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国内外新能源汽车技术发展现状与趋势

新能源观察员(稿源) 2022-2-12 18:19 No.1659

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  全球新能源汽车发展概况及总体趋势


  



  从国家出发


  美国这些年发展比较平稳,新能源汽车基本上10万辆/年的销量。日本现在的量不是特别大,特别去年还有比较大幅度的下降,分析原因,主要是受油价的影响,另外就是日本普通的混合动力汽车发展非常快,实际上它总量是有限的,此消彼长,可能在某种程度上也影响到纯电动汽车的发展。在欧洲,像法国、英国,发展还是比较快,都有百分之四五十的增长。


  从车型出发


  现在新能源汽车按我国的界定,主要就是纯电动和插电式混合动力,还有燃料电池汽车。目前,主要还是在纯电动和插电式混合动力这一块,特别是纯电动汽车的量最大。燃料电池汽车现在从全球看处于产业化的初期,也就是产品的市场导入阶段,主要的销量是在日本、美国,实际上主要是丰田的销量。去年大概是500辆的市场规模。


  



  畅销车型


  纯电动的还是占多数,有12个,特别是特斯拉,现在还是全球的销售冠军。中国也有九款车进入到全球畅销车型前20名的行列,在市场化方面确实处于领先的位置。


  技术趋势


  新能源汽车有两个方面。一是新能源本身的一些技术发展,这个大的趋势大家都很清楚,无非重点核心还是在动力电池方面,如何提升能量密度,如何提升续驶里程,包括降低成本。但是我们也从另外的层面看一下整个汽车产业的趋势,也是新能源汽车发展的一个大趋势,即:轻量化、智能化、低碳化。


  轻量化


  每减重1%,带来的节能效果还是非常显著的。特别是对新能源汽车来讲,因为现在电池的能量密度还比较低,整个车重还是比较重,对新能源汽车来讲更需要轻量化。与此同时,轻量化带来的不光是技术上的进步和革新,更重要的是它会带来一些对传统制造加工工艺,包括生产模式的重大变革。


  比如说像宝马


i3(参数|图片),大范围地使用了碳纤维的材料,它现在整车的重量只有1195公斤,比传统车减重了250-350公斤,减重的效果是非常明显的,而且它车身的重量仅仅180公斤,整个复合材料的使用率达到50%。


  所以现在碳纤维这种新型轻量化的材料未来在电动车上可能会首先进行普及和应用。另外,像特斯拉也在铝合金的材料运用上也做了大量的工作。


  智能化


  无论从传统车来讲,还是和电动车的结合来讲,智能化都是一个新的发展热点。对于电动车来讲,更有应用的优势,因为本身电控的水平程度比较高。按照国际上大家共识的发展前景来看,日本和欧洲目前的预计,实现全自动的驾驶大概在2025-2030年的阶段,也就是十年左右的阶段。


  低碳化


  这里讲的低碳化实际上是一个全生物周期的概念,现在发展电动车在社会上还是有不同的声音,包括对电动车到底减不减排还有质疑,主要因为电力的结构,煤电将近70%的比例,如果电动车的能耗不能控制在合理的程度,确实会存在不减排的状况。从未来的角度来看,必须要引入可再生能源,真正实现生物周期的低排放和零排放。这不光是国内所关注的,这些年国际上对这块也投入了很大精力,特别像欧洲、美国、日本在这方面都做了很多试验验证的工作,积极推动新能源汽车和可再生能源的融合,在未来,这也是重要的发展方向。


  非常重要的环节是,如果说新能源汽车和可再生能源,包括智能电网的融合,它不光是解决了环保效益的问题,更重要的一点,它还能带来在经济性方面的收益,特别是电池的梯次利用。如果能够实现动力电池的梯次利用,对新能源汽车降低成本,能够快速地普及会发生非常重要的推动作用。


  国内新能源汽车技术进展


  从车型出发


  以纯电动汽车为主。纯电动汽车里,


商(参数|图片)用车和乘用车的数量相当,这也是我们与国外不太一样的地方。在全球看,国外的重点还是在乘用车。一项针对去年市场上销售前10名的统计显示,目前销量的冠军还是插电式的,比亚迪·


秦(参数|图片)的量是比较大。在前10名的车型里,纯电动的有7款,插电式的有3款。


  



  技术进展


  对于纯电动乘用车来讲,整车全新结构适应电动车特点的专用的电动化底盘的开发,包括全新结构的整车开发,这是一个非常重要的标志。因为前期基本上都是改装车,都是在原有燃油车的基础上进行改装,所以很多性能得不到优化。


  国内的技术水平与国外的产品有两三年的差距,也就是半代产品的差距。


  能耗和动力性能


  这是显性的指标,日产的LEAF是一款代表性的车型,这款车的车重将近1.5吨,它的能耗百公里是在11.4度的水平。与之相比,国内产品在能耗水平上还是有欠缺,比如上汽的150,车重轻了将近400公斤,但是电耗略高。说明国内的整个性能的优化,低能耗方面还要继续下工夫。所以目前新能源汽车补贴政策里也在酝酿,除了对纯电动乘用车子有续驶里程的要求之外,要增加对能耗的一些要求。


  动力加速的时间和国外也有比较大的差距。这两个指标是大家能看到的,显性的指标,实际上内在的一些指标,包括可靠性,还有整个车辆操控的品质、舒适性等方面的性能,都是直观看不到的,差距更大。


  新能源客车


  在技术上,我国处于领先的地位,市场应用规模在全球也是最大的,而且这个领域也是创新最活跃的,各种技术方案层出不穷,在各地都得到了规模化的实际应用。


  技术方案


  主要的技术方案包括长续驶里程、慢充方案,也包括短续驶里程、快充的方案,比如说钛酸锂的方案,还有换电的方案,也包括在线充电,利用超级电容的方案,还有增程式的方案以及插电式混合动力的方案。各地可以根据自己实际情况有针对性选择,这些方案从经济性的角度来看,长续驶里程、慢充的方案和换电的方案,成本比较高,在选择的时候,对经济性要做深入的分析。


  



  



  这是零部件的一些情况。


  电机


  从产品上看,国内基本覆盖了200千瓦以下的新能源汽车车用电机动力的需求。驱动电机的功率密度、效率这些技术水平与国际水平基本相当,峰值功率大多在2.8-3000瓦/公斤。现在正在开发高转速电机,而且也得到了应用,最高的转速现在能够达到12000转的水平。


  电池


  进步较为明显。磷酸铁锂的电池得到了大规模的普及应用,能量密度从2007年的90瓦时/公斤提高到目前140瓦时/公斤。三元材料这近几年得到了重视,也开始批量化地上车,能量密度能够得到180瓦时/公斤,与国际单体的水平基本上同步。


  电池的系统价格从2007年的5元/瓦时下降到了3元/瓦时。功率型的电池,比功率最高达到了3000瓦/公斤。另外,钛酸锂的电池也解决了气胀等一系列的技术问题,也得到了实际的应用。


  整车控制和集成


  骨干的整车企业现在都具备了开发的体系和开发的能力,从系统到软件到硬件三个层级。特别在软硬件开发模式中,兼容了全球最先进的体系,基本掌握了纯电动的整车集成控制、评价技术。


  充电机、电动空调


  国内研制开发出了相应的产品。众所周知,空调制冷、制热对电动车的能耗以及对续驶里程的影响非常大。在加热方面,现在主要应用CTV的方式。但是这几年也在推动高效的热泵空调技术研发。目前,样机已完成,这两年重点解决产业化的问题。


  制动上取得了一系列的进展,包括电动的助力转向系统,已经实现了产品化。燃料电池目前还处在技术研发的阶段,与国外的差距在拉大,特别在产业链上差距更大。国外整车在燃料电池研发过程当中,作用和决策发挥了非常重要的作用,关键的零部件,包括到材料的产业链、研发的体系非常完善的。国内在产业链环节缺失非常严重,很多关键部件解决不了,需要依赖国外的进口。


  



  国内新能源汽车技术发展状况


  技术状况


  目前国内可以实现零下20度的冷启动,而国外都是零下30度以上的水平。国内的寿命3000小时,国外至少在5000小时以上。功率密度,国内现在达到2000瓦/升,功率密度是2000瓦,重量的比功率是1000瓦,能量效率60%,特别是铂的分担量是0.6克/千瓦,虽说降的幅度比较大的,但是对比国际来讲,还有很大差距。现在,日本已达到0.2克/千瓦的水平,未来的目标是0.1克/千瓦。铂用量的降低,直接影响到燃料电池成本的下降。


  整车


  现在整车企业的参与度还不高,投入也严重不足。我国的轿车和客车与国外比较,在车辆的效率、续驶里程、成本、耐久性、加氢的时间、低温启动的性能等方面全方位地落后。


  在纯电动和插电式方面,国内在关键核心技术方面落后于国外。比如说纯电动汽车,国内欠缺批量化的生产工艺。质量控制、可靠性以及成本控制等方面也需要进一步提升。


  在插电式混合动力汽车方面,技术难点多,相对比较复杂。混合动力专用的发动机、增程器、机电耦合装置、电机系统等关键的零部件差距比较大。


  电机和电力电子总成


  电机的转速和控制器的功率密度依然要提升,电力电子的集成度现在还不高。电池和管理系统也涉及到一致性、可靠性的问题,包括集成的问题。整车电控这方面,在整个验证、测试、标定方面的经验积累不够,仍需要许多技术工作。


  



  燃料电池


  国内轿车用的发电机功率明显低于国际的水平,最根本的原因是功率密度现在比较低。


  耐久性


  考核做得不够充分。举例来讲,现在客车的耐久性只有3000小时,国外已经做到1万小时以上的水平。


  国内新能源汽车技术发展趋势


  



  国际能源署IEA


  从2020年开始,传统汽柴油汽车的市场份额开始进入到下降的通道,新能源汽车,包括普通的混合动力汽车在未来应该说是市场份额持续扩大的趋势。


  右上角的这张表是技术路线图课题组对未来形成的预测和判断,中国新能源汽车年销量的目标,2020年预计在200万辆的规模,到2025年是500万辆,到2030年是千万辆的市场销售规模。


  在分阶段的技术发展目标和路径上:


  整车


  从整车来看,主要的工作是降重量、降能耗、提高续驶里程。对插电式混合动力来说,最主要是降低油耗。这和以前提的综合油耗不同,综合油耗是把电耗和油耗折算在一起,如今要重点考核混动模式下的油耗。为了真正检验插电式混合动力汽车的混合动力系统的技术水平,会相应地提出一些油耗指标的要求。


  零部件


  电机:提升比功率和比扭矩,对于电机的控制器要提升功率的密度。


  电池:现在提的目标是到2020年单体比能量达到300瓦时/公斤,2025年达到400瓦时/公斤,到2030年达到500瓦时/公斤。目前的最好水平是180瓦时/公斤,到2020年要达到300瓦时/公斤,挑战性高。


  成本


  成本:单体成本到2020年要降到1元/瓦时,系统的成本要降到1.3元/瓦时,2025年单体的成本要降到0.8元/瓦时,系统的成本要降到1元/瓦时。到2030年,单体的成本要降到0.6元/瓦时,系统的成本要降到0.8元/瓦时。成本要逐渐降低。


  



  燃料电池除了车之外,氢能也是非常关键的一个环节。到2030年,基本采取了大规模的集中制氢和分布式制氢并行的技术方案。在2025年之前,大规模的集中制氢主要是焦煤气和驰放气这种技术方案制氢,2025年之后是大型煤制氢。对于分布式制氢,逐渐会更多引入可再生能源的分布式制氢。


  对于燃料电池整车的目标,从发动机来讲还是要提升功率的水平,轿车和客车都是逐渐提高。


  寿命方面,要从目前轿车和客车分别3000小时、5000小时要提高到5000-10000小时(2020年)。成本要有显著的下降。


  燃料电池方面需要做的工作,从材料、部件、发动机、动力系统到整车、氢能的利用,包括到规模化的示范,都需要完整的、全面的、系统的往前推进。


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