碳中和目標(biāo)下新能源汽車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)*

袁博

（河南省社會(huì)科學(xué)院工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所，鄭州 450000）

主題詞：碳中和 能量密度 碳化硅 扁線電機(jī)

1 前言

碳中和目標(biāo)將對(duì)全球政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，各國都在積極應(yīng)對(duì)，國際學(xué)術(shù)界對(duì)此展開研究：KR.Richards（2004）通過10余年的研究詳細(xì)分析了減少碳排放量的森林碳匯；Hepburn C（2007）系統(tǒng)回顧和總結(jié)了《京都議定書》的碳排放交易機(jī)制；D Tilman R（2009）分析了全球在糧食、能源和環(huán)境方面的三重困境，認(rèn)為碳中和是最有效的解決途徑；Lovell Heather C（2010）深入研究了碳補(bǔ)償機(jī)制的內(nèi)在機(jī)理；Sovacool Benjamin（2011）從4個(gè)方面批判性地提出了全球碳交易市場(chǎng)存在的問題。

近年來國內(nèi)學(xué)者也對(duì)此開始進(jìn)行深入細(xì)致的研究：鄧明君（2013）通過應(yīng)用信息可視化軟件CiteSpaceⅡ生成碳中和理論研究的知識(shí)圖譜，深入分析了國際碳中和理論研究的知識(shí)基礎(chǔ)和前沿演進(jìn)軌跡；王燦（2020）認(rèn)為政府、企業(yè)、個(gè)人在邁向碳中和愿景進(jìn)程中具有至關(guān)重要而又各有側(cè)重的作用，需要科學(xué)的政策體系以形成系統(tǒng)有效的激勵(lì)機(jī)制，促進(jìn)資本和人才朝著碳中和技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)化推廣應(yīng)用方向快速匯集；鄒才能（2021）認(rèn)為清潔、無碳、智能、高效為核心的“新能源”+“智能源”體系是世界能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢(shì)與方向；楊解君（2021）認(rèn)為為達(dá)到2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，需要確立一些基本實(shí)現(xiàn)促進(jìn)低碳技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用的技術(shù)路徑，建立和完善碳市場(chǎng)的市場(chǎng)化路徑，強(qiáng)化政府引導(dǎo)與規(guī)制的行政化路徑等；王震（2021）在分析油氣企業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型背景基礎(chǔ)上，從5個(gè)方面對(duì)其碳中和愿景下的戰(zhàn)略選擇進(jìn)行了重點(diǎn)探討[10]。

2 碳中和目標(biāo)促進(jìn)新能源汽車技術(shù)發(fā)展

交通運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量占全球碳排放總量的26%（圖1），是碳排放的第2大來源，包括海洋、陸地和空中的交通運(yùn)輸。交通運(yùn)輸業(yè)的能源消耗較大，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示2020年全球約60%的石油消耗在交通領(lǐng)域，其中汽車作為主要的陸地交通工具，數(shù)量占陸地交通運(yùn)輸乃至交通運(yùn)輸整體的比例都是最大的，目前全球汽車保有量突破10億輛，其中95%以上的汽車為燃油車，使用汽柴油為燃料，消耗的石油量占全球石油消耗總量的1/3左右。二氧化碳是燃油車尾氣的主要組成部分，全球每年都有大量的二氧化碳隨汽車尾氣排出，汽車尾氣已經(jīng)成為碳排放的主要來源之一，特別是中國和印度等人口眾多的發(fā)展中國家正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展期，人均收入快速提升，對(duì)物質(zhì)文化的需求日益增長(zhǎng)，汽車作為便捷的交通工具，自然成為改善生活質(zhì)量的重要商品，對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品的購買意愿持續(xù)升高，汽車銷量持續(xù)增長(zhǎng)，其中中國已連續(xù)多年成為全球最大的汽車銷售市場(chǎng)，2020年和2021年的汽車銷量在全球汽車銷量中的占比均超過30%。隨著汽車保有量的日漸增大，燃油車尾氣排放量預(yù)計(jì)持續(xù)增加，大氣污染問題日益嚴(yán)重，此時(shí)急需新的能源替代汽柴油，實(shí)現(xiàn)汽車尾氣零排放，對(duì)大氣環(huán)境真正實(shí)現(xiàn)零污染，于是新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 全球碳排放總量來源構(gòu)成[11]

新能源汽車不僅是汽車產(chǎn)業(yè)的未來，同樣也是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑，目前大部分新能源汽車使用電能作為動(dòng)力源，少部分使用氫燃料、太陽能等清潔能源，相對(duì)于傳統(tǒng)汽車使用的汽油或天然氣，新能源汽車在使用過程中完全不消耗任何化石能源、不產(chǎn)生任何有害尾氣，可以完全實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放，新能源汽車銷量占汽車總銷量的比例逐年提升，在可預(yù)見的未來會(huì)完全替代燃油車，徹底實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的碳中和。近年來新能源汽車技術(shù)開始向更加低碳節(jié)能的方向發(fā)展，無論是核心的三電（動(dòng)力電池、電控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)）技術(shù)還是相關(guān)輔助技術(shù)的革新都在以達(dá)到減少二氧化碳排放量為主要目標(biāo)。

2.1 動(dòng)力電池

2.1.1 能量密度

圖2 動(dòng)力電池能量密度發(fā)展[17]

2.1.2 安全性

新能源汽車自燃率雖然低于燃油車，但動(dòng)力電池一旦起火，極易產(chǎn)生爆炸，造成遠(yuǎn)高于燃油車的人身和財(cái)產(chǎn)損失，近年來動(dòng)力電池企業(yè)除了提升電池性能之外，還積極在電池安全領(lǐng)域創(chuàng)新：2020年3月比亞迪率先發(fā)布主打新能源車輛安全的刀片電池，可以輕松完成針刺試驗(yàn)，首先搭載于旗下的漢車型，比亞迪漢上市以來銷量節(jié)節(jié)攀升，至今沒有發(fā)生過一起電池起火事故；2021年3月廣汽埃安發(fā)布彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)，并順利通過針刺熱擴(kuò)散試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)電池包針刺不起火，旗下車型至今沒有發(fā)生過重大安全事故；2021年9月長(zhǎng)城汽車發(fā)布大禹電池，可實(shí)現(xiàn)電芯化學(xué)體系全覆蓋，任意位置的單個(gè)或多個(gè)電芯觸發(fā)熱失控的情況下保證電池包不起火、不爆炸，率先搭載在旗下沙龍汽車產(chǎn)品。未來動(dòng)力電池安全性將會(huì)顯著提升，為使用者提高更加安全的駕乘環(huán)境。

2.1.3 充換電技術(shù)

除了動(dòng)力電池技術(shù)之外，作為新能源汽車重要的保障技術(shù)，充換電技術(shù)一直在持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)得到巨大提升，其中保時(shí)捷在2018年9月推出最高功率可達(dá)350 kW的超級(jí)充電技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)普通家用純電動(dòng)汽車在15 min內(nèi)充至80%電量，特斯拉、蔚來、小鵬的超級(jí)充電樁可以達(dá)到180～250 kW的充電功率，實(shí)現(xiàn)30 min內(nèi)充至80%電量，但即使是最快的保時(shí)捷超級(jí)充電速度目前仍然不及燃油車加油，并且由于涓流充電造成最后階段的充電速度明顯放緩，實(shí)際的充電時(shí)間可能更長(zhǎng)，純電動(dòng)汽車的充電效率與燃油車加油相比差距仍然明顯。近年來興起的換電池（簡(jiǎn)稱換電）技術(shù)成為新能源汽車能源補(bǔ)給的新方式，蔚來汽車和北汽新能源的換電站可以實(shí)現(xiàn)5 min以內(nèi)完成純電動(dòng)汽車的電池更換，幾乎追平燃油車的加油時(shí)間，是目前解決里程焦慮的最有效方法。

2.2 電控系統(tǒng)

2.2.1 碳化硅（SiC）功率模塊

電控系統(tǒng)是新能源汽車的控制中樞，其重要性不言而喻，電控技術(shù)在新能源汽車產(chǎn)業(yè)初期發(fā)展緩慢，近年來突飛猛進(jìn)、快速發(fā)展，特別是新材料在這一領(lǐng)域的應(yīng)用尤為突出，以往的新能源汽車普遍采用IGBT功率模塊，近年來新興的碳化硅開始應(yīng)用于純電動(dòng)車型，特斯拉、英飛凌、比亞迪、三菱、日立、中車時(shí)代等全球各大IGBT生產(chǎn)商都在積極研發(fā)新能源汽車的碳化硅功率模塊，2018年特斯拉Model 3純電動(dòng)轎車開始陸續(xù)換裝碳化硅功率模塊，成為全球首款搭載碳化硅功率模塊的新能源車型，此外比亞迪、蔚來等整車企業(yè)已經(jīng)開始陸續(xù)使用碳化硅功率模塊，顯著提升電控系統(tǒng)的整體效率和使用壽命，進(jìn)一步降低能耗，是電控技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.2 DMI超級(jí)混動(dòng)技術(shù)

混合動(dòng)力汽車作為純電動(dòng)汽車替代燃油車的過渡車型，近年來同樣在電控技術(shù)方面取得重大突破，以往混合動(dòng)力汽車雖然可以有效解決長(zhǎng)途出行的里程焦慮問題，但饋電情況下甚至高于同級(jí)燃油車的能耗成為一大詬病，加之普遍高于同級(jí)燃油車的售價(jià)，使其處境尷尬，銷量長(zhǎng)期停滯不前。2021年1月比亞迪發(fā)布DMI（Dual Mode Intelligent）超級(jí)混動(dòng)技術(shù)，史無前例地取消了燃油動(dòng)力總成中的變速箱，取而代之的是單速行星齒輪，使用自研的驍云發(fā)動(dòng)機(jī)，其熱效率高達(dá)43%。DMI系統(tǒng)主要依靠大功率高效電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要任務(wù)是在高效轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)電，并在合適的時(shí)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛，使其輕松實(shí)現(xiàn)饋電情況下的超低油耗，比亞迪DMI車型在饋電狀態(tài)下的100 km油耗普遍低至4 L左右，徹底顛覆之前的高油耗，這一顯著成效不僅依靠高效發(fā)動(dòng)機(jī)，電控系統(tǒng)在其中同樣發(fā)揮了重要作用。這一革命性技術(shù)一經(jīng)發(fā)布，立即引發(fā)業(yè)界震動(dòng)，DMI車型上市后訂單積壓、供不應(yīng)求，立即成為市場(chǎng)熱銷車型，促進(jìn)混合動(dòng)力汽車的整體銷量。此外理想ONE、嵐圖FREE、金康賽力斯等增程式車型層出不窮，增程式電動(dòng)汽車的電控技術(shù)同樣更新?lián)Q代，持續(xù)熱銷，混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)由于革命性的技術(shù)突破重新開始繁榮。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

2.3.1 電機(jī)性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛，是新能源汽車的核心組成部分，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于在起步階段就可以釋放出最大扭矩，使新能源汽車加速性能遠(yuǎn)超同檔次的燃油車，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)在后程高速階段中轉(zhuǎn)矩快速衰減，單一齒比也使其極速普遍不如同檔次燃油車。近年來驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)在功率、布置、系統(tǒng)方面持續(xù)革新：早期的單臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率普遍不足80 kW，隨著生產(chǎn)工藝和技術(shù)水平的日漸成熟，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率逐步提升，到2018年時(shí)普遍在120 kW左右，2019年上市的保時(shí)捷Taycan純電動(dòng)轎跑的后電機(jī)功率最高達(dá)350 kW，刷新當(dāng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高功率紀(jì)錄；由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)體積小、無需變速箱，可以在車身內(nèi)布置多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，目前大部分在售新能源車型普遍采用單/雙電機(jī)配置差異化銷售，豐富不同價(jià)位的產(chǎn)品線，部分車型甚至布置3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)一步提升性能；永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)各有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，近年來整車企業(yè)開始將這兩種驅(qū)動(dòng)電機(jī)組合使用，以達(dá)到優(yōu)化綜合性能的目的，特斯拉、蔚來等企業(yè)已經(jīng)推出永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)混合搭載的車型，綜合性能較之前車型有明顯提升，驅(qū)動(dòng)電機(jī)今后的技術(shù)會(huì)更加多元化提升。

面向5G的承載網(wǎng)需求及關(guān)鍵技術(shù) ……………………………………………………師嚴(yán)，王光全，王海軍 24-1-17

2.3.2 扁線電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要由定子組件、轉(zhuǎn)子組件、端蓋和輔助標(biāo)準(zhǔn)件組成，而定子繞組中又包括鐵芯、銅線繞組、絕緣材料，定子繞組中采用扁銅線，先把繞組做成類似發(fā)卡一樣的形狀，穿進(jìn)定子槽內(nèi)，再在另外一端把發(fā)卡的端部焊接起來。扁線電機(jī)與圓線電機(jī)的區(qū)別在于銅線的成形方式，扁線有利于電機(jī)槽滿率的提升，一般圓線電機(jī)的槽滿率為40%左右，而扁線電機(jī)的槽滿率能達(dá)到60%以上，槽滿率的提升意味著在空間不變的前提下可以填充更多的銅線，產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，功率密度顯著提升，扁線之間接觸面積大，相比于圓線電機(jī)，扁線電機(jī)熱導(dǎo)性能更好，溫升更低，有數(shù)據(jù)顯示扁線電機(jī)溫升比圓線電機(jī)低10%左右，另外扁線電機(jī)還可以通過節(jié)省端部銅材的方式提升銅線利用率，從而達(dá)到降低成本的目的?？傮w來看，相比于圓線電機(jī)，扁線電機(jī)效率更高、體積更小、重量更輕、成本更低，是未來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的必然發(fā)展趨勢(shì)。近年來汽車企業(yè)開始逐步使用扁線電機(jī)替代圓線電機(jī)，早在2007年雪佛蘭Volt就開始使用Hair-Pin（發(fā)卡式扁線電機(jī)），2013年日產(chǎn)在其電動(dòng)汽車產(chǎn)品上使用過扁線電機(jī)，2015年豐田第四代普銳斯開始裝配扁線電機(jī)，隨著普銳斯的銷量攀升，扁線電機(jī)開始得到規(guī)?；瘧?yīng)用，之后上汽、長(zhǎng)城、保時(shí)捷、東風(fēng)、寶馬、大眾、比亞迪、吉利等企業(yè)相繼在旗下車型裝配扁線電機(jī)，未來扁線電機(jī)將進(jìn)一步取代圓線電機(jī)，成為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主流。

2.3.3 集成式電機(jī)總成

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)獨(dú)立于動(dòng)力電池和電控系統(tǒng)，動(dòng)力電池將電能傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，并由電控系統(tǒng)進(jìn)行控制，各個(gè)部分分工協(xié)作，保證車輛整體的穩(wěn)定運(yùn)行，但分體獨(dú)立式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)同樣十分明顯，特別是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電控系統(tǒng)的分離會(huì)占據(jù)車內(nèi)更多空間，動(dòng)力電池相對(duì)只能減少布置，同時(shí)增加質(zhì)量，無法進(jìn)一步增加的電池容量加之更大的車輛質(zhì)量會(huì)減弱其加速和續(xù)駛里程，近年來這一劣勢(shì)愈發(fā)明顯。針對(duì)這一問題，相關(guān)企業(yè)開始研發(fā)整合驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電控系統(tǒng)的多合一集成式電機(jī)總成，既節(jié)省車內(nèi)空間又減輕車輛質(zhì)量，最為重要的是使集成式電機(jī)總成進(jìn)一步提高傳動(dòng)和控制效率，提升車輛整體性能。近年來精進(jìn)電機(jī)（JJE）、方正電機(jī)（FDM）、華為（Huawei）等企業(yè)已經(jīng)推出相關(guān)產(chǎn)品，比亞迪在e3.0平臺(tái)推出全球首款八合一電機(jī)總成，集成驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、高壓配電箱（Power Distribution Unit）、高低壓直流轉(zhuǎn)換器（Direct Current-Direct Current converter）、車載雙向充電器、整車控制器（Vehicle Control Unit）以及電池管理系統(tǒng)（Battery Management System），將綜合效率從86%提升至89%，使100 km電耗比同級(jí)車降低10%，實(shí)現(xiàn)更快的加速和更長(zhǎng)的續(xù)駛里程，隨著集成式電機(jī)技術(shù)的逐步成熟，采用這一結(jié)構(gòu)的車型會(huì)日漸增多。

2.4 輔助技術(shù)

除了核心技術(shù)之外，新能源汽車輔助技術(shù)同樣突飛猛進(jìn)，由于里程焦慮問題一直存在，加之新能源汽車補(bǔ)貼逐步退坡，提高續(xù)航里程成為新能源汽車企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，在動(dòng)力電池技術(shù)暫時(shí)無法取得重大突破的困境下，輕量化車身、低風(fēng)阻系數(shù)、隱藏式外飾、熱泵式空調(diào)這些有助于提高續(xù)駛里程的輔助技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于新能源汽車，對(duì)續(xù)駛里程有不同程度的提升，燃油車之前一直無法有效解決的NVH問題在新能源汽車領(lǐng)域迎刃而解，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的先天靜謐性和平順性使噪音和振動(dòng)顯著降低，甚至出現(xiàn)高端豪華燃油車的NVH不如價(jià)格遠(yuǎn)低于自己的低端平民純電動(dòng)汽車的奇特現(xiàn)象，而智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)在新能源汽車先天的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)下大放異彩，幾乎成為新能源汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。輔助技術(shù)的日新月異不僅使新能源汽車產(chǎn)品核心實(shí)力增強(qiáng)，同時(shí)舒適性和功能性大幅度提升，新能源汽車的綜合競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步提高。

3 結(jié)束語

新能源汽車技術(shù)發(fā)展決定著其產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展走向，碳中和目標(biāo)使新能源汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)入到一個(gè)新的階段，呈現(xiàn)出以下3方面的趨勢(shì)。

3.1 低碳節(jié)能趨勢(shì)明顯

新能源汽車技術(shù)發(fā)展初期主要以提高電機(jī)功率和續(xù)駛里程為主，但由于電池能量密度提升緩慢，制造成本居高不下，出眾的加速能力又無法在城市出行場(chǎng)景中完全發(fā)揮出來，使新能源汽車在綜合性能方面優(yōu)勢(shì)不明顯，而價(jià)格又明顯高出同級(jí)別燃油車，使其處境尷尬，早期銷量提升緩慢。近年來相關(guān)企業(yè)在進(jìn)一步提升能量密度和電機(jī)功率的同時(shí)研發(fā)出更加先進(jìn)的電控系統(tǒng)和集成式電機(jī)以降低能耗，實(shí)現(xiàn)續(xù)駛里程的提升，此外碳化硅、扁銅線等環(huán)保高效的新材料的應(yīng)用使新能源汽車核心零部件生產(chǎn)過程中的碳排放量顯著降低，碳中和目標(biāo)促使新能源汽車企業(yè)在生產(chǎn)過程和最終產(chǎn)品這兩方面都在向低碳節(jié)能的方向發(fā)展。

3.2 智能化趨勢(shì)明顯

新能源汽車由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電子設(shè)備較多，十分適合智能化和自動(dòng)化，近年來人工智能、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程網(wǎng)聯(lián)等智能化技術(shù)開始廣泛在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用，新能源汽車的智能化水準(zhǔn)快速提升，目前可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)操控車輛、即時(shí)OTA系統(tǒng)升級(jí)、L3級(jí)別自動(dòng)駕駛等智能化技術(shù)，新能源汽車已不再是簡(jiǎn)單的交通工具，而是可以與駕乘者溝通并為其提供舒適便捷服務(wù)的可移動(dòng)空間。

3.3 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)明顯

早期的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展不僅整體水平一般，其內(nèi)部發(fā)展水平同樣參差不齊、差距巨大，企業(yè)間各自制定適合自身發(fā)展階段的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致技術(shù)參數(shù)各不相同，特別是充換電環(huán)節(jié)，甚至出現(xiàn)接口不統(tǒng)一而無法進(jìn)行充電的情況。近年來相關(guān)部門開始制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)企業(yè)開始積極響應(yīng)，生產(chǎn)統(tǒng)一接口和技術(shù)參數(shù)的產(chǎn)品，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)充電標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，換電由于技術(shù)難度高、參與企業(yè)少，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)還尚需時(shí)日，目前相關(guān)部門已經(jīng)出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，在可預(yù)見的未來將實(shí)現(xiàn)換電標(biāo)準(zhǔn)的完全統(tǒng)一。

隨著碳中和目標(biāo)成為全球環(huán)境保護(hù)的重要發(fā)展方向，新能源汽車技術(shù)將向更加低碳節(jié)能的方向發(fā)展，今后將會(huì)有更多相關(guān)的新技術(shù)涌現(xiàn)。