新能源汽车行业技术瓶颈及发展趋势

2011-07-01李晓华

电源技术 2011年11期

李晓华，钱虹

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200093)

在中国应对气候变化、积极推动可持续发展、加速结构调整的背景下，发展节能与新能源汽车已成为一种共识。发展节能与新能源汽车不仅有利于中国实现节能减排目标、降低石油对外依存度、保障能源安全，而且可以带动整个产业链，包括电池、电机、电力电子、电控、汽车零部件、整车制造以及基础设施等产业的发展，从而成为新的经济增长点。

我国电动汽车的技术发展路线呈多元化发展趋势[1]。从“九五”开始，我国将电动汽车技术研究与开发持续列入国家科技计划，建立起以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以动力电池、驱动电机和电子控制技术为“三横”的电动汽车“三纵三横”研发布局。目前我国电动汽车行业发展为“全面开花”的态势，多种技术路线并存，最终将依靠市场来确立最终的主导模式。

1 动力蓄电池是电动汽车发展最大瓶颈

1.1 动力蓄电池技术难题

汽车动力蓄电池是电动汽车的核心部件之一，也是制约电动汽车发展的主要瓶颈之一。理想的车用动力蓄电池要有高能量密度、高功率密度、寿命长、工作温度范围宽、可长期储存(无显著衰减和自放电)、安全性和可靠性良好、成本低等特点。

目前，电动汽车动力蓄电池存在的技术难题主要体现在三个方面：电池比能量、电池成组、充电时间和循环寿命问题，如表1所示[2]。

针对上面的各类难题，随着科技不断进步，未来电池比能耗问题、电网建设和充电站规划将最先得到解决。电池成组和循环寿命是两个相互依存的问题，未来将有可能通过减少电池成组块数甚至用单个整块电池来取代目前的成组电池，通过将电池内部打包的形式来消除成组带来的困难并有效延长动力电池的循环寿命。动力电池充电时间仍是十分棘手的问题，在保证电池使用寿命和质量的情况下缩短充电时间，需要更长时间的研究探索。

1.2 锂电子电池是首选

动力电池是新能源汽车的核心，尤其体现在动力电池成组以及动力总成。电池是技术和成本上的最大瓶颈；动力电池是新能源汽车产业链中技术最核心的一环，未来汽车厂商之间的竞争，将主要是动力电池性能的竞争，动力电池是技术核心的地位将长期存在。表2是各动力蓄电池技术指标比较。

综上所述：锂电池具有长寿命、小体积、无污染、高安全性(铁锂电池)等优点，已被给予厚望。虽然正极材料和电池生产短期内还不够成熟，但长期来看将是新能源汽车中的主要动力电池品种。根据预测，动力锂电池将在2020年达到200亿美元的市场规模，年均成长速度50%。

1.3 BMS是动力和储能电池的必须配套[3]

锂电池应用于小型消费电子产品中时，以单体电池的形式存在，而在新能源汽车中应用时，其要求的容量逐渐增大，需要通过并联串联的方式组成电池组进行充放电。单体锂电池之间的性能差异，决定了其作为动力和储能电池时，都需要电池管理(Battery Management System,BMS)进行充放电的管理、监控和保护，以避免单体电池出现损坏，影响整个电池组的性能。

BMS作为实时监控、自动均衡、智能充放电的电子部件，起到保障安全、延长寿命、估算剩余电量等重要功能，是动力和储能电池组中不可或缺的重要部件。其市场规模将与动力、储能领域的锂电池同步扩张。

2 充电站建设

2.1 充电站建设的发展趋势

发展电动汽车，首先必须建设完备的、与之配套的充电站系统。充电站是给电动汽车提供持续动能的场所。电动汽车以电为动力，动力蓄电池就如同燃料汽车的“燃油”一样，通过一系列能量转化形成发动机所需的动能，充电站就是为动力蓄电池提供持续运动的能量，因此动力蓄电池的技术及其发展就成为充电站乃至电动汽车发展的关键问题，其技术发展的趋势在一定意义上决定了充电站未来的商业模式，也决定了电动汽车的发展格局。

电动汽车充电模式包括三种：常规充电模式，快速充电模式和更换电池模式。常规充电模式：又称慢速充电模式，这种情况下充电电流相当低，约15 A，充电时间较长，一般为5～8 h，甚至长达10～20 h。常规充电模式下，对充电设备功率和电流要求不高，充电设备成本较低，电池使用寿命长。缺点在于充电时间过长，难以满足车辆紧急运行需求。

快速充电模式：这种模式下，以较大电流在短时间内完成充电，一般充电电流为150～400 A，在约10～15 min的时间内能使电池储电量达到80%～90%，与加油时间相仿。缺点是充电电流大，充电设备成本较高。

更换电池模式：电动汽车用户租用充满电的蓄电池，更换已经耗尽的蓄电池，提高用户使用的方便性和快捷性，这种模式要求电池和电动汽车标准化。

2010年7月6日，财政部、科技部、工信部、发改委在深圳联合召开全国私人购买新能源汽车试点工作会议上指出，“统一电动汽车所用动力电池的规格和尺寸，决定了将来更换电池的可行性”，建议“充电的方式以慢充电和分散式充电为主，不宜大规模建设集中式快速充电设备，特别是针对私家车”。目前电动汽车充电以“慢充+换电”为主要方式(图1，图2)。

图1 充电站技术推进路线

图2 充电站发展路线

2.2 电动汽车充电站“十二五”将迎来大规模建设

“十二五”期间，国网公司将根据各城市电动汽车发展规划，积极推动电动汽车充电站的建设和运营，在国家电网汽车示范推广区域构建完善的充换电网络，在其他地区建设示范性充电设施。“十二五”国网公司计划建设约900座充(换)电站，约23万多个充电桩，加上已经建成的充电站，到“十二五”末，国网公司自主建设的充换电站和充电桩分别达到1000座和24万个，初步形成覆盖公司经营区域的充电服务网络，基本满足50万辆电动汽车发展的需要。“十二五”国网电动汽车充电站的总投资预计在200亿元，投资规模随着充电站逐渐推广而递增，预计2015年达到投资高峰期。

目前，国网公司更倾向于采用可充可换的充换电站，这种站集充电、换电于一体，对于大型车可以采用换电池来快速完成电池续航，对于小型车可采用快速充电模式。2010年7月1日，国网公司首座全功能电动汽车充换电站投入运行，9月29日，江苏省苏州市邓尉路电动车充换电站也投入投运，根据国网的规划，“十二五”期间苏州将完成30座充换电站的建设，另外，常州也将建设28座充换电站。我们判断未来国网公司电动汽车充电站建设更多会采用充换电站模式。

2.3 基础设施建设与电网协调发展

电动汽车的大规模推广依赖于充电基础设施网络的建设。与此同时，电动汽车大规模应用后社会效益和经济效益的体现、以及充电设施系统综合效益的发挥，都依赖于智能电网的配套建设。因此，电动汽车、基础设施与电网之间的协调发展非常重要。

对于电网来说，电动汽车属于新型用电需求，具有移动性和多样性的特点，发展电动汽车对于电网来说既是机遇又是挑战。第一，充电网络的覆盖需要达到一定的广度和密度，这与电网的建设和改造密切相关；尤其是电动汽车的快速充电功率可达上百千瓦，对城市配电网的改造提出了需求。第二，电动汽车相当于为电网提供了大量的分布式储能元件，若能够实现有效管理和引导，电动汽车不仅可以发挥削峰填谷的作用，而且对于电网接入不可控的可再生能源发电问题非常有帮助；反之，若电动汽车的充电高峰与晚上的用电高峰叠加，则需要新建电厂来满足新增负荷。

因此，“充电网络”和“智能电网”这两张网的建设应当充分结合起来。目前国家电网和南方电网都已将电动汽车作为智能电网的重要环节之一来考虑；城市在制定充电设施网络规划的过程中也有必要充分考虑到其与智能电网的协调发展，而不仅仅是孤立的考虑充电网络建设的投资。表3为同充电模式对电网的影响。

2.4 车网互联(V2G)模式推动新能源汽车产业发展

V2G模式[4]描述的是这样一个系统：电动汽车既可以从电网充电，也可以将电动汽车储能电池中的电能输送回电网。通过V2G模式，可进行电动汽车和电网的双向电力交换，这对于发电、供电企业的高效平稳运行，电动汽车产业的蓬勃发展带来了新的希望。

V2G模式的推广可以实现以下功能：

(1)电动汽车在晚上电力需求小，电价低时从电网充电，白天电力需求大，电价高时将电反馈给电网，起到削峰填谷、平衡电网的作用。

(2)改善电能质量，通过电动汽车储能优化供电品质如负荷跟踪，调频、调压和功率因素修正。

(3)对间歇性的可再生能源接入电网起到缓冲作用。如遇到大风时将过量的风电储存在电动汽车里，在负载高峰时再反馈给电网，从而对间歇性的风能起到稳定的作用。

(4)电动汽车可以作为分布式储能系统，在突然停电状态下提供备用电力。

(5)V2G电力还具有调频、调压等改善电能品质的功能以及紧急状态下作为备用电源的功能。

3 稀土永磁同步电机成为主流

新能源汽车驱动电机在性能方面具有较为苛刻的要求，只有高性能的驱动电机才能满足新能源汽车的要求。由于新能源汽车驱动电机通常要求能够频繁地起动/停车、加速/减速，转矩控制的动态性能要求高；为了取消笨重而低效的多级变速器，在低速或爬坡时，要求的转矩高，而高速行驶时，转矩低；驱动电机通常要能够承受高达4～5倍的过载；驱动电机要求调速范围大，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，同时在整个调速范围内还得保持较高的运行效率；新能源汽车驱动电机的工作环境比工业驱动恶劣，在结构、环境适应度、可靠性方面要有所考虑；在经济成本、体积尺寸方面也要考虑。

因此，新能源汽车对驱动电机的要求：(1)体积小、质量轻；(2)在整个运行范围内的高效率；(3)低速大转矩特性及宽范围内的恒功率特性。即使没有变速器，电机本身也应满足所需要的扭矩特性；(4)高可靠性，在任何情况下都应确保具有高度的安全性；(5)价格低。

目前，新能源汽车驱动用的电动机通常有直流电机、交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。其中，用钕铁硼制造的永磁电机，具有体积小、耐高温、磁力强、寿命长、省能耗、效率高、高可靠性、高转矩密度等特点，是新能源汽车驱动电机首选。近年来，日本在电动车、混合动力车、燃料电池车上用的驱动电机大多采用稀土永磁同步电机。表4为驱动电机技术指标比较。