創(chuàng)新工作方法 破解新能源汽車(chē)發(fā)展瓶頸

李競(jìng)強(qiáng)，康蘇媛，甄曉陽(yáng)

(天津市高技術(shù)研究發(fā)展中心 天津300051)

創(chuàng)新工作方法 破解新能源汽車(chē)發(fā)展瓶頸

李競(jìng)強(qiáng)，康蘇媛，甄曉陽(yáng)

(天津市高技術(shù)研究發(fā)展中心 天津300051)

大力發(fā)展新能源汽車(chē)是提升大氣環(huán)境質(zhì)量、發(fā)展我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的重要戰(zhàn)略。新能源車(chē)市場(chǎng)需求逐漸擴(kuò)大，但目前國(guó)內(nèi)純電動(dòng)車(chē)的電池系統(tǒng)能量密度仍然偏低，搭載的汽車(chē)普遍存在行駛里程短、使用成本高、充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善等問(wèn)題，成為了制約新能源汽車(chē)發(fā)展的瓶頸。為大力推動(dòng)新能源發(fā)展，破解發(fā)展瓶頸，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于動(dòng)力電池和充電設(shè)施的分析，以發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)破解新能源汽車(chē)的發(fā)展瓶頸，并有針對(duì)性地提出了解決方案。

新能源汽車(chē) 發(fā)展瓶頸 創(chuàng)新工作方法

0 引 言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放帶來(lái)的污染問(wèn)題日益突出。據(jù)測(cè)算，汽車(chē)尾氣排放占城市污染物的65%。自1993年開(kāi)始，中國(guó)成為石油進(jìn)口國(guó)，石油的對(duì)外依存度逐年攀升。環(huán)境問(wèn)題、能源安全制約影響著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的又好又快發(fā)展。從美國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新過(guò)程來(lái)看，政府在其中的作用毋庸置疑，不論是PNGV還是FreedomCAR都在政府的支持和主導(dǎo)下取得了較快發(fā)展。發(fā)展新能源汽車(chē)是國(guó)家確定的重要戰(zhàn)略舉措，是提升大氣環(huán)境質(zhì)量、改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的重要途徑。由于目前空氣污染越來(lái)越引起國(guó)家和社會(huì)的關(guān)注，可持續(xù)發(fā)展也已成為一個(gè)新產(chǎn)業(yè)的必然要求。國(guó)務(wù)院于2012年4月18日批準(zhǔn)了《節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2010—2020年)》，明確了節(jié)能與新能源汽車(chē)發(fā)展的技術(shù)路線，即以純電動(dòng)車(chē)為汽車(chē)工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略趨向。

從市場(chǎng)需求來(lái)看，新能源車(chē)市場(chǎng)的需求逐漸擴(kuò)大。但目前國(guó)內(nèi)純電動(dòng)車(chē)的電池系統(tǒng)能量密度仍然偏低，搭載的汽車(chē)普遍存在行駛里程短、使用成本高等問(wèn)題。此外，純電動(dòng)車(chē)電池系統(tǒng)充電時(shí)間長(zhǎng)和充電站少等問(wèn)題也是阻礙其市場(chǎng)快速發(fā)展的重要原因。

發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)是由前蘇聯(lián)發(fā)明專(zhuān)家G. S. Altshuller帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在研究大量發(fā)明專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，提出的具有完整體系的發(fā)明問(wèn)題解決理論。在之后的幾十年時(shí)間里，TRIZ理論得到了不斷的發(fā)展。為使TRIZ發(fā)揮更大的作用，國(guó)外學(xué)者把TRIZ與其他設(shè)計(jì)理論結(jié)合進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，這些理論包括：田口方法論、QFD、公理設(shè)計(jì)、通用設(shè)計(jì)理論等。TRIZ是專(zhuān)門(mén)解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造過(guò)程中的各類(lèi)沖突問(wèn)題的，而汽車(chē)動(dòng)力電池及充電設(shè)施所存在的關(guān)鍵核心技術(shù)難題許多都存在沖突。通過(guò)開(kāi)發(fā)基于TRIZ的技術(shù)集成創(chuàng)新模型用于解決技術(shù)難題，可為企業(yè)提供有效的解決方案。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀及趨勢(shì)

隨著近幾年電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化的不斷升溫，國(guó)外一些大的汽車(chē)企業(yè)和蓄電池廠家針對(duì)各種電池做了大量研究，在電池成組集成、管理與應(yīng)用方面，國(guó)外的整車(chē)廠經(jīng)過(guò)多年的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，相繼推出了純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力轎車(chē)，其中具有代表意義的是美國(guó)通用汽車(chē)的沃藍(lán)達(dá)和日本日產(chǎn)的聆風(fēng)。通用汽車(chē)的插電式混合動(dòng)力轎車(chē)沃藍(lán)達(dá)使用LG化學(xué)生產(chǎn)的軟包電池，組成了16,kWh的電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)和水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，能夠全天候、全地域使用，并承諾10年的使用壽命；日產(chǎn)的聆風(fēng)采用AESC生產(chǎn)的軟包電池，組成了24,kWh的電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分模塊化，集成了復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)和基于風(fēng)冷的熱管理系統(tǒng)，承諾8年的使用壽命。

就全球鋰離子電池布局來(lái)說(shuō)，日本、韓國(guó)和中國(guó)廠商占據(jù)主導(dǎo)地位。從技術(shù)上看，日本企業(yè)仍居于領(lǐng)先地位，其生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度高，中國(guó)和韓國(guó)均是從日本引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，通過(guò)消化和吸收，不斷完善和提高。

在電動(dòng)汽車(chē)充電方面，目前，美國(guó)、日本、以色列、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)家都已開(kāi)始建設(shè)各自的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施，主要以充電樁為主。與此同時(shí)，歐美等新能源汽車(chē)先進(jìn)國(guó)家也一直在進(jìn)行智能充電服務(wù)平臺(tái)的研究。美國(guó)Charge Point是最大的開(kāi)放式電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，在美國(guó)本土涵蓋了19,000個(gè)充電站，并以每月不低于500臺(tái)充電設(shè)備接入的增速快速發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)站、智能手機(jī)應(yīng)用、車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)享受充電服務(wù)狀態(tài)查詢(xún)及導(dǎo)航等服務(wù)。

TRIZ在國(guó)外已應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、企業(yè)管理、經(jīng)濟(jì)、建筑、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。在美國(guó)，大型企業(yè)集團(tuán)和科研部門(mén)廣泛應(yīng)用著TRIZ理論，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。福特汽車(chē)公司利用TRIZ創(chuàng)新的產(chǎn)品為其每年帶來(lái)超過(guò)10億美金的銷(xiāo)售利潤(rùn)。在德國(guó)，最早在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中采用TRIZ的是西門(mén)子公司。之后，德國(guó)所有名列世界500強(qiáng)的大企業(yè)都采用了TRIZ，西門(mén)子、奔馳、寶馬、大眾等著名公司都有專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)及專(zhuān)人負(fù)責(zé)TRIZ的培訓(xùn)和應(yīng)用。韓國(guó)的三星公司自1997年引入TRIZ到2003年的7年時(shí)間里，采用TRIZ指導(dǎo)項(xiàng)目研發(fā)而節(jié)約相關(guān)成本15億美元，同時(shí)通過(guò)在67個(gè)研發(fā)項(xiàng)目中運(yùn)用TRIZ技術(shù)成功申請(qǐng)了52項(xiàng)專(zhuān)利。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

在國(guó)內(nèi)，比亞迪推出了F3DM、E6等電動(dòng)車(chē)，奇瑞也推出了S18純電動(dòng)微車(chē)，這些車(chē)輛均使用磷酸鐵鋰電池進(jìn)行成組設(shè)計(jì)，集成了電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，并進(jìn)行了一定量的可靠性和耐久性測(cè)試，現(xiàn)在還局限于示范運(yùn)行或面向集體用戶(hù)使用階段。

目前國(guó)內(nèi)從事車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池研制和生產(chǎn)的單位按正極材料體系主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)以LiMn2O4為主，代表企業(yè)為北京盟固利動(dòng)力科技有限公司等；另一類(lèi)以LiFePO4為主，代表企業(yè)為深圳比亞迪股份有限公司、天津力神電池股份有限公司、杭州萬(wàn)向動(dòng)力電池公司等，均已形成了一定批量生產(chǎn)能力，并在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用，積累了大量的實(shí)車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)。然而隨著整車(chē)企業(yè)要求的不斷提高和動(dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步，磷酸鐵鋰能量密度低，未來(lái)不能滿足國(guó)家和市場(chǎng)對(duì)能量密度、行駛里程的要求，以高容量NCM和NCA為正極材料的高比能量電池的研發(fā)成為熱點(diǎn)。

在高容量新型正極材料方面，中國(guó)科學(xué)院、北京有色金屬研究總院、清華大學(xué)、天津大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等眾多科研機(jī)構(gòu)對(duì)高容量鎳系正極材料進(jìn)行了研究并取得了一些進(jìn)展。

隨著我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)、中石油、中石化、中海油等大型國(guó)企集團(tuán)都紛紛發(fā)布電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃或建設(shè)意向。目前電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施建設(shè)、運(yùn)營(yíng)主要有3種商業(yè)模式：①公用充電站模式；②停車(chē)場(chǎng)(或路邊)充電樁模式；③電池更換站模式。國(guó)內(nèi)在充電設(shè)施信息化、智能化研究方面也進(jìn)行了一定的探索和實(shí)踐。

解決工程難題需要?jiǎng)?chuàng)新方法。目前，我國(guó)學(xué)者在基于TRIZ的綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、基于TRIZ的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新系統(tǒng)等方面做了較多的研究。

2 存在的問(wèn)題

當(dāng)前汽車(chē)動(dòng)力電池和充電設(shè)施方面存在的許多問(wèn)題直接制約了新能源電動(dòng)汽車(chē)的順利發(fā)展和普及，而這些問(wèn)題有的屬于設(shè)計(jì)本身的問(wèn)題，有的屬于產(chǎn)品制造的問(wèn)題。而對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的問(wèn)題，有的屬于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，有的屬于產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了極限而難以提高。前者需要解決設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題，后者需要新技術(shù)系統(tǒng)的替代。擁有解決不同種類(lèi)問(wèn)題的技術(shù)和方法，能大幅提高現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的性能，或者得到一個(gè)全新的設(shè)計(jì)，或者得到一個(gè)新的制造技術(shù)。

基于TRIZ的創(chuàng)新方法能夠提供給工程師解決行業(yè)技術(shù)難題的知識(shí)，然而對(duì)于TRIZ在不同工程領(lǐng)域中的有效應(yīng)用還需要不斷地探索與研究。當(dāng)前，TRIZ在我國(guó)的研究與應(yīng)用多數(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)化工、微電子電路、生物科技等領(lǐng)域技術(shù)問(wèn)題的研究與解決還不夠，究其原因是無(wú)法從技術(shù)內(nèi)涵中抽象歸納出技術(shù)問(wèn)題下隱藏的原理性沖突。

3 解決方案

3.1 研究開(kāi)發(fā)支持企業(yè)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池和充電設(shè)施產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)、工藝集成創(chuàng)新模式和方法

該集成創(chuàng)新方法是適應(yīng)國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)需要的方法體系，包括解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在的關(guān)鍵核心難題以及提出產(chǎn)品新的技術(shù)系統(tǒng)，為企業(yè)制定多種產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)及工藝集成應(yīng)用的實(shí)施方案，并取得較顯著的成效，以此解決本行業(yè)在產(chǎn)品制造工藝(包括新工藝、新設(shè)備和新的組織和管理模式)從概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)中遇到的創(chuàng)新問(wèn)題，從而不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低制造成本和縮短交貨期等。

3.2 研究專(zhuān)利規(guī)避創(chuàng)新模式和方法

在分析與企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)相關(guān)專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，應(yīng)用TRIZ理論和專(zhuān)利侵權(quán)判定規(guī)則，開(kāi)發(fā)出更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的新技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)自身技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，制定出與企業(yè)發(fā)展規(guī)劃相適應(yīng)的專(zhuān)利戰(zhàn)略以有效保護(hù)企業(yè)核心技術(shù)。

3.3 研究和開(kāi)發(fā)面向汽車(chē)動(dòng)力電池和充電設(shè)施產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新需求的問(wèn)題方法庫(kù)

開(kāi)發(fā)適合相關(guān)企業(yè)或行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新問(wèn)題方法庫(kù)。確定問(wèn)題方法庫(kù)的功能，定義出適合填入該庫(kù)的問(wèn)題方法的標(biāo)準(zhǔn)，提出該問(wèn)題方法庫(kù)使用和維護(hù)的方法與規(guī)則。

3.4 構(gòu)建應(yīng)用創(chuàng)新方法解決新能源汽車(chē)電池及充電設(shè)施關(guān)鍵核心技術(shù)難題的合作平臺(tái)

構(gòu)建將技術(shù)創(chuàng)新方法應(yīng)用于解決該行業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)難題的合作平臺(tái)，探索合作平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)方法以及運(yùn)行管理方法，使該合作平臺(tái)既產(chǎn)生具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)和新工藝，又打造企業(yè)的高水平創(chuàng)新人才，最終為提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)能力做出貢獻(xiàn)。■

［1］ 劉建睿，尹大川，黃衛(wèi)東. 高能鋰離子電池的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2001，15(7)：32-35

［2］ 邱綱，陳勇，李東. 電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，24(2)：41-44

［3］ 陳立泉. 電動(dòng)車(chē)鋰離子電池的材料問(wèn)題[J]. 中國(guó)工程科學(xué)，2002，4(11)：32-36.

［4］ 馬璨，呂迎春，李泓. 鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2014，3(1)：54-65

［5］ 吳春陽(yáng)，黎燦兵，杜力，等. 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010(24)：36-39，45.

Breaking the Development Bottleneck of New Energy Vehicles Through Innovating in Work Methods

LI Jingqiang， KANG Suyuan，ZHEN Xiaoyang
(High Technology R&D Center of Tianjin，Tianjin 300051，China)

It is a major strategy to vigorously develop new energy vehicles to improve the atmospheric environmental quality and the development of automobile industry in China．However，low energy density of full electric vehicles’ battery system，short mileage，high usage cost and imperfect charging infrastructure have become the bottleneck which restricts the development of new energy vehicles．Through analyzing the power battery and charging facilities both at home and abroad，this paper discusses how to crack the bottleneck for new energy automobile development through the invention of the theory of problem solving(TRIZ)．In the end，relevant solutions were put forward.

new energy vehicles；development bottleneck；TRIZ

U469.72＋2

A

1006-8945(2016)08-0022-03

2016-08-02