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新能源汽车技术发展与趋势综述
点击次数:377 发布时间:2019-01-07

1 新能源汽车理论综述与发展现状分析
1.1 新能源汽车理论综述
新能源汽车是指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),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。
新能源汽车按照使用范围可以分为以下几类:
(1)纯电动汽车:纯电动汽车(Battery Electric Vehicle)是以车载电源为动力,以电动机为单一驱动源的汽车,纯电动汽车的电力系统主要由动力电池、驱动电机和电驱控制器等部件组成,由于纯电动汽车没有发动机、多齿比变速箱,使用价格较低的电力作为动力源,与传统燃油车相比具有使用成本低、驾乘体验舒适、后期保养便捷等明显优势,缺点是续航里程短、充电时间长,主要适用于市区内通勤,代表车型有特斯拉Model S、日产聆风、比亚迪e6。
2016年全球纯电动汽车销量达到49.28万辆,占到了新能源汽车总销量的64%,纯电动汽车已经成为新能源汽车销量的主力,在新能源汽车的推广过程中发挥着重要的不可替代作用,是新能源汽车未来的主要发展方向。
(2)插电式混合动力汽车:插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)是在传统燃油车的基础上加装一套电力驱动系统,插电式混合动力汽车的电力驱动系统与纯电动汽车完全相同,由于在相同体积的燃油车内同时存在燃油驱动系统和电力驱动系统,电池容量比纯电动汽车小,发动机性能比燃油车弱,但可以将两套驱动系统组合叠加使用,以达到更高的性能和更长的续航,也可以单独使用电力驱动系统,以达到节能效果,缺点是由于存在两套驱动系统,结构比燃油车和纯电动汽车更复杂,增加了车辆自重,在亏电状态下油耗高、驾乘体验差,代表车型有宝马i8、比亚迪唐。
插电式混合动力汽车很好地解决了纯电动汽车续航短的问题,可以用于远距离出行,同时因为有发动机,在充电时间过长的情况下可以使用汽油代替,大大缩短了能源补给时间,是在现阶段纯电动汽车技术瓶颈时期的理想过渡车型,插电式混合动力汽车在相当长的时间里仍然会成为新能源汽车推广过程中不可或缺的重要力量。
(3)常规混合动力汽车:常规混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle)与插电式混动动力汽车同样拥有燃油和电力两套驱动系统,不同的是常规混合动力汽车没有充电口,不能外接电源充电,主要是通过发动机驱动发电机发电,与插电式混合动力汽车一样,可以使用单独燃油或电力驱动系统,也可以将两套驱动系统组合使用,代表车型有丰田普锐斯、本田雅阁混动版。
常规混合动力汽车不需要外接电源,充电便捷,油耗显著低于传统燃油车,在新能源汽车发展初期发挥了重要作用,但由于无法单独脱离发动机使用,节能效果一般,同时随着充电设施的逐步完善和更加节能的插电式混合动力汽车的快速发展,常规混合动力汽车发展缓慢,加之目前部分国家和地区把此类车界定为传统燃油车,没有优惠政策和资金补贴,使常规混合动力汽车处境艰难。
(4)其他新能源汽车:包括增程式电动车、氢燃料汽车、太阳能汽车等,这些汽车因为技术和推广方面的原因,适用范围窄,某些车型甚至尚处于试验阶段,没有投放市场,占新能源汽车整体规模的比例很低。
1.2 新能源汽车的特点与优势
与传统燃油车相比,新能源汽车具有以下几个显著优点:
(1)节能环保,使用成本低。
目前大部分新能源汽车都是使用电能作为动力源,少部分使用氢燃料、太阳能等清洁能源,相对于传统汽车使用的汽油或天然气,电能具有价格低、零排放等显著特点,可以达到节约能源、保护环境的作用,顺应目前各国政府和民间倡导的减排倡议,减少对地球环境的破坏,更好地改善大气环境,同时,对于消费者来说,新能源汽车的能耗大大低于传统燃油车,相同里程的花费仅相当于燃油车的约五分之一,使用成本较低。
(2)驾驶乘坐体验上佳。
由于纯电动、氢燃料、太阳能汽车的驱动系统没有发动机和多齿比变速箱,在行驶过程中没有NVH(噪声、振动与声振粗糙度)和多齿比变速器换挡时的顿挫感,同时所需能源都为电能和清洁能源,不会产生刺鼻气味,整个驾乘过程平顺、舒适、安静,可以给驾驶者和乘客上佳的驾乘体验,要远好于燃油车,即使是混合动力汽车,由于一般没有单独的燃油模式,随时需要电力驱动系统的介入,驾乘体验也要好于燃油车,在跟车拍摄、运输易碎物品等特殊情况下可以较好地保证车辆平稳,实用性强。
(3)结构简单,后期保养便捷。
由于纯电动、氢燃料、太阳能汽车的驱动系统没有发动机和多齿比变速箱,只有新能源驱动系统,内部结构相对简单,制造难度大为降低,混合动力汽车虽然相对燃油车结构更复杂,但因为可以单独使用电力驱动系统,在市区通勤的情况下,基本可以当作纯电动汽车来使用,由于结构简单,相对于燃油车繁琐的后期保养,新能源汽车的保养十分便捷,仅需要更换必要的部件即可,此外,新能源汽车的保养周期比传统燃油车更长,保养次数更少,节省使用者的费用、时间和精力。
1.3 新能源汽车的发展现状
新能源汽车发展已有200多年的历史,全一辆公认的电动汽车是由英国人罗伯特·戴维森在1873年发明,甚至早于德国人卡尔·本茨发明的内燃机汽车,19世纪末20世纪初是电动汽车发展的黄金期,当时电动汽车占到了汽车整体保有量的50%以上,然而随着石油的大规模开采和内燃机技术的突飞猛进,加之电动汽车在技术方面发展缓慢,燃油车逐渐占据汽车的主导地位,电动汽车发展几乎停滞不前,逐渐被边缘化,到了20世纪末,连续经历两次石油危机使汽车企业重新开始发展以电动汽车为首的新能源汽车,1992年通用汽车推出了纯电动汽车EV1,开启了新能源汽车发展的新篇章,此后,1997年丰田推出了一款混合动力汽车普锐斯,2003年单一量产纯电动汽车企业特斯拉(Tesla)成立,并在之后推出多款的电动汽车,新能源汽车自此进入到了一个快速发展期,2017年全球新能源汽车销量122.4万辆,较2016年同比增长58.14%,占全球整体汽车市场的份额大约为1.32%,虽然汽车销量整体比例仍然很低,但是增速远高于传统燃油车,潜力巨大。
2 新能源汽车产业技术发展趋势研究
新能源汽车在性能、节能、驾乘体验等诸多方面具有显著优势,产业发展十分迅速,在短短的数年时间里已经在汽车整体市场中占有了自己的一席之地,但是从整体占比上看依然较低,同时,新能源汽车企业目前在电池续航、成本控制、结构设计等技术领域遇到了发展瓶颈,正在试图研究创新,寻求技术上的突破,一旦成功地解决了目前的发展困境,新能源汽车产业会迎来更加快速的发展,能源汽车未来的发展方向主要包括以下几方面。
2.1 动力电池技术
动力电池的主要功能是储存电能,传输给电机,转化为动能,从而驱动车辆行驶,是新能源汽车的能量和动力来源,在生产成本方面,动力电池的造价会一般占到整车造价的1/3甚至是一半,是新能源汽车最重要和成本最高的核心组成部分,动力电池的技术水平和产品质量往往决定了新能源汽车整车的技术水平和产品质量,电池的能量密度、使用寿命、安全保障等方面很大程度上决定了消费者对新能源汽车的购买意愿,目前动力电池相关新技术在以下几方面快速发展。
2.1.1 全固态锂电池
全固态锂电池是相对液态锂电池而言,是指结构中不含液体,所有材料都以固态形式存在的储能器件。具体来说,它由正极材料+负极材料和电解质组成,而液态锂电池则由正极材料+负极材料+电解液和隔膜组成,固态电池的电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量,同样的电量,固态电池的能量密度更高,体积将变得更小。目前在乘用车和专用车市场,三元锂电池占据了主流位置,单体能量密度大致在120-140Wh/kg;在客车市场,磷酸铁锂电池占据了大部分市场份额,单体能量密度可以达到130-220Wh/kg,纯电动汽车目前的续航里程普遍在300-500公里。相同体积的固态电池的能量密度在400Wh/kg左右,最高可达600Wh/kg,是目前动力电池能量密度的4-5倍,意味着电量将以相同的倍数增加,续航里程比之前大幅度提升,预计会是目前续航里程的数倍甚至是10倍,将达到上千甚至是数千公里,届时里程焦虑的困扰将会大大缓解,新能源汽车的续航里程也会大幅度超越燃油车,实现更远距离的行驶,从根本上解决目前阻碍新能源汽车发展的续航里程短的问题。

图1 电池技术发展阶梯图
全固态锂电池是未来电池技术的主要发展方向,可以在相同体积的条件下实现更长的续航里程,在相同续航里程的条件下实现更小的体积,目前全球主要新能源汽车和动力电池企业包括比亚迪、宁德时代、沃、丰田汽车等都在积极研发固态电池,但是受限于当前较高的技术难度和昂贵的制造成本,固态电池的研发进度比较缓慢,还没有开始在新能源量产汽车上使用,相信一旦技术上有所突破,固态电池在不远的未来会在新能源汽车领域大规模使用,替代现有电池。
2.1.2 氢燃料电池
氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极,它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式,氢燃料电池只会产生水和热,所以,氢燃料电池是完全的清洁排放,对环境是真正的零污染,此外,氢燃料电池续航里程较长,补给燃料时间较短,一般充满氢仅需3-5分钟,相较于插电式电池充电时间大幅度缩短,可以节省更多时间,这些优势使氢燃料电池非常适合长距离长时间行驶的新能源汽车使用。
目前氢燃料电池已经开始在客车、专用车等车型上应用,在商用车上的应用前景十分广阔,目前全球主要的客车和乘用车企业包括宇通客车、上汽集团、丰田汽车、现代汽车等都在积极研发氢燃料电池,但由于氢燃料获取成本高,同时需要有专用的加氢站,占地面积大,无法在停车场安装加氢设备,易用性方面与插电式汽车有较大差距,国内目前仅有5座专用的氢燃料汽车加氢站,数量极少,并且某些不对外开放,导致现阶段氢燃料汽车的能源获取十分困难和不便,氢燃料电池仍需较长时间加大力度推广普及。
2.1.3 太阳能电池
太阳能电池又称为太阳能芯片光伏电池,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片,太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能,太阳能电池最早是用于工业发电,后来随着生产成本的降低和转化率的提高,光伏产品开始广泛用于家庭发电,走进广大普通百姓家中,目前,光伏产品的使用已经成为许多家庭日常生活的一部分。
由于太阳能电池是通过吸收自然光作为能量来源,转化为电能驱动车辆行驶,转换过程不受时间、空间限制,而且能源成本为零,因此,相对于锂电池和燃料电池在能源获取需要的空间和时间方面具有不可比拟的巨大优势,太阳能汽车真正实现了随时随地免费地获取能源,可以从根本上解决新能源汽车充电难、充电慢的问题,世界上第1辆太阳能汽车可以追溯到20世纪70年代末,但是由于太阳能电池能量转化率低,同时需要电池板裸露在车身外,易破损,加之太阳能电池薄膜的成本较高,导致太阳能汽车普及推广一直停滞不前,没有实现量产,不过,目前已有特斯拉、汉能集团等企业仍在积极研发太阳能电池,未来太阳能电池汽车实现量产指日可待。
2.1.4 无线充电和换电池技术
里程焦虑是目前消费者对新能源汽车购买的主要顾虑,究其原因主要是现阶段电池能量密度技术提升较慢,续航里程不高,无法满足消费者的需求,在电池本身能量密度没有突破性提高的现状下,需要改良现有的充电方式,来间接提升续航里程,解决里程焦虑问题,而无线充电和换电池技术就是在这种大背景下产生的。
无线充电技术是无需要线缆的一种充电技术,可以分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式,小功率无线充电常采用电磁感应式,如对手机充电的Qi方式,目前已经开始在部分手机产品上应用;大功率无线充电常采用谐振式,由供电设备(充电器)将能量传送至用电的装置,该装置使用接收到的能量对电池充电,并同时供其本身运作之用。大功率无线充电技术目前主要是应用在电动汽车的无线充电方式上,无线充电由于没有了线缆的束缚,相较于有线充电更加方便,车辆可以在无线充电板上灵活自由停放,不受周边环境的限制,同时,无线充电没有机械磨损,也避免了有线充电由于线缆接触不良出现的故障,安全性进一步提高,使用寿命得以延长。
目前,包括奥迪、奔驰、宝马、丰田、沃尔沃等汽车企业都在积极研发无线充电技术,其中奥迪已经在部分车型上使用了这项技术,除了静态无线充电,光伏企业也在积极研发动态无线充电道路,使电动汽车可以在道路行驶的过程通过铺设在道路上的无线充电装置充电,真正实现随时随地获取能源,彻底解决里程焦虑的后顾之忧,2017年12月28日,全球首条光伏公路在山东省济南市建成,光伏路面可将太阳能转换为电能,再由路面下的电磁感应线圈为电动汽车无线充电,真正实现了能源的无限获取,但是由于目前无线充电和光伏公路只是试验阶段,还没有真正的大规模应用,无线充电真正普及尚需时日。
除了里程焦虑之外,充电时间过长也是制约消费者购买新能源汽车的一大因素,虽然目前已经有快充技术在逐步改善,但与燃油车的加油时间相比,仍然过长,时间成本高,而在充电速度无法大幅度提升的现状下,换电池技术可以有效解决续航里程问题,换电池技术就是将新能源汽车驶入指定的换电站,通过装置将现有电池卸载,将已充满电的电池替换装载的技术,换电技术可以大大缩短充电时间,甚至短于燃油车的加油时间,可以大幅度提升汽车的续航能力,消除里程焦虑,同时,电池可以采用慢充方式,对电池有更好的保护,延长电池使用寿命,目前已有北汽新能源、蔚来汽车、国金汽车等新能源汽车企业在积极研发换电技术并投入使用,但同时换电技术仍存在诸多发展障碍,首先换电站投入成本较高,短期内无法达到加油站的分布密度,无法满足所有车主的需求,其次,换电站要求所有车型要使用统一的电池尺寸规格,客观上限制了汽车企业推出汽车尺寸的种类,从而影响汽车企业的长期发展规划,此外还有更换过程中的电池衰减、安全防护等问题尚待解决,之前以色列的BetterPlace公司和特斯拉公司的换电服务均以失败告终,但在目前看来,换电技术仍然是最有效的解决新能源汽车里程焦虑的方法。
2.2 电机技术
电机分别连接着新能源汽车的动力电池和汽车传动轴,动力电池的电量输出到电机,通过电机将电能转化为动能,传输到传动轴,由传动轴将动力输出到轮胎,最终驱动汽车行驶,电机内部集成了电控系统和单级变速箱,代替了燃油车的发动机和多齿比变速箱,大大简化了汽车的内部结构,是新能源汽车不可或缺的重要组成部分,电机技术由于之前在许多领域广泛应用,发展得较为成熟,新能源汽车的电机技术一直以来平稳发展,不过近年来新能源汽车的电机技术出现了一些新的发展趋势,轮毂电机技术是其中的主要方向。
轮毂电机技术就是将集成了减速器的电机总成直接布置在轮毂中,由4个轮边电机直接驱动4个车轮,轮毂电机技术并非新生事物,早在1900年,就已经制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车,在20世纪70年代,这一技术在矿山运输车等领域得到应用。随着20世纪60年代石油的大规模开采和发动机技术的飞跃式发展,同时电池技术停滞不前,燃油车在此后的数十年间占据了汽车的主导地位,而随着近年来新能源汽车的重新崛起,轮毂电机技术再一次成为电机技术的发展趋势和方向。
目前新能源汽车的电机一般采用前置或后置电机,分别连接动力电池和传动轴,结构较为成熟,装配简易,但由于需要经过传动系统将动力输送至轮胎,不可避免地造成电机功率的损耗,影响汽车的性能和电机使用寿命,轮毂电机是将动力装置、传动装置和制动装置都一起整合到轮毂内,得以将电动车辆的机械部分大为简化,重量大大减轻,提高了车身的空间利用率,电机直接将动力传输到轮毂,在传动过程中几乎无损耗,车辆性能得以完全发挥,同时轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性,因此无论是前驱、后驱还是四驱形式,它都可以比较轻松地实现,全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易,这些优势都是传动电机不可比拟的,当然,现阶段,轮毂电机需要在空间较小的轮毂布置,结构较为复杂,技术难度高,需要较长时间的研发来实现技术的真正普及。
2.3 辅助驾驶技术
除了动力电池和电机这两大新能源汽车核心部件的技术以外,还有一些新能源汽车技术同样与其发展息息相关,这其中辅助驾驶技术与新能源汽车的发展最为密切,辅助驾驶技术是辅助驾驶者进行驾驶的技术,可以为驾驶者提供更加全面和优异的驾乘体验和安全保障,在整个驾驶过程中发挥着重要作用,在新能源汽车领域的辅助驾驶技术主要包括自动驾驶和车载人工智能两大类。

图2 汽车辅助驾驶技术逻辑图
2.3.1 自动驾驶
自动驾驶技术是采用先进的通信、计算机、网络和控制技术,对汽车实现实时、连续控制。自动驾驶国际自动机工程师学会(SAE)按智能化程度将自动驾驶分为L0-L5六个等级,依次为人工辅助、辅助驾驶、半自动驾驶、高度自动驾驶、超高度自动驾驶和全自动驾驶,人工辅助为L0最初级,全自动驾驶为L5即自动驾驶的形态,在此等级下,驾驶可以在没有驾驶员的情况下完全交由机器完成,应对当前所有工况,并不断进行学习改进,适应新的工况,在L5等级下的自动驾驶可以完全实现无人驾驶。
自动驾驶技术最早出现于2009年,最初旨在辅助驾驶员进行驾驶,而随着技术的不断提升,自动驾驶逐渐被认为可以取代人类进行驾驶,真正解放驾驶员的双手,消除长时间驾驶产生的疲劳,避免交通违章和事故的发生,大大提高车辆的安全性,是未来驾驶技术的必然趋势,而新能源汽车由于内部结构简单,驾驶操控简易,电子控制系统结构相似,是目前发展自动驾驶的最理想车型,大部分自动驾驶技术的发展是在新能源汽车平台上完成的。
自动驾驶技术的核心是自动驾驶芯片,通过芯片处理各种路况,将信号传输给车辆控制系统,从而实现自动驾驶,目前,英特尔、高通、英伟达、Mobileeye等芯片厂商正在积极研发自动驾驶芯片,而百度、谷歌等互联网公司也在积极研发自动驾驶系统,以适应更多的车型,车企方面,奥迪、特斯拉、蔚来等厂商的自动驾驶汽车已经量产并上市,但由于目前量产车的最高自动驾驶等级是L3,在实际使用过程中,仍然只能起到辅助驾驶的作用,并且偶尔会出现故障和问题,同时目前自动驾驶汽车所占的比例较低,但随着技术的不断进步,相信在不久的未来,自动驾驶汽车会越来越多,等级会逐步提高。
2.3.2 车载人工智能
人工智能是计算机科学的一个分支,它企图了解智能的实质,并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器,该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能的概念最早是在1956年提出,由于人工智能的载体是计算机和机器,其定式运算和存储速度远高于人脑,并且不会产生疲劳,在重复机械性的工作领域相较于自然人脑有巨大的无可比拟的先天优势,大大提高了生产效率和降低了错误率,经过60多年的发展,已经广泛应用于计算机、机器人、装备制造、服务业等多个领域,成为日常生产和生活的不可或缺的辅助工具。
汽车产品由于一直是以自然人驾驶员为核心,这一理念始终贯穿着汽车行业的发展,车载人工智能在汽车行业的应用起步较晚,不同于自动驾驶的重复机械性劳动,车载人工智能是在车辆内部为驾驶员提供各项辅助服务,需要熟练掌握声音语言和肢体语言,更深入地理解和领会驾驶员意图,甚至是驾驶员的情绪,不是单纯的听从驾驶员指令,而是能与驾驶员进行交流,具备情绪感知和感情培养的能力,真正成为驾驶员的出行伙伴,对于人工智能的要求更高更细致,目前各大车企都在积极研发人工智能,已经有上汽、沃尔沃、特斯拉、奥迪等厂商推出了搭配车载人工智能的汽车,但目前都处于初级的语音识别阶段,2017年底,蔚来汽车推出了全球车载人工智能系统nomi,基于强大的车载计算能力和云计算平台,集成了语音交互系统和智能情感引擎,创造出了一种全新的人车交互方式,次让车从一个机器,变成一个有生命、有情感的伙伴,真正成为人类的出行伴侣。
3 结语
新能源汽车产业的技术发展趋势时刻影响着其技术发展路线,最终决定了新能源汽车产业的总体发展状况,目前的技术发展趋势主要体现在三大方面:
(1)动力电池技术依然是新能源汽车最重要的核心技术发展方向,动力电池目前的技术发展主要解决电池容量和电量获取速度这两大问题,其中全固态电池可以大大提高电池容量,延长新能源汽车的续航里程,而无线充电和换电技术可以打破充电在时间和空间范围内的限制,大大提高充电效率,解决新能源汽车目前最为诟病的充电问题。
(2)电机作为驱动车辆行驶的最直接的动力装置,在未来的技术发展趋势中势必会得到更加迅速的提升,以轮毂电机、BSG电机为代表的电机技术显著提高性能和舒适性,使新能源汽车的接受度更高,更快地进行普及。
(3)人工智能作为一项新兴技术,与众多行业进行紧密结合,而新能源汽车是其重要的实施平台,在使用便捷、车辆安全、驾乘乐趣等方面大幅度拓宽新能源汽车的使用范围,使汽车不仅成为可靠的交通工具,更能成为人类未来亲密的出行伴侣。
科学技术是生产力,新能源汽车是汽车产业未来发展的必然趋势,无论是制造环节还是使用环节,其技术发展趋势一直着整个汽车产业的发展趋势,同时,固态电池、轮毂电机、驾驶辅助等方面的新技术同样会影响到装备制造、智能机器人、服务业等众多相关产业的发展,促进产业间共同融合发展,最终促进整体经济的快速发展。

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