新能源電動汽車發展歷程、現狀以及制造技術

■上汽大眾汽車有限公司 （上海 201089） 張書橋

上汽大眾高級經理 張書橋

1. 世界新能源汽車發展歷程

1993年9月美國推出了汽車能源可持續發展的PNGV計劃（the partnership for a new generation of vehicle），美國聯邦政府和美國大汽車公司為實現PNGV計劃投入了大量的資金和技術力量。美國三大汽車公司進行了分工合作，圍繞安全、節能減排及環保等，全面研究新能源、能源儲備、電子技術、新型材料、制造技術及車輛輕量化，開發和制造了多種新型概念車，推動電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車達到規模經濟效益。

美 國 在2002 年9月 發 布 的“自由汽車開發計劃”在很多方面為新能源汽車發展推進了一步，特斯拉是一個受益者和成功的案例。

歐盟在歐洲推出新能源和電動汽車的研究計劃，推出的FP（framework programme）系列計劃中，1998—2002年的FP5計劃中的“能源環境可持續發展”小項目，對燃料電池及其相關技術進行了廣泛的研究，2008年金融危機后，歐盟提出了“環保型經濟的中期規劃”，打造具有國際水平的綠色產業，同時各國有各自的研究計劃。電動車似乎已成為英國建設“凈零”城市的重要抓手，承諾在2050年之前將碳排放量降為零。

日本由于石油幾乎全部依靠進口，因此，20世紀70年代就注意對電動汽車的研究和開發。2000—2015年由日本經濟產業負責實施氫燃料電池示范工程，豐田公司1997年在全球率先開始銷售量產混合動力乘用車普銳斯，2000年在北美、歐洲等銷售，到2007年就突破100萬輛，2019年豐田的氫燃料電池車Mirai充氫只需3～5m i n，5kg氫氣可續航650km。

“十一五”期間我國為發展節能、減排及環保汽車，制定了中國新能源汽車 “三縱、三橫”的發展規劃，將開發重點傾向于混合動力汽車，并推出純電動汽車關鍵技術研發和市場應用路線，之后再進一步帶動電動燃料汽車的推廣，展示了中國新能源汽車戰略路線圖。在國家的推動下，汽車企業積極行動，目前新能源電動車在世界范圍內處于領先地位。

2. 電動汽車發展現狀

2014、2015及2016年，全球電動汽車市場連續增長超過50%，2016年中國電動汽車市場超過100萬輛，占世界的50%以上。2012年美國電動汽車銷量是中國的4倍，中國只是一個配角。2016年中國電動汽車的銷量是美國的2倍，占全球的40%。

2018年全球電動汽車銷量總數為210萬輛，占整個乘用車市場2.2%。2019年全球電動汽車銷量達到230萬輛，市場份額為2.5%。2019年燃油車相比2018年下降435萬輛，降幅為4.7%。

美國2019年電動汽車市場下降3.2萬輛，降幅為8.9%，燃油車下降18萬輛，降幅1%。美國電動汽車市場份額從2.1%降到1.9%。

中國2019 年汽車銷量為2 576.9萬輛，同比下降8.2%，其中電動車120.6萬輛，市場份額從4.5%上升到4.7%。

圖1為2017、2018及2019年中國乘用車市場每月的銷量。

預計2020年歐洲燃油車的產量1 450萬輛，電動汽車有望突破100萬輛，約占市場份額6%。預計2020年汽車總銷量持續下降，電動車反而會增長，有望突破3%。

3. 電動汽車三大核心零件

（1）電動機 與傳統能源汽車不同，電動汽車的核心是三電技術，即電動機、電池和電控技術。

目前電動汽車的驅動電動機有以下幾種：直流電動機、交流感應電動機、永磁無刷直流電動機、永磁同步電動機及開關磁阻電動機。

美國2025年電動機發展路線見表1，通過提高高硅鋼片牌號降低中高速段鐵耗，通過發卡阻工藝降低銅耗等，這些方法都能夠提高電動機效率。

（2）電池 純電動汽車的電池技術是其核心競爭力。近幾年，我國動力電池需求量經歷了爆發式增長，2019年國內新能源汽車銷售120.6萬輛，動力電池裝機量達62.37GWh，同比2018年增長9.5%，目前，動力電池主要分為三大體系，分別是三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和錳酸鐵鋰電池，其中，磷酸鐵鋰電池和錳酸鐵鋰電池憑借著較低的價格和穩定的性能，大量應用于電動客車，市場份額呈現增長態勢。

按照另外一種分法，把電池分為方殼電芯、軟包電芯和圓柱電芯。方殼電芯在整個市場占據壓倒性的優勢，在新能源乘用車和純電動客車市場，都占有絕對的地位。軟包電芯主要用于插電式客車市場，圓柱電芯主要局限于部分純電動乘用車，在純電動專用車里面使用較多。

電池技術發展對NEV產品有關鍵性影響，電池技術路線為磷酸鐵鋰→三元鋰→固態電池。未來達到更高的能量密度目標需要轉變到固態電池的技術體系。固態電極+固體電解液，系統能量密度高，由于電解質無流動性，易通過內串聯組成高電壓單體，有望達到500Wh/kg，安全性高，沒有引發電解液燃燒的問題。

表1 美國電動機發展情況

圖1 2017、2018及2019年中國乘用車市場月銷量

德國大眾電池續航里程提升計劃如圖2所示。電池技術的進步將改善電池的續航里程、質量和成本。

（3）電池管理系統 電池管理系統與動力電池緊密結合在一起，對電池各項指標進行檢測并控制輸出，實現與其他系統的通信。電池管理系統的基本功能框架如圖3所示。

隨著電子技術、計算機技術的發展，汽車電控技術得到很大發展，特別是在控制精度、控制范圍、智能化和網聯化等方面有較大的突破。汽車電子控制技術是衡量汽車先進水平的標志。

具有高集成度、高可靠性及高安全性的一體化控制器，集成化程度高，有益于電動汽車的總布置，有益于電動汽車的輕量化、標準化，有益于信息傳輸的實時性和可靠性，同時一體化控制器降低了傳導干擾并進一步降低整車故障率，增強整車安全性，大幅度降低電動汽車成本，促進電動汽車市場的商業化。

4. 電動汽車制造工藝

新能源汽車的制造一方面與傳統汽車的制造在制造工藝和裝備上有傳承關系，另一方面由于新能源汽車采用了新的動力來源和驅動系統以及相應的控制系統，在制造上又與傳統汽車在生產工藝設備上存在很大差異。

（1）整車制造及總裝 新能源汽車在整車車身的制造上，與傳統汽車的車身差別不大，通常還是需要沖壓、焊裝及涂裝等工藝及相應的設備和輸送裝置等。

圖2 德國大眾電池續航里程提升計劃

圖3 電池管理系統的基本功能框架

在總裝配工藝流程中主要的變化是需相應地安排電池、電動機、電控裝置及高壓線束等新增零部件的裝配以及電動空調、電動助力轉向系統等電驅動的其他汽車零部件的裝配工序和相應的工裝。

在整車檢測上，新能源汽車工藝與裝備和傳統汽車有明顯差別。一般說來，整車檢測涉及到汽車主要功能、性能檢驗的各個方面。新能源電動汽車新增了電驅動系統及高壓電系統的檢測等，加強了電性能和電安全性的檢測（見圖4）。

（2）電動汽車動力總成系統 電動汽車動力總成的關鍵制造技術主要體現在電動機系統、電池系統以及電控系統的制造上。與傳統汽車相比，電動汽車裝配線的工藝變化最為突出。

圖4 整車制造及總裝

在電動汽車中，電動機系統涉及到電動機控制系統、機械減速及傳動裝置等部件的制造，以及電池模組和電池包的裝配工藝。

1）電動機，交流感應電動機結構如圖5所示。

涉及到電動機殼體加工、后端蓋加工、電動機整體裝配加工和轉子加工。

德國Grob公司是全面投身于“電動汽車”領域的制造商之一，重點是電動機的基本組成部分，如前述三個主要零件，新型高度靈活的伺服控制機床用于電動機部件定子和轉子的量產。特別是定子生產中，有多種將銅線圈入定子槽的制造工藝。Grob公司產品線包含了電動機整個制造過程，從波繞技術到Hairpin線成型工藝再到扇繞技術，電動機的核心過程是將銅線卷入定子的過程。

轉子軸變化的工藝有感應、淬火、硬加工及內齒輪磨削等，目前汽車電動機已經成為整車廠投資的熱點。電動機轉子軸制造系統如圖6所示。

圖5 交流感應電動機結構

2）機械減速及傳動裝置，機械減速及傳動裝置涉及到同步襯套、齒輪和差速器等變化的生產工藝，主要涉及磨削、滾齒及焊接等工藝。

3）電池裝配線，目前，大部分車企都在投資建電池工廠，高自動化、數字化及擁有先進技術的現代化工廠正在規劃中。

動力電池組裝自動化生產主要包括分配組工藝、自動焊接工藝、半成品組裝工藝、測試工藝、PACK檢測工藝以及PACK包裝工藝。典型工藝流程為：殼體組裝或焊接→電池模組入箱→電氣線路及零件安裝（安裝線束，安裝BMS系統等）→在線電氣測試→整包合蓋密封（涂膠/螺栓擰緊）→最終測試（線末檢測、電氣測試、絕緣性檢測、充電等）→密封測試→下線（見圖7）。

4）AGV在電池包生產中的應用，近年來，新能源得到飛速發展，AGV柔性化滿足了新能源汽車及動力電池產業對自動化的要求，逐漸被廣泛應用。AGV新能源電池包組裝PACK生產線的應用，可提升生產效率、降低生產成本、并實現生產制造的數字化、柔性化甚至智能化。AGV組成的生產線可以實現靈活多變的工藝及編排，很好地實現不同品種產品的生產，在產品變更工藝布局調整中，大幅降低改造成本和周期。

這部分重點關注兩個方面：①保證電池裝配線安全，涉及安全硬件、操作安全管理、運行安全管理等。②控制A G V與節拍的矛盾，涉及緩存、交通管制點等，在保證安全的前提下，縮短運輸設備在無工位區間內的運行時間。

圖6 電動機轉子軸制造系統

圖7 電池裝配線工藝流程

5）電池密工藝，目前有兩種，一種是螺栓擰緊，另一種是涂膠+F D S。①螺栓擰緊：電池包上蓋附著一層發泡密封圈，通過螺栓擰緊將上下殼體聯結。優點是無需涂膠、工藝簡單；缺點是一段時間后密封圈容易老化，密封性能下降，將來優化改進，還需加些涂膠。②涂膠+F D S：先在上殼體由機器人涂敷一層密封膠水，再由機器人將上蓋放置在下殼體上，通過FDS工藝進行合蓋。優點是長期密封性好，缺點是自動化精度要求高，拆卸困難，工藝較復雜。

鋁合金熱熔自攻螺紋鉚接：FDS是flow-drill screws的縮寫，是通過螺釘的高速旋轉軟化待聯結的板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待聯結板材，最終在板材與螺釘之間形成螺栓聯結（見圖8）。

6）刀具，很多刀具制造廠積極與主機廠合作，比如德國M A PA L、G U E H R I N G及WA LT E R，他們共同規劃工藝方案，設計用于電動汽車加工的創新刀具。筆者與德國GUEHRING公司有很好的溝通交流，GUEHRING成立專門的研究電動市場小組，研發了多款加工電動汽車的新型刀具，比如為電動機殼體加工設計的刀具（見圖9）。德國MAPAL為加工不同類型的電池殼體提供PCD銑刀（見圖10）和油霧潤滑技術，實現無振刀加工高度復雜的薄壁電池殼體；MAPAL還提供加工電動汽車鋁制渦輪用的螺旋刃銑刀（見圖11）。

5. 對電動汽車未來發展和制造的看法

2019年12月31日，《解放日報》報道了這樣一個喜訊：2019年最后一周的周一，中國汽車市場用一份特殊的“新年禮物”《告別艱難前行的一年》。也就是特斯拉首座海外工廠正式交付，筆者想談一下對特斯拉老板馬斯克的看法：馬斯克無疑是一個科技天才，是和喬布斯、達芬奇等一樣改變世界的巨人，他的合作者極其敬佩馬斯克的眼界和極強的執行力。他將電動車向前推進了10年。馬斯克在其他很多電動汽車宣告破產之時選擇電動汽車幾乎是一個死亡之旅，但有一種無形之力在幫助他，每次在崩潰邊緣困難都被化解，實際上他目前還處于一個艱難的旅行階段。在中國的成功，有政策因素，競爭不一定公平。最近，計劃2020年3月在德國柏林建設新工廠，預計2021年7月之前投產，這才是實實在在的大考，筆者認為如果能在德國實現贏利才是真正的成功。

圖8 鋁合金熱熔自攻螺紋鉚接1—旋轉加熱 2—鉆孔 3—擴孔 4—攻螺紋 5—全螺紋接合 6—擰緊

圖9 德國GUEHRING為電動機殼體設計的刀具

圖10 德國MAPA的PCD銑刀

圖11 德國MAPAL螺旋刃銑刀

新能源不可否認是未來的發展方向，它要受到安全、節能及環保的檢驗，而安全對于任何技術路線都有絕對的否決權。現在預測還是太早，只能摸著石頭過河。豐田汽車公司制定新能源汽車發展趨勢圖，2050年是傳統能源汽車的終點。然而德國科技界普遍認為，電動汽車市場方興未艾，但取代的說法尚且太早，專家預測，即使20年后，燃油車依舊占據市場3/4。

未來電動汽車的制造技術將是一個漸進的發展過程，涉及產品、工藝、設備、刀具和材料等，產品一定是主導作用，電池的制造和裝配技術有很多創新的變化，另外數字化技術、智能制造技術以及3D打印技術也將會廣泛應用。