未来新能源汽车的发展展望.ppt

1、中吴学者论坛 新能源汽车共性关键技术的研究与应用,汽车与交通工程学院-贝绍轶 2015年7月14日,内容提要,1. 新能源汽车概述 2. 国际新能源汽车产业化进程 3. 我国新能源汽车产业现状及发展战略 4. 基于新能源汽车产业链分析 5.我国新能源汽车关键技术研发现状,1.1 什么是新能源汽车？,采用非常规的车用燃料作为动力来源 或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置,1.2 新能源汽车性能对比,1.3 新能源汽车未来的发展方向广义电动汽车,（一）微混合系统（micro hybrids），有时也叫“起停混合” 微混合系统，其电机仅作为内燃机的起动机/发电机使用，对它管理的控制策略是，需要

2、时（如遇到红灯车辆停止）使内燃机熄火，并当车辆再次行驶时，立即重新起动内燃机；以及制动时发电，实现制动能量回收；一般来说，当车辆行驶时，仅由内燃机驱动，电机不提供能使车辆行驶的附加力矩；也有一些结构在车辆加速时，电机辅助内燃机加速车辆。 微混合可实现5%15%的节油效果。新的GM Silverado 混合动力车属于微混合。,驾驶员坐在驾驶舱内，前方路口的红灯亮起，驾驶员踩下制动踏板，停车摘挡。此时，Start/Stop系统自动检测：发动机空转且没有挂挡；防锁定系统的车轮转速传感器显示为零；电子电池传感器显示有足够的能量进行下一次启动。满足这三个条件后，发动机自动停止转动。,智能启停系统原理图,

3、（二） 轻度混合系统（mild hybrids） 轻度混合系统，电机可给内燃机提供辅助的驱动力矩，但不能单独驱动车辆，这种系统同样具有制动能量回收、发动机熄火/重起动等功能，其电机、电池能力都比微混合大，作用也强,内燃机功率可以小一些。 Ricardo（一家国际汽车工程顾问公司）, 将电机功率不超过发动机最大功率的10%，定义为轻度混合。 Honda 的Insight 和2003-2005 Civic Hybrids 是典型的轻度混合汽车 节油可达20-25%,（三）全混合系统（full hybrids） 全混合车辆，电机和内燃机都可以独立或一起驱动车辆，因此在低速、软加速行驶（如交通堵塞，不

4、断起步停车）、车辆起步行驶和倒车等情况下，车辆可以全电动行驶；硬加速时电机和内燃机一起驱动车辆，也有制动能量回收的能力； 全混合系统内燃机和电机的功率水平不同，典型的情况是电机功率大约为内燃机最大功率的40%左右。 Toyota Prius、Ford Escape Hybrid、 Mercury Mariner Hybrid、Toyota Highlander以及 Lexus RX 400h 等均为全混合动力汽车。 节油达50-56%，但实际节油效果随车辆行驶工况、开车操作细节而变化。,比亚迪秦0-100公里/小时加速5.9秒、百公里油耗1.6升秦所搭载的双擎双模技术。,（四）可外接电源充电混

5、合系统（plugin hybrids） 结构与全混合系统类似，但全电动模式下行驶里程比全混合系统长，全电动行驶时的车辆性能与全混合系统相同。 具有接受外部公用电网对车载电池组充电的能力 内燃机功率水平与全混合系统类似 电机功率水平与纯电动车辆类似，但比全混合系统高 电池容量水平要保证足够的行驶里程（如30 或80 公里）,（五）燃料电池汽车（FCV） FCV电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高23倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车

6、辆。 具体来说，燃料电池汽车的工作原理是，使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。 与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：零排放或近似零排放；减少了机油泄漏带来的水污染，降低了温室气体的排放；提高了燃油经济性和发动机燃烧效率；运行平稳、无噪声。,工作原理：将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流，电子到达阴极板后，与氧原子和氢

7、离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不断地提供电能。,燃料电池汽车的优势,优点：燃料电池汽车具备电动汽车所有优点的同时兼具传统内燃机汽车性能：可以在几分钟内补充燃料；续驶里程达到数百公里；能量转换效率高达 60%80%，比内燃机高 23 倍；燃料来源多样；使用过程属于零排放或近似零排放”，是未来汽车发展的最理想方向。,六、增程式电动汽车,沃蓝达通过独创的Voltec电力驱动技术，使用普通家用插座充电6.5小时，雪佛兰Volt沃蓝达就可实现最高纯电力驱动里程80公里。,六、增程式电动汽车,该车提供

8、电力的是容量为16 千瓦时的360V锂电池组，电动机的最大功率是111KW，最大扭矩达到370Nm。当电量消耗至一定程度的时候，一款63kw的1.4L直列四缸发动机（用97号汽油）就会驱动55Kw的增程发电机来为电池充电。但是汽油发动机并不是完全不提供动力，急加速、锂电池电量极低的时候，汽油发动机也会给驱动轮提供动力。,六、增程式电动汽车,1. 可纯电动模式运行，所需电池容量小，造价低且不会发生缺电抛锚现象 2. 可插电式方模运行，在混合动力基础上进一步提高节油率 3电池充电功率小，不必建设大型充电设施 4电池充放电可以浅充浅放，有利于电池寿命 5具有外接充电方式，能利用夜间得低价低谷电充电

9、6结构简单，电机直驱，易于维修保养，易于实现产业化 7节能：发动机一直处于最佳工作状态，效率高，排放小 8减排：综合节油率高，现有技术就可节油50%以上。,1.3.1 混合动力汽车（HEV） 插电式混合动力汽车将成为主流技术路线,全混合,强混合,轻混合,微混合,电控汽车5/100 传统内燃机汽车1/100,并联式混合动力汽车 20/100电功率,混联式混合动力 50/100电功率,串联式混合动力 100/100,电控发动机,混合动力发动机,插电式混合动力,电功率占输出功率比,时间,自动启停 BSG,混合动力发动机 ISG,混合动力传动系统 DMH,插电式混合 PHEV,插电式混合动力汽车将成主

10、流技术路线,在传统内燃机汽车基础上耦合增加一套由驱动电机和动力蓄电池组成的辅助动力系统,1.3.2 纯电动汽车（EV） 通过小型化实现商业化,小排量燃油轿车,増程式小型电动轿车,小型化纯电动轿车,轻型电动车,微型电动车,小型化纯电动轿车,锂电池,轮毂电机,+,电动化底盘,+,家用电源充电,+,核心技术方向：,1.3.3 燃料电池汽车（FCV） 新能源汽车终极奋斗的目标,燃料电池电动汽车是指动力系统主要由燃料电池发动机、燃料箱（氢瓶）、电机、动力蓄电池等组成，采用燃料电池发电作为主要能量源，通过电机驱动车辆前进。燃料电池汽车具有效率高、节能环保（以氢气为能源、排放物为水、运行平稳噪声小）等优点

11、燃料电池已经发明很久，最初主要应用于航天和军事领域，后来，随着世界能源危机爆发及环境污染日益加剧，以质子交换模式为代表的燃料电池技术受到世界各国及大型汽车公司的普遍重视，纷纷投入巨资研发各类燃料电池电动汽车,全球部分国家新能源汽车发展规划,2.1 欧美新能源汽车产业化进程,2.1.1 美国 以生物质替代燃料为突破口,美国政府不断加大对生物燃料技术的研发和基础设施建设的投入，乙醇和生物燃料产能不断扩大 2006年占美国一次能源消耗总量的4%左右，预计未来十年内，美国乙醇、生物柴油等代用燃料将实现15%的汽油替代 美国的生物质替代燃料技术已经十分成熟，替代效果明显,2.1.1 美国（续） 混合动力

12、销售量逐年增加,从2005的1.2%上升至2009年的2.8%， 2009年全美汽车市场混合动力汽车销售总销量为290,280辆， 2012年全美汽车市场混合动力汽车的销售量达到220万辆,2.1.1 美国（续） 插电式増程电动汽车将成为未来主流技术路线,美国版的插电式电动汽车通用公司雪佛兰Volt 它实际上是一款插入式增程型电动车 驱动系统的动力全部来源于动力电池，当行驶里程在64公里以内时，电力驱动系统可完全只依靠一个车载的16千瓦时锂离子电池所储备的电力来驱动，实现“零油耗、零排放” 当电池的电力耗尽时，电力驱动系统可以通过一个车载的发电机发电来为车辆提供动力，实现继续行驶数百公里。因此

13、，它实际上并不是混合动力，而是混合充电。,2.1.1 美国（续） 产业政策将助推美国新能源汽车产业赶超日本,2.1.1 美国（续） 纯电动汽车-特斯拉,特斯拉汽车公司（Tesla Motors），成立于2003年，由斯坦福大学的硕士辍学生埃隆马斯克与硕士毕业生J.B. Straubel于2003年创立，一家生产和销售电动汽车以及零件的公司，以美国硅谷为基地，其总部位于加州，在纳斯达克上市，2013年公司公司市值约118亿美元。特斯拉专门生产纯电动车，目前生产的几大车型包含Tesla Roadster,Tesla Model S, Tesla Model X。,2.1.1 美国（续） 纯电动汽车

14、-特斯拉,Roadster是第一辆使用锂电池技术每次充电能够行驶320公里以上的电动车。该项世界纪录（501公里）也是由Roadster在2009年10月27日澳洲举办的Global Green Challenge上创立的。,2.1.1 美国（续） 纯电动汽车-特斯拉,Tesla Model S是一款由Tesla汽车公司制造的全尺寸高性能电动轿车，于2012年投入销售，而它的竞争对手则直指宝马5系。该款车的设计者Franz von Holzhausen，曾在马自达北美分公司担任设计师。 在Tesla汽车公司中，Model S拥有独一无二的底盘、车身、发动机以及能量储备系统。,2.1.1 美国（

15、续） 纯电动汽车-特斯拉,2012年2月9日，美国Tesla Motors公司发布了全尺寸纯电动SUV车型Model X，其后门采用设计前卫的鹰翼门造型，而依靠动力强劲的电动机驱动，其0-96Km/h加速时间为5秒内。 这款全尺寸纯电动SUV在2015年量产。,2.1.1 美国（续） 纯电动汽车-特斯拉,特斯拉的颠覆式创新,颠覆性的技术,颠覆性的商业模式,开放专利,高端路线：技术、时尚、环保；销售：体验店和网络直销 。,一方面获得了与领军者地位相符的声名，另一方面也必将使整个电动车的制造标准留下特斯拉的烙印。,2.1.2 欧洲 以柴油机技术独步世界，燃料电池技术全球领先,与美国不同，欧洲将发展

16、清洁型柴油汽车作为现阶段新能源汽车的发展的重点，主要因为欧洲汽车厂商在柴油发动机上具备强大的技术优势，因此欧洲在清洁柴油乘用车方面发展最为迅速。 1991年柴油汽车的市场份额不足20%，2003年柴油汽车市场份额超过40%，到2009年柴油汽车市场份额迅速增加到60%。 据统计，欧洲100%的重型车、90%的轻型车均已采用柴油机， 90%以上的出租车均采用柴油机，德国等国的出租车基本上都是柴油轿车。欧洲柴油轿车已占轿车年产量的32%，奥地利、法国、比利时、西班牙、意大利等国高达50%以上。其中法国和比利时为67%、奥地利则超过了70%。,2.1.2 欧洲（续） 通过排放标准引导新能源汽车发展,

17、2.1.2 欧洲（续） 通过排放标准引导新能源汽车发展,2.1.3 欧美主要汽车厂家的新能源技术战略,2.2 日本新能源汽车产业化进程,2.2.1 日本 混合动力占据主导地位,混合动力汽车在2012年增长迅猛，销量超过100余万辆，年增长率已高达14%。 2012年日本乘用车销量前十车型中，混合动力汽车位居第一位，混动车丰田Prius销量高居榜首，售出31.7万辆。,2.2.2 日本 新能源汽车产业政策起步早，优惠大,2.2.2 日本,高额补贴促进Toyota Prius 销售井喷,Toyota Prius，自政策实施以来一举成为日本本土单一车型销售冠军,日本补贴力度惊人,举例而言，以车重1.

18、5吨，零售价200万日元客车计算，购车时即须缴纳5.67万日元重量税及10万日元取得税，将近车价7%。 2009年6月，日本推出新车购置及旧车换新补贴，其中特别加强对于对于电动补贴金额。在此政策下，民众如将13年以上旧车报废，换购第三代Toyota Prius，分别可获得9.47万日元的取得税、5.67万日元重量税以及25万日元以旧换新补贴，总计高达40万日元。,300,2.2.3 日系主要汽车厂家新能源技术战略,3.1 我国新能源汽车产业现状,公共交通领域先行 私人领域跟上,各地公交系统小规模试用新能源汽车,3.2 技术 我国汽车能源动力系统发展战略导向,过渡战略,转型战略,双重战略,互 动

19、,并 行,优化现有车用能源动力系统发展节能汽车,开发新一代车用能源动力系统发展新能源动力汽车,可持续发展的车用能源动力系统,3.2 技术（续） 布局“三纵三横”,3.2 技术（续） 第一阶段（国家“十五”电动汽车专项）,三纵三横，整车牵头,燃料电池汽车,混合动力汽车,纯电动汽车,政策、法规、标准和基础设施研究,燃料电池整车技术 整车标定与匹配 燃料电池发动机,混合动力整车技术 整车标定与匹配 发动机和传动机机电耦合技术,纯电动整车技术 整车标定与匹配,多能源动力总成控制系统,电机驱动系统及控制单元,动力电池组和电池组管理系统,DC/DC变换器,ISA/ISG技术,电动汽车关键零部件工业,3.2

20、 技术（续） 第二阶段：国家节能与新能源汽车重大项目,第二阶段：动力平台为核心,3.2 技术（续） 第三阶段：国家节能与新能源汽车重大项目,第三阶段：动力模块为重点,3.3 从政策导向看我国新能汽车产业战略方向,我国新能源汽车发展战略,重点突破动力电池、电机等关键零部件,以纯电动汽车为主要发展战略，同时多条技术路线并存,快速启停系统BSG将成为乘用车标准配置,实施“一步走”战略，而非此前人们预测的“两步走”,我国新能源汽车发展战略,4. 基于新能源汽车产业链分析,4.1 新能源汽车产业链分析,4.1.1 新能源汽车产业链分析电池、电机和电控是关键,电池及电机 上游稀有金属资源,整车制造,充电设

21、备及场站,电池系统,电控系统,电机系统,新能源汽车产业链顶端是电池和电机的原材料稀有金属产业，主要涉及锂和稀土行业 电池、电机和电控系统为新能源汽车核心零部件，目前，电池的成本、容量、安全、使用寿命和快速充放等指标，是制约纯电动汽车产业化的关键因素 整车集成技术将调整人类的传统造车技术，新能源汽车将为后发优势国家提供赶超世界强国的机会 充电设备及场站是新能源汽车产业化的先行条件,锂电池回收,4.1.2 新能源汽车成本增加情况分析,4.1.3 “微笑曲线”决定新能源汽车产业链利润分配,上游稀有金属产业,电池,电机,整车制造,充电站及充电桩,充电设备,锂离子电池回收,1,2,3,4,5,6,7,正

22、极 负极 隔膜 电解液,任何一个产业链的利润分配都符合“微笑曲线”原理，即利润分布为“两头高，中间低”,4. 基于新能源汽车产业链,4.2 上游稀有金属资源,4.2.1 新能源汽车上游资源产业链,电机,电池,（1）驱动电机推升钕铁硼需求,从目前情况来看，用钕铁硼制造的永磁电机，具有体积小、耐高温、磁力强、寿命长、省能耗、效率高、高可靠性、高转矩密度等特点，是最适合新能源汽车永磁同步电机的磁性材料。,（2）稀土：在新能源汽车产业链最上游具有优势地位,稀土新材料领域消费量迅猛增长,中国政府对稀土资源的控制力度将有增无减。 继续捍卫稀土大国的资源优势，储备战略资源，满足新的需求； 有助于实现对稀土资

23、源价值的必要修正。,（3）锂离子电池-推升电池级碳酸锂需求,2012年全球七大汽车用锂电池生产商市场份额,4. 基于新能源汽车产业链,4.3 动力电池产业,4.3.1 车用动力电池系统技术进展,4.3.2 不同电动汽车对能量和功率的要求,4.3.3 锂电池材料成本构成,正极材料 40%,正极：铝箔,负极：铜箔,负极材料 10%,电解液 10%15%,（1）锂电池正极材料是关键,正极材料目前以钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰锂和磷酸铁锂为主。,钴酸锂电池在根本結构上的不安定使其应用无法扩张。,锰酸锂电池制备较复杂，容量在循环使用后下降。,镍价格比较低廉，混合使用后还可提高环保性。,磷酸铁锂寿命长、可以快速

24、充放电、无记忆效应、安全环保。,4. 基于新能源汽车产业链,（3）锂电池隔膜利润高,隔膜两个关键技术： 1、原材料品质：用于生产锂电池薄膜的PE、PP产品等级高，目前全部进口。国产化需要炼油和石化企业的技术进步。 2、制造工艺：国内企业技术条件较为落后，但有突破的可能。,（4）锂电池电解液六氟磷酸锂（LiPF6）国产化是关键,电解液,有机溶剂35-40%,电解质盐 50-60%,添加剂 10-15%,乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、碳酸二甲酯,LiPF6、LiClO4 、 LiAlCl4,过充电保护、阻燃添加剂、提高导电率,技术重点在于电解质盐，重点关注六氟磷酸锂。,优点：(1)在碳负极上，形成适当的

25、 SEI (solid electrolyte interphase，固体电解质)膜；,(2)对正极集流体实现有效的钝化,以组织其溶解；,(3)有较宽广的电化学性能稳定；,(4)在各种非水溶剂中有适当的溶解度和较高的电导率；,(5)有相对较好的环境友好性。,锂电池电解液概况：,4. 基于新能源汽车产业链,4.4 电机产业,4.4.1 驱动电机的性能要求更为苛刻,驱动电机系统是新能源汽车关键零部件之一。 新能源汽车同时也对电机及驱动系统提出更高要求，需要效率高、耐温度和低成本。,永磁电机将成为新能源汽车驱动电机的首选,从目前情况来看，用钕铁硼制造的永磁电机，具有体积小、耐高温、磁力强、寿命长、省

26、能耗、效率高、高可靠性、高转矩密度等特点，是最适合新能源汽车永磁同步电机的磁性材料。,5. 我国新能源汽车关键技术研发现状,动力总成控制系统方面，采用低功耗硬件设计和高效能量管理策略，通过唤醒技术，在停车状态时仅保持网络监听机制；在运动状态时，根据油门踏板、制动踏板、车速、当前档位等信号信息，并参考发动机、AMT、电机、电池、ABS 的工作状态，依据预设的能量管理策略对发动机、电机进行扭矩、转速等控制，使车辆处于高效运作模式，提高能量利用率。通过项目实施，突破了整车控制算法核心技术，具备了开发多种新能源控制器的基础设计能力。,5. 我国新能源汽车关键技术研发现状,电机控制系统方面，突破了小型化

27、多功能全数字控制电路，新型低感、高频大电流膜电容，高温、高换热系数散热底板等关键技术，完成了高密度驱动电机控制器样机试制与功能性能试验。,5. 我国新能源汽车关键技术研发现状,动力电池管理系统方面，通过研究新能源汽车电子技术与无线网络通信技术，研制开发具有无线网络通信远程诊断功能的智能新能源汽车电池管理系统，针对剩余电量估计、能量回收、均衡充放电 3 个主要技术难点进行突破，在实现我国智能新能源汽车电池管理系统国产化的同时，实现了项目产品的集成化与智能化。,5. 我国新能源汽车关键技术研发现状,产业化获得明显成效 由一汽研发的整车控制器 (HCU) 在一汽解放牌混合动力客车上累计装车 522

28、辆，在大连、长春、昆明、呼和浩特等城市公交线路示范运行，已完成产值 2750 万元 ；英科智开发的自主知识产权纯电动客车动力总成控制器和混合动力客车动力总成控制器，已进行与整车匹配研究，完成了在整车上试装、测试验证及批量化应用，建成年产 2万套动力总成控制器生产能力。2011-2012 年共实现动力总成控制器销售数量1500台，实现销售收入3000万元，净利润450万元 。,5. 我国新能源汽车关键技术研发现状,产业化获得明显成效 上海电驱动有限公司形成了三大功率系列化的多规格电机控制器系列化产品，建成全自动电路板贴片生产线和高密度电机控制器装配生产线各 1 条，装配线产能达到 5 万台套以上，累计实现高密度电机及电机控制器销售达到 2 万台套以上，累计销售收入近 3.7 亿元，有力地保障了国家“十城千辆”新能源汽车示范运行的顺利实施；埃泰克开发的相关系统，实现了我国智能新能源汽车电池管理系统国产化。,5. 我