美 國 在2002 年9月 發(fā) 布 的“自由汽車開發(fā)計劃”在很多方面為新能源汽車發(fā)展推進(jìn)了一步，特斯拉是一個受益者和成功的案例。

歐盟在歐洲推出新能源和電動汽車的研究計劃，推出的FP（framework programme）系列計劃中，1998—2002年的FP5計劃中的“能源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展”小項目，對燃料電池及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，2008年金融危機(jī)后，歐盟提出了“環(huán)保型經(jīng)濟(jì)的中期規(guī)劃”，打造具有國際水平的綠色產(chǎn)業(yè)，同時各國有各自的研究計劃。電動車似乎已成為英國建設(shè)“凈零”城市的重要抓手，承諾在2050年之前將碳排放量降為零。

日本由于石油幾乎全部依靠進(jìn)口，因此，20世紀(jì)70年代就注意對電動汽車的研究和開發(fā)。2000—2015年由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)負(fù)責(zé)實施氫燃料電池示范工程，豐田公司1997年在全球率先開始銷售量產(chǎn)混合動力乘用車普銳斯，2000年在北美、歐洲等銷售，到2007年就突破100萬輛，2019年豐田的氫燃料電池車Mirai充氫只需3～5m i n，5kg氫氣可續(xù)航650km。

“十一五”期間我國為發(fā)展節(jié)能、減排及環(huán)保汽車，制定了中國新能源汽車 “三縱、三橫”的發(fā)展規(guī)劃，將開發(fā)重點傾向于混合動力汽車，并推出純電動汽車關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和市場應(yīng)用路線，之后再進(jìn)一步帶動電動燃料汽車的推廣，展示了中國新能源汽車戰(zhàn)略路線圖。在國家的推動下，汽車企業(yè)積極行動，目前新能源電動車在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

2. 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀

2014、2015及2016年，全球電動汽車市場連續(xù)增長超過50%，2016年中國電動汽車市場超過100萬輛，占世界的50%以上。2012年美國電動汽車銷量是中國的4倍，中國只是一個配角。2016年中國電動汽車的銷量是美國的2倍，占全球的40%。

2018年全球電動汽車銷量總數(shù)為210萬輛，占整個乘用車市場2.2%。2019年全球電動汽車銷量達(dá)到230萬輛，市場份額為2.5%。2019年燃油車相比2018年下降435萬輛，降幅為4.7%。

美國2019年電動汽車市場下降3.2萬輛，降幅為8.9%，燃油車下降18萬輛，降幅1%。美國電動汽車市場份額從2.1%降到1.9%。

中國2019 年汽車銷量為2 576.9萬輛，同比下降8.2%，其中電動車120.6萬輛，市場份額從4.5%上升到4.7%。

圖1為2017、2018及2019年中國乘用車市場每月的銷量。

預(yù)計2020年歐洲燃油車的產(chǎn)量1 450萬輛，電動汽車有望突破100萬輛，約占市場份額6%。預(yù)計2020年汽車總銷量持續(xù)下降，電動車反而會增長，有望突破3%。

3. 電動汽車三大核心零件

（1）電動機(jī) 與傳統(tǒng)能源汽車不同，電動汽車的核心是三電技術(shù)，即電動機(jī)、電池和電控技術(shù)。

目前電動汽車的驅(qū)動電動機(jī)有以下幾種：直流電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)、永磁無刷直流電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)及開關(guān)磁阻電動機(jī)。

美國2025年電動機(jī)發(fā)展路線見表1，通過提高高硅鋼片牌號降低中高速段鐵耗，通過發(fā)卡阻工藝降低銅耗等，這些方法都能夠提高電動機(jī)效率。

（2）電池 純電動汽車的電池技術(shù)是其核心競爭力。近幾年，我國動力電池需求量經(jīng)歷了爆發(fā)式增長，2019年國內(nèi)新能源汽車銷售120.6萬輛，動力電池裝機(jī)量達(dá)62.37GWh，同比2018年增長9.5%，目前，動力電池主要分為三大體系，分別是三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和錳酸鐵鋰電池，其中，磷酸鐵鋰電池和錳酸鐵鋰電池憑借著較低的價格和穩(wěn)定的性能，大量應(yīng)用于電動客車，市場份額呈現(xiàn)增長態(tài)勢。

按照另外一種分法，把電池分為方殼電芯、軟包電芯和圓柱電芯。方殼電芯在整個市場占據(jù)壓倒性的優(yōu)勢，在新能源乘用車和純電動客車市場，都占有絕對的地位。軟包電芯主要用于插電式客車市場，圓柱電芯主要局限于部分純電動乘用車，在純電動專用車?yán)锩媸褂幂^多。

電池技術(shù)發(fā)展對NEV產(chǎn)品有關(guān)鍵性影響，電池技術(shù)路線為磷酸鐵鋰→三元鋰→固態(tài)電池。未來達(dá)到更高的能量密度目標(biāo)需要轉(zhuǎn)變到固態(tài)電池的技術(shù)體系。固態(tài)電極+固體電解液，系統(tǒng)能量密度高，由于電解質(zhì)無流動性，易通過內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體，有望達(dá)到500Wh/kg，安全性高，沒有引發(fā)電解液燃燒的問題。

表1 美國電動機(jī)發(fā)展情況

圖1 2017、2018及2019年中國乘用車市場月銷量

德國大眾電池續(xù)航里程提升計劃如圖2所示。電池技術(shù)的進(jìn)步將改善電池的續(xù)航里程、質(zhì)量和成本。

（3）電池管理系統(tǒng) 電池管理系統(tǒng)與動力電池緊密結(jié)合在一起，對電池各項指標(biāo)進(jìn)行檢測并控制輸出，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的通信。電池管理系統(tǒng)的基本功能框架如圖3所示。

隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽車電控技術(shù)得到很大發(fā)展，特別是在控制精度、控制范圍、智能化和網(wǎng)聯(lián)化等方面有較大的突破。汽車電子控制技術(shù)是衡量汽車先進(jìn)水平的標(biāo)志。

具有高集成度、高可靠性及高安全性的一體化控制器，集成化程度高，有益于電動汽車的總布置，有益于電動汽車的輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化，有益于信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，同時一體化控制器降低了傳導(dǎo)干擾并進(jìn)一步降低整車故障率，增強整車安全性，大幅度降低電動汽車成本，促進(jìn)電動汽車市場的商業(yè)化。

4. 電動汽車制造工藝

新能源汽車的制造一方面與傳統(tǒng)汽車的制造在制造工藝和裝備上有傳承關(guān)系，另一方面由于新能源汽車采用了新的動力來源和驅(qū)動系統(tǒng)以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，在制造上又與傳統(tǒng)汽車在生產(chǎn)工藝設(shè)備上存在很大差異。

（1）整車制造及總裝 新能源汽車在整車車身的制造上，與傳統(tǒng)汽車的車身差別不大，通常還是需要沖壓、焊裝及涂裝等工藝及相應(yīng)的設(shè)備和輸送裝置等。

圖2 德國大眾電池續(xù)航里程提升計劃

圖3 電池管理系統(tǒng)的基本功能框架

在總裝配工藝流程中主要的變化是需相應(yīng)地安排電池、電動機(jī)、電控裝置及高壓線束等新增零部件的裝配以及電動空調(diào)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等電驅(qū)動的其他汽車零部件的裝配工序和相應(yīng)的工裝。

在整車檢測上，新能源汽車工藝與裝備和傳統(tǒng)汽車有明顯差別。一般說來，整車檢測涉及到汽車主要功能、性能檢驗的各個方面。新能源電動汽車新增了電驅(qū)動系統(tǒng)及高壓電系統(tǒng)的檢測等，加強了電性能和電安全性的檢測（見圖4）。

（2）電動汽車動力總成系統(tǒng) 電動汽車動力總成的關(guān)鍵制造技術(shù)主要體現(xiàn)在電動機(jī)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)的制造上。與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車裝配線的工藝變化最為突出。

圖4 整車制造及總裝

在電動汽車中，電動機(jī)系統(tǒng)涉及到電動機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)械減速及傳動裝置等部件的制造，以及電池模組和電池包的裝配工藝。

1）電動機(jī)，交流感應(yīng)電動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

涉及到電動機(jī)殼體加工、后端蓋加工、電動機(jī)整體裝配加工和轉(zhuǎn)子加工。

德國Grob公司是全面投身于“電動汽車”領(lǐng)域的制造商之一，重點是電動機(jī)的基本組成部分，如前述三個主要零件，新型高度靈活的伺服控制機(jī)床用于電動機(jī)部件定子和轉(zhuǎn)子的量產(chǎn)。特別是定子生產(chǎn)中，有多種將銅線圈入定子槽的制造工藝。Grob公司產(chǎn)品線包含了電動機(jī)整個制造過程，從波繞技術(shù)到Hairpin線成型工藝再到扇繞技術(shù)，電動機(jī)的核心過程是將銅線卷入定子的過程。

轉(zhuǎn)子軸變化的工藝有感應(yīng)、淬火、硬加工及內(nèi)齒輪磨削等，目前汽車電動機(jī)已經(jīng)成為整車廠投資的熱點。電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸制造系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 交流感應(yīng)電動機(jī)結(jié)構(gòu)

2）機(jī)械減速及傳動裝置，機(jī)械減速及傳動裝置涉及到同步襯套、齒輪和差速器等變化的生產(chǎn)工藝，主要涉及磨削、滾齒及焊接等工藝。

3）電池裝配線，目前，大部分車企都在投資建電池工廠，高自動化、數(shù)字化及擁有先進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)代化工廠正在規(guī)劃中。

動力電池組裝自動化生產(chǎn)主要包括分配組工藝、自動焊接工藝、半成品組裝工藝、測試工藝、PACK檢測工藝以及PACK包裝工藝。典型工藝流程為：殼體組裝或焊接→電池模組入箱→電氣線路及零件安裝（安裝線束，安裝BMS系統(tǒng)等）→在線電氣測試→整包合蓋密封（涂膠/螺栓擰緊）→最終測試（線末檢測、電氣測試、絕緣性檢測、充電等）→密封測試→下線（見圖7）。

4）AGV在電池包生產(chǎn)中的應(yīng)用，近年來，新能源得到飛速發(fā)展，AGV柔性化滿足了新能源汽車及動力電池產(chǎn)業(yè)對自動化的要求，逐漸被廣泛應(yīng)用。AGV新能源電池包組裝PACK生產(chǎn)線的應(yīng)用，可提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、并實現(xiàn)生產(chǎn)制造的數(shù)字化、柔性化甚至智能化。AGV組成的生產(chǎn)線可以實現(xiàn)靈活多變的工藝及編排，很好地實現(xiàn)不同品種產(chǎn)品的生產(chǎn)，在產(chǎn)品變更工藝布局調(diào)整中，大幅降低改造成本和周期。

這部分重點關(guān)注兩個方面：①保證電池裝配線安全，涉及安全硬件、操作安全管理、運行安全管理等。②控制A G V與節(jié)拍的矛盾，涉及緩存、交通管制點等，在保證安全的前提下，縮短運輸設(shè)備在無工位區(qū)間內(nèi)的運行時間。

圖6 電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸制造系統(tǒng)

圖7 電池裝配線工藝流程

5）電池密工藝，目前有兩種，一種是螺栓擰緊，另一種是涂膠+F D S。①螺栓擰緊：電池包上蓋附著一層發(fā)泡密封圈，通過螺栓擰緊將上下殼體聯(lián)結(jié)。優(yōu)點是無需涂膠、工藝簡單；缺點是一段時間后密封圈容易老化，密封性能下降，將來優(yōu)化改進(jìn)，還需加些涂膠。②涂膠+F D S：先在上殼體由機(jī)器人涂敷一層密封膠水，再由機(jī)器人將上蓋放置在下殼體上，通過FDS工藝進(jìn)行合蓋。優(yōu)點是長期密封性好，缺點是自動化精度要求高，拆卸困難，工藝較復(fù)雜。

鋁合金熱熔自攻螺紋鉚接：FDS是flow-drill screws的縮寫，是通過螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)軟化待聯(lián)結(jié)的板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待聯(lián)結(jié)板材，最終在板材與螺釘之間形成螺栓聯(lián)結(jié)（見圖8）。

6）刀具，很多刀具制造廠積極與主機(jī)廠合作，比如德國M A PA L、G U E H R I N G及WA LT E R，他們共同規(guī)劃工藝方案，設(shè)計用于電動汽車加工的創(chuàng)新刀具。筆者與德國GUEHRING公司有很好的溝通交流，GUEHRING成立專門的研究電動市場小組，研發(fā)了多款加工電動汽車的新型刀具，比如為電動機(jī)殼體加工設(shè)計的刀具（見圖9）。德國MAPAL為加工不同類型的電池殼體提供PCD銑刀（見圖10）和油霧潤滑技術(shù)，實現(xiàn)無振刀加工高度復(fù)雜的薄壁電池殼體；MAPAL還提供加工電動汽車鋁制渦輪用的螺旋刃銑刀（見圖11）。

5. 對電動汽車未來發(fā)展和制造的看法

2019年12月31日，《解放日報》報道了這樣一個喜訊：2019年最后一周的周一，中國汽車市場用一份特殊的“新年禮物”《告別艱難前行的一年》。也就是特斯拉首座海外工廠正式交付，筆者想談一下對特斯拉老板馬斯克的看法：馬斯克無疑是一個科技天才，是和喬布斯、達(dá)芬奇等一樣改變世界的巨人，他的合作者極其敬佩馬斯克的眼界和極強的執(zhí)行力。他將電動車向前推進(jìn)了10年。馬斯克在其他很多電動汽車宣告破產(chǎn)之時選擇電動汽車幾乎是一個死亡之旅，但有一種無形之力在幫助他，每次在崩潰邊緣困難都被化解，實際上他目前還處于一個艱難的旅行階段。在中國的成功，有政策因素，競爭不一定公平。最近，計劃2020年3月在德國柏林建設(shè)新工廠，預(yù)計2021年7月之前投產(chǎn)，這才是實實在在的大考，筆者認(rèn)為如果能在德國實現(xiàn)贏利才是真正的成功。

圖8 鋁合金熱熔自攻螺紋鉚接1—旋轉(zhuǎn)加熱 2—鉆孔 3—擴(kuò)孔 4—攻螺紋 5—全螺紋接合 6—擰緊

圖9 德國GUEHRING為電動機(jī)殼體設(shè)計的刀具

圖10 德國MAPA的PCD銑刀

圖11 德國MAPAL螺旋刃銑刀

新能源不可否認(rèn)是未來的發(fā)展方向，它要受到安全、節(jié)能及環(huán)保的檢驗，而安全對于任何技術(shù)路線都有絕對的否決權(quán)?，F(xiàn)在預(yù)測還是太早，只能摸著石頭過河。豐田汽車公司制定新能源汽車發(fā)展趨勢圖，2050年是傳統(tǒng)能源汽車的終點。然而德國科技界普遍認(rèn)為，電動汽車市場方興未艾，但取代的說法尚且太早，專家預(yù)測，即使20年后，燃油車依舊占據(jù)市場3/4。

未來電動汽車的制造技術(shù)將是一個漸進(jìn)的發(fā)展過程，涉及產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、刀具和材料等，產(chǎn)品一定是主導(dǎo)作用，電池的制造和裝配技術(shù)有很多創(chuàng)新的變化，另外數(shù)字化技術(shù)、智能制造技術(shù)以及3D打印技術(shù)也將會廣泛應(yīng)用。