新能源汽車核心零部件技術攻關和成本優化仍需加強

文／原中國兵器裝備集團公司首席科技專家，原長安汽車工程研究總院總工程師 汪正勝

我國新能源汽車的發展是從科技部支持重大科技項目攻關開始，從“九五”期間的全國清潔汽車行動就已布局，歷經“十五”期間“三縱三橫”和試點示范，“十一五”期間《節能與新能源汽車重大專項》和“十城千輛”示范應用工程，“十二五”期間“純電驅動技術轉型戰略”和《新能源汽車產業技術創新工程》，進入“十三五”的《國家重大研發計劃-新能源汽車重點專項》、《中國制造2025節能與新能源汽車發展技術路線圖》等重大科技專項和示范工程的創新扶持與推廣應用，取得了舉世矚目的成就。截至目前，我國已形成純電動汽車為主，插電式混合動力汽車為補充，燃料電池汽車示范應用的發展態勢。我國新能源汽車產銷量已連續四年位居全球第一，保有量約占全球一半左右。2019年，新能源汽車銷量達126萬輛。在新能源汽車零部件領域，已經涌現出了寧德時代、比亞迪等與國際動力電池企業并駕齊驅的行業龍頭，以新能源汽車為主的產業鏈上下游上市企業已經超過50家，市值規模超過2萬億美元。

當前，我國新能源汽車產業快速發展，可供消費者選擇的車型逐漸豐富，從A00級到A級、B級、C級應有盡有。純電動汽車產品持續迭代升級加快，續駛里程、可靠性、安全性、動力性水平不斷提高，經濟性和綜合效益水平持續優化。自主品牌車企電控、電驅、電池“三電”技術日臻成熟，骨干車企“三電”技術合作、產能布局步伐加快。插電式混合動力汽車近五年技術進步極快，專用零部件技術自主研發實現了重大突破，動力總成高度集成化、模塊化技術迭代加快，從P0到P4創新了一大批新的構型，形成了中國的自主專利技術群，插電式混合動力大規模產業化步伐加快。

經過近20年汽車行業的拼搏、政府推動以及全社會的共同努力，無論是從整車的市場應用端，還是從核心零部件技術的突破以及自主供應鏈的完善，我國新能源汽車產業已經真正地實現了技術和產業化雙突破。但是，隨著我國汽車產業的對外股比放開，特斯拉等國際造車新勢力在華的布局，以及寶馬、豐田、大眾等國際巨頭的電動化轉型，我國新能源汽車全產業鏈將會面臨新一輪激烈競爭，甚至是生死的考驗，2020年上半年在“新冠”疫情下，全球新能源汽車銷售大漲，而我國新能源汽車銷售猛跌，究其主要原因一方面是補貼政策迅速退坡，另一方面是產品競爭力的問題。我們唯有繼續以時不我待的精神，加快新能源汽車核心關鍵技術持續攻關、全產業鏈聚焦成本優化，盡快提升自主品牌新能源汽車產業國際競爭力，這樣才能加快制造強國、汽車強國創新的步伐，加速我國汽車產業轉型升級。

技術研發進展

動力電池技術性能已達國際先進水平

2020年1-9月，我國動力電池裝車量累計34.2GWh。其中，排名前十的動力電池企業裝機總量約為31.8GWh，占整體的92.8%。其中三元電池裝車量累計23.6GWh,占總裝車量69.0%；磷酸鐵鋰電池裝車量累計10.4GWh,占總裝車量30.3%；按單體封裝方式分，裝機量最大的是方形電池，其次是圓柱形電池，再次為軟包電池。方形電池以寧德時代、比亞迪、天津力神為代表企業；圓柱形電池以比克、億緯鋰能為代表企業；軟包電池以孚能科技、萬向123為代表企業。

三元鋰電池單體能量密度在200-260Wh/kg，成組后系統能量密度達到160-200Wh/kg；磷酸鐵鋰電池單體能量密度在170-185Wh/kg，成組后系統能量密度可以達到140Wh/kg。循環壽命方面，在系統容量衰減到80%的前提下，三元鋰電池循環壽命在1500次以上，磷酸鐵鋰電池循環壽命在3000次以上。成本方面，電池系統價格已經下降到（1.0±0.2）元/Wh。相對于國際前三的松下、LG、三星等電池企業，我國動力電池的主要技術和性能指標已經處于領先地位。

電驅動系統關鍵性能顯著提高，可與國外先進指標持平

乘用車用電驅動系統一體化、輕量化水平已與國際接軌。國內企業開發出的集成驅動電機、電機控制器和高速減速器的“三合一”電驅動總成，總成峰值功率涵蓋120-150kW，驅動電機輸出轉矩270-320N·m，減速器速比達到10-12，電驅動系統總成輸出轉矩2800-3500N·m，總成輸出轉速1200-1500rpm，總成質量80-90kg。在小型純電動乘用車用驅動電機及其控制系統方面，開發了集成電機控制器和驅動電機的“二合一”電驅動總成，功率范圍涵蓋33-55kW，峰值轉矩125-170N·m，電機轉速9000rpm。

輪轂電機技術不斷成熟，初步具備商用車輪轂電機總成批量化技術。國內主要產學研機構聯合開發的峰值功率為65kW的輪轂電機總成，電機輸出轉矩達到640N·m，輪轂電機質量為31kg，采用拼塊式定子鐵芯、超短端部繞線工藝、復合水冷等關鍵技術，轉矩密度達到20.6N·m/kg，功率密度達到2.1kW/kg，與國外技術水平相當。此外，由國內企業所研發的商用車用輪轂電機驅動橋總成SM500-3，其電機的最高轉速為500r/min，傳動效率比輪邊驅動能夠提升15%。

電機控制器的研發與集成設計不斷縮小與國際先進水平的差距。國內企業牽頭公關并完成了功率部件直焊互連集成設計與焊接工藝驗證，實現了膜電容器端子與IGBT模塊直流端子、IGBT模塊交流端子與三相銅排的直接鍵合與集成，確保高溫、振動等復雜環境下電機控制器的可靠性，提升了電機控制器的功率密度水平。該公司采用的雙面焊接單面散熱IGBT功率模塊，研制了功率密度達到18~20kW/L的80kW逆變器樣機，集成水平與博世、大陸等國外公司的同類型產品相當。

但客觀來看，國內企業在電驅動系統大批量生產的一致性和產品可靠性方面與國外仍有一定的差距，在控制系統上游的功率器件、半導體材料等方面，國內仍不具備完全自主能力。這正是我們下一步技術攻關的主要方向。

充電基礎設施網絡布局快速完善，充電樁技術正朝高功率、智能化與互動化方向發展

充電基礎設施快速布局，標準體系國際先進。截止2020年9月，我國公共類充電樁保有量約60.6萬臺，同比增長30.0%，其中交流充電樁約35.0萬臺、直流充電樁約25.5萬臺、交直流一體充電樁約488臺。直流充電功率模塊全面實現國產化，單位成本過去5年下降幅度達到90%。標準層面，國內正積極加快充電及運營互聯互通、充電設施安全等核心標準的編制修訂工作，已基本完成充電設施、充電接口、充電站建設運行、充電服務等相關標準，但仍存在新老標準切換以及政策措施不完善等問題。

充電樁技術正朝高功率、柔性化、智能化方向發展。目前，我國直流大功率充電設施研發已有一定技術積累，正處于關鍵標準制定及規模化示范運行階段，正在推進360千瓦乘用車大功率快充試點；我國主導推動的下一代充電技術接口方案Chaoji接口方案已經被日本采納，目前中國、日本以及其他國際專家正在緊密合作，推動Chaoji方案在IEC的國際標準立項和制定工作。柔性充電堆技術受到關注，處于研發示范階段；充電智能化、便捷化方面也有所突破，率先在國際上推出即插即充、群充群控等創新充電模式，車樁一體和車位一體等新模式取得新突破；以電池儲能、V2G、微電網為主，車網互動示范項目取得新進展，電動汽車作為可調節資源參與華北輔助服務市場交易試點取得良好成效。無線充電技術也有較大發展，部分企業的無線充電技術傳輸距離達20cm，效率達90%。

此外，換電技術具有大幅度降低充電等候時間、延長電池循環壽命、提升電池充電安全性、減少電網沖擊的優勢，北汽新能源、蔚來汽車等企業正在深入推進和示范推廣車電分離模式，將來有望成為引領某些細分領域的能源補充解決方案。

蘇越和蘇婷婷從帳篷里走出來，蘇穆武忙迎上去：咋樣？妥了嗎？蘇越搖搖頭：他還是不想跟咱們回去。蘇穆武不解地：他憑啥不回去？告訴他不讓他買房子了嗎？蘇越無奈地：告訴了，可他心里有個結解不開。蘇穆武說：你媽不是說洋人直腸子嗎？咋又出來結了？蘇越搖搖頭：反正我也說不清楚。蘇穆武生氣地：是你沒說清楚！閃開，看我怎么對付這小子！不動真格的他還真拉起架子了！

存在的不足

動力電池方面

動力電池安全。高比能動力電池的應用，也會帶來安全和壽命問題，尤其是采用高鎳（Ni80及以上）材料的動力電池熱失控及熱擴散是亟待開展技術攻關的關鍵難點。動力電池安全是新能源汽車產業健康發展的最大制約因素，應考慮從以下幾個方面提高動力電池安全性：加強頂層設計，建立完備的標準體系，引導產業健康有序發展；積極研發更安全的動力電池單體技術和整車級的電池系統安全防護技術；建立新能源汽車整車企業和動力電池單體企業融合的應急響應體系。

制造和工藝水平。國內動力電池企業眾多，除部分企業具備較高的自動化生產技術、工藝裝備和質量控制水平外，多數企業的高端制造能力欠缺，未形成完整的自動化生產線及生產數據的交互與共享，電池產品一致性和合格率亟待提升。此外，由于制造和工藝水平的差異，技術規格尚難統一，在動力電池回收領域無法實現自動化拆解，嚴重影響動力電池梯次利用和再生利用企業的參與積極性。這方面的工作，仍需行業加強重視、形成有效的解決方案。

固態電池的研發與產業化。日本豐田汽車通過降低固態電池內電阻的技術，將全固態電池的能量輸出密度(按照體積)提高至約2.5kW/L。同時，已成功將能量密度提高至400Wh/L，比2010年左右生產的鋰離子(Li-ion)電池的能量密度高一倍。韓國現代正通過南陽研發中心(NamyangR&DCenter)旗下的電池研發團隊進行固態電池的研發，目前已取得一定的技術水平，預計2025年可實現固態電池量產。德國大眾汽車通過投資控股電池技術公司－QuantumScape，使其擁有的200多項固態電池技術專利轉為商用，并計劃在2025年前建立固態電池生產線。（見圖1）

我國當前固態電池研究仍處實驗室階段，部分科研機構著力攻關固體電解質材料技術。國內在推進固態鋰電池開發的企業包括寧德時代、贛鋒鋰業、國珈星際、力神、江蘇清陶能源、臺灣輝能、國軒高科等。在固體電解質材料方面，近兩年，江西贛鋒鋰業通過中科院寧波材料所的專利授權及持續合作研發，已經掌握了生產高性能固體電解質粉體材料及柔性固態電解質膜的技術。另外，中科院物理所、中科院青島所等在有機以及無機固體電解質方面也具備了一定的研發和生產能力。但是，面對國際汽車巨頭的集中投入與攻關，我國在固態電池的研發和產業化進程亟需加快，以搶占下一代車用動力電池的產業風口。

電驅動系統方面

車用驅動電機智能化、深度集成化設計能力不足。當前中國對于車用電機實時運行狀態、故障實時診斷、振動噪聲、電磁兼容等仍缺乏系統的理論支撐，影響了中國車用電機產業競爭力持續提升。中國軟件水平參差不齊，軟件架構研發緩慢，網絡安全較為缺失。

圖1 固態電池的技術路線

驅動電機系統的關鍵零部件與新材料開發與制造工藝仍有差距。中國在新型電超導與熱超導材料、漆包線成型與加工性、扁導線制造工藝方面有待進步，在高速軸承及高速變速器的設計與制造能力不足。第三代寬禁帶半導體器件方面，在芯片電流密度、外延材料及生長工藝、模塊可靠性設計與封裝等方面仍與國外存在差距。

電驅動總成的部分核心零部件自主能力不足。在乘用車電驅動集成一體化方面，中國有多個三合一電驅動總成樣機推出并開展應用，然而機-電、電-電的集成度、性能（功率密度和轉速）、可靠性仍需要進一步提高，同時缺少可靠性高的后橋電驅動總成產品及控制芯片。

電驅動系統產業化制造工藝與裝備水平不足。中國在高端試驗、高速試驗和關鍵生產設備、檢驗設備的水平上相對落后，基本依賴進口；批量化與“智能”產業化技術，高端工藝與裝備技術與國際先進水平尚存差距，自動產線的自主裝備能力欠缺。

充換電基礎設施方面

私人領域充電短板突出。近年來，針對新建小區，停車位需100%預留充電樁建設安裝條件的要求逐步得到落實,但對于占比最大的存量小區，如何解決充電樁建設安裝條件尚缺乏明確政策指導，同時還存在固定車位不足、物業認識和配合不夠等突出阻礙，已成為制約新能源汽車產業規模持續增長的關鍵瓶頸。

公共領域充電速度和體驗與用戶需求仍有明顯差距。受限于當前電池壽命和安全性能，當前主流快充技術僅能保證1C左右最大充電倍率，充電時間仍需要1-2小時，充電速度與加油存在顯著差距，尤其不能滿足長途出行和高強度運營的要求，是制約電動汽車普及的一大關鍵瓶頸。換電技術雖然適合出租、重卡等高運營強度領域并率先實現應用，但也面臨電池標準不統一、成本比快充高出一倍以上等問題，實際推廣也面臨一定障礙。加上目前充電站普遍規模較小，多數充電站服務配套設施尚不健全，部分設備故障率較高和運維檢修水平不足等問題較為突出，導致用戶體驗不佳。

能源和電力資源利用粗放，與能源互聯網融合創新的巨大潛力未能有效釋放。目前的充電解決方案僅僅把新能源汽車當做普通的用電設備，不能夠充分釋放電動汽車巨大的儲能潛力。尤其是對于規模最大的私人專用充電樁，目前的無序充電模式對電力容量的利用率嚴重偏低，而且與居民用電負荷高峰重合度高達85%，長遠來看這一對電力資源粗放低效的發展模式將難以為繼。亟需要加快推動電動汽車與能源互聯網的融合發展，加快智能有序充電和V2G等智能化新型充電模式的推廣應用，釋放電動汽車作為分布式儲能的巨大能源潛力，盡早實現“新能源車充新能源電”。

重點攻關方向

動力電池方面

動力電池向高能量密度、高循環壽命方向發展。動力電池的高能量密度是純電動汽車能否擴大推廣應用的關鍵因素。僅僅從高比能量出發，在研有望量產的高鎳三元正極和碳硅負極鋰離子電池僅實現了300Wh/kg，循環壽命還有待于進一步提升，實現產業化還需要解決設備更新、生產工藝調試等問題。從循環壽命來看，目前磷酸鐵鋰的循環性能達到了2020年的指標，但磷酸鐵鋰材料的比能量繼續優化的解決方案未見明晰方向。

固態電池成研發熱點，未來成為車用動力電池的可能性較高。固態電池使用難燃的固態電解質取代有機溶劑型電解液，可以從根本上改善電池的熱穩定性等安全問題，并讓電池變得更薄、更小，具有安全性高、能量密度高、正極材料選擇范圍寬等優點，使固態電池成為最具產業前景的新體系電池。然而，如何開發出高容量的全固態鋰電池的單體與模塊方面仍面臨著不小的困難，尤其是大規模產業化技術亟待攻克。

電池快充技術依然是電池企業研發熱點。快充技術是動力電池核心技術之一，具備快充功能的電動汽車在一定程度上能夠緩解用戶里程焦慮，因此能夠實現快充的電池也是企業研發的熱點。2018年，寧德時代在快充領域開發出能量密度190Wh/kg，15分鐘可以充滿的快充三元鋰電池，主要應用于乘用車領域。同時，其開發的磷酸鐵鋰快充電芯成組后可以實現最高5.2C的高倍率快充，12分鐘內可完成純電動客車100%充電。

電驅動系統

在驅動電機方面，以不斷提高材料利用率、不斷提升電機與整車工況效率匹配及提升電機品質和降低成本為主要方向。同時需要加大關注低重稀土永磁材料、耐電暈耐高溫絕緣材料、高強度高熱導耐高溫絕緣骨架、直接油冷電極材料的兼容性、高導磁低損耗材料替代應用問題。

電驅動一體化總成是乘用車領域的明確產品發展方向。我國起步與國外基本同步，目前需要加快自主高速減速器及其軸承、齒輪等配套關鍵零部件開發，并強化電機和減速器的深度集成。

電機控制器需進一步提高功率密度和效率。雙面焊接與單面/雙面冷卻是電機控制器主流封裝工藝技術，我國IGBT功率模塊封裝、控制器系統級工程化集成能力提升很快，但在電力電子晶圓和芯片以及相關集成電路等方面的材料、技術、工藝和產品有待加強。在SiC芯片和模塊方面，高溫高可靠性封裝技術是SiC模塊封裝的主流，全SiC控制器具有高溫、高效和高頻優勢，國外已經在加快SiC器件在汽車中的應用，我國從2018年開始將逐步加快應用探索及驗證。

充換電基礎設施方面

我國充電基礎設施主要朝“智慧慢充樁+大功率快充站”的充電網絡體系方向發展。交流樁仍是新能源汽車最主要的充電方式，智慧充電系統可通過有序充電和調整功率實現錯峰充電，在電力不擴容的情況下實現“一車一樁”的電力配置，因此引入智慧充電系統有望破解電網負荷不足問題。此外，直流快充站可滿足臨時性、應急性充電需求，大功率充電是其關鍵支撐技術，可實現“充電10~15分鐘、續駛300公里”，從而提升充電便利性。

研究無線快慢充技術，研制超高比功率、高性能雙向充放電設備和實用化的無線充電裝備成為未來無線充電的發展目標。開展無線充電系統監測平臺研究與開發，建立關鍵參數檢測平臺、線圈系統規格與性能檢測平臺、電源系統規格與性能檢測平臺、車載充電機規格與性能檢測平臺、電磁兼容性檢測平臺，從而推動無線充電技術的推廣與應用。

換電技術方面，特定場景率先突破以及同步完善標準體系是現階段主要任務。國內部分企業已布局電池租賃業務，用戶只需支付充電費用，從而降低了購車成本。若電池標準得以完善，車電分離的換電模式將有望成為未來的重要發展方向。尤其換電技術作為充電技術的重要補充，在重卡等充電技術尚不能滿足要求的領域，有望實現率先突破，加速我國車輛全面電動化的進程。

“十三五”已經接近尾聲，“十四五”即將開啟，汽車產業電動化轉型已經成為全球的共同目標。我國新能源汽車產業應該抓住最近十年建立起來的產業優勢、市場優勢、供應鏈優勢和人才優勢，除了在動力電池、電驅動系統和充換電基礎設施等核心關鍵領域，要加強技術突破和產業化攻關以外，全行業也要在產品智能化、工藝精細化和零部件節能環保等重點領域深耕細作，尤其是全行業要聚焦成本優化、全面提升產品競爭力，為提升我國新能源汽車產業在全球的競爭能力持續奮斗。