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国外月亮真的比较圆?不一定!一文看懂中外电动汽车关键技术对比研究

时间:2018-03-14 16:20:53  作者:admin  来源:技术  浏览:124  评论:0
内容摘要:  原标题:国外月亮真的比较圆?不一定!一文看懂中外电动汽车关键技术对比研究  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。  在政策导向阶段,我国新能源汽车推广取得了骄人成绩。截...

  原标题:国外月亮真的比较圆?不一定!一文看懂中外电动汽车关键技术对比研究

  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。

  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。但随着补贴金额的逐年退坡,产业发展转入市场导向阶段时,我国新能源汽车产业尤其是乘用车产业如何应对市场格局下外资品牌的强势冲击, 如何保持我国自主品牌新能源汽车的市场活力并参与到国际竞争中去,是不可忽视的问题。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。

  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。

国外月亮真的比较圆?不一定!一文看懂中外电动汽车关键技术对比研究

  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Model 3 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 215 Wh/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。

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  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 3.8 kW/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。

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  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。

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  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 16-18 kW/L,力争 2025 年达到 32-36 kW/L(碳化硅)。

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  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。

  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。

  日产在 2016 年发布一款名为 e-POWER 的动力系统,该系统属于式混合动力(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。

  发动机与车辆驱动系统进行解耦,其工作状态与车辆的动态工况无关,且始终处在效率最佳的工作区间为动力电池补充电力,大幅降低燃油消耗。驱动电机输出功率为 80kW,扭矩为 254Nm。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。

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  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(Note e-Power 的油耗水平在日本JC08 测试标准下达到了37.2km/L)。

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  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。

  2018 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。

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  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。EDU 内部采用了平行轴形式的齿轮轴系,其中输入轴设置有两挡齿轮,并通过啮合的形式与同步器连接,进而通过差速器将动力输出到半轴。输入轴两侧集成有两个电动机, 其中靠近发动机端的为 ISG 电机,其额定功率 30kW,峰值扭矩150Nm,主要负责车辆启动、怠速充电这些低负荷工况。另一侧为TM 电机,其额定功率为 56kW,峰值扭矩 318Nm,主要负责驱动车辆。两者均通过由液压油控制开闭的离合器来与机械动力单元相连。连接 ISG 电机与发动机的离合器 C1 采用了常开的设定, 而连接TM 电机的离合器C2 则采用了常闭的设定,中间的两档齿轮主要负责调整发动机输出功率。该系统基于纯电力驱动设计,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。

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  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。电机经减速器与变速器连接,通过齿轮及花键完成扭矩传递,传动效率高。通过电机与发动机的配合可以轻易地实现大扭矩输出,提升车辆的动力性和通过性,又可用电动机对发动机进行功率调节,实现全天候工况下的运行。同时高压系统选用 500V 电压,减少了电能传输过程中的发热损耗。

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  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,整个电堆位于驾驶舱下方,由370 片厚度为1.34mm、重量为102g 的单体电池组成,可在-30℃ 的情况下正常启动。据美国环保局EPA 数据显示,Mirai 最高续航里程可达 312 英里(约 502 公里)。

  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。

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  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。除此之外,将碳载体从原来的中空型为中实型,减少载体内部难以有效发挥机能的 Pt 催化剂, 使Pt 利用率提高了约一倍,进而使得Pt 的用量减至原来的1/3。

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  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。

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  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。另外,电解质膜薄膜化至原来的1/3,在促进生成水逆扩散的同时,将质子传导性提高了 2 倍。

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  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。

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  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)。EPA数据显示,Clarity 最高续航里程可达 366 英里(约 589 公里)。

  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,不仅可以缩小散热器的体积,而且能够让电机的功率输出将提升30% 达到130kW,而扭矩也从之前的 256Nm 提高至 300Nm。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。

  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。

  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,进而行李箱拥有如同燃油车般的使用空间。

  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-Bio Fuel-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。

  无需外供氢。与丰田的技术线不同,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,将生物乙醇为氢气和二氧化碳,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。

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  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。

  荣威 950 FULL CELL 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。

  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。

  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。

  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。

  日产在 2016 年发布一款名为 e-POWER 的动力系统,该系统属于式混合动力(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。

  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,整个电堆由 370 片厚度为 1.34mm, 重量为 102g 的单体电池组成,可在-30℃的情况下正常启动,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,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。

  我国燃料电池乘用车以上汽荣威 950 FULL CELL 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。

  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。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,让更多的企业参与,群策群力,提升我国汽车工业的国际竞争力。另外,企业要通过加大研发投入来弥补自身短板,主动迎接市场导向阶段的到来,主动参加到国际竞争中去。


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