新能源机动车及其关键零部件发展趋势及其检测平台的研究

2018-09-04徐达成裴冯来任宏伟范昊天梁梦晨

制造业自动化 2018年8期

徐达成，裴冯来，任宏伟，范昊天，梁梦晨

（1.上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805；2.国家机动车产品质量监督检验中心（上海），上海201805；3.国家新能源机动车产品质量监督检验中心，上海 201805）

0 引言

随着电动汽车向产业化迈进，其快速发展的过程对产品的质量提出了更为苛刻的要求。当前，国家优惠补贴政策正在逐年降低，如何在降低电动汽车的生产成本的同时提高其性能成为了行业研究的重点。而针对电动汽车检测及研发主要面临的问题集中在电池、电机、电控、燃料电池发电机和充电接口检测技术上。本文将结合国内标准状况，分析电动汽车及其关键零部件的发展趋势，为第三方检测机构提供平台建设上的技术支持。

1 发展现状及瓶颈

目前国内动力新能源电池主要的制约因素为能量密度、电池安全、电池成本和电池寿命等。当前我国主要运用的还是磷酸铁锂电池，其优点为成本低、安全性较好，但是其能量密度相对较低，距离国家2020年单体350wh/kg[1]、系统260wh/kg的能量密度要求有很大差距。三元锂电池能量密度大，电压高[2]，是未来发展的主流趋势，但安全性能较差，只能用于乘用车和专用车，不得用于新能源电动客车。电池如何在提高自己的能量密度的同时确保安全性能已成为新能源电池的研究重点。

当前电机主要问题在于高转速的情况下扭矩下降得比较厉害。同时电机的外形也比较庞大，尤其是商用车的电机。如何提高电机的功率密度，优化电机的外特性曲线也成为了电机未来发展的趋势。

而针对充电装置而言，充电功率越大，其充电所产生的能耗越高。基于新能源车辆的无线充电已处于起步阶段，如何提高无线充电的效率，降低电磁辐射对人体的影响[3]也是当前需要探讨的话题。

世界范围内，氢燃料电池汽车发展已进入商业化初期，其发展受到氢源基础设施（包括制氢、储氢、加氢）、整车、系统、核心零部件及材料全产业链技术及商业水平的制约。具体到我国，在补贴政策不退坡和双积分政策的利好下，氢燃料电池汽车已进入发展的快车道。但跟国际先进水平相比，目前我国在加氢站数量和制/储氢水平、系统工程化程度、核心部件水平和材料关键技术及制备上仍存在着差距。

2 发展趋势及突破

2.1 目前针对电池

1）动力电池

目前最常用的几种锂电池材料有钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）以及三元材料（NMC/NCA）等。从寿命、成本、安全、能量这四个重要性判据来看，这几种材料的各项表现如表1所示。

钴酸锂是首个被成功用作商业化的锂离子电池正极材料，它有着较高的能量与寿命，但由于钴资源相对贫乏、价格较高、对环境有毒性等缺点，再加上该材料的安全性能较差、容量相对较低，大大限制了其广泛的应用和长远的发展。锰酸锂电池具有价格便宜，安全性高的优点，而能量密度低、寿命短却是其不可掩盖的缺点。磷酸铁锂由于其相对低的价格、良好的安全性能以及寿命而被广泛应用于目前车用锂离子动力电池的材料中，但相对于三元材料，它的能量密度还是偏低。而三元材料则是目前常用材料中能量密度最高的了，它也有着较高的寿命，可惜钴元素的稀缺导致了它的高价格，而且其安全性能也较一般。

表1 电池材料性能对比表

除了这些主流材料，有些新兴的动力电池材料也在积极研发中，例如石墨烯、硅负极、铝箔涂炭陶瓷混胶隔膜、芳纶涂覆隔膜、CNT等等。

2）燃料电池

燃料电池汽车发展已进入商业化初期，目前主流的燃料电池有质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池[4]和碱性燃料电池等。其优点为续驶里程长，充电倍率快，而缺点也同样明显，即初期投入资本过大。

当前燃料电池的关键点主要在于其关键材料上。催化剂、质子交换膜、双极板等均是当前研究的重点方向。目前我国催化剂的研究单位只有大连化物所，其最新研发的催化剂在Pt的含量、催化剂比表面等性能参数达到了国际先进水平。新源动力公司生产的复合质子交换膜在平均厚度、质子电导率及透气性等方面的参数均优于美国Dupont的NRE212。在双极板方面，美国通用公司和日本丰田公司相继开发出了金属双极板，从而可满足高体积功率密度和高质量功率密度的要求，同时，我国在双极板的厚度、电阻率等参数方面也已经追赶到了世界前沿水平[5]。

3）锂电池正极材料试验研究

锂电池正负极材料的研究是锂电池技术突破的关键点。正极材料中，三元材料以较高的比能量和可接受的成本，被广泛使用，但其安全性较低一直是困扰电池厂家的问题。关于电池性能，以三元材料为例，不同的镍钴锰的含量配比，对电池性能会有显著影响。从负极材料的角度，石墨类碳材料一直处于负极材料的主流地位，钛酸锂具有高安全性和高循环性，虽然比能量相对于石墨负极较低，但其也是未来绿色锂电池的发展方向。硅碳负极是动力电池新材料。通过在人造石墨中加入10%的硅基材料，可让电池容量达到550mAh/g以上，电池能量密度可达300wh/kg。现在，这种用硅碳复合材料来提升电池能量密度的方式已是业界公认的方向之一。当前各个高校也在致力于研究锂电池正负极材料来提高锂离子电池的性能。

2.2 针对电机电控

电机的功率密度决定着电机的外观尺寸大小，电机做的越小，存放于车辆中就越方便。研究高功率密度电机在高频供电条件下，减少损耗，提高效率是电机当前的发展趋势。目前，通过碳化硅材料设计控制器是提高电机功率密度的一个发展方向。如何攻克低感高密度碳化硅模块的封装及碳化硅电机驱动系统的寿命周期成本是需要解决的一大难题。

同时为了提高电驱系统的功率密度，针对电机、电控、车载充电机、DC/DC变换器、传感器等一体化驱动电机系统也是未来发展的方向。

针对充电而言：

无线充电是未来智能化中必不可少的一项。未来，不管是新能源车不仅可以进行静态的无线充电，同时可完成动态无线充电，即一边开车一边充电。但是，无线充电目前还存在如下一些问题：

1）当原边和副边没有完全重合时，其充电效率受到的影响较大；

2）无线充电的兼容性；

3）无线充电的成本；

4）异物对无线充电的影响；

5）电磁场对人体的危害。

由于目前无线充电处于起步阶段，需要进行大规模的试验数据积累。

2.3 针对新能源机动车

随着汽车工业的发展和进步，汽车制造行业采用的技术不一，用材不一，导致现有的汽车检测技术不能够完全支撑汽车检测。因此，为了加强汽车检测技术的时效和成效，汽车检测逐渐向制度化和标准化发展，以便能够有效的促进汽车检测的效率和质量。

车辆检测设备的网络化，随着网络技术的飞速发展，今后网络化已经成为车辆检测的重要方向。加强网络化，数据化检测。采用大数据式的检测，针对需要检测的车辆，可以随时调入该类型车辆的数据，就像看病人的病例一样，利用网络化，数据化平台，可以随时调入该车型，相关车型的数据。并根据历史数据针对性的对该车辆的某一方面进行测试。

汽车检测技术标准化，流程化，集成化；根据当前车辆的测试项目，对车辆的检测技术采用小空间，快速的检测方法。提高当前检测方法的效率。减少检测技术的场地需求。

3 发展规划

未来基于电力化平台的智能新能源汽车和测试技术体系化及智能化的平台必是新能源机动车的发展趋势。其中基于电力化平台的智能新能源汽车平台有：1）传感器、控制器、执行器的集成；2）综合能量管理及控制系统（电/电混合）；3）分布式驱动。而基于测试技术体系化及智能化平台有：1）现有设备的自动化测试系统；2）基于大数据库平台的分析系统；3）AI技术应用。

针对上述新能源产业的发展，可从以下几点进行规划：

1）硬件能力：中心的设备能力需要跟上产品的进步。这需要我们多参加行业内的标准制定规划，提早知晓新标准的测试方法及相对应的测试能力，这样可以尽早规划设备采购项目，做到新标准能力的全覆盖。

2）软实力建设：软实力也需要跟上设备的更新。工程师在检测试验样品的同时，不能仅是做机械式的无用功，在试验的过程中需要积累试验数据，并善于发现问题，进行对比。需要会分析试验不合格的原因及如何改进的方法。

3）协同创新平台：和大学进行科研方面的交流，产学研紧密合作。了解当前研究的新内容及发展趋势，探讨以后可能出现的新技术，同时为以后可能会出现的新检测样品做好准备。

4）产业化支撑平台：和整车厂紧密合作，为他们的委托试验提供设备和人员的帮助。了解整车厂的需求及发展方向。