基于關鍵技術視角下的地方新能源汽車發展研究

南瓊，應保勝，吳強，金杭，許小偉（武漢科技大學汽車與交通工程學院，武漢430081）

基于關鍵技術視角下的地方新能源汽車發展研究

南瓊，應保勝，吳強，金杭，許小偉
（武漢科技大學汽車與交通工程學院，武漢430081）

根據國內外新能源汽車發展、知識產權研究和技術聯盟發展現狀，結合武漢新能源汽車生產實際，從整車、電池、電機及其控制、充電樁技術等幾個方面，剖析新能源汽車產業發展的技術難題及制約因素，探討武漢新能源汽車產業重點技術需求，通過對整車、電池、電機及電控技術國內外現狀進行分類研究，并提出適合武漢地區及相關企業關鍵技術的發展方向，為武漢市新能源汽車制定戰略決策提供總體思路和建議及理論依據。

新能源汽車；關鍵技術；技術現狀；發展建議

南瓊

畢業于武漢科技大學，碩士研究生學歷，主要研究方向：新能源汽車；已發表論文數篇

1　前言

中國新能源汽車迅速發展，各地方高度關注新能源與新能源汽車研發和產業化。為突破新能源汽車核心關鍵技術，加快新能源汽車的產業化，形成地方市新能源汽車產業的規模效應和集群效應，本文基于相關課題研究梳理武漢新能源汽車發展現狀，剖析地方新能源汽車存在的技術瓶頸及路線選擇，提出新能源汽車發展戰略總體思路、重點技術需求及政策建議，以全面提升地方新能源汽車核心競爭力。

2　國內外新能源汽車發展現狀及趨勢概述

2.1國內外新能源汽車市場與技術發展現狀

能環境污染和石油緊缺影響著世界，各國都在探索新能源來擺脫困境。在技術方面，我國與世界上最先進的新能源汽車技術差距也不大，各國的出發點基本相同，并且我國在市場前景和政府支持力度方面上還有較大的優勢，所以新能源汽車的前景可觀［1］。我國已經初步形成以純電動、混合動力和燃料電池的“三縱”，電池、電機、電控的“三橫”的研發布局和技術體系，動力電池和電機技術也取得重要進展，也基本掌握了新能源汽車整車開發技術。

目前，國內外眾多高校及科研院所、各大汽車廠商在電動汽車的關鍵技術研究上也取得不少成果，但電動汽車遲遲未能產業化仍歸咎于車載動力電池、驅動電機及電控多個技術難題，解決這些問題對新能源汽車的普及及應用有至關重要的意義。

2.2新能源知識產權及戰略聯盟發展現狀及趨勢

新能源汽車現屬于新興行業，我國新能源汽車產業對政策和發展戰略、知識產權系統研究則缺乏深度，研究重點應偏向于技術開發和應用領域，此外近年學界對于綠色增長戰略問題的關注仍停留在宏觀政策層面，而專門研究綠色知識產權的文獻并不多見，而國際組織、發達國家有關機構和智庫近十年來一直注重能源技術知識產權研究，視野開闊、范圍廣泛［2］。近些年研發戰略聯盟在解決國內外重大技術問題上發揮著來越來越重要的作用，已成為一種國際化的研發思潮，是一種最具效力的研發模式［3］。通過技術聯盟可降低風險，擴大技術研發資金來源，以提升新能源汽車技術創新能力。

3　地方新能源汽車重點技術發展現狀

3.1武漢新能源發展概況

作為全國新能源汽車示范推廣試點城市，武漢產業環境較好，但大規模入市較困難，這也是全國其他新能源試點城市的縮影，技術和路線問題仍是地方乃至全國面臨的棘手的兩大挑戰。技術問題包括車用驅動電機、電控系統及動力電池的相關技術指標的改進與完善；路線問題則是各地區如何確立優先路線來加快相關產品及整車的產業化速度。技術問題關乎企業利益，路線問題涉及群體利益。解決前一個技術問題的關鍵，在于創建一個體系環境，包括投融資服務、法律服務等；而解決后一個問題的關鍵，在于打破壟斷、鼓勵競爭、鼓勵更多的企業和消費者參與，讓市場來選擇標準和路線［4］。總體來說，武漢新能源汽車依然處于發展初期，關鍵核心技術仍需突破。

3.2武漢新能源發展存在問題與制約因素

武漢具備發展新能源汽車產業優勢，實際已經形成了一批具有較強研發實力的企業和研究機構，但產學研結合有待突破，相關技術路線、發展方向不夠明確，關鍵核心技術受制于人，西門子、博世等一直控制車載能源等核心技術，本土企業對于關鍵技術雖有進步，但尚有多方面差距，此外企業引進與消化吸收比低，以下從整車、電池、電機等幾個方面展開：

（1）整車技術，在整車核心技術層面仍與世界先進水平存在一定差距，包括輕量化、電磁兼容等，例如輕量化方面，地方企業與國外設計能力相對較弱，新材料新工藝在CAE分析方面比較缺乏，縮短虛擬分析時間，快速投放產品到市場是亟待解決的問題。武漢目前發展方向主要仍是小型汽車和公交、市政等公共車輛，插電式混合動力是重點，純電動汽車仍需加快研發速度和推廣示范。

（2）電池技術，常用的電池包括鉛酸、鎳氫及鋰離子電池，此外還有鋅空氣電池、超級電容器等類別。但據統計截止2015年初，《車輛生產企業及產品公告》內已有近150家新能源汽車生產企業生產的1600余款產品，累計總產量不足16萬輛，但涉及動力蓄電池配套生產企業卻有177家［5］。武漢地區對電池缺乏評價體系和相應標準，一些企業缺乏研發基礎和保障一致性的生產工藝技術，在生產、管理、人才等方面也許要進一步完善；且從事動力電池研發的企業缺乏汽車相關生產背景，產品理念、生產工藝設計與成本計算方法均與汽車行業不一致，甚至有一定差距，而建立研發戰略聯盟是比較合適的選擇。

鋰離子電池技術的優點在于零污染、循環使用壽命長等，是國內外動力電池發展的趨勢。雖產品一致性不斷改進，但仍有諸多技術瓶頸，其正極材料、負極材料、隔膜技術、電解液實四大技術難題制約著電動汽車產業化發展。以正負極材料為例，鋰電池以磷酸鐵鋰、錳酸鋰為主作為正極材料，主要原料電子級碳酸鋰的來源和生產技術，包敷碳和碳熱還原兩大核心技術均被國外壟斷；另外還包括鋰電池非碳負極的研究，隔膜技術，電解質成分六氟磷酸鋰的制備等技術難題需要相關企業在生產工藝上取得突破。

（3）電機及控制技術，電機和控制器是電機驅動控制系統的核心部件，電機行業制造門檻高，武漢地區相關企業規模較小，擁有車用電機專用生產線企業較少，生產能力較弱。目前電機驅動控制系統一般采用的交流異步電機和開關磁阻電機結構簡單運行可靠，但效率和功率密度都偏低，永磁電機具有高效率等優點是車用驅動電機的重要發展方向，但要滿足新能源汽車產業化要求，還需進一步提高功率密度、降低成本，尚需要稀土工業的支撐。

（4）超級電容等，武漢自09年首輛公交電容電車推行至今，推行超級電容電車的研發和推廣進展并不明顯，相關技術仍需繼續攻克。世界首款超級電容現代無軌儲能式電車已在寧波實現產業化發展，充電時間短，使用壽命較長，因此武漢應同時加快推進超級電容電車關鍵技術的研發，爭取早日突破一批共性技術。

（5）充電樁及其他技術，武漢新能源汽車逐步進入產業化，努力實現跨越式發展，但充電樁一直是新能源汽車普及的瓶頸之一。在基礎設施方面武漢還需適度超前建設充電樁以及建設信息化安全維護管理的平臺，對新能源汽車的運行安全管理進行監控。發展改進充電樁相關技術問題也尤為重要，充電樁所需電壓、電流較高，對現有的供電線路影響較大，安裝比較麻煩，需要提高充電樁的安全性、可靠性、快速充放電以及安裝便利性問題。

4　武漢新能源汽車產業重點技術需求及發展建議

4.1武漢新能源汽車技術創新基礎條件

4.2整車重點技術需求

4.2.1新能源汽車整車技術國內外發展

新能源汽車整車的發展趨勢是智能化，更節能環保，汽車共享和個性定制也是趨勢。在整車技術方面，根據我國公共交通及私人汽車市場的特色，已經建立了具有自主知識產權的混合動力、純電動、燃料電池、動力系統技術平臺，并掌握了整車集成技術，很多企業已經開發出系列化的規模應用的產品，并且已經登陸了我國的汽車目錄［8］。但新能源汽車企業尚有諸多技術瓶頸未突破，如表1所示。

例如整車輕量化技術，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%，汽車車身約占汽車總質量的30%，空載情況約70%的油耗用在車身質量上［9］。因此，有效減重可降低油耗及其產生的排放，對整車的燃油經濟性及操縱穩定性等方面大有裨益。寶馬通過集成設計的BMW i8輕量化系數達0.99。在我國，碳纖維復合材料一次成型技術生產電動汽車項目迎合了國家未來工業發展戰略，“新材料、新能源、新技術”主導下的輕量化汽車是推動自主品牌在同國際先進水平接軌的最佳時機。

表1　新能源汽車企業整車技術需求

4.2.2武漢市新能源汽車整車技術需求

在各地不僅是武漢，整車輕量化始終是新能源汽車研究的重要內容之一，主要包括新材料的應用；車身結構設計的不斷優化；由于新結構、新材料應用引入的先進制造工藝的使用三方面［10］。實際生產過程中，純電動汽車布置了電池組，整車重量增加較多，輕量化問題更加突出。整車和系統集成關鍵技術方面結合整車實際，可通過結構、材料等使系統得到優化。目前新能源電池電機電控的綜合匹配小型化優化技術有很大發展空間，可提供三電系統綜合解決方案的公司較少，小型化和集成化是重要發展趨勢之一。此外，例如故障診斷和高壓電安全管理技術、電池包散熱通風設計、電磁兼容、強電安全技術等都是研究的重要領域。

4.3動力電池重點技術需求及發展建議

4.3.1新能源汽車電池技術國內外發展

2.為保障辯論稿質量，本文樣本由作者自己撰寫，而不是采樣于辯論現場。雖然有助于發現模擬英國議會制辯論的基本框架結構和原理，但經辯手深思熟慮后寫出的辯論稿與從實戰中錄制的樣本還是有一定區別的。

目前可用作純電動汽車動力電池的電池類型主要包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池。在可充電電池中，鋰離子電池由于具有高電壓、高能量密度、低自放電率、無記憶效應等特性，已成為便攜式電子設備的首選電源［11］。中國科學院大連化學物理研究所開發的“高比能量、大容量鋰硫二次電池及電池組”技術水平達到國際先進，其中能量密度達到國際領先水平［12］。豐田工程師突破了對鎂電池技術的相關研究，比鋰電池安全性更高，但仍需數年對其進行研究和開發。對于新能源汽車最為核心的動力電池技術，國家制造強國建設戰略咨詢委員會發布的《<中國制造2025>重點領域技術路線圖（2015年版）》提出，到2025年我國的動力電池系統電池單體比能量要達到400Wh/kg以上，成本需降至0.8元/Wh，系統成本降至1元/Wh。燃料電池系統體積比功率達到3kW/L，冷起動溫度達到-30℃以下，壽命超過5000h，產能超過10萬套［13］。

4.3.2武漢新能源汽車電池技術需求及建議

電池一直是制約電動汽車發展的關鍵因素，且武漢動力電池相關企業還沒形成產業，生產工藝大部分還是手工作業，汽車整車廠對動力電池要求很高，但需求量不大，兩者相互制約［14］。因此，要對車用動力電池要進行深層次分析，建立合理的評價體系和相應標準，對動力電池相關技術指標［15］等進一步完善，一是需要政府和企業在電池研究上加大投入，二需要投入更多資金來分析整個電池產業鏈，建立行之有效的電池評價體系和電池回收制度。

與電子產品用電池相比，車用動力電池系統呈現大型化、成組化、模塊化、使用條件更加苛刻等特點，因此需加強對安全性、可靠性、一致性、環境適應性等方面的要求，對企業提出不同于普通蓄電池生產企業的要求和條件。武漢地方車用動力電池系統技術呈現以下趨勢和特點：鋰離子電池是武漢車用動力電池的主流，混合動力汽車的動力電池也在從鎳氫電池向鋰離子電池過渡，同時鋅空氣動力電池的也在逐步克服技術難題，車用動力電池在武漢呈現多元化的發展趨勢。

鋰離子電池技術方面，如表2所示，鈷酸鋰雖容量密度大但穩定性不夠，錳酸鋰電池因綜合性能指標良好目前仍是主流，磷酸鐵鋰電池主要因比能量低這個性能弱點發展受制，安全性和循環壽命兩個指標均很好。目前鋰電池能量密度可達到150Wh/kg，成本2元/Wh，能量密度達500Wh/kg以上時，純電動汽車續駛里程才能與傳統汽車相當，要達到這個技術，尚需要開發新型電池材料。關于發展鋰電子電池技術相關技術難題，一是通過技術研發從而加快武漢鋰電池正極材料磷酸鐵鋰等專利申請；二是圍繞國外企業的核心專利在外圍進行布局；三是加強電池結構設計、電池組合控制方面的研究。

表2　鋰電池技術指標差異

鋅空氣電池電動車與主流鋰電池相比，理論比能量接近于汽油，國外已處于樣品階段，未來有可能成為鋰電池的有力競爭者。此外，武漢理工新能源有限公司正在研發的質子交換膜電池兼備無污染、低噪聲、可快速補充能量、具有模塊化結構等特點，是替代傳統內燃機最理想的動力裝置之一，質子交換膜燃料電池發電系統可成為移動裝備電源主要發展方向。

此外，東風揚子江針對電池方面提出純電動客車“在線充電”技術，大幅降低排放甚至實現零排放，發展潛力巨大，武漢地區已有部分純電動公交應用此類技術，較其他公交車身重量較輕且內部空間寬敞，日續駛里程可達150公里以上。發展城市公交“在線充電”技術，是武漢結合自身特色發展的純電動在線充電模式，有別于國內其他雙源快充無軌電車，各項指標完全符合國家新能源汽車定義，是城市公交較為科學的模式［17］。

改進電池管理系統，進一步改善促使電池具有更好的熱管理、高電壓安全管理以及電磁兼容等功能逐步完善，使電動汽車最高車速、充電次數與電池成本等方面達到動態平衡。增強電池電容融合技術，利用電容充放電快、循環次數高等特性，配合鋰離子電池儲電量大等優點，可將提高續駛里程和最高車速，明顯提高行駛能量回收率。此廢舊電池的回收與利用，提高太陽能及風能等清潔能源的利用效率，太陽能電池板、風力發電的發電效率和發電功率，穩定性等技術也是新能源重點技術的突破點之一。

4.4電機及其控制系統重點技術需求及發展建議

4.4.1新能源汽車電機及電控技術國內外發展概況

新能源汽車驅動電機呈現多元化發展趨勢，目前電動汽車上應用較為廣泛的還是異步電機、開關磁阻電機和永磁電機等交流電機。大多數國家多使用異步電機或永磁同步電機，歐美國家多采用交流異步電機，如美國的Tesla純電動汽車；日本電動汽車多采用永磁同步電機，如豐田的Pruis、日產聆風（Leaf）等。經過長期的研究和開發，交流異步電機驅動系統在我國有公司已具備生產能力，并且有自主知識產權。其中永磁電機一項技術—電機轉子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術，在國內只有較少公司掌握此項技術。

驅動電機控制技術直接決定電機性能的發揮程度，歐洲各企業，如大陸、聯電、AVL等，主要研究為電驅動集成系統的整套解決方案向汽車廠商推廣；日本專注于混合動力技術，研究的高性能控制元件，高集成度、小型化電機控制系統優勢較大，在我國驅動系統依然不夠成熟。電機控制方面，如關鍵部件控制器，雖已有部分公司已有研發旋轉變壓器的能力，但產品的精度、可靠性等方面與國外仍有差距。

4.2.2武漢市新能源汽車電機及其控制系統技術需求及建議

車用電機驅動系統技術發展趨勢可歸納為：永磁化、數字化、集成化和智能化。與國外比還存在較大差距，政府應聯合企業使電機新產品達到規模生產。武漢地區新能源汽車驅動電機目前有如下幾個的發展方向：一是驅動電機的小型集成化和輕量化，二驅動電機轉矩特性的優化設計，三是驅動電機運行降噪，四是在提高驅動電機使用壽命、可靠性等方面的同時，降低成本。總體來看，車用電機及其控制系統尚有很多技術需要攻克，雖一些新型無刷電機與非晶電機的研發，但相關理論與優化設計、控制策略方面尚不成熟，仍需進一步突破。

5　武漢新能源汽車產業發展的若干建議

5.1形成研發技術聯盟，建立核心技術消化吸收再創新機構

在現有的政策環境基礎上，形成有武漢特色的地區技術聯盟及示范基地，以應用為導向，技術為核心，產業為主線，整合材料、電池等產業鏈上下游資源，通過形成聯盟來研發關鍵共性技術，例如相關電池企業合力突破相關技術難題，共享成果，合力支撐武漢新能源汽車示范應用和產業發展。從技術跨越的角度出發，建立專門的關鍵技術的消化吸收再創新機構，積極突破國外技術封鎖，同時鼓勵企業及高校科研機構在攻堅克難的基礎上引進消化吸收再創新，例如整車的輕量化技術、電池材料和熱管理及電機控制技術等方面。

5.2構建集約運行開放式創新知識共享產業技術平臺

建立武漢新能源企業高效的產學研信息共享平臺、科技文獻資料管理平臺與統一的產品技術數據標準體系及測試平臺，例如建立新能源整車、電池、電機及電控發展進程的全世界最新研究成果信息數據庫，對企業與高校科研院所的技術研發有明確指導意義，讓企業和高校研究人員能快速找到所需有效信息，高效進行科研實踐。建立并完善知識產權管理保護機制，逐步形成完整的知識產權制度體系，要加強知識產權的保護和管理，構建新能源汽車全產業鏈的專利創新體系，以提升新能源汽車企業的競爭力。

5.3建成高效互補產學研基地，加快突破新能源汽車關鍵技術

武漢雖高校車企云集，但在產學研領域合作深度不夠，各自為政的研發體系阻礙了新能源汽車產業化發展，因此建成高效互補的產學研基地，深化校企、企業之間的產學研合作平臺有較強的現實意義，例如目前武漢開發區與武漢理工大學合作研發新能源汽車，發揮各自資源優勢，共同實現新能源汽車的研發和成果轉化。

簡而言之，首先企業以適應性開發、生產工藝改造為主，滿足生產服務的技術支持同時，適當開展前瞻性技術、關鍵技術的研究開發與應用工作；其次，以武漢理工、華中科技大學、武漢科技大學等高校科研院所為基礎，充分利用區位優勢以及資源，與東風、揚子江等加強技術對接，以新技術、新工藝等前瞻性研發為主，提高對新能源汽車共性技術問題以及關鍵技術瓶頸的突破能力，加快科技成果的商品化、產業化和國際化；最后，政府對新能源汽車產業相關關鍵技術形成多點扶持，才能促使新能源汽車整車乃至整個產業又好又快發展。

6　結語

武漢作為國家新能源汽車試點城市，面臨良好的發展機遇和制約其發展的諸多障礙和因素。在攻克新能源關鍵技術問題方面，最關鍵的一環車用動力電池，除繼續攻克鋰離子等主流動力電池難題外，積極發展鋅空氣、質子交換膜等電池技術，促使動力電池多元化發展，同時需著重研究電池及其控制系統的安全性、可靠性和輕量化，集中力量突破一批長遠發展的關鍵共性技術。此外，加強新能源汽車關鍵零部件研發，包括電機及其控制系統等，重點支持驅動電機系統及核心材料，電動化附件的研發等。

［1］吳會敏. 我國新能源汽車的現狀及前景分析［D］.吉林大學碩士學位論文.2014.3～8.

［2］李薇薇. 我國新能源汽車的綠色知識產權戰略研究［D］.華中科技大學.2012.

［3］雍蘭利，張佳，紅高飛.我國電動汽車研發戰略聯盟的模式選擇［J］.科技管理研究，2012（11）：29-35.

［4］新華網，第一電動網CEO龐義成發言，［EB/OL］. http：//news.xinhuanet.com/auto/2012-01/05/ c_122538093.htm.

［5］電池中國網.工信部：《汽車動力蓄電池行業規范條件》編制說明［EB/OL］.http：//www.cbea. com/www/zc/20150327/3909939.html.

［6］徐成鵬，石肖韓. 新能源汽車［J］. 地理教育，2013（5）：63.

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［8］萬鋼. 我國電動汽車已經進入產業化階段［J］.環境保護，2010（18）：13-15.

［9］中國數控機床網，汽車電池技術新突破：可讓汽 車 變 輕 15%，［EB/OL］.http：//www.c-cnc.com/ news/newsfile/2016/5/17/134531.shtml.

［10］蓋世汽車網.新能源汽車車身輕量化的發展趨勢與 技 術 路 徑［EB/OL］.http：//auto.gasgoo.com/ News/2015/07/16025748574860341132225_2.shtml.

［11］陳琛，何樂年. 恒流/恒壓充電方式的鋰電池充電器芯片（英文）［J］. 半導體學報，2007，07：1030-1035.

［12］鳳凰財經.鋰硫電池技術獲重大突破 最新龍頭股 曝 光 .［EB/OL］.http：//finance.ifeng.com /a/20160429/14354331_0.shtml.

［13］元器件交易網.詳解2025新能源汽車技術路線圖：自主化成重點.

［14］中研華泰研究院.2015-2021年中國新能源汽車行業市場前景分析及投資規劃研究報告.

［15］深圳市前瞻商業資訊有限公司.2014-2018年中國新能源汽車行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告.

［16］車云網.國內外新能源汽車動力電池發展及供求現狀［EB/OL］.http：//www.cheyun.com /content/1225.

［17］滕冀. 揚子江汽車發布在線充電解決方案［J］. 人民公交，2015，02：105.

專家推薦

何華強：

本文綜合現有新能源汽車及關鍵零部件產業發展現狀，分析當前遇到的主要技術難題及制約因素，提出新能源汽車發展戰略總體思路、重點技術需求及政策建議，同時給出了針對武漢現狀的技術需求及產業發展建議。全文具有一定的技術及政策參考意義。

Local New Energy Vehicle Industry Development Based On The Perspective Of Core Technology

NAN Qiong，YING Bao-sheng，WU Qiang，JIN Hang，XU Xiao-wei
（College of Automobile and Traffic Engineering，Wuhan University fo Science and Tehnology，Wuhan 430081，China）

This paper introduced the development of new energy vehicles，research on intellectual property rights and development status of technology alliance at home and abroad. Combining with the actual production based on the vehicles，batteries，motors and theirs control，charging pile technology and the like，analyzing the Wuhan technical challenge for the development of new energy vehicles industry and constraints. In this paper，research on vehicles，batteries，motors and electric control technology in domestic and overseas status were classified，the suitable development direction of the key technologies of Wuhan area and related enterprises were proposed.As a result，the overall thinking，suggestions，and theoretical basis for the new energy automobile enterprise in Wuahan were provided.

new energy vehicle； key technology； technical state； development suggestions

2016-04-14

U461.72

A

1005-2550（2016）04-0071-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.013