4.1 我國新能源汽車的發(fā)展階段

 

我國新能源汽車的發(fā)展階段，從2009年開始算起，到2020年，可以大致劃分為4個階段：

 

 

第一個階段：2009年~2013年。這個階段，是技術、產(chǎn)品、用戶、市場的積累期，這個階段的特點是核心技術、產(chǎn)品形態(tài)、用戶使用習慣等基本上都是空白，到底該怎么搞，大家都不知道。但是有一點是毋庸置疑的，就是一定要發(fā)展節(jié)能與新能源汽車這個產(chǎn)業(yè)，這涉及我國能源安全，事關我國汽車產(chǎn)業(yè)能否做強，也是我國制造業(yè)轉型升級的必由之路。

 

第二個階段：2014年~2015年。經(jīng)過第一個階段的探索，核心技術有了一定的突破，產(chǎn)品形態(tài)呈現(xiàn)多種多樣的局面，用戶也慢慢的接受了新能源汽車這個新鮮事物，最重要的是，由于中央財政補貼和地方財政補貼的雙重刺激，吸引了眾多的企業(yè)和資本進入了這個產(chǎn)業(yè)，從而造成了2014年和2015年的井噴式發(fā)展。

 

第三個階段：2016年~2017年（進行中）。我們把這個階段叫做窗口期，或者搖擺期，是因為這個階段是政策逐步讓位于市場的階段，但是由于政府對于監(jiān)管的加強，以及消化前期政策所遺留的額問題需要一定的時間，客觀上加劇了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的波動，使得行業(yè)的發(fā)展在一年當中會出現(xiàn)大起大落的情況。

 

第四個階段：2018年~2020年（預測）。我們把這個階段稱作突破期，政府建立新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長效機制，補貼政策逐步退出，技術和產(chǎn)品取得重大突破，新能源汽車的市場化運作機制初步建立，從而一舉奠定我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)在全球的領先地位。

 

4.2 2020年的關鍵技術目標

 

不同的國家，對于新能源汽車的發(fā)展有各自的考慮，選擇了適合自己的技術路線。我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)目標、市場目標、技術路線等方面都有非常明確的規(guī)劃，對整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了非常好的促進作用。這其中有三份比較重要的文件，對動力電池及Pack的技術路線會有很大影響，值得我們關注。

 

2012年6月28日 ，國務院下達關于印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》的通知。這是我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中最重要的一份綱領性文件，將節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)提高了國家戰(zhàn)略的高度，對市場、產(chǎn)品、技術都做出了明確的規(guī)劃。

 

2016年10月26日，受國家制造強國建設戰(zhàn)略咨詢委員會、工業(yè)和信息化部委托，中國汽車工程學會組織逾500位行業(yè)專家歷時一年研究編制的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》正式發(fā)布，本項技術路線圖描繪了我國汽車產(chǎn)業(yè)技術未來15年發(fā)展藍圖，對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的技術路線做出了更加詳細的規(guī)劃。

 

2017年3月1日，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委 、科技部以及財政部四部委公布了《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》，以加快提升我國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力和水平，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

 

 

這三份文件中，與動力電池及Pack相關的2020年技術指標，如上圖所示。要達到上述要求，未來幾年在工程技術方面需要有比較大的創(chuàng)新。

 

4.3 技術挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢

 

以純電動乘用車為例，2020年的典型技術參數(shù)如下：

 

 

450km的綜合工況續(xù)航里程，已經(jīng)完全可以滿足運營市場的需求，達到每天只充一次電的目標，也可以滿足個人用戶長途駕駛的需要，接近傳統(tǒng)燃油車的滿油續(xù)航里程。車輛使用溫度范圍廣泛，可以適應我國90%以上的國土區(qū)域。在快充狀態(tài)下，可以做到15分鐘充滿80%的電量，大大縮短充電時間。整車的整備質(zhì)量小于1.5噸，百公里能耗在15度電以下，進一步提升電動汽車的能量轉換效率。

 

為了達到上述技術指標，充分滿足市場對于插電式混動汽車和純電動汽車的需求，Pack技術必須在以下幾個方面取得明顯的進步。

 

（一）系統(tǒng)集成效率的大幅度提升

 

按照電芯能量密度300Wh/kg和Pack能量密度260Wh/kg的目標來計算，Pack系統(tǒng)的集成效率要做到85%，而當前乘用車Pack的集成效率普遍在65%左右，這意味著集成效率需要大幅度提升，才能達成目標。

 

 

要提高Pack的集成效率，有兩個可行的途徑，一是優(yōu)化Pack內(nèi)部的結構設計，大幅度減少Pack內(nèi)部的組件數(shù)量，將更多的組件和功能集成在模組和箱體上，從而減輕重量；另一個是采用輕量化的材料，如采用鋁型材或復合材料代替高強度鋼，采用塑膠件代替金屬件等，也可以減輕重量。

 

（二）廣泛的溫度適應性

 

冬天可以在零下20℃，甚至零下30℃的低溫下工作，夏天可以經(jīng)受50℃的地面高溫而不趴窩，同時還要承受3~4C的快充，這是電動汽車大范圍推廣的必要條件。要滿足這一要求，高換熱系數(shù)和快速熱交換的液冷/液熱系統(tǒng)將成為Pack的標配。

 

液冷/液熱系統(tǒng)的設計目標是在-30~50℃環(huán)境溫度和4C快充工況下，將電池單體的工作溫度控制在15~45℃、電池單體間的溫差控制在5℃以內(nèi)。

 

 

綜合運用仿真分析和測試驗證等手段，達到液冷/液熱系統(tǒng)的最優(yōu)化設計，才能做到-30~50℃的使用溫度范圍，以及大倍率和長壽命使用。

 

液冷/液熱系統(tǒng)的設計，必須與整車的冷卻循環(huán)系統(tǒng)相互匹配，必須與Pack的結構設計高度集成，必須達到極高的熱交換效率。

 

（三）3~4C的快充將成為標配

 

想象一下，我們開著電動汽車出門，在充電站需要花費1個小時的時間進行充電，如果碰上充電排隊，可能需要花費2個小時，甚至更長的時間，沒有比這更糟糕的體驗了。家用慢充和充電站快充相結合，是電動汽車普及的關鍵因素之一，對于出租、公交、物流等領域的營運車輛來說，快充的重要性甚至要大于續(xù)航里程，因為充電的時間是無法載客或載貨的，充電時間越長，意味著運營效率越低，損失越大。

 

 

比較合理的快充要求，是在15分鐘內(nèi)，充滿80%左右的電量，這要求Pack達到3C以上的充電能力，在電芯的設計、電連接設計、熱設計、安全設計、以及BMS的能量管理方面，都要做出非常大的技術突破。

 

（四）與車同壽命的Pack產(chǎn)品

 

因為電池包的成本很高，如果做不到與車同壽命，車輛的維護成本將非常高昂，用戶顯然不會愿意為這額外的成本買單。

 

以乘用車為例，如果是個人用戶購買，通常需要達到8年/12萬公里的壽命要求，如果用于營運，壽命可能要達到5年/40萬公里。

 

 

要達到如此嚴格的壽命要求，除了電芯的循環(huán)壽命和日歷壽命要達到目標，還需要電子、電氣、機械組件也達到8年以上的使用壽命。除此之外，在電芯的成組技術、系統(tǒng)的熱管理和能量管理、以及Pack的售后維護等方面，也都有非常高的要求。

 

（五）總結

 

Pack技術的發(fā)展，涉及到多學科、多領域的知識，需要跨學科的技術融合，需要綜合性的、系統(tǒng)性的產(chǎn)品開發(fā)思維，我們不能簡單的把電化學、電子、電氣、機械等作為核心技術看待，還要看到Pack產(chǎn)品所涵蓋的材料、熱交換、電磁兼容等方面的技術特征。

 

要開發(fā)一個可以裝車的Pack產(chǎn)品很容易，要量產(chǎn)一個壽命、穩(wěn)定性、可靠性、安全性都完全符合汽車級要求的Pack產(chǎn)品，則需要大量的工程實踐、理論計算、計算機仿真和測試驗證，還需要基于足夠數(shù)量的產(chǎn)品進行迭代設計，不斷的優(yōu)化和完善。

 

本書的目的，在于通過系統(tǒng)的工程方法和大量的工程實踐，為廣大讀者展示Pack產(chǎn)品設計與制造的基本流程和關鍵技術，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的技術進步。