陈清泉院士:新动力轿车展开含义及技能道路研讨丨厚势轿车
来源:英雄联盟电竞压注软件 | 作者:英雄联盟电竞压注软件hiveyan | 发布时间: 2022-05-29 08:23:32 | 7 次浏览 | 分享到:

  :本文从动力、环境、信息、科技等方面,剖析了我国展开新动力轿车的重大含义。规划规划出到 2050 年我国新动力轿车展开的战略方针道路。一起,结合已有相关研讨,剖析探讨了未来新动力轿车展开的整车根本技能道路、动力电池根本技能道路以及驱动电机、系统构型等动力总成的根本技能道路。最终,针对新动力轿车工业技能攻关,提出组成国家级技能立异联盟的主张,以期为我国未来新动力轿车展开供给战略参阅。

  》,作者是我国工程院院士、香港大学陈清泉教授和我国轿车工程研讨院股份有限公司高金燕 、何璇和沈斌。一、前语

  「十三五」以来,我国轿车职业由持续多年的高速添加转变为平稳添加。轿车大国布景下,工业出产形式、竞赛格式都在产生深入改变,而动力、污染、交通等要素的束缚也日益严重 [1]。一起,跟着互联网、云核算、大数据等新一轮科技改造和工业改造的掀起,新技能、新动力、新工艺以及新的商业形式的不断涌现,我国轿车工业正面对从量变到突变的要害节点。新动力轿车作为未来轿车展开的重要方向,协同智能化、网联化展开,正逐渐促进我国轿车工业的转型晋级。在此进程中,需进一步清晰我国展开新动力轿车的重大含义以及推动途径。

  现在,我国人均国内出产总值(人均 GDP)没有到达 10000 美元,若依照现在的展开形式与动力结构,猜测我国人均 GDP 添加到 18000 美元时,人均动力消耗将到达 8000 kg 石油当量,即为美国、加拿大现在的人均能耗水平,但现在这些国家的人均 GDP 均已到达 40000 美元甚至更高

  据我国工程院研讨报告定论,2020 年是我国动力结构调整的重要转折点,到时煤、石油等传统化石动力占比将开端大幅下降,而水电、核电等清洁动力则将开端快速添加

  近年来,跟着移动互联网、物联网、大数据、4G、卫星定位技能等的快速展开,轿车的电动化及智能互联浪潮正在席卷全球。各相关范畴已到达一个遍及一致,即未来的轿车将从今日的代步东西进化为一个「移动智能终端」,成为一个随时互联互通、具有多种功用的交互运用渠道。因而,比较传统轿车,新动力轿车是智能化技能运用集成更为理想的渠道,两者的紧密联系和互动将催生出更多新理念、新形式、新维度,然后带动信息技能的展开。

  其工业展开将有用促进各范畴相关的前沿根底研讨、规划开发、测验、出产制作等各环节的技能进步和科技立异,其相关技能及产品立异将对其他工业科技立异起到演示带动效果。一起,新动力轿车的中心是驱动力的新动力化,其立异与展开,除了改造轿车电机、电控甚至整车技能外,还将高度交融动力管理、智能互联和云服务,极大地重塑轿车工业链,这对轿车工业根底相对单薄的我国来说,既是要害,更是应战。2015 年国务院正式发布《我国制作 2025》,节能与新动力轿车作为十大要点展开范畴之一,是完结 2025 方针的重要抓手和组成部分,也是完结轿车强国战略的重要机会 [5]。

  第二阶段:2020 - 2030 年,以节能为首要驱动力,PM 2.5 得到有用控制,CO2 排放有所上升。在全社会各范畴大规划推行运用纯电动与插电式混合动力轿车,一起完结燃料电池轿车的工业化并到达必定的产销规划。大力研制、老练运用清洁发电及氢燃料制备(如运用自产可燃冰等资源发电、制氢)等技能,完结自产气、可燃冰等资源用量超越石油用量。到 2030 年,新动力轿车年产销量达 2000 万辆,商场占比为 50% 左右,占我国轿车总保有量的 15%。

  第三阶段:2030 - 2050 年,以削减 CO2 排放量为首要驱动力,下降全工业链能耗水平。在全国各范畴开端大规划推行氢燃料电池轿车,建造完善能满意全面遍及燃料电池轿车的根底设施。研制运用更清洁更高效的燃料制备技能,运用太阳能、潮汐能、风能等可再生动力出产燃料。一起扩大燃料类型,活跃开产生物质燃料、甲醇、CO 等多种燃料类型。到 2050 年,根本完结新动力轿车占我国轿车总保有量的 50% 以上,其间适当部分为燃料电池轿车。

  在要害零部件中,高能量密度动力电池是新动力轿车当时的火急需求。现在三元层状锂离子电池材料是最有运用远景的高能量密度正极材料,展开方向首要有高镍及高电压两个方向。

  高电压三元材料受高电压电解液等配套技能不老练的束缚,短期内还无法大批量运用。而高镍正极材料组合 Si 基负极是三元动力电池面向 300 Wh/kg 以上要求的首要技能道路 所示。Si 具有最高的理论嵌锂容量(约 4200 mAh/g)和较为适中的嵌脱锂电位(约 0.45 V vs. Li/Li+),在高速充电时能更好地防止锂在极片外表的分出和枝晶成长,然后改善电池的操作安全性,可习惯较宽的温度规划和较高的倍率功用。可是,高镍三元材料跟着镍含量的添加,其氧化性、结构不稳定性随之显着添加。现在,为进步能量密度的束缚,在进步材料的克容量时,其循环寿数、热存储、安全性等功用都会恶化。因而,只要这些功用到达一个平衡状况,满意实际运用需求时,才干真实完结量产运用。

  全固态电池电压渠道高,固态电解质比有机电解液遍及具有更宽的电化学窗口,且能隔绝锂枝晶成长,为具有更高能量密度空间的新式锂电技能奠定了根底。全固态锂电池当时能量密度约为 350 Wh/kg,预估最大值可达 900 Wh/kg,但其出产工艺流程和技能跟当时的惯例液态锂离子电池彻底不同,工业化面对适当高的技能壁垒。因为固体电解质中离子传输速度较慢,固体电解质和正负极材料界面的电阻很大,决议了其倍率功用必定是短板,一起全固态电池的循环性和温度功用也会面对很大应战。当时全固态锂电池还处于实验阶段,商业化还需时日。

  锂硫电池以硫作为正极,其理论比能量高达 2600 Wh/kg,且单质硫本钱低、资源丰富、对环境友好,现在首要存在活性物质运用率低和循环性差等问题。

  金属空气电池因为电池阴极活性物质 O2 能够从环境中吸取而不需要存储于电池系统中,因而具有较高的理论能量密度(~11500 Wh/kg,不包含 O2 质量),也因而成为近年来人们研讨的抢手。以锂空气电池( Li-O2)为例,最近的研讨标明,能够接受 100 周期以上的循环,一起充放电进程中 Li2O2 的生成/分化也被证明。可是,Li-O2 电池阴极氧电极充放电动力学进程缓慢,且存在较大的极化过电位,所以导致现在报导的 Li-O2 电池能量功率较低。开发高效的双功用催化剂,以较大极限地进步 Li-O2 电池的能量功率是当时研讨的要点。现在研讨较为广泛的氧电极催化剂包含碳材料、非贵金属(氧化物)及贵金属(氧化物)等。

  别的一种研制比较抢手的新式电池是燃料电池,其一起的异相电催化反响进程,使得不管是氢的电化学氧化仍是氧的电化学复原,都能够在 Pt/C 催化剂外表取得较高的沟通电流密度。一起兼具高能量和高功率的工况特性,这恰恰是现代轿车对动力系统的最根本的技能要求。站在电化学器材的视点,相较于二次电池,燃料电池是化学电源的一个更高的展开层次。燃料电池和二次电池在作业方式上的实质不同,决议了二次电池适用于中小功率的储能运用,而燃料电池则适合于较大功率的储能运用。

  未来 5~10 年内全固态电池、锂硫电池、金属空气电池、燃料电池工业化的可能性都较小,动力锂电池在未来几年将迎来快速展开期。

  燃料电池方面,国外轿车企业早于我国首先进行技能布局,并树立了燃料电池展开道路,构成了多国联合研制阵营,铂金催化剂等要害技能已完结打破,并完结工业化晋级,一起推出了商场化乘用车产品。我国燃料电池轿车根底较弱,要害材料和部件大多依靠进口,燃料电池发动机本钱居高不下,其耐久性、环境适用性等方面还存在技能瓶颈,有待持续研讨打破。

  新动力轿车的驱动电机技能相对老练。我国电机系统的技能与产品满意了新动力商用车、乘用车和特别用处车辆的需求,多家驱动电机企业产能到达万套级以上,部分产品现已批量出口欧美国家,驱动电机部分方针到达了世界水平。

  驱动电机干流道路有异步电机和永磁同步电机。其间,永磁同步电机具有结构简略、体积小、重量轻、呼应快速、调速规划宽、定位精确等特色,现已成为干流技能。国内外近期上市的新动力轿车大多选用永磁同步电机,单个企业如美国特斯拉轿车公司选用异步电机。2016 年,在我国新动力轿车中,配套永磁同步电机的份额高达 81.7%,而配套沟通异步电机的份额则为 17.8%。

  未来车用驱动电机展开趋势首要包含:电机的功率密度不断进步,永磁电机运用规划不断扩大;电驱动系统的集成化和一体化趋势愈加显着,电机与发动机、变速箱、底盘系统的集成度不断进步;车用电驱动控制系统数字化程度不断加大 [7]。

  增程式构型经过发动机向电池充电,仅由电动机驱动车辆,这样能够使发动机一直在最佳工况下作业且功率较高,即便在城市拥堵工况行进也能够坚持较低的油耗。但在高速工况下,因为能量传递有层级,会构成部分功率的丢失,油耗偏高。其代表车型有宝马i3)、奥迪A1e-tron) 等。

  并联构型大多是在传统燃油车的根底上添加电动机、电池、电控,由电动机与发动机一起驱动车轮,这样能充分运用功率,没有糟蹋问题,一起也能完结纯电与混动形式两种工况。其缺陷在于,混动形式下因为单电机不能一起发电与驱动车辆,所以发动机不能坚持最佳工况,油耗较高。其代表车型有奔跑 550 插电版、比亚迪秦)等。

  国外完结规划量产的乘用车混合动力系统多运用功率分流、混联系统,传递功率高、节油功用好。国内现在的混合动力系统依然以微混和中混为主,混合动力系统的可晋级产品(如插电式混合动力轿车,PHEV),首要是根据轿车起动发电一体机(ISG)的构型拓宽而来。自主轿车企业推出的插电式混合动力乘用车型,多运用并联、串并联系统,归纳功用间隔国外还有必定的距离。尤其在专用发动机、机电耦合设备、系统集成及控制等中心技能方面水平不高,与国外距离较大。

  当时全球及我国在展开新动力轿车的进程中,均面对着传统锂电池技能功用进步困难、新系统电池处于研制中、燃料电池技能不老练等中心妨碍,导致新动力轿车续驶路程无法与传统轿车竞赛。

  新系统电池技能存在必定的颠覆性,燃料电池技能代表未来车用清洁动力的终极方向,我国的深度混合动力技能储备相较世界领先水平还存在距离。

  针对电动轿车的三大要害范畴,主张由国家安排树立三家技能立异联盟:国家动力电池立异中心(已有)、国家新动力轿车动力系统研讨中心、国家燃料电池技能立异中心,并设置方针使命书和施行准则束缚,推动完结要害技能的研制资源集聚和研制产出。

  定位方针:引导轿车及相关职业集成现有立异资源,组成协同攻关、敞开同享的立异渠道。加强统筹和谐,展开要害共性技能研制与工程化运用。展开模块化供货等先进形式以及高附加值、常识密集型等高端零部件。全面进步我国轿车工业自主开发才能和全体技能水平。

  研讨范畴:动力电池(新式电池隔阂、新式电解液、新式正负极材料等)、动力系统(混合动力专用发动机、混合动力专用耦合安排、绝缘栅双极型晶体管、高速减速器、逆变器集成技能等)、燃料电池(电池堆、高功用膜材料、低铂催化剂、制氢/储氢/运氢技能等)。

  安排形式:由国家相关部分安排科研安排、整车企业、零部件企业、职业协会、高等院校等树立立异联盟,并别离设定一家牵头单位(原则上由第三方科研安排牵头,各单位按使命分工分头展开研讨)。

  运行机制:国家相关部分拟定各阶段的研讨方针及使命书,由牵头单位安排成员单位一起完结,施行研讨效果(包含技能专利、数据、材料等)同享,并逐渐施行效果的推行计划。

  资金需求:国家每年定时投入 30% 的研讨经费,企业自筹 70%,鼓舞吸收社会资本、金融资本参加、政府和社会资本协作(PPP)等融资形式,处理资金需求。

  总结来看,展开新动力轿车对我国下降石油对外依存度、缓解环境污染压力、带动相关范畴的科技立异、助推制作业转型晋级等都具有重大含义。现在各种产品的技能道路还处于不断探究改善的阶段,电池技能没有构成终极计划、混合动力技能构型还在优化,整车推动过程也会随同产品老练度的展开做出调整。

  未来新动力轿车工业展开,还将随同补助力度下降、世界竞赛接踵而来的应战,为此,必须坚持立异驱动为榜首中心,发挥好国家级技能立异联盟的效果,加强产品技能竞赛力。

  [1] 制作强国战略研讨项目组. 制作强国战略研讨归纳卷 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2015.

  [2] 杜祥琬, 杨波, 刘晓龙, 等. 我国经济展开与动力消费及碳排放解耦剖析 [J]. 我国人口•资源与环境, 2015, 25(12): 1–7

  [4] 欧训民, 覃一宁, 常世彦, 等. 未来我国电动轿车能耗和温室气体排放全生命周期剖析 [J]. 轿车与配件, 2009 (13): 40–41

  [6] 我国轿车工程学会. 节能与新动力轿车技能道路图 [R]. 北京:机械工业出版社, 2016

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