新材料与工艺手册

产业融合背景下的新能源汽车技术发展趋势

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发表于 2020-11-19 09:51:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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产业融合背景下的新能源汽车技术发展趋势
王震坡1,2,3, 黎小慧1,2,3, 孙逢春1,2,3
(1.北京理工大学 机械与车辆学院,北京 100081;2.电动车辆国家工程实验室,北京 100081;3.北京电动车辆协同创新中心,北京 100081)
摘 要: 发展新能源汽车是促进未来可再生能源应用和电气化交通运输技术发展的重要途径,是保证未来能源安全、缓解能源紧缺、提高环境质量的重要手段. 目前发展新能源汽车已成为全球共识和共同行动. 我国新能源汽车产业发展取得了巨大成就,呈现出多产业融合的特点. 基于新能源汽车发展现状,分析我国汽车产业融合与变革趋势,从六个方面提出未来新能源汽车技术发展热点. 围绕高效节能、安全舒适、全气候目标,提出产业融合背景下新能源汽车十大核心关键技术发展趋势和方向,指导未来新能源汽车产业的发展. 在大数据体系的助推下,新能源汽车将加速实现大规模商业化应用,产业实现深度融合与可持续健康发展.
关键词:产业融合;新能源汽车;全气候车辆;大数据
1 新能源汽车发展现状1.1 新能源汽车发展成为国际共识和共同行动
随着社会认知的提升和国六、欧六等排放标准的出台和落实实施,传统汽车油耗与排放控制面临严重的技术瓶颈,大众、雪铁龙等国际知名汽车公司的“排放门”造假事件从侧面引证了技术实施的难度. 新能源汽车以水、风、光、核、热、化石能源等多能源电力为动力,可实现高能效、零排放或超低排放. 在改善环境的迫切需求和全球技术快速变革的发展态势下,汽车电动化趋势已不可逆转,全球多国和多家汽车巨头纷纷转战新能源汽车领域,出台的相关政策和措施如图1所示.
图1 世界各国及汽车巨头(部分)新能源汽车发展政策
Fig.1 New energy vehicle development policies in various countries and outo giants

当前,能源紧缺成为世界各国面临的重要问题. 中国石油严重依赖进口成为国家能源安全的隐患. 发展新能源汽车技术成为交通领域有效缓解我国化石能源紧张局面的重要途径之一,是我国国家能源安全与能源结构转型的重要手段. 随着全球气候变暖和我国空气污染日趋严重,碳减排和空气质量提升已经成为社会经济发展的迫切需求和国民关注的热点. 传统汽车的尾气排放是我国空气污染的主要来源之一[1]. 以新能源汽车为载体实现新能源技术的突破,能够从源头减少空气污染问题,极大改善空气质量,同时也是我国实现碳减排承诺的重要抓手.
新能源汽车作为在城市交通运输、电网管理、储能技术发展和其他清洁能源利用等方面发挥着重要作用. 城市电网负荷的时间极度不平衡为电网和能源管理带来一定挑战. 新能源汽车具有能效高(蓄能效率>80%)、充电成本低(平衡电网负荷)、可靠性高(分布式存储)等特点,以其作为移动式能源载体的城市电网负荷平衡方法得以应用,将有效平抑负荷峰谷差,使城市电网管理更高效[2]. 此外,新能源汽车的渗透在一定程度上加速了风电、光电和核电等清洁能源的有效利用,能够带动整个新能源领域的技术发展和应用.
1.2 我国新能源汽车发展取得标志性成就
我国新能源汽车技术和产业历经国家4个五年计划的支持和大力推广,在市场、技术、产业链、基础设施建设等方面取得了举世瞩目的成就. 习近平主席在2018年院士大会上总结我国科技事业发展成就时,提出我国新能源汽车产业跻身世界前列.
在全球汽车市场下滑的严峻形势下,我国新能源汽车销量仍保持逆势增长,产业规模保持全球首位,总体技术水平处于国际先进地位. 新能源汽车产销量的快速增长,推动了动力电池市场和充电基础设施建设的发展. 目前我国动力电池产业规模居全球首位,并具有产业聚集度高的特点;同时我国充电基础设施数量全球第一,基本满足公共服务和私人领域新能源汽车运行需要;此外,大功率快速充电及换电等多种灵活的新能源汽车能量补给模式,加速了新能源汽车的推广普及. 在大数据应用方面,我国成功建成了新能源汽车国家、地方政府和企业三级监管体系,拥有国际上规模最大的新能源汽车车联网平台,实现了新能源汽车全国联网及运行安全监管的广泛覆盖. 截至2019年11月底,新能源汽车国家监管平台接入车辆超过283万辆,总运行里程约1048亿公里,日上线率超74%,实时在线率超过33%. 在此基础上,我国将逐步形成新能源汽车大数据创新发展与应用体系,推动新能源汽车智能化、网联化快速发展.
2 多产业融合与变革
社会经济发展需求的迅速扩张和能源环境形势的不断变化促使汽车产业快速变革. 数字经济背景下,汽车电动化、智能化、网联化、共享化趋势愈发明显,汽车产业在结构、规模、技术路径、产品形态、生产方式、商业模式等方面不断涌现出新思路和新成就. 同时,汽车是机械、能源、交通、信息、控制、电力电子等多学科技术的综合载体,与之相关的不同领域之间的边界随新能源汽车技术和产业的发展不断被打破,不同类型的企业不断汇聚,形成了汽车与能源、机械、交通、电力、电子、通信、软件、大数据等多产业融合与变革的新局面.
2.1 多产业融合是大势所趋
随着产业变革的不断深入,汽车概念正从单纯的交通工具转变为大型移动智能终端、储能单元和数字空间[3],新能源汽车越来越成为产业融合创新的平台. 汽车硬件和软件构成比例不断变化,产业正由以参数为基础的硬件驱动时代进入以“参数+智能+服务”为内涵的软件驱动时代. 软件驱动重写汽车竞争法则,因此新能源汽车行业需要引入新的“互联网+大数据”融合基因,以支撑传统汽车制造服务能力的延伸. 随着产业结构转型的不断深入,新能源汽车技术呈现出多元融合的发展态势,具体表现为:多ECU整合、功能多元化,多传感器融合、智能化提升,硬件平台免费化,软件增值业务化,汽车“以太网”崛起并成为中坚,车云融合及车载信息和车外数据融合[4].
2.2 产业数字化带动汽车“四化”加速实现
近年来,新能源汽车产业也迎来了数字经济发展机遇,通过探索新技术、新业态、新模式,探寻着新的增长动能和发展路径. 当前,新能源汽车产业数据体系已从单点数据迅速爆发进入到跨界产业数字化融合阶段. 借助数字化虚拟和仿真、云计算、大数据、物联网等数字化技术,新能源汽车海量数据中有价值的信息被提取用于产品设计、生产制造、应用服务和完成全产业链、全生命周期的管理、决策和控制,推动产业结构不断优化和转型升级.
汽车“电动化、智能化、网联化、共享化”代表了未来汽车技术与产业发展的方向. 产业数字化为“四化”提供了现实的数据条件,加速了车辆运行、智能路网、消费者信息等数据的爆发式增长,这些数据也将分别支撑“四化”不断深入. 在数字化的基本前提上,“电动化”带来汽车构型变革,为“智能化、网联化、共享化”的实现提供了更多可能;以“电动化”为核心,“智能化、网联化、共享化”将不断扩展外延;数字化带动“四化”加速实现,同时数字化程度将进一步深化. 未来的中国汽车产业将借助数字化战略,完成新型产业生态构建,提高核心竞争力.
2.3 产业模式变革带动生态圈扩大
汽车“四化”带动商业模式发生深刻变革,“出行服务”概念正深入人心. 汽车购买和拥有主体发生了改变. 新能源汽车的出现,使传统的汽车产业价值网络重心由汽车制造转移至汽车多样化应用和新兴后市场服务环节. 在大数据、人工智能等技术支撑下,新能源汽车面向商业(B端)与客户(C端)应用服务的价值内涵和深度、广度不断拓展,形成了以基于大数据的业务应用、基于汽车价值链的业务拓展、基于智能汽车的未来出行服务为核心的B端服务链,以选车、购车、用车、养车、换车需求为导向的C端服务链,综合构成新型汽车产业生态圈(见图2). 以用户需求为目标,以新能源汽车为主要载体,汽车产业生态圈将继续迅速扩张,越来越多的新体系、新领域将参与未来出行变革,继续革新汽车行业的生产组织方式和商业模式.
图2 汽车产业生态圈
Fig.2 Theexpansion of the eco-system of automotive industry

2.4 产业发展愿景与方向
在产业融合背景和交通、能源、环境协同可持续健康发展的社会愿景下,未来新能源汽车技术发展与产业投资的热点将围绕以下6个方面展开:
① 整车高效智能化. 实现智慧高效的出行需要融合新能源汽车与整车智能驾驶技术. 通过将现代信息通信技术与先进车载传感器、控制器、执行器等装置结合形成智能体系,汇聚多源数据实现高效智能的出行规划,新能源汽车将具备复杂环境感知、智能决策、协同控制、能源互动等功能,从而降低汽车综合能耗和交通死亡率,提升社会出行效率和安全性、节约能源、改善环境;同时新能源汽车将通过动力电池、电空调系统的技术进步,突破极端环境、极端气候的行驶禁区,实现交通工具能源动力转型后的全地域、全气候出行.
② 车辆运行网联化. 为缓解能源紧张、交通拥堵和改善环境污染,车辆运行网联化势在必行. 新能源汽车的大规模联网,将从服务于安全监控里程、核查质量分析的国家职能,过渡到支撑智能交通与共享技术推广应用的技术手段. 智能新能源汽车将通过连接车、人、路、云平台、移动网络、卫星定位系统和能源网络进行各方信息智能交换与共享,结合计算机通信技术、传感器技术、控制技术和其他智能技术,协同解决能源、交通、环境问题. 在网联化的基础上,共享新能源汽车的出现为提升交通出行效率提供了新的有效途径. 以移动互联网为基础的分时租赁是汽车共享化的典型代表,与网约车、P2P等其他租车模式共同塑造当前和未来的共享出行生态.
③ 动力系统全电化. 汽车各系统全电化是新能源汽车解决能源和环境问题的巨大优势所在. 面向高效节能目标,新能源汽车可在能量装置和整车控制、驱动、制动、转向、空调等各系统实现传感、控制和执行装置的全电化,通过整车电控、动力电池、电驱动(即“大三电”)、电制动、电空调、电转向(即“小三电”)技术实现新能源最大化利用. 此外,作为一种清洁、来源多样的能源形式,未来氢能源将与电力能源并存互补,以氢燃料电池汽车为载体,实现交通系统的能源结构多元化、低碳能源稳定供给和零排放. 燃料电池汽车实现大规模商业化运行,需要在燃料电池堆及基础材料、燃料电池发动机及关键零部件、整车系统集成与控制、储氢、供氢、运氢和加氢基础设施等方面取得进一步技术突破.
④ 动力电池全气候. 通过技术进步突破高温、高寒、高原新能源汽车行驶限制,解决电动汽车低温续驶里程明显缩短等区域适用性问题,将有利于实现新能源汽车应用推广的全覆盖和权威化. 全气候电池是全气候电动汽车的核心,以电池加热技术为突破点实现无高寒环境限制的持续行驶,以电池热失控预警和控制手段保障高温等极端环境下动力电池的性能和安全,解决高海拔、大温差、低气压环境下的新能源汽车运行可靠性和耐久性问题,将是未来的技术发展方向.
⑤ 能源补给多元化. 以慢充、快充、快速换电和无线充电四种模式并存为特点,未来新能源汽车的能源补给呈多元化发展趋势. 慢充技术由于固定车位数量有限、充电时间长等问题,在公共领域应用受到一定限制,主要作为家庭充电的主流方式进行应用[5]. 快充可在较快时间内实现电能补充,但超大功率(单机大于200 kW)快充给电网运行稳定性和成本带来巨大挑战,降低快速充电对电网的冲击是未来需要解决的问题. 满足商用车、乘用车电池短时间能量补给的另一途径是电池更换. 目前该方式在固定区域、固定线路车辆上的应用已初见规模,但规模化推广、多品牌共享换电设施仍面临标准统一问题. 作为便捷、高安全性的能量补给方式,无线充电一直是技术研发热点,目前其系统效率已可达90%以上[6_7];随着智能型新能源汽车的发展,无线充电以其操作便捷、无需人工干预等优势必将迎来发展机遇.
⑥ 智能制造绿色化. 智能化、绿色化制造是新能源汽车高效生产和实现节能减排的重要环节. 利用5G等高速信息传输通道、过程与工艺大数据平台,机器视觉、人工智能、虚拟与增强现实等先进技术手段,构建智能化、精细化、高集成度的柔性制造系统,形成数据驱动的未来智能工厂和数字化智能仓库,将实现大规模生产效率和产品质量的提升,满足未来不同的汽车消费需求和大批量产品定制能力. 同时,通过技术手段实现选材、制造、生产等环节在内的全生命周期资源高效利用与污染控制,最大限度降低资源消耗和减少污染,将是汽车绿色制造的终极目标.
3 核心关键技术及其发展趋势
目前,新能源汽车续航里程短、充电时间长、车辆利用效率低等问题给产业发展带来巨大挑战,我国新能源汽车已进入品质提升的关键阶段,卡脖子和短板技术的突破成为产业实现持续健康发展的关键:未来车控操作系统与车规芯片是新能源汽车的命脉,关键材料与新材料的研究与应用是突破重点,制备工艺的研发是关键,高端设计开发工具与装备、制造装备、高端测试与检测装备等关键装备的研发应用是核心. 围绕高效节能、安全舒适、全气候三大目标,新能源汽车八大核心关键技术亟待突破,包括整车电控、动力电池、电驱动三大核心部件关键技术,电制动、电空调、电转向技术,全气候车辆技术、氢燃料电池汽车技术、轻量化技术和新能源汽车大数据技术体系.
3.1 整车电控系统
为了实现新能源汽车高效节能、安全、舒适总体目标,我国对新能源汽车综合性能提出了具体的目标和要求,如表1所示. 其中,针对纯电动客车技术水平提出“单位载质量能量消耗量(Ekg)”指标,以进行更科学客观的评价.
表1 新能源汽车综合性能目标
Tab.1 Comprehensive performance goals of NEV

新能源汽车电子控制系统是保证整车安全性、经济性、可靠性、功能性等整车性能、实现集成化与轻量化的关键. 我国已初步具备系统-软件-硬件的三层级开发能力,但在电控系统智能化、整车功能安全的研究与应用等方面仍存在较大的发展空间. 为了实现整车能耗的降低和续驶里程的提升,未来需要结合智能化和网联化手段,基于中国汽车行驶工况,开发动力系统工作效率最佳且工况适应性最强的智能化整车控制策略及软件、整车网联控制架构与控制器,提高电控系统控制精度、拓宽控制范围,实现高效的整车能量管理、智能的驱动控制和可靠的安全监控[8_11]. 其中,新能源整车系统标定与匹配技术、大型设计软件与仿真技术、车控操作系统等是后续突破重点.
3.2 动力电池系统
动力电池是实现新能源汽车整车经济性和使用便利性的核心,其安全性、比能量、能量密度、比功率和寿命等关键性能和电池成本直接影响新能源汽车的推广应用. 因此,动力电池技术体系的突破是新能源汽车技术发展的重中之重,相关产业和技术目标如表2所示.
表2 新能源汽车动力电池发展目标
Tab.2 The goals of NEV power battery system

3.2.1 高安全与高比能电池
高比能量、高能效、高安全、长寿命、全气候、全固态、低成本是车用锂离子动力电池系统的发展方向. 着眼于锂离子动力电池产业链,从动力电池正极、负极、隔膜和电解液等关键材料基础研究与应用为入口突破,结合电池材料和结构设计创新,将实现锂离子动力电池能量指标、功率指标、安全性和寿命等性能的持续升级;采用数字化、智能化手段,从制造工艺和高端、智能制造装备两个方面提升大规模动力电池制造技术水平,能够保证产品质量和一致性,提高动力电池应用的可靠性和安全性;全固态锂电池是未来电池的主要发展方向之一,研发新型锂离子电池和新体系电池(锂硫电池、锂空气电池、固态电池等),将拓展动力电池技术边界,实现动力电池多元应用与发展[12_13];建立科学有效、全面的动力电池测试评价技术体系,进行动力电池全生命周期特性监测与评价,能够保障和优化动力电池系统的应用;构建规模化、高价值、高效的动力电池回收与梯级利用技术体系[14],将助力实现新能源汽车全生命周期应用的高效、节能与环保. 其中,动力电池正负极材料、隔膜、电解液等关键材料研发与应用,新材料电池、电池制造工艺、高端制造装备等关键技术是突破的重点.
3.2.2 动力电池安全管理
动力电池系统安全是新能源汽车发展的瓶颈和短板之一. 动力电池安全影响因素复杂,低温、热冲击、老化等状态极易加剧电池单体差异化而缩短电池寿命,锂离子电池连接、充放电、热管理不当带来的安全隐患不容忽视. 在提升动力电池性能的基础上,如何保障动力电池系统的使用安全和循环寿命,已经成为国内外研究的热点和突破的重点.
当前,动力电池管理系统朝着高精度、高可靠性、低成本、高集成化方向发展. 在电池单体、电池模组、电池包及整车集成应用各层级,建立全面的安全管理理论和策略,形成动力电池单体状态管理、模组集成管理、动力电池系统热管理、电量管理等组成的高安全管理技术体系,实现动力电池寿命预测、安全监测与防控,才能更好地支撑新能源汽车可持续健康发展. 其中,电池连接、充放电控制、热管理状态估计与能量管理[15_17]等关键技术是突破重点.
3.3 电驱动系统
电驱动系统是实现新能源汽车动力性能要求的关键系统. 围绕高效节能、安全舒适和轻量化的目标,提升电驱动系统关键部件功率密度、效率等关键性能指标,开发出动力性能更优、更节能、更高效、更智能的电驱动产品,是支撑新能源汽车整车性能提升、实现产业电动化转型的关键. 电驱动系统关键材料研发和利用,驱动电机、自动变速器、电机控制器等关键零部件的设计与制造和电驱动总成智能化、高密度、集成化设计等方面仍存在较大的技术进步空间. 电驱动系统呈现出高功率驱动电机及其控制系统高压化、高速化、高效化,Si基功率器件小型化、智能化、集成化,电驱动系统操作系统软件层次化、模块化和平台化,电驱动总成集成化、轻量化、智能化等发展趋势.
3.3.1 高效高功率密度电机
为实现驱动电机峰值功率密度≥4 kW/kg(≥30 s),连续功率密度 ≥ 2.5 kW/kg,最高效率≥96%,电机及其控制系统最高效率≥94.5%、超过85%的高效率区不低于85%的目标,未来需更注重高温电力电子等基础理论的研究,攻克高性能绝缘材料及绝缘结构设计、高性能导磁材料及成型、高可靠性大功率高速轴承、低噪声高速高精度齿轮、电力电子芯片与模块封装、专用集成电路和各类传感器等核心部件/器件的技术难题,突破电磁兼容(EMC)、NVH、高端制造设备、电机控制软件平台等关键技术瓶颈. 其中,高速高功率密度大功率电机、IGBT/SIC功率电子芯片、高端计算芯片、大功率高速轴承等技术需要持续的攻关和突破. 为了新能源汽车动力性能提升和能耗降低能够同时实现,需要保证驱动电机在高效区工作,高效高功率密度电机与高效变速传动系统的结合将是未来电驱动技术发展的重点之一. 我国自动变速箱和传动关键零部件基础薄弱,开展高集成度电驱动系统专用变速器、电机与传动高密度一体化集成装置及高压集成控制器研究,也是发展高速高密度集成化电驱动总成的重要方向之一.
3.3.2 轻量化轮边和轮毂电驱动
研发高速、高功率密度、高效的轮毂/轮边电机是降低汽车能耗的另一突破口. 电动轮毂/轮边驱动实现了更低成本和更小体积质量的机电、电力电子、传感器部件系统一体化集成,其对未来结构轻量化发展具有重要意义,是电驱动总成技术的重要发展方向和研究热点. 其核心关键技术包括:高速、高功率密度、高效电机技术,高紧凑制动器技术,超高强度、大变比减速技术和超高强度轮毂载荷传递组件技术等. 目前,轻量化电动轮边/轮毂已在商用车、高机动越野车上获得了一定的应用验证,未来将在高防护、抗震性、高集成和轻量化研究及整车应用上持续开展技术攻关和突破.
3.4 “小三电”系统
3.4.1 电制动系统
根据驱动电机的运行特性,新能源汽车易于实现再生制动,可有效提高续驶里程≥25%,同时制动过程可与ABS、ESP协同控制. 未来的电制动系统将向高响应速度、精确压力控制、高集成度、高可靠性、强开放性方向发展. 开发新一代集成电制动系统是未来技术发展的目标,智能紧急制动、液压稳定性控制、液压再生制动、单回路液压制动和电制动执行机构的结构集成与底盘系统耦合控制技术,电机回馈制动与摩擦制动协调控制技术,制动能量回收系统试验和极端工况下车辆动态负载精确模拟等关键技术是技术发展的重点[18]. 目前,国内外零部件企业在线控电制动系统关键技术方面已有一定研发基础,但技术受到安全性、可靠性制约无法大规模推广,在控制稳定性、产品一致性等方面仍需持续攻关.
3.4.2 全电转向及全电助力转向
作为车辆控制的关键部件,车辆转向系统朝着电动化、智能化、高精度、高可靠方向发展. 电助力转向可实现车道保持、自动泊车等功能一体化,既保证了车辆运行的安全性,同时可带来能耗节省. 基于电子差速控制的全电转向技术,能够为高效高功率密度轮毂电机的应用提供可靠的技术支撑[19]. 同时,线控油门、线控制动和线控转向集成的车辆线控技术体系,将成为未来智能汽车车辆控制的基础.
3.4.3 全气候冷暖全电空调
低温环境使用能效低下一直是制约新能源汽车发展的重要因素,车内空调系统是新能源汽车主要耗能部件之一. 突破高效低温的增焓温控技术,提高空调制冷/制热效率,开发适用于宽温度带、高效的冷暖全电空调系统,将为实现新能源汽车全气候可靠运行提供保障. 基于低温热泵技术,开发新型、高效、环保的涡旋压缩机一体化低温增焓热泵空调系统,并采用高效换热器、高效风扇电机、优化的风罩设计等技术,可使汽车制热电耗降低30%~45%,在冬季制热时能效比COP≥2(气温-20 ℃左右),在夏季制冷时能耗比EER≥3,能效相比PTC获得显著提高[20]. 未来,整车一体化空调系统、车辆智能控制热管理系统将是电空调技术发展的重要方向[21].
表3 热泵空调系统技术指标
Tab.3 Technical index of heat pump air-conditioning system

3.5 氢燃料电池汽车
在未来多能源传输及融合交互的发展趋势下,氢燃料电池汽车作为我国能源结构转型、实现新能源汽车零排放或超低排放及能源高效利用的另一重要技术路径,将与纯电动汽车共同发展、长期并存. 目前我国氢燃料电池汽车尚存在大规模商业化推广瓶颈,燃料电池电堆、动力系统、整车集成和氢能制、运、储、加注等技术需要持续攻关. 围绕高功率密度、长寿命、低成本、高可靠性、高环境适应性和使用便捷性的目标,未来的研究重点将包括以下方面.
为提高燃料电池功率密度与性能,高活性、高稳定性催化剂与导电耐腐蚀双极板、薄增强复合膜等电堆核心材料研发与制造,电堆流场结构优化等技术将是突破重点. 在系统耐久性和可靠性方面,氢燃料电池汽车动力系统混合化趋势下的动力系统构型设计与优化、关键材料与关键零部件的耐久性测试评价、整车稳定工况控制与启停机策略、氢-电-结构耦合安全控制策略、无增湿简化燃料电池系统开发等技术将得到持续开展,以突破燃料电池长时间可靠应用难题. 低铂催化剂与膜电极、低成本双极板等电堆关键部件和小型低功率空气压缩机、循环泵等低成本辅助系统关键零部件的进一步研究和开发,大批量生产工艺的进步,将降低燃料电池汽车成本从而使其满足商业运行需要. 在氢源技术方面,储氢技术多样化发展(高压氢气储存、液态氢储存、金属氢化物储氢、碳纳米材料贮氢等),高压储氢瓶及关键阀门组件将实现结构一体化、多功能集成化,制氢呈现低成本化、低污染化、低能耗化趋势. 开发安全可靠的车载储氢系统,运用可再生能源制氢、低成本高效率分布式制氢技术,将为燃料电池汽车实现高效便捷应用提供基础保障. 研究加氢基础设施建设关键技术与布局规划等是氢燃料电池汽车商业化推广的关键[22].
3.6 全气候电动汽车
新能源汽车自2008年北京奥运规模示范以来,已实现黄河以南和华北大部分地区的覆盖,形成了以京津冀、长三角、珠三角为核心的应用区域. 然而冬季动力电池充放电效率低下导致的续驶里程锐减、充电困难和温控系统能效低等问题,成为在北方、高原地区推广应用新能源汽车的严重障碍. 未来全球将聚焦全气候新能源汽车的发展,彻底解决新能源汽车在高原、高寒地区应用问题,其关键技术包括低温电池、热泵空调、密封、隔热与车内温控技术等.
作为全气候电动车辆的核心,全气候电池目前可通过电池正极/负极/电解质材料改进、外部加热(交流加热和外电源加热等)、第三极(快速自加热)内自加热等3条技术路径实现. 目前,以北京理工大学为主开发的全气候电动车辆已进入原理样车试验阶段,所采用的梯次自加热全气候电池-20 ℃到0 ℃自热时间12.5 s,电池能量消耗2.9%,-40 ℃到0 ℃自热时间42.5 s,电池能量消耗6.57%. 在车辆总重量增加约1%的情况下能够实现总体放电功率提升6倍以上,保证了极寒环境下动力电池的性能和安全(见图3)[23_24]. 此外,研究隔热系数高、阻燃性能好的密封材料和低温低辐射隔热玻璃等的应用,研究石墨烯辅助加热、电加热等车内加温技术及冷热环境温度转换过程中的车内温控技术,将有助于开发新型智能、高效、节能、低成本的温控系统,实现全气候车辆的高效、安全、舒适运行.
图3 快速自加热电池原理[24]
Fig.3 The principle of fast self-heating battery [24]

3.7 高效节能与轻量化
汽车轻量化是实现汽车节能减排的重要途径,也是汽车领域研究永恒的主题之一. 整车质量降低10%,可降低油耗6%~8%,实现续航里程增加约6%,同时制动距离和转向力将相应减少,提升车辆运行的经济性和安全性[25]. 新能源汽车由于动力电池系统的能量密度和续驶里程的要求,一般都比同级别传统内燃机汽车重10%以上. 因此,新能源汽车的发展对汽车轻量化的需求更加强烈,也对轻量化技术提出了更高的要求. 轻量化目前的技术路线主要有三种:结构轻量化、材料轻量化和连接轻量化. 可从材料、设计、成型工艺和连接工艺四个技术方面,针对汽车车身、底盘、动力系统和内外饰与电子电器等汽车结构进行轻量化. 其中,动力电池系统的轻量化围绕提高电池能量密度、电池包结构设计与材料轻量化进行.
未来汽车轻量化的实现途径是多目标设计与多材料应用相结合. 在材料应用方面,高强度和超高强度钢铝合金镁合金碳纤维复合材料轻量化材料的推广应用将成为趋势,热成型零部件加工的高导热、高强韧、长寿命模具材料,高强韧压铸铝合金、镁合金大结构件一体化压铸成形、复合材料数据与成型工艺基础等关键技术亟待突破[26]. 在设计方面,技术研究将集中于多种材料混合汽车的轻量化结构设计理论与方法、成型与连接工艺及连接结构的轻量化疲劳设计,全新架构新能源汽车结构-材料-性能一体化多目标优化设计将是研究重点. 在轻量化性能评价方面,多种材料汽车零部件和连接结构性能仿真分析与评价、综合性能集成验证等评价系统的建立也将成为未来的技术发展重点[27]. 结构性变化、新材料应用与连接轻量化相结合,将颠覆汽车生产工艺,能够使轻量化在新能源汽车上产生最大程度的效益.
3.8 新能源汽车大数据
在国家大数据战略实施背景下,新能源汽车与大数据的融合已成为大势所趋. 新能源汽车大数据具有时空交融、广泛关联的特点,在新能源汽车领域推进数据资源整合与保障数据安全的技术研究,能够为新能源汽车运行安全提供可靠的研究支撑,同时为智能网联汽车、智能交通系统、智慧城市的实现提供应用基础数据,是汽车产业与新体系、新领域深度融合的必然选择.
系统化的新能源汽车车联网大数据平台构建技术是研究、应用大数据的基础. 其中,平台架构研究与开发、高并发多维大数据传输与汇聚、车辆数据高效提取与智能终端自动适配和大数据平台信息安全管理等核心关键技术,是实现平台数据快速采集、有效存储、高质量融合、安全传输与多元应用的关键. 形成支持大规模新能源汽车安全管理和高效节能运行的研究支撑和技术应用平台,将进一步引领行业数字化变革,实现新能源汽车的高效、节能与智慧出行.
全面感知、深度融合、主动服务和科学决策是新能源汽车大数据未来的发展趋势. 未来新能源汽车数据可获、可测、可视、可控性更强,信息、数据、业务、系统、技术与人的融合度逐步加深,新能源汽车大数据挖掘分析将更广泛、更高效地服务于车辆设计制造变革、智慧出行服务和宏观政策制定. 围绕新能源汽车高效节能、安全舒适的目标,以大数据为基础科学量化表达新能源汽车出行场景和充电规律、整车和动力电池、驱动电机等关键部件性能变化与故障演化规律,在车辆安全故障诊断与预警、驾驶行为与能耗管理、充电基础设施规划、新能源汽车综合性能评价、动力电池性能和残余价值评估等方面持续开展技术应用实践,将成为新能源汽车技术领域的发展热点和重点[28_29]. 在此基础上,新能源汽车大数据将为智能网联新能源汽车研发提供充分的场景和车辆数据,从而促进智能交通物联网和信息网的融合,形成新能源汽车智能化协同管控与服务系统,助力实现智能交通与智慧出行. 同时,新能源汽车大数据也将为温室气体排放研究、城市电网管理和其他储能技术等领域的研究提供现实切入点[30].
4 结束语
新能源汽车发展是解决交通、能源、环境问题的必然选择,汽车电动化趋势不可逆转. 在电动化、智能化、网联化、共享化的发展趋势下,新能源汽车产业形成了多产业融合与变革的新局面并将持续深化融合发展. 围绕高效节能、安全舒适、全气候目标. 在电动化、智能化、网联化、共享化的发展趋势下,新能源汽车产业形成了多产业融合与变革的新局面并将持续深化融合发展. 围绕高效节能、安全舒适、全气候目标,新能源汽车电控系统正向“自主可控”目标迈进,动力电池将向更高能效、更安全、更长寿命和全气候高效应用方向发展,电驱动系统将继续高效化、智能化、集成和轻量化,线控底盘技术的发展将支撑新能源汽车全气候条件下的精确、高效、可靠与协调控制. 同时,更优结构与轻质材料在汽车上的结合将愈发广泛,更高功率密度、更长寿命和更低成本的氢燃料电池汽车将随着技术进步实现更大规模的商业化应用,大数据技术的突破也将为新能源汽车高效、安全、可靠、多元化应用带来无限可能. 八大关键领域技术的协同突破,将为实现汽车强国宏伟蓝图提供技术保障.
参考文献:
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