深度 | 中外电动汽车关键技术对比研究

http://www.auto-m.hc360.com2018年06月05日09:46 来源:CST三交产研-汽车T|T

    【慧聪汽保设备工具网】在政策导向阶段,我国新能源汽车推广取得了骄人成绩。截至2017年11月底,我国新能源汽车累计产销分别为63.9万辆和60.9万辆,保有量突破150万辆,增长势头依然强劲。

    本文通过分析对比国内外电动汽车关键技术,明确我国新能源汽车产业的国际竞争地位,为国家宏观政策引导和产业研发投入提供参考依据。

    国外电动汽车发展现状

    发达国家诸如欧美日已经将电动汽车发展作为其在汽车产业具备核心竞争的一枚重要棋子,电动汽车的发展不仅得到了政府的诸多鼓励措施,而且受到了民众的欢迎。纯电动、混合动力以及燃料电池汽車都已经在其能够大放异彩的营运地点试用着,如日本东京电力的客服服务车、美国的街道垃圾清扫车等[2]。图2为特斯拉纯电动汽车。

    影响着电动汽车发展的最核心关键的因素是动力电池。这其中,锂离子电池已经逐步成为国外混合动力以及纯电动汽车的御用动力电池。为了让锂离子电池在全球范围内得到广泛的使用,各大车厂已经将动力电池的标准化作为全球推广的关键一步。日本车企在此做出表率,丰田、日产在与松下电器的合作之中将合作制定了车用动力电池的标准,该电池标准包含测试、充电、安全[3]等主要方面。

    内电动汽车发展现状

    进入21世纪以来,中国在新能源汽车方面的研究有着相当不错的成绩,在车用动力电池等核心技术上的研究取得成果的前提下,研发并生产出了一批电动汽车的整车产品,并且在诸多城市开展了公共交通示范运作。如北京121纯电动公交线路、上海Y1纯电动公交线路等。纯电动公交的投入使用成为电动汽车在中国更好发展的先驱者。图3为奇瑞S18纯电动汽车。

    2005年以来,电动汽车的关键技术探讨研究和量产推广得到了国家相关部门的大力支持,动力电池及电机总成、供充电基站、能源供给及回收模式、示范试用考核、政府支持政策等都在协同推进过程中得到发展。

    电动汽车的发展趋势

    汽车工业发展的趋势必将是电动汽车的使用,纯电动、混合动力汽车现已是电动汽车发展的两大类型。电动汽车的量产化及推广使用一定会经历漫长的过程和不同阶段。电动汽车的发展阶段可以大致分为起步、过渡和成熟这三个时期:起步期主要是电动汽车技术方面的探索和研究;过渡期是混合动力汽车的发展研究;成熟期是以纯电动和燃料电池汽车作为最终发展目标。事实上传统汽车行业受到金融危机的不小冲击,其带来的国际油价的不稳定,造成了节能减排的压力增长、动力电池技术研发迟滞,使得部分主流车企在纯电动汽车的投入研发资金增多,如丰田、大众、日产、比亚迪等,相信在各国新能源产业政策的支持下,纯电动汽车的发展会迎来新的市场热潮。

    一、纯电动汽车关键技术

    (一)动力电池方面1、三元电池向高镍方向发展

    我国目前三元电池厂商主要生产的是NCM333和NCM523电池,NCM622已经进入部分企业的材料供应链,处于研发阶段的NCM811也有望于近期开始应用。电池单体能量密度将从200Wh/kg向250-300Wh/kg迈进。国际方面,NCM622已经开始应用(宝马i3),NCM811开始小范围适用。

    

    2、圆柱电池向21700方向发展

    国际上Tesla和松下共同研发的21700电池单体容量为3-4.8Ah,质量为60-65g,能量密度为300Wh/kg,并且已经应用在Model3车型上。而国内在乘用车领域还没有21700电池应用的案例,但一些企业开始布局。

    深圳比克电池预计21700电池单体容量可达到6Ah的;天鹏电源21700电池单体能量密度为200-240Wh/kg;亿纬锂能21700电池单体容量为4Ah,能量密度为215Wh/kg并计划在2019年推出260Wh/kg的产品;远东福斯特21700电池规划单体容量为5Ah以上;力神发布的21700电池单体容量为2-5Ah,能量密度为210-260Wh/kg。

    

    (二)电驱动系统方面

    1、我国车用驱动电机技术处于国际领先地位

    我国乘用车驱动电机产品功率密度已经达到3.3-3.6kW/kg(峰值功率/有效质量),最高转速提高至12800rpm以上;商用车驱动电机转矩密度达到18Nm/kg以上,最高转速达到3500rpm以上。在乘用车方面,如下图所示,我国驱动电机产品的功率密度已经达到3.8kW/kg(峰值功率/有效质量),转矩密度为7.1Nm/kg,与宝马i3的驱动电机技术指标处于同一水平。

    

    2、国内外车用电机控制器技术现状我国车用电机控制器技术正在迅速追赶国外同类产品水平。我国电机控制器功率密度已经达到12kW/L以上,控制器效率达到98%以上。从数值上看,与博世2015年的水平接近,但这是在标准模块封装下的性能参数,而在客户不同要求的定制化封装时,我国电机控制器的指标数据会有所降低。然而,虽然技术水平还落后于国外,但我国企业仍在不懈的追赶中,目前已经开发出功率密度18kW/L的定制化封装电机控制器样机。

    

    3、我国车用电驱动系统发展目标

    十三五重点研发计划对于驱动电机的发展目标为:乘用车电机功率密度4kW/kg,商用车电机转矩密度做到20Nm/kg,继续保持国际领先水平。

    十三五重点研发计划对于驱动电机控制器的发展目标为:电机控制器实现功率密度倍增,达到国际先进水平。具体技术目标为2020年达到16-18kW/L,力争2025年达到32-36kW/L(碳化硅)。

    

    二、深度混合动力汽车关键技术

    深度混合动力的特点是动力系统以电动机为基础动力,汽油发动机为辅助动力。电动机完全可以满足车辆在起步和低速行驶状态下的动力要求,随着速度的提升汽油发动机会和电动机通过智能系统来协同高效的工作,并且可以带动发电机为电池充电。

    (一)串联式混合动力

    串联混合动力在车辆行驶时,发动机不直接驱动车轮,而是作为发电机为电池充电,仅由电池带动电动机驱动车辆行驶。

    日产NOTE

    日产在2016年发布一款名为e-POWER的动力系统,该系统属于串联式混合动力(增程式)。

    与传统混合动力系统不同,日产e-POWER动力系统中,搭载了一台三缸1.2L排量发动机(HR12DE),该发动机具有如下技术特点:

    一、采用米勒循环的工作原理,使得发动机的膨胀比大于压缩比,在膨胀行程中可最大限度的将热能转化为机械能,有助于提高发动机的热效率,降低燃油消耗。二、12:1的压缩比,可以让混合气中的汽油分子汽化的更完全,提高了发动机的工作效率。三、缸体采用真圆加工工艺,令缸体内壁更加光滑,减少活塞和气缸之间的摩擦力,提高工作效率,延长寿命。

    与纯电动汽车不同的是,e-POWER动力系统中的能量来源是发动机,而不再是电池。

    

    整个e-POWER动力系统可以让车辆的加速性能如纯电动车一样,主要元器件与纯电动汽车通用(与聆风采用同款电机),减少研发和生产成本。由于发动机只负责发电,燃油经济性表现优异(Notee-Power的油耗水平在日本JC08测试标准下达到了37.2km/L)。

    

    (二)混联式混合动力混联混合动力在车辆行驶时,电动机和发动机都能够分别单独的驱动车辆,能够提供纯电、纯油和油电混合三种驱动模式。1、雪佛兰VOLT2018款雪佛兰VOLT的动力系统名为Voltec,该系统由充电接口、电子驱动单元、发动机、锂离子电池组构成。VOLT完全由电机驱动,当电池组的电力耗尽时,可以通过一台1.5L的发动机带动发电机来为车辆电驱系统继续提供电能,在纯电模式下可以行驶53英里,在增程模式下可以行驶420英里。其工作方式为:插电模式下,外接电源为电池充电,电池为电机提供电力,电机向车轮提供动力;增程模式下,发动机带动发电机发电,发电机为电池充电,电池为电机提供电力,电机向车轮提供动力。

    

    2、荣威eRX5荣威eRX5的动力系统主要由发动机、EDU电驱变速箱组成。发动机是一台代号为15E4E的1.5T发动机,最大功率124kW,峰值扭矩250Nm,与之匹配的是整套混动系统最核心的执行机构——EDU电驱变速箱。在纯电模式下可以行驶60km,在增程模式下可以行驶650km。

    

    3、比亚迪秦比亚迪“秦”搭载的最新DMII系统除了可实现纯电动模式行驶和混合动力模式行驶外,当电量不足或高压系统故障时还可单独用发动机驱动行驶,实现了高压系统的独立性。该系统搭载了一台1.5T涡轮增压发动发动机,最大功率113kw,峰值扭矩240Nm,6档双离合变速、110kW永磁同步电机以及10kWh容量的电池组合在一起,整体采用集成式一体化设计,从而使结构紧凑便于布置且提高了结构强度。

    

    三、燃料电池汽车关键技术

    (一)丰田1、车型基本情况

    丰田的燃料电池技术处于世界领先,以其量产的乘用车Mirai为例,体积功率密度为3.1kW/L(比2008年丰田的技术提升了2.2倍),发电功率达114kW,据美国环保局EPA官方数据显示,Mirai最高续航里程可达312英里(约502公里)。

    2、燃料电池技术解析

    电池单体流道构造的创新。丰田Mirai配备的新型燃料电池技术,革新性的使用了世界首创的3D细孔流道设计。3D细孔流道为三维的微细格子流道,通过使空气向接触电极的方向以紊流形式流动,来促使氧向触媒层的扩散。

    另外,通过流道内外形状的最佳化与流道表面的亲水性使生成水快速地从电极排出,抽出到流道表面,防止由于流道堵水造成气体流动不畅,以此实现电池组内面的发电均一和降低电池组之间电压的误差。此外,在电池组内面可以改变流道形式,在空气极上游道分缓和紊流,即使在无外部加湿的情况下也能够控制电极的干燥。

    

    正极的创新。电解质薄膜采用薄层设计,厚度减小1/3,导电性提高3倍。气体扩散层通过基材的低密度化和薄膜化,使氧气扩散性提升2倍以上。催化剂通过采用最佳的Pt/Co合金比例,使催化活性提高了1.8倍。

    

    通过以上技术创新提高了气体扩散性减低了浓度过电压;提高了质子传导性降低了电阻过电压;提高了催化活性降低了活性过电压,相当于单位面积不变的情况下,大幅增大了可发电电流,使电流密度为原来的2.4倍。

    

    取消加湿器。新型电池组的结构使空气流道和电极两端在宏观上形成对流,灵活运用电池组内空气流道下流生成的水,在氢流道上流部加湿氢,通过氢的流动将水蒸气运送到氢下流部,通过电解质膜使水逆扩散,对电极容易干燥的空气流道上流部进行加湿,无需额外添加加湿器。

    

    通过以上的改进,丰田新型的燃料电池堆体积功率密度达到原来的2倍以上(3.1kW/L),最大功率从原来的90kW提高到了114kW,相当于电堆的功率提高了36%,而电堆的体积也实现了24%的小型化。

    

    (二)本田

    1、车型基本情况

    本田Clarity搭载的燃料电池体积功率密度为3.1kW/L,发电总功率达103kW,整个电堆位于发动机舱内,两个氢瓶分别布置在后排座椅下方以及后方,最大储氢量为141L(约5kg)。Clarity最高续航里程可达366英里(约589公里)。

    2、燃料电池技术解析

    本田通过不断技术的改进,使得Clarity所采用的新动力系统的电机高度缩小34%,燃料电池单体的数量减少了30%。

    此外,新燃料电池单体自身的厚度也降低了20%。尽管燃料电池数量有所减少,但每个燃料电池单体的输出均增加了1.5倍,总功率达103kW,每个电堆体积仅为33L,功率密度达到3.1kW/L。

    新型电驱动两级空气压缩器。它提高了1.7倍的空气输送能力,压缩机的体积也缩小了40%左右。

    新型燃料电池电压控制单元。利用碳化硅功率半导体器件将燃料电池的电压输出提高至500V。此外,电机的最高转速也从之前的12,500转提高至13,000转,最高时速上升至166km/h。

    取消加湿器。为了提高燃料电池单元的发电效率,改进了氢气和空气的流动方向,令生成的水在电池单元内循环,无需额外添加加湿器,这使得电池的输出功率提高了50%,体积减少20%,降低了生产成本。

    (三)现代

    1、车型基本情况

    2013年2月26日,现代发布了世界上第一辆量产版氢燃料电池车ix35FCV。该车型配备了发电功率为95kW的燃料电池,可在-20℃的情况下正常启动。同时配有两个700bar的氢瓶,可储存氢气5.6kg,最大续航距离为415km。

    2017年8月17日,现代集团官方发布一辆名为新一代FCEV的燃料电池概念车型,并计划于2018年量产。该车型搭配了现代第四代燃料电池系统7,,相比于上一代系统,对四个关技术进行了升级:燃料电池系统效率、性能(最大输出功率)、耐用性和氢储存。

    2、燃料电池技术解析

    燃料电池系统效率提升。通过提高燃料电池性能、降低氢气消耗率以及优化关键部件,新车型与ix35燃料电池车相比,效率提升达60%,比ix35提高了9%。由于系统效率大幅提升,新车型有望实现单次续航里程达到580公里(基于韩国的测试标准)。

    产品性能(最大输出功率)提升。与上一代车型相比,新车型最大输出功率提升了20%,高达163马力(约120kW)。除此之外,该系统还提高了车辆的冷启动能力,经过优化后可以在-30℃下顺利启动。

    耐用性提高。由于采用了高耐用性催化剂技术,新款氢燃料SUV的使用寿命较上一代产品有了大幅提升。

    氢储存技术优化。新款燃料电池车在储氢能力方面也有了显著提升。通过对塑料内胆结构的创新及高效的分层,减少了氢瓶厚度,重量减少了10%,储氢效率提升25%,实现了世界一流的氢气存储能力。与此前两个不同尺寸的氢瓶相比,新车型搭配了三个同尺寸的氢瓶,并且可以安装在座椅下方,进而保证行李箱拥有如同燃油车般的使用空间。

    (四)日产1、车型基本情况2016年,日产汽车在巴西发布了世界首款由固体氧化物燃料电池(SOFC)驱动的原型车e-BioFuel-Cell,该原型车基于海外版NV200电动版打造,配备了一个5kW的固体氧化物燃料电池和30L油箱,采用生物乙醇作为燃料发电,向一个24kWh的电池提供电能,续航里程将不少于600公里,计划到2020年正式发售。2、燃料电池技术解析

    无需外供氢。与丰田的技术路线不同,日产这款原型车无需添加氢气,而是直接添加生物乙醇燃料,通过车内车载改质器的转化,将生物乙醇转化为氢气和二氧化碳,其中的氢气通过固体燃料电池堆与空气中的氧气发生电化学反应产出电能。

    

    降低对氢气纯度的要求。此类型燃料电池车辆,可以使用纯度较低的氢气作为能源供给,并且无需新建加氢站,利用现有加油站就可对生物乙醇进行存储。虽然固体氧化物燃料电池系统在工作时会产生二氧化碳,但包括甘蔗在内的一些植物在生长过程中需要吸收二氧化碳,因此这种电池能够实现总体上的碳平衡状态。

    (五)上汽1、车型基本情况荣威950FULLCELL氢燃料电池轿车搭载有动力电池和氢燃料电池双动力源系统,除了常规的补充氢气外,还可以通过外接充电的形式对电池充电。车内搭载两个700bar氢气瓶,其氢气储量可达4.34公斤,最大续航里程为430公里,最高时速160km/h,可在-20℃的情况下正常启动。四、总结(一)动力电池技术与国外具有一定差距我国目前三元电池厂商主要应用的是NCM333和NCM523电池,NCM622已经进入部分企业的材料供应链,处于研发阶段的NCM811也有望于近期开始应用,电池单体能量密度将从200Wh/kg向250-300Wh/kg迈进。国际方面,NCM622已经开始应用(宝马i3),NCM811开始小范围适用。另外,圆柱型电池也由18650逐步向27100方向发展。国际上Tesla和松下共同研发的21700电池的单体容量为3-4.8Ah,质量为60-65g,能量密度为300Wh/kg,并且已经应用在了Model3车型上。而我国在乘用车领域还没有21700电池应用的案例,但已经出现一些企业开始布局。(二)我国车用驱动电机技术处于国际领先地位我国乘用车驱动电机产品功率密度已经达到3.3-3.6kW/kg(峰值功率/有效质量),最高转速提高至12800rpm以上。国际上宝马i3的驱动电机功率密度为3.8kW/kg(峰值功率/有效质量),与我国驱动电机水平基本保持一致。(三)我国车用电机控制器技术正在迅速追赶国外同类产品水平我国电机控制器功率密度已经达到12kW/L以上,控制器效率达到98%以上,仅仅达到博世2015年的技术水平。而在定制化封装下,我国电机控制器的性能将会有所下降,技术差距明显。但我国企业正在不懈努力的追赶中,目前已经开发出功率密度18kW/L的定制化封装电机控制器样机。

    (四)纯电驱动技术路线获得国际认可,增程技术崭露头角

    日产在2016年发布一款名为e-POWER的动力系统,该系统属于串联式混合动力(增程式),其发动机不再与车轮连接,只起到为电池充电的作用。由于发动机只负责发电,并且一直处于最佳的工作区间,其油耗水平在日本JC08测试标准下达到了37.2km/L。

    2018款雪佛兰VOLT的动力系统名为Voltec,其特点是整车完全由电机驱动,当电池组的电力耗尽时,可以通过一台1.5L的发动机带动发电机来为车辆电驱系统继续提供电能,在纯电模式下可以行驶53英里,在增程模式下可以行驶420英里。

    由上汽集团自主研发的荣威eRX5同样具有增程模式,并且该系统更倾向于纯电驱动的设计,只有在电量低与需要大扭矩输出时,发动机才会启动介入。在纯电模式下可以行驶60km,在增程模式下可以行驶650km。

    (五)日本引领全球燃料电池技术发展,我国燃料电池乘用车产业化进展缓慢2014年丰田发布燃料电池车型Mirai,其搭载的燃料电池系统体积功率密度为3.1kW/L(比2008年丰田的技术整整提升了2.2倍),发电功率达114kW,最高续航里程可达312英里(约502公里)。

    本田Clarity于2016年上市,其搭载的燃料电池体积功率密度为3.1kW/L,发电总功率达103kW,最高续航里程可达366英里(约589公里)。

    2016年,日产在巴西发布了世界首款由固体氧化物燃料电池(SOFC)驱动的原型车e-BioFuel-Cell,续航里程将不少于600公里,计划到2020年正式发售。

    我国燃料电池乘用车以上汽荣威950FULLCELL为代表,其搭载有动力电池和氢燃料电池双动力源系统,除了常规的补充氢气外,还可以通过外接充电的形式对电池充电,最大续航里程为430公里,可在-20℃的情况下正常启动。

    五、发展建议电动汽车的出现为我国提供了一个由汽车大国迈向汽车强国的机遇。建议国家层面要坚定不移的支持电动汽车关键技术的发展,持续设立科研项目,特别是在我们还比较薄弱的方面,比如:电池材料、结构设计、产业配套、生产设备等;电机本体永磁化、控制数字化、系统集成化、碳化硅功率器件等;插电式混合动力系统和深度混合动力系统;燃料电池关键技术等方面。

    纯电动汽车发展的关键技术

    车身、底盘、动力电池组、电机、电机控制器和辅助设备是纯电动汽车的主要构成部分。纯电动汽车作为新能源汽车分类下的重要角色,国内外关于纯电动汽车的研究更是有着良好的发展。要做好纯电动汽车的关键技术研发工作并不容易,需要车企及研究人员在诸多关键的技术上有突破性进展。这其中电动整车结构、电池组、电机及电控以及电能管理技术等将都是发展电动汽车的最关键的地方。

    1电池技术

    纯电动汽车的车用动力电池的发展经历了三代,第一代是铅酸电池,第二代是碱性电池,第三代是燃料电池。各种类型的电池性能比较如表1所示。但这些电池技术成熟但相对陈旧,新型的电池技术,诸如模块化电池技术、无线快速充电技术等都有待研发,并有效提升电池性能。

    2电机及控制技术

    驱动电机同样是纯电动汽车的关键组成。为了使纯电动汽车的具备良好的行驶性能,驱动电机应该具有调速范围宽、转速高,扭矩大等基本特征。另外要质量轻、体积小、机械效率高、制动效能高和能量回收的性能。纯电动汽车驱动电机的性能表现如表2所示。

    在机电一体化快速应用的时代,智能数字化的控制系统得到广泛应用。自适应、变结构、遗传算法模糊、神经网络等非线性的智能控制技术也会被快速的应用与电机控制系统。合理使用这些技术将使得系统结构更加优化、响应更加灵敏、抗干扰能力更强,这大大提高整个系统的综合性能。

    3整车技术

    纯电动汽车是多学科的高合成度的产品,在动力电池、电动机以及电动控制系统之外,整车总布置和车身结构也是最基本的构成部分。对于整车技术的研究多借鉴于传统燃油汽车,并以此作为电动汽车的改进基础。轻量化材料如铝镁合金、优质合成钢材及诸如碳纤维等材料的采用,会使得车身质量大量减轻;高性能的子午线轮胎的使用会减少车辆行驶过程中的车轮滚动阻力;流线型车身造型,可使得汽车行驶的空气阻力减少等等[4]。

    这其中整车车身轻量化始终是纯电动汽车的各项整车技术当中核心的研究内容。纯电动汽车因为布置了动力蓄电池组,增加了整车重量,所以轻量化得问题更加突出,汽车轻量化的技术主要有以下几种。第一,使用轻型材料,例如铝合金、碳纤维等。第二,通过结构优化,利用CAD/CAE结合技术对车身结构进行多工况强度分析以及模态分析研究,计算试验相结合验证,实现结构最优,达到质量减轻的效果。第三,采用先进的汽车制造工艺技术,例如激光拼焊等。

    4能量管理技术

    比能量高、比功率大、使用寿命长的蓄电池是电动汽车具备高续驶里程和良好动力特性的必要条件,但是一个优秀的电池能量管理系统不仅能够延长电池的使用寿命而且可以增加电动汽车的续驶里程。电动汽車的ECU是能量管理系统。一方面,它能够采集汽车各个子系统的实时运行数据,进行实时监控和修复诊断;另一方面,有着控制充放电模式、显示电池剩余电量等功能。能量管理系统是电动汽车的安全保障,它需要执行的功能之多,负担之重前所未有。它不仅可以在线对电池进行修复并且能够实时保护电池,监测电池电压、电流和温度,建立安全保护机制,有效提升电池使用寿命[5]。

    电动汽车产业化的前景展望

    技术成熟程度、使用便利性及经济性是影响电动汽车普及的主要因素,电动汽车必须在这三个方面具有与燃油汽车相比较的核心竞争力,这样才能让电动汽车大规模应用和量产。

    在对纯电动汽车产业的考察分析之后,可以看到推动其发展的因素主要技术、能源以及政府政策。纯电动汽车产业发展必须要汽车技术、市场需求、政府支持及能源等因素协同作用下才能够更快的实现产业化,也只有这样才能够有效的缓解渐趋严峻的能源及环境问题。

责任编辑:江源

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