创新工作方法 破解新能源汽车发展瓶颈

李竞强，康苏媛，甄晓阳

(天津市高技术研究发展中心 天津300051)

创新工作方法 破解新能源汽车发展瓶颈

李竞强，康苏媛，甄晓阳

(天津市高技术研究发展中心 天津300051)

大力发展新能源汽车是提升大气环境质量、发展我国汽车工业的重要战略。新能源车市场需求逐渐扩大，但目前国内纯电动车的电池系统能量密度仍然偏低，搭载的汽车普遍存在行驶里程短、使用成本高、充电基础设施不完善等问题，成为了制约新能源汽车发展的瓶颈。为大力推动新能源发展，破解发展瓶颈，通过对国内外关于动力电池和充电设施的分析，以发明问题解决理论(TRIZ)破解新能源汽车的发展瓶颈，并有针对性地提出了解决方案。

新能源汽车 发展瓶颈 创新工作方法

0 引 言

近年来，随着汽车工业的快速发展，机动车尾气排放带来的污染问题日益突出。据测算，汽车尾气排放占城市污染物的65%。自1993年开始，中国成为石油进口国，石油的对外依存度逐年攀升。环境问题、能源安全制约影响着中国经济社会的又好又快发展。从美国汽车产业创新过程来看，政府在其中的作用毋庸置疑，不论是PNGV还是FreedomCAR都在政府的支持和主导下取得了较快发展。发展新能源汽车是国家确定的重要战略举措，是提升大气环境质量、改善能源消费结构和实现汽车强国的重要途径。由于目前空气污染越来越引起国家和社会的关注，可持续发展也已成为一个新产业的必然要求。国务院于2012年4月18日批准了《节能与新能源产业发展规划(2010—2020年)》，明确了节能与新能源汽车发展的技术路线，即以纯电动车为汽车工业转型的主要战略趋向。

从市场需求来看，新能源车市场的需求逐渐扩大。但目前国内纯电动车的电池系统能量密度仍然偏低，搭载的汽车普遍存在行驶里程短、使用成本高等问题。此外，纯电动车电池系统充电时间长和充电站少等问题也是阻碍其市场快速发展的重要原因。

发明问题解决理论(TRIZ)是由前苏联发明专家G. S. Altshuller带领研究团队在研究大量发明专利的基础上，提出的具有完整体系的发明问题解决理论。在之后的几十年时间里，TRIZ理论得到了不断的发展。为使TRIZ发挥更大的作用，国外学者把TRIZ与其他设计理论结合进行了较为系统的研究，这些理论包括：田口方法论、QFD、公理设计、通用设计理论等。TRIZ是专门解决产品设计和产品制造过程中的各类冲突问题的，而汽车动力电池及充电设施所存在的关键核心技术难题许多都存在冲突。通过开发基于TRIZ的技术集成创新模型用于解决技术难题，可为企业提供有效的解决方案。

1 国内外现状及趋势

1.1 国外现状及趋势

随着近几年电动汽车应用研究和产业化的不断升温，国外一些大的汽车企业和蓄电池厂家针对各种电池做了大量研究，在电池成组集成、管理与应用方面，国外的整车厂经过多年的设计与验证，相继推出了纯电动和插电式混合动力轿车，其中具有代表意义的是美国通用汽车的沃蓝达和日本日产的聆风。通用汽车的插电式混合动力轿车沃蓝达使用LG化学生产的软包电池，组成了16,kWh的电池系统，该系统集成了复杂的电池管理系统和水循环冷却系统，能够全天候、全地域使用，并承诺10年的使用寿命；日产的聆风采用AESC生产的软包电池，组成了24,kWh的电池系统，该系统充分模块化，集成了复杂的电池管理系统和基于风冷的热管理系统，承诺8年的使用寿命。

就全球锂离子电池布局来说，日本、韩国和中国厂商占据主导地位。从技术上看，日本企业仍居于领先地位，其生产设备自动化程度高，中国和韩国均是从日本引进技术和设备，通过消化和吸收，不断完善和提高。

在电动汽车充电方面，目前，美国、日本、以色列、法国、英国等国家都已开始建设各自的电动汽车充电设施，主要以充电桩为主。与此同时，欧美等新能源汽车先进国家也一直在进行智能充电服务平台的研究。美国Charge Point是最大的开放式电动汽车充电网络服务平台，在美国本土涵盖了19,000个充电站，并以每月不低于500台充电设备接入的增速快速发展，电动汽车用户可以通过网站、智能手机应用、车载导航系统享受充电服务状态查询及导航等服务。

TRIZ在国外已应用于产品设计、企业管理、经济、建筑、军事等各个领域。在美国，大型企业集团和科研部门广泛应用着TRIZ理论，产生了巨大的社会和经济效益。福特汽车公司利用TRIZ创新的产品为其每年带来超过10亿美金的销售利润。在德国，最早在产品研发过程中采用TRIZ的是西门子公司。之后，德国所有名列世界500强的大企业都采用了TRIZ，西门子、奔驰、宝马、大众等著名公司都有专门机构及专人负责TRIZ的培训和应用。韩国的三星公司自1997年引入TRIZ到2003年的7年时间里，采用TRIZ指导项目研发而节约相关成本15亿美元，同时通过在67个研发项目中运用TRIZ技术成功申请了52项专利。

1.2 国内现状及趋势

在国内，比亚迪推出了F3DM、E6等电动车，奇瑞也推出了S18纯电动微车，这些车辆均使用磷酸铁锂电池进行成组设计，集成了电池管理系统和热管理系统，并进行了一定量的可靠性和耐久性测试，现在还局限于示范运行或面向集体用户使用阶段。

目前国内从事车用锂离子动力蓄电池研制和生产的单位按正极材料体系主要分为两大类，一类以LiMn2O4为主，代表企业为北京盟固利动力科技有限公司等；另一类以LiFePO4为主，代表企业为深圳比亚迪股份有限公司、天津力神电池股份有限公司、杭州万向动力电池公司等，均已形成了一定批量生产能力，并在电动汽车领域得到了实际应用，积累了大量的实车运行数据。然而随着整车企业要求的不断提高和动力电池技术的进步，磷酸铁锂能量密度低，未来不能满足国家和市场对能量密度、行驶里程的要求，以高容量NCM和NCA为正极材料的高比能量电池的研发成为热点。

在高容量新型正极材料方面，中国科学院、北京有色金属研究总院、清华大学、天津大学、天津工业大学等众多科研机构对高容量镍系正极材料进行了研究并取得了一些进展。

随着我国电动汽车基础设施建设的快速发展，国家电网、中石油、中石化、中海油等大型国企集团都纷纷发布电动汽车充电设施规划或建设意向。目前电动汽车充电设施建设、运营主要有3种商业模式：①公用充电站模式；②停车场(或路边)充电桩模式；③电池更换站模式。国内在充电设施信息化、智能化研究方面也进行了一定的探索和实践。

解决工程难题需要创新方法。目前，我国学者在基于TRIZ的绿色创新设计、协同设计、产品创新设计、基于TRIZ的计算机辅助创新系统等方面做了较多的研究。

2 存在的问题

当前汽车动力电池和充电设施方面存在的许多问题直接制约了新能源电动汽车的顺利发展和普及，而这些问题有的属于设计本身的问题，有的属于产品制造的问题。而对于产品设计的问题，有的属于设计错误，有的属于产品技术系统已经达到了极限而难以提高。前者需要解决设计上存在的问题，后者需要新技术系统的替代。拥有解决不同种类问题的技术和方法，能大幅提高现有技术系统的性能，或者得到一个全新的设计，或者得到一个新的制造技术。

基于TRIZ的创新方法能够提供给工程师解决行业技术难题的知识，然而对于TRIZ在不同工程领域中的有效应用还需要不断地探索与研究。当前，TRIZ在我国的研究与应用多数在机械设计领域，对化工、微电子电路、生物科技等领域技术问题的研究与解决还不够，究其原因是无法从技术内涵中抽象归纳出技术问题下隐藏的原理性冲突。

3 解决方案

3.1 研究开发支持企业新能源汽车动力电池和充电设施产品设计的技术、工艺集成创新模式和方法

该集成创新方法是适应国内该领域企业产品技术创新和升级需要的方法体系，包括解决产品设计存在的关键核心难题以及提出产品新的技术系统，为企业制定多种产品创新设计技术及工艺集成应用的实施方案，并取得较显著的成效，以此解决本行业在产品制造工艺(包括新工艺、新设备和新的组织和管理模式)从概念设计、技术设计到详细设计中遇到的创新问题，从而不断提高产品的质量、生产效率，降低制造成本和缩短交货期等。

3.2 研究专利规避创新模式和方法

在分析与企业产品设计和工艺设计相关专利的基础上，应用TRIZ理论和专利侵权判定规则，开发出更具竞争优势的新技术。在此基础上，结合企业自身技术的特点和优势，制定出与企业发展规划相适应的专利战略以有效保护企业核心技术。

3.3 研究和开发面向汽车动力电池和充电设施产品技术创新需求的问题方法库

开发适合相关企业或行业的技术创新问题方法库。确定问题方法库的功能，定义出适合填入该库的问题方法的标准，提出该问题方法库使用和维护的方法与规则。

3.4 构建应用创新方法解决新能源汽车电池及充电设施关键核心技术难题的合作平台

构建将技术创新方法应用于解决该行业关键核心技术难题的合作平台，探索合作平台的功能实现方法以及运行管理方法，使该合作平台既产生具有自主知识产权的新技术和新工艺，又打造企业的高水平创新人才，最终为提升企业核心竞争能力做出贡献。■

［1］ 刘建睿，尹大川，黄卫东. 高能锂离子电池的研究进展[J]. 材料导报，2001，15(7)：32-35

［2］ 邱纲，陈勇，李东. 电动汽车用动力电池的现状及发展趋势[J]. 辽宁工学院学报，2004，24(2)：41-44

［3］ 陈立泉. 电动车锂离子电池的材料问题[J]. 中国工程科学，2002，4(11)：32-36.

［4］ 马璨，吕迎春，李泓. 锂离子电池基础科学问题[J].储能科学与技术，2014，3(1)：54-65

［5］ 吴春阳，黎灿兵，杜力，等. 电动汽车充电设施规划方法[J]. 电力系统自动化，2010(24)：36-39，45.

Breaking the Development Bottleneck of New Energy Vehicles Through Innovating in Work Methods

LI Jingqiang， KANG Suyuan，ZHEN Xiaoyang
(High Technology R&D Center of Tianjin，Tianjin 300051，China)

It is a major strategy to vigorously develop new energy vehicles to improve the atmospheric environmental quality and the development of automobile industry in China．However，low energy density of full electric vehicles’ battery system，short mileage，high usage cost and imperfect charging infrastructure have become the bottleneck which restricts the development of new energy vehicles．Through analyzing the power battery and charging facilities both at home and abroad，this paper discusses how to crack the bottleneck for new energy automobile development through the invention of the theory of problem solving(TRIZ)．In the end，relevant solutions were put forward.

new energy vehicles；development bottleneck；TRIZ

U469.72＋2

A

1006-8945(2016)08-0022-03

2016-08-02