新能源汽車行業技術瓶頸及發展趨勢

李曉華，錢 虹

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200093)

在中國應對氣候變化、積極推動可持續發展、加速結構調整的背景下，發展節能與新能源汽車已成為一種共識。發展節能與新能源汽車不僅有利于中國實現節能減排目標、降低石油對外依存度、保障能源安全，而且可以帶動整個產業鏈，包括電池、電機、電力電子、電控、汽車零部件、整車制造以及基礎設施等產業的發展，從而成為新的經濟增長點。

我國電動汽車的技術發展路線呈多元化發展趨勢[1]。從“九五”開始，我國將電動汽車技術研究與開發持續列入國家科技計劃，建立起以純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車為“三縱”，以動力電池、驅動電機和電子控制技術為“三橫”的電動汽車“三縱三橫”研發布局。目前我國電動汽車行業發展為“全面開花”的態勢，多種技術路線并存，最終將依靠市場來確立最終的主導模式。

1 動力蓄電池是電動汽車發展最大瓶頸

1.1 動力蓄電池技術難題

汽車動力蓄電池是電動汽車的核心部件之一，也是制約電動汽車發展的主要瓶頸之一。理想的車用動力蓄電池要有高能量密度、高功率密度、壽命長、工作溫度范圍寬、可長期儲存(無顯著衰減和自放電)、安全性和可靠性良好、成本低等特點。

目前，電動汽車動力蓄電池存在的技術難題主要體現在三個方面：電池比能量、電池成組、充電時間和循環壽命問題，如表1所示[2]。

針對上面的各類難題，隨著科技不斷進步，未來電池比能耗問題、電網建設和充電站規劃將最先得到解決。電池成組和循環壽命是兩個相互依存的問題，未來將有可能通過減少電池成組塊數甚至用單個整塊電池來取代目前的成組電池，通過將電池內部打包的形式來消除成組帶來的困難并有效延長動力電池的循環壽命。動力電池充電時間仍是十分棘手的問題，在保證電池使用壽命和質量的情況下縮短充電時間，需要更長時間的研究探索。

1.2 鋰電子電池是首選

動力電池是新能源汽車的核心，尤其體現在動力電池成組以及動力總成。電池是技術和成本上的最大瓶頸；動力電池是新能源汽車產業鏈中技術最核心的一環，未來汽車廠商之間的競爭，將主要是動力電池性能的競爭，動力電池是技術核心的地位將長期存在。表2是各動力蓄電池技術指標比較。

綜上所述：鋰電池具有長壽命、小體積、無污染、高安全性(鐵鋰電池)等優點，已被給予厚望。雖然正極材料和電池生產短期內還不夠成熟，但長期來看將是新能源汽車中的主要動力電池品種。根據預測，動力鋰電池將在2020年達到200億美元的市場規模，年均成長速度50%。

1.3 BMS是動力和儲能電池的必須配套[3]

鋰電池應用于小型消費電子產品中時，以單體電池的形式存在，而在新能源汽車中應用時，其要求的容量逐漸增大，需要通過并聯串聯的方式組成電池組進行充放電。單體鋰電池之間的性能差異，決定了其作為動力和儲能電池時，都需要電池管理(Battery Management System,BMS)進行充放電的管理、監控和保護，以避免單體電池出現損壞，影響整個電池組的性能。

BMS作為實時監控、自動均衡、智能充放電的電子部件，起到保障安全、延長壽命、估算剩余電量等重要功能，是動力和儲能電池組中不可或缺的重要部件。其市場規模將與動力、儲能領域的鋰電池同步擴張。

2 充電站建設

2.1 充電站建設的發展趨勢

發展電動汽車，首先必須建設完備的、與之配套的充電站系統。充電站是給電動汽車提供持續動能的場所。電動汽車以電為動力，動力蓄電池就如同燃料汽車的“燃油”一樣，通過一系列能量轉化形成發動機所需的動能，充電站就是為動力蓄電池提供持續運動的能量，因此動力蓄電池的技術及其發展就成為充電站乃至電動汽車發展的關鍵問題，其技術發展的趨勢在一定意義上決定了充電站未來的商業模式，也決定了電動汽車的發展格局。

電動汽車充電模式包括三種：常規充電模式，快速充電模式和更換電池模式。常規充電模式：又稱慢速充電模式，這種情況下充電電流相當低，約15 A，充電時間較長，一般為5～8 h，甚至長達10～20 h。常規充電模式下，對充電設備功率和電流要求不高，充電設備成本較低，電池使用壽命長。缺點在于充電時間過長，難以滿足車輛緊急運行需求。

快速充電模式：這種模式下，以較大電流在短時間內完成充電，一般充電電流為150～400 A，在約10～15 min的時間內能使電池儲電量達到80%～90%，與加油時間相仿。缺點是充電電流大，充電設備成本較高。

更換電池模式：電動汽車用戶租用充滿電的蓄電池，更換已經耗盡的蓄電池，提高用戶使用的方便性和快捷性，這種模式要求電池和電動汽車標準化。

2010年7月6日，財政部、科技部、工信部、發改委在深圳聯合召開全國私人購買新能源汽車試點工作會議上指出，“統一電動汽車所用動力電池的規格和尺寸，決定了將來更換電池的可行性”，建議“充電的方式以慢充電和分散式充電為主，不宜大規模建設集中式快速充電設備，特別是針對私家車”。目前電動汽車充電以“慢充+換電”為主要方式(圖1，圖2)。

圖1 充電站技術推進路線

圖2 充電站發展路線

2.2 電動汽車充電站“十二五”將迎來大規模建設

“十二五”期間，國網公司將根據各城市電動汽車發展規劃，積極推動電動汽車充電站的建設和運營，在國家電網汽車示范推廣區域構建完善的充換電網絡，在其他地區建設示范性充電設施。“十二五”國網公司計劃建設約900座充(換)電站，約23萬多個充電樁，加上已經建成的充電站，到“十二五”末，國網公司自主建設的充換電站和充電樁分別達到1000座和24萬個，初步形成覆蓋公司經營區域的充電服務網絡，基本滿足50萬輛電動汽車發展的需要。“十二五”國網電動汽車充電站的總投資預計在200億元，投資規模隨著充電站逐漸推廣而遞增，預計2015年達到投資高峰期。

目前，國網公司更傾向于采用可充可換的充換電站，這種站集充電、換電于一體，對于大型車可以采用換電池來快速完成電池續航，對于小型車可采用快速充電模式。2010年7月1日，國網公司首座全功能電動汽車充換電站投入運行，9月29日，江蘇省蘇州市鄧尉路電動車充換電站也投入投運，根據國網的規劃，“十二五”期間蘇州將完成30座充換電站的建設，另外，常州也將建設28座充換電站。我們判斷未來國網公司電動汽車充電站建設更多會采用充換電站模式。

2.3 基礎設施建設與電網協調發展

電動汽車的大規模推廣依賴于充電基礎設施網絡的建設。與此同時，電動汽車大規模應用后社會效益和經濟效益的體現、以及充電設施系統綜合效益的發揮，都依賴于智能電網的配套建設。因此，電動汽車、基礎設施與電網之間的協調發展非常重要。

對于電網來說，電動汽車屬于新型用電需求，具有移動性和多樣性的特點，發展電動汽車對于電網來說既是機遇又是挑戰。第一，充電網絡的覆蓋需要達到一定的廣度和密度，這與電網的建設和改造密切相關；尤其是電動汽車的快速充電功率可達上百千瓦，對城市配電網的改造提出了需求。第二，電動汽車相當于為電網提供了大量的分布式儲能元件，若能夠實現有效管理和引導，電動汽車不僅可以發揮削峰填谷的作用，而且對于電網接入不可控的可再生能源發電問題非常有幫助；反之，若電動汽車的充電高峰與晚上的用電高峰疊加，則需要新建電廠來滿足新增負荷。

因此，“充電網絡”和“智能電網”這兩張網的建設應當充分結合起來。目前國家電網和南方電網都已將電動汽車作為智能電網的重要環節之一來考慮；城市在制定充電設施網絡規劃的過程中也有必要充分考慮到其與智能電網的協調發展，而不僅僅是孤立的考慮充電網絡建設的投資。表3為同充電模式對電網的影響。

2.4 車網互聯(V2G)模式推動新能源汽車產業發展

V2G模式[4]描述的是這樣一個系統：電動汽車既可以從電網充電，也可以將電動汽車儲能電池中的電能輸送回電網。通過V2G模式，可進行電動汽車和電網的雙向電力交換，這對于發電、供電企業的高效平穩運行，電動汽車產業的蓬勃發展帶來了新的希望。

V2G模式的推廣可以實現以下功能：

(1)電動汽車在晚上電力需求小，電價低時從電網充電，白天電力需求大，電價高時將電反饋給電網，起到削峰填谷、平衡電網的作用。

(2)改善電能質量，通過電動汽車儲能優化供電品質如負荷跟蹤，調頻、調壓和功率因素修正。

(3)對間歇性的可再生能源接入電網起到緩沖作用。如遇到大風時將過量的風電儲存在電動汽車里，在負載高峰時再反饋給電網，從而對間歇性的風能起到穩定的作用。

(4)電動汽車可以作為分布式儲能系統，在突然停電狀態下提供備用電力。

(5)V2G電力還具有調頻、調壓等改善電能品質的功能以及緊急狀態下作為備用電源的功能。

3 稀土永磁同步電機成為主流

新能源汽車驅動電機在性能方面具有較為苛刻的要求，只有高性能的驅動電機才能滿足新能源汽車的要求。由于新能源汽車驅動電機通常要求能夠頻繁地起動/停車、加速/減速，轉矩控制的動態性能要求高；為了取消笨重而低效的多級變速器，在低速或爬坡時，要求的轉矩高，而高速行駛時，轉矩低；驅動電機通常要能夠承受高達4～5倍的過載；驅動電機要求調速范圍大，既要工作在恒轉矩區，又要運行在恒功率區，同時在整個調速范圍內還得保持較高的運行效率；新能源汽車驅動電機的工作環境比工業驅動惡劣，在結構、環境適應度、可靠性方面要有所考慮；在經濟成本、體積尺寸方面也要考慮。

因此，新能源汽車對驅動電機的要求：(1)體積小、質量輕；(2)在整個運行范圍內的高效率；(3)低速大轉矩特性及寬范圍內的恒功率特性。即使沒有變速器，電機本身也應滿足所需要的扭矩特性；(4)高可靠性，在任何情況下都應確保具有高度的安全性；(5)價格低。

目前，新能源汽車驅動用的電動機通常有直流電機、交流感應電機、永磁電機和開關磁阻電機。其中，用釹鐵硼制造的永磁電機，具有體積小、耐高溫、磁力強、壽命長、省能耗、效率高、高可靠性、高轉矩密度等特點，是新能源汽車驅動電機首選。近年來，日本在電動車、混合動力車、燃料電池車上用的驅動電機大多采用稀土永磁同步電機。表4為驅動電機技術指標比較。

在石油資源枯竭和環境污染嚴重的雙重壓力下，大力發展新能源汽車已經成為國際社會的共識，新能源汽車必將取代傳統內燃機汽車。在我國，有了政府的大力支持和政策扶植，必將使新能源汽車產業化進程加速，我國已踏入新能源汽車發展的快車道。

[1]陳清泉.現代電動車、電機驅動及電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2006.

[2]胡信國.動力電池進展[J].電池工業,2007,4(2):113.

[3]姜久春.電池管理系統的概況和發展趨勢[J].新材料產業,2008(7):40-43.

[4]李瑾.智能電網與電動汽車雙向互動技術綜述[J].供用電技術,2010(6):12-14.