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Electricvehicle(EV)、Securitytechnology、Thermalmanagementtechnology、Fast-changingtechnology、Fast-fillingtechnologyofHydrogen
第一章、前言
电动汽车(ElectricVehicle)是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合道路交通、安全法规各项要求的车辆[1]。
自1881年GustaveTrouve发明第一辆电动汽车以来,几经沉浮与发展,形成了目前的混合动力电池汽车(HybridVehicle)、纯动力电池汽车(BatteryElectricVehicle)、燃料电池汽车(FullCellVehicle)三大格局[2]。
从历史发展规律中我们得出以下结论:
(1)电动汽车产业发展不取决于内燃机汽车产业的兴衰。
其核心技术竞争力水平是决定电动汽车产业发展的绝对因素。
(2)客观因素(石油危机、政策引导)为电动汽车产业发展创造不断完善、快速发展的有利条件。
然而,如何在纷繁复杂的技术领域中真正建立和提升电动汽车的核心竞争力,打开电动汽车产业化升级的的艰难局面?
其关键在于对电动汽车技术现状与发展前景进行科学分析与合理预测,有选择性的进行重点方向的技术培养与提升。
曹秉刚先生于2004年提出,首先发展铅酸动力蓄电池汽车是明智的选择,由于开发混合电动汽车的难度较大,所以燃料电池电动汽车将成为今后的主流技术,是未来汽车的发展方向[3]。
时至今日,电动汽车基本格局仍未发生较大改变,纯动力电池汽车依旧是最明智的选择。
伴随着锂离子动力电池在技术和成本上的飞速发展,纯动力电池汽车的安全和性能表现逐渐为市场接受,并取代铅酸蓄电池,成为电动汽车发展的主流方向[4]。
环保政策的出台与纯电动汽车技术瓶颈的限制,决定了混合电动汽车的新能源汽车占有率短期内仍将增大,但是这种过渡产物的优势很有可能会由于电池技术性突破而迅速消弭。
也正是这种无法预期的风险,成为阻碍国内混合电动汽车技术性突破与产业化发展的最大壁垒。
燃料电池电动汽车以较高的能量效率与能量密度,将成为未来解决电动汽车续驶里程、最高车速等技术难题的关键技术。
然而,燃料电池技术目前还远未达到产业化所必须的高安全、低成本等基本条件,燃料电池电动汽车
样车目前所采用的储氢高压罐模式以及由此产生的加氢技术更需要进一步的优化发展[5]。
综上所述,电动汽车产业的关键在于纯电动电池车辆技术,尤其是锂离子电池技术的不断改善与进步。
而这种进步,需要的不仅仅是电池工程师的努力,也需要汽车工程师的科学规范与正确引导。
第二章、锂离子动力电池关键技术发展趋势
2.1、锂离子动力电池发展现状
锂离子电池相对于其他电池具有很多优点[6],主要表现在:
(1)高的能量密度:
约是镍镉电池的2-3倍、镍氢电池的1-2倍。
(2)高的工作电压(3.6V):
是镍镉和镍氢电池的3倍。
(3)无记忆效应:
和镍镉电池不同,锂离子电池无因重复的浅充放电而引起充电容量减少的记忆效应,因此,什么时候充电都可以。
(4)安全性高:
因其正极材料为锂的氧化物,而无金属锂,故其安全性高。
由于锂离子电池的巨大优势和广阔前景,近年来锂电池技术发展迅猛,衍生出了很多种类。
表3-1为根据正极材料的不同对锂离子蓄电池的分类。
表1-1根据正极材料的不同对锂离子蓄电池的分类
类别
特点
锂钴电池
LiCoO2
比容量偏低(140mAh/g);
大电流放电能力强;
放电电压高,放电平稳,循环寿命长。
锂镍电池
LiNiO2
比容量高(190mAh/g);
大电流充放能力差、稳定性差;
自放电率低;
对电解液的要求较低。
锂锰电池
LiMn2O4
比容量偏低(120mAh/g);
耐过充性能及电池安全性能好;
价格低廉,蕴藏量丰富;
高温热稳定性差。
铁锂电池
LiFePO4
比容量偏低(130mAh/g);
大电流放电能力差,放电电压平台偏低;
电导率低,低温性能较差;
价格低廉。
锂钴与锂锰电池的电能效能较高,在电动汽车动力电池系统领域也有应用。
但是锂铁电池以更高的稳定性、更加低廉的价格优势、更加稳定的高倍率输出电流,获得动力电池系统设计师的更多关注。
通过对天津比克、天津精进等知名锂电池企业磷酸铁锂电池产品进行分析,目前国内锂离子性能水平达到125Wh/kg(230Wh/L),达到美国USABC中期发展目标,价格平均值为8¥/Wh。
并已经具备实际装车能力。
2.2、锂离子动力电池关键技术发展趋势
基于安全性及耐候性所进行的电池系统安全技术与温度控制技术的研究开发工作为大多数汽车企业所忽视,而这存在于电动汽车示范运营阶段下的隐患,将会成为未来电动汽车大规模产业化的严重瓶颈。
锂离子动力电池的安全性不在于单体电池发生意外的频率,而在于危险性出现所产生的严重危害。
而这种危害的频率与后果,亦随着连接单体数量的递增而恶化。
乘车员对于电动汽车状态的正确判断并在此基础上所进行的安全操作可以显著降低动力电池发生意外的频率与后果。
条件的复杂化将降低判断结果的准确性,而温度无疑是影响电池性能及导致电池系统发生意外的主要原因。
可以预期,基于安全性及耐候性所进行的电池系统安全技术与温度控制技术将成为电动汽车的核心技术。
电池系统安全技术与温度控制技术,其目的在于保证电池模块舱内温度稳定在一定范围内,以保证电池性能的充分发挥;
并在意外发生时采取断电、通风等紧急措施降低危害影响。
目前国外普遍采用液态媒介主动温度控制系统,该技术核心在于如何集成布置媒介回型管路与电池模组。
在此基础上开发绝缘监测系统、自动断路系统、电池管理系统等安全技术与温度控制技术。
国内电动汽车行业对此技术主要采用空气媒介被动温度控制系统,或者只是基于电池模组均衡考虑的空气循环系统。
主要原因在于:
1、锂离子电池产学研一体化体统建设不完善,生产与研究工作存在相
对滞后现象。
致使锂离子电池企业本身对于温度范围的判断模糊。
2、电池企业出于产品安全性原因,在高安时锂电池开发生产方面相较于低安时锂电池严重滞后,低安时锂电池模块的机械布置结构复杂,不利于开发液态媒介温度控制系统。
3、基于液态媒介温度控制系统的绝缘保护与监测技术,电池管理技术国内目前仍处在经验吸收学习阶段,汽车及电池企业的冒进将会承担更大的风险。
电池系统安全技术与温度控制技术未来趋势在于实现电池模块舱体环境温度的高效控制,降低其系统自身的寄生功率,快速响应意外发生时的保护控制策略。
可以预期,电池系统安全技术与温度控制技术的逐渐成熟,将显著提升电动汽车动力系统的工作效率及安全等级,并有效改善基于温度变化引起性能波动的整车耐候性,进一步增加其产品竞争力。
第三章、电动汽车充电技术发展趋势
3.1、电动汽车充电技术发展现状
能源供给是电动汽车产业链中的重要环节,能源供给模式与电动汽车的发展密切相关。
根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性,当前纯电动汽车充电模式主要有:
常规充电、快速充电和电池快换三种模式[7]。
常规充电作为电动汽车动力电池系统进行能量补充和电池修复的重要手段之一,性能水平已经达到顾客可以普遍接受的程度。
充电时间一般都控制在8h以内,输入电压采用220V民用等级,能量转换率较高。
其局限性在于电动汽车作为中长距离运输工具能量的相对不足与应急条件下充电时间的严重滞后。
基于电动汽车中长距离运输及应急条件下的考虑,快速充电和电池快换为此提供了两种技术可行性方案。
快速充电的基本原理是采用380V工业等级,以脉冲式大电流持续充电,30min充电普遍达到80%电池容量水平。
目前国内在多个电动汽车示范运营城市进行了快速充电站的试点建设,以期对快速充电实际运行模式进行综合评估。
其主要难点在于潜在的电网污染与精确的充电设备的技术要求,不宜进行大范围的充电桩布点,与电池更换技术一样需要建设集中式的站台管理;
同时,充电时间及充电机制于电池寿命的影响依然存在质疑。
电池快换技术是动力电池系统物理结构的重组,目前国内还停留在技术讨论与可行性分析阶段。
国外,尚只有在日本东京由BetterPlace公司与当地出租车运营商于2010年4月份进行了全球首个电池快换站点的试点运营[9]。
其主要难点在于电动汽车制造上游企业与电动汽车动力电池下游企业和其他相关企业的统一标准化工作。
电动汽车物理结构需要规范统一的范围涉及电动汽车动力电池系统空间尺寸的标准化、电池性能的标准化、通信系统的标准化等。
同时,站台管理建设的高昂成本以及不可预知的技术突破也将成为电池更换技术推广的重要风险之一。
3.2、电动汽车充电技术发展趋势
电动汽车充电技术的发展与动力电池技术的进步紧密联系。
电动汽车能源供给管理模式的合理规划,科学布局,将有助于解决电动汽车产业升级或者产品换代所引起的模式兼容性问题。
3.2.1、纯动力电池车辆充电技术发展趋势
纯动力电池车辆将揭开电动汽车时代到来的序幕,而针对快充与快换能源供给模式的争论也将随着各车企纯动力电池车型的铺线量产而渐渐明晰。
各新能源车企与机构已经就能源供给模式达成一定的共识,并在各
示范运营区进行示范推广。
对目前行业信息进行分析,电池快充技术将成为近期技术发展趋势。
原因如下:
1、电池快充技术具有更好的兼容性。
快充模式为低速电动汽车与高速电动汽车,动力电池系统机械结构,动力电池系统性能匹配等诸多兼容问题提供了很好的解决方案。
并为电池技术进步所带来电池系统能量密度的提升,空间体积的减小等未来趋势提供了更好的升级方案。
2、电池快充技术具有更好的设计自由度。
快充模式为各车企不同车型提供了更加灵活的设计自由,目前已经达成的共识,需要规范的仅是充电插口机械结构与信号定义的标准化。
3、电池快充技术促进产业的良性竞争。
电池快充技术使企业更加持久细致的关注产品状态、售后服务的改进,降低产业垄断经济链形成的风险。
3.2.2、燃料电池车辆充电技术发展趋势
燃料电池超高的能量密度(1000Wh/kg),是突破电动汽车技术瓶颈的关键技术。
虽然目前还存在燃料电池的成本、体积、标准化和安全认证等问题,但开发商们普遍看好燃料电池的开发与批量投产前景[8]。
如何解决燃料电池与纯电池汽车能源供给站的兼容问题,将成为未来电动汽车产业化推广的一大难题。
合理规划纯动力电池汽车与燃料电池汽车的产业升级,将有效避免社会资源的重复建设,加快节能环保技术的投放效应。
快速充
电与快速充氢技术相结合的能源供给模式,对于应对目前发展方向不甚明朗的电池技术会是一个比较折中的方案,而此混合模式所带来的安全风险是必须解决的首要技术难点。
第四章、电动汽车整车规范发展趋势
电动汽车产业繁荣发展的背景下,渐渐凸显出来的技术夸张、产品拼凑、虚拟市场、盲目跟风等现象[9],引起了业界和政府的广泛关注。
电动汽车生产资质的规范化、产品性能的标准化,将有助于电动汽车行业的持续健康发展与良性合理竞争。
4.1、电动汽车技术指标规范化。
国内纷繁复杂的电动汽车产业格局,亟需政府对于技术指标的规范化引导。
应该在对各车企实际技术水平进行调查统计的基础上针对整车最高车速、续驶里程、爬坡度等性能指标进行规范引导,通过调整技术门槛值,淘汰技术落后产品,鼓励车企在高技术性能指标产品的设计研发与攻坚突破。
针对行业高新技术应用水平进行整顿规范,例如,目前热议的铅酸电池低速电动汽车,可以结合锂离子高速电动汽车,燃料电池汽车等其他技术方向,出台比例权重系数制度。
硬性规定各技术方向的产业比重值,规范检测认证制度。
通过比例权重系数的调整,合理引导产业整体技术方向的发展,避免在单一技术方向领域的过度竞争导致的资源浪费。
电动汽车技术指标的规范化和行之有效的检测认证制度的建立,将有助于改善目前技术夸张、盲目跟风等现象的泛滥,电动汽车产业格局的科学合理分配,促进高新技术与环保理念在电动汽车上的有机融合。
4.2、电动汽车生产资质规范化。
低速电动汽车市场格局的混乱已经成为焦点,据了解,除少数通过场地电瓶车上了国家公告外,绝大部分都属于非法销售[10],市场需求与安全隐患的矛盾凸显了政府在低速电动汽车规范化制度的缺失。
蓬勃的高速电动汽车产业的发展的背后,却存在着更多的担忧。
一些企业毫无整车设计经验,依靠部分技术或者产品完全组装拼凑,部分企业忽视安全控制技术的研发投入,盲目追求动力性能等现象十分突出。
电动汽车生产资质规范化制度的建立已经迫在眉睫。
严谨的产品设计流程与严格的质量控制手段是整车安全性的基本前提。
电动汽车生产资质规范化,首先,必须明确传统整车企业在电动汽车领域的主导地位。
鼓励整车企业对那些没有产品目录,但是具备电动汽车关键技术的企业,进行重组或者合作以达到优势互补的目的。
其次,对于具备进行电动汽车研发与生产,没有产品目录的优质企业,应进行认证调研考察,给予其合法生产的企业资质。
最后,必须正确引导非法进行电动汽车生产的企业进行产业转型。
鼓励具备一定技术水平的企业进行零部件生产,严格取缔产品拼凑型的组装企业。
4.3、电动汽车补贴政策规范化。
电动汽车补贴政策,既是电动汽车产业布局调整的重要手段,也是电动汽车产业推广的强大推力。
电动汽车补贴政策的规范化,有利于电动汽车技术指标、生产资质规范化工作的开展。
已经出台的补贴政策,对于低速电动汽车补贴定义的缺失一定程度上是由于目前混乱的低速电动汽车产业格局造成的,随着各项政策制度的建立,低速电动汽车的补贴政策应该会纳入补贴范围。
由于动力电池系统成本占用率最大,以动力电池能量最为补贴依据具有很高的科学性,但是作为动力电池系统安全保障、性能保障的附加技术或产品也应该纳入未来的补贴范围。
第五章、结论
(2)电池快速充电与快速充氢技术可能为未来能源供给模式的较佳方案。
参考文献
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清华大学出版社,2000.
[2]周苏,等.电动汽车简史[M].上海:
同济大学出版社,2010.
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(1):
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中南大学出版社,2002.
[7]王春光.电动汽车发展的根本出路-标准化、快换电池与统筹管理[J].研究与开发,1999,
(1):
20-21
[8]雅坤.与“氢”一起飞翔[J].世界汽车,2010,3:
28
[9]郑满宁,等.少一些说,多一些做[N].中国汽车报,20101115(A18).
[10]陆曦.低速电动汽车应鼓励还是扼制[N].中国汽车报,20100412(A17).
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