4.1 我國(guó)新能源汽車的發(fā)展階段

 

我國(guó)新能源汽車的發(fā)展階段，從2009年開(kāi)始算起，到2020年，可以大致劃分為4個(gè)階段：

 

 

第一個(gè)階段：2009年~2013年。這個(gè)階段，是技術(shù)、產(chǎn)品、用戶、市場(chǎng)的積累期，這個(gè)階段的特點(diǎn)是核心技術(shù)、產(chǎn)品形態(tài)、用戶使用習(xí)慣等基本上都是空白，到底該怎么搞，大家都不知道。但是有一點(diǎn)是毋庸置疑的，就是一定要發(fā)展節(jié)能與新能源汽車這個(gè)產(chǎn)業(yè)，這涉及我國(guó)能源安全，事關(guān)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)能否做強(qiáng)，也是我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必由之路。

 

第二個(gè)階段：2014年~2015年。經(jīng)過(guò)第一個(gè)階段的探索，核心技術(shù)有了一定的突破，產(chǎn)品形態(tài)呈現(xiàn)多種多樣的局面，用戶也慢慢的接受了新能源汽車這個(gè)新鮮事物，最重要的是，由于中央財(cái)政補(bǔ)貼和地方財(cái)政補(bǔ)貼的雙重刺激，吸引了眾多的企業(yè)和資本進(jìn)入了這個(gè)產(chǎn)業(yè)，從而造成了2014年和2015年的井噴式發(fā)展。

 

第三個(gè)階段：2016年~2017年（進(jìn)行中）。我們把這個(gè)階段叫做窗口期，或者搖擺期，是因?yàn)檫@個(gè)階段是政策逐步讓位于市場(chǎng)的階段，但是由于政府對(duì)于監(jiān)管的加強(qiáng)，以及消化前期政策所遺留的額問(wèn)題需要一定的時(shí)間，客觀上加劇了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的波動(dòng)，使得行業(yè)的發(fā)展在一年當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)大起大落的情況。

 

第四個(gè)階段：2018年~2020年（預(yù)測(cè)）。我們把這個(gè)階段稱作突破期，政府建立新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)效機(jī)制，補(bǔ)貼政策逐步退出，技術(shù)和產(chǎn)品取得重大突破，新能源汽車的市場(chǎng)化運(yùn)作機(jī)制初步建立，從而一舉奠定我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)在全球的領(lǐng)先地位。

 

4.2 2020年的關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)

 

不同的國(guó)家，對(duì)于新能源汽車的發(fā)展有各自的考慮，選擇了適合自己的技術(shù)路線。我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)目標(biāo)、市場(chǎng)目標(biāo)、技術(shù)路線等方面都有非常明確的規(guī)劃，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了非常好的促進(jìn)作用。這其中有三份比較重要的文件，對(duì)動(dòng)力電池及Pack的技術(shù)路線會(huì)有很大影響，值得我們關(guān)注。

 

2012年6月28日 ，國(guó)務(wù)院下達(dá)關(guān)于印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》的通知。這是我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中最重要的一份綱領(lǐng)性文件，將節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)提高了國(guó)家戰(zhàn)略的高度，對(duì)市場(chǎng)、產(chǎn)品、技術(shù)都做出了明確的規(guī)劃。

 

2016年10月26日，受國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)、工業(yè)和信息化部委托，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)組織逾500位行業(yè)專家歷時(shí)一年研究編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》正式發(fā)布，本項(xiàng)技術(shù)路線圖描繪了我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)未來(lái)15年發(fā)展藍(lán)圖，對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線做出了更加詳細(xì)的規(guī)劃。

 

2017年3月1日，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委 、科技部以及財(cái)政部四部委公布了《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》，以加快提升我國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力和水平，推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

 

 

這三份文件中，與動(dòng)力電池及Pack相關(guān)的2020年技術(shù)指標(biāo)，如上圖所示。要達(dá)到上述要求，未來(lái)幾年在工程技術(shù)方面需要有比較大的創(chuàng)新。

 

4.3 技術(shù)挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)

 

以純電動(dòng)乘用車為例，2020年的典型技術(shù)參數(shù)如下：

 

 

450km的綜合工況續(xù)航里程，已經(jīng)完全可以滿足運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)的需求，達(dá)到每天只充一次電的目標(biāo)，也可以滿足個(gè)人用戶長(zhǎng)途駕駛的需要，接近傳統(tǒng)燃油車的滿油續(xù)航里程。車輛使用溫度范圍廣泛，可以適應(yīng)我國(guó)90%以上的國(guó)土區(qū)域。在快充狀態(tài)下，可以做到15分鐘充滿80%的電量，大大縮短充電時(shí)間。整車的整備質(zhì)量小于1.5噸，百公里能耗在15度電以下，進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車的能量轉(zhuǎn)換效率。

 

為了達(dá)到上述技術(shù)指標(biāo)，充分滿足市場(chǎng)對(duì)于插電式混動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車的需求，Pack技術(shù)必須在以下幾個(gè)方面取得明顯的進(jìn)步。

 

（一）系統(tǒng)集成效率的大幅度提升

 

按照電芯能量密度300Wh/kg和Pack能量密度260Wh/kg的目標(biāo)來(lái)計(jì)算，Pack系統(tǒng)的集成效率要做到85%，而當(dāng)前乘用車Pack的集成效率普遍在65%左右，這意味著集成效率需要大幅度提升，才能達(dá)成目標(biāo)。

 

 

要提高Pack的集成效率，有兩個(gè)可行的途徑，一是優(yōu)化Pack內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅度減少Pack內(nèi)部的組件數(shù)量，將更多的組件和功能集成在模組和箱體上，從而減輕重量；另一個(gè)是采用輕量化的材料，如采用鋁型材或復(fù)合材料代替高強(qiáng)度鋼，采用塑膠件代替金屬件等，也可以減輕重量。

 

（二）廣泛的溫度適應(yīng)性

 

冬天可以在零下20℃，甚至零下30℃的低溫下工作，夏天可以經(jīng)受50℃的地面高溫而不趴窩，同時(shí)還要承受3~4C的快充，這是電動(dòng)汽車大范圍推廣的必要條件。要滿足這一要求，高換熱系數(shù)和快速熱交換的液冷/液熱系統(tǒng)將成為Pack的標(biāo)配。

 

液冷/液熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在-30~50℃環(huán)境溫度和4C快充工況下，將電池單體的工作溫度控制在15~45℃、電池單體間的溫差控制在5℃以內(nèi)。

 

 

綜合運(yùn)用仿真分析和測(cè)試驗(yàn)證等手段，達(dá)到液冷/液熱系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能做到-30~50℃的使用溫度范圍，以及大倍率和長(zhǎng)壽命使用。

 

液冷/液熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須與整車的冷卻循環(huán)系統(tǒng)相互匹配，必須與Pack的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高度集成，必須達(dá)到極高的熱交換效率。

 

（三）3~4C的快充將成為標(biāo)配

 

想象一下，我們開(kāi)著電動(dòng)汽車出門(mén)，在充電站需要花費(fèi)1個(gè)小時(shí)的時(shí)間進(jìn)行充電，如果碰上充電排隊(duì)，可能需要花費(fèi)2個(gè)小時(shí)，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，沒(méi)有比這更糟糕的體驗(yàn)了。家用慢充和充電站快充相結(jié)合，是電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵因素之一，對(duì)于出租、公交、物流等領(lǐng)域的營(yíng)運(yùn)車輛來(lái)說(shuō)，快充的重要性甚至要大于續(xù)航里程，因?yàn)槌潆姷臅r(shí)間是無(wú)法載客或載貨的，充電時(shí)間越長(zhǎng)，意味著運(yùn)營(yíng)效率越低，損失越大。

 

 

比較合理的快充要求，是在15分鐘內(nèi)，充滿80%左右的電量，這要求Pack達(dá)到3C以上的充電能力，在電芯的設(shè)計(jì)、電連接設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)、以及BMS的能量管理方面，都要做出非常大的技術(shù)突破。

 

（四）與車同壽命的Pack產(chǎn)品

 

因?yàn)殡姵匕某杀竞芨?，如果做不到與車同壽命，車輛的維護(hù)成本將非常高昂，用戶顯然不會(huì)愿意為這額外的成本買單。

 

以乘用車為例，如果是個(gè)人用戶購(gòu)買，通常需要達(dá)到8年/12萬(wàn)公里的壽命要求，如果用于營(yíng)運(yùn)，壽命可能要達(dá)到5年/40萬(wàn)公里。

 

 

要達(dá)到如此嚴(yán)格的壽命要求，除了電芯的循環(huán)壽命和日歷壽命要達(dá)到目標(biāo)，還需要電子、電氣、機(jī)械組件也達(dá)到8年以上的使用壽命。除此之外，在電芯的成組技術(shù)、系統(tǒng)的熱管理和能量管理、以及Pack的售后維護(hù)等方面，也都有非常高的要求。

 

（五）總結(jié)

 

Pack技術(shù)的發(fā)展，涉及到多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識(shí)，需要跨學(xué)科的技術(shù)融合，需要綜合性的、系統(tǒng)性的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)思維，我們不能簡(jiǎn)單的把電化學(xué)、電子、電氣、機(jī)械等作為核心技術(shù)看待，還要看到Pack產(chǎn)品所涵蓋的材料、熱交換、電磁兼容等方面的技術(shù)特征。

 

要開(kāi)發(fā)一個(gè)可以裝車的Pack產(chǎn)品很容易，要量產(chǎn)一個(gè)壽命、穩(wěn)定性、可靠性、安全性都完全符合汽車級(jí)要求的Pack產(chǎn)品，則需要大量的工程實(shí)踐、理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真和測(cè)試驗(yàn)證，還需要基于足夠數(shù)量的產(chǎn)品進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，不斷的優(yōu)化和完善。

 

本書(shū)的目的，在于通過(guò)系統(tǒng)的工程方法和大量的工程實(shí)踐，為廣大讀者展示Pack產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的基本流程和關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。